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    細(xì)水霧粒徑對管內(nèi)瓦斯爆炸特性的影響機(jī)理研究

    2021-10-25 06:00:48常新明張紅軍魏垂勝劉永志王發(fā)輝
    關(guān)鍵詞:傳播速度水霧管內(nèi)

    常新明,張紅軍,魏垂勝,劉永志,王發(fā)輝

    (1.河南龍宇能源股份有限公司,河南 永城 476600;2.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

    0 引言

    我國是煤炭生產(chǎn)大國,瓦斯突出礦井約占煤炭總礦井的一半。瓦斯是煤礦安全的最大威脅,全國煤礦重大安全事故70%以上都與瓦斯爆炸有關(guān)。同時,瓦斯是儲存于煤層中的非常規(guī)天然氣,是常規(guī)天然氣最現(xiàn)實(shí)可靠的補(bǔ)充或替代能源[1]。長期能源短缺導(dǎo)致的能源價格上漲是中國經(jīng)濟(jì)增長中的一個短板,所以所有可以利用的能源都是寶貴的。但是,國家發(fā)展和改革委員會公布的數(shù)據(jù)顯示,全國煤層氣利用率僅為23%,這意味著大多數(shù)煤礦瓦斯都排入到了空氣中,不但造成極大的能源浪費(fèi),而且瓦斯中的甲烷產(chǎn)生的溫室效應(yīng)也僅次于二氧化碳[2]。因此,將本來排空的煤礦瓦斯變?yōu)榍鍧嵞茉?,做到“變廢為寶”,可以彌補(bǔ)我國現(xiàn)階段的能源短缺問題。我國現(xiàn)有煤礦生產(chǎn)中抽采的瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于30%的占70%以上,其中相當(dāng)一部分瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于16%[3-4],這種體積分?jǐn)?shù)的瓦斯在開采、運(yùn)輸和利用過程中存在極大的安全隱患,主要原因是5%~16%體積分?jǐn)?shù)的瓦斯易燃易爆,甚至輸運(yùn)過程中產(chǎn)生的靜電、粉塵摩擦都可能導(dǎo)致瓦斯管道發(fā)生爆炸[5]。目前,在實(shí)際工程應(yīng)用過程中,保證低體積分?jǐn)?shù)瓦斯安全輸運(yùn)的技術(shù)主要有:管道內(nèi)噴粉抑爆[6]、添加細(xì)水霧抑爆[7]、惰性氣體抑爆[8]等。其中細(xì)水霧抑爆與其他抑爆技術(shù)相比,具有清潔、環(huán)保和成本低等優(yōu)點(diǎn),且細(xì)水霧添加也容易實(shí)現(xiàn),因此,開展細(xì)水霧抑制管道內(nèi)瓦斯爆炸的機(jī)理研究,對實(shí)現(xiàn)煤礦低體積分?jǐn)?shù)瓦斯的高效利用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[9]。

    對于細(xì)水霧抑制管內(nèi)瓦斯爆炸的研究,國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作,取得了一定成果。余明高等[10-13]、溫小萍等[14]、王發(fā)輝等[15]通過將細(xì)水霧與惰性氣體、多孔介質(zhì)等結(jié)合的方法探究綜合作用下細(xì)水霧對甲烷燃燒的影響,結(jié)果表明都能對瓦斯爆炸起到一定的抑制作用;A.Yoshida等[16]、W.Ebina等[17]通過試驗(yàn)和模擬方法,研究了水霧對管道內(nèi)甲烷燃燒的抑制作用,發(fā)現(xiàn)由于水霧的存在,甲烷燃燒過程中產(chǎn)生的H,O,OH自由基數(shù)量減少,從而導(dǎo)致火焰反應(yīng)速率下降;T.Parra等[18]通過試驗(yàn)研究了細(xì)水霧與預(yù)混火焰在受限空間內(nèi)的相互作用機(jī)理,認(rèn)為細(xì)水霧對于火焰的抑制作用主要來自于水蒸氣對于氧氣的稀釋;K.Van W ingerden等[19-20]認(rèn)為細(xì)水霧對火焰的影響與其粒徑有關(guān),大粒徑水霧會增加燃燒的湍流效應(yīng),從而促進(jìn)火焰爆炸。多數(shù)研究是通過改變水霧,分析不同條件下的水霧抑爆效果,并分析各因素對抑爆效果的影響規(guī)律。但從目前研究成果可以看出,大多還是從宏觀層面探究細(xì)水霧參數(shù)變化對火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸壓力等宏觀參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析,而針對細(xì)水霧和爆炸火焰之間的耦合作用的微觀機(jī)理,比如反應(yīng)速率、細(xì)水霧蒸發(fā)特性等還鮮有研究,這難以全面揭示細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的作用機(jī)理,需要進(jìn)一步明確細(xì)水霧-爆炸火焰-湍流之間的耦合作用。因此全面分析細(xì)水霧對瓦斯抑爆特性的影響規(guī)律是細(xì)水霧抑爆技術(shù)應(yīng)用目前亟待解決的問題。

    本文通過搭建的半開放試驗(yàn)管道研究細(xì)水霧粒徑對管道瓦斯爆炸抑制特性的影響規(guī)律,并通過數(shù)值模擬方法研究細(xì)水霧作用下火焰內(nèi)部溫度場和燃燒反應(yīng)速率的變化規(guī)律,更深層次地探究細(xì)水霧抑制管道瓦斯爆炸的作用機(jī)理,以期為細(xì)水霧抑爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

    1 試驗(yàn)

    1.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

    1.1.1 試驗(yàn)裝置

    圖1為研究細(xì)水霧粒徑對瓦斯爆炸影響的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置主要由3部分組成:第一部分是由有機(jī)玻璃管、水霧噴嘴和點(diǎn)火裝置組成的試驗(yàn)管道,尺寸為150 mm×150 mm×1 700 mm,右側(cè)采用不銹鋼板進(jìn)行封閉,鋼板中心安裝脈沖點(diǎn)火頭,左側(cè)泄爆口采用PVC薄膜密封,管道頂部距離管道封閉段850 mm處安裝霧化噴頭,可產(chǎn)生平均粒徑5μm和45μm的細(xì)水霧;第二部分是由甲烷高壓氣瓶、空氣壓縮機(jī)和質(zhì)量流量計(jì)組成的配氣系統(tǒng),可以配置不同體積分?jǐn)?shù)的試驗(yàn)氣體;第三部是由高速攝像機(jī)、壓力傳感器、光電傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等組成的圖像數(shù)據(jù)采集裝置,其中高速攝像機(jī)與管道垂直放置,用于捕獲火焰?zhèn)鞑D像,壓力傳感器用于檢測火焰爆炸過程中的壓力,通過光電傳感器控制攝像機(jī)與壓力傳感器同步進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

    1.1.2 試驗(yàn)方法

    (1)根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量計(jì),按圖1連接好試驗(yàn)管路,在管道開口端加裝PVC薄膜,調(diào)整點(diǎn)火設(shè)備,使其處于待激發(fā)狀態(tài)。

    圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

    (2)打開空氣壓縮機(jī)開關(guān)和甲烷高壓氣瓶開關(guān),向試驗(yàn)管道內(nèi)充入5倍管道體積的甲烷/空氣混合氣體,確保試驗(yàn)管道內(nèi)的空氣完全排出,且混合氣體在管道內(nèi)分布均勻。

    (3)充氣20 min后,進(jìn)行噴霧,噴霧時間根據(jù)細(xì)水霧粒徑和質(zhì)量體積進(jìn)行確定,噴霧結(jié)束后立即關(guān)閉進(jìn)出口閥門,激發(fā)點(diǎn)火頭,引燃?xì)怏w。

    (4)光電傳感器控制高速攝影機(jī)和壓力傳感器開始工作,進(jìn)行同步圖像和壓力數(shù)據(jù)采集。

    1.2 結(jié)果與分析

    1.2.1 細(xì)水霧粒徑對瓦斯管內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

    試驗(yàn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為9.5%,水霧質(zhì)量體積為646 g/m3,圖2分別為無水霧、5μm粒徑細(xì)水霧和45μm粒徑細(xì)水霧下的火焰?zhèn)鞑ミ^程。

    圖2 不同細(xì)水霧粒徑火焰?zhèn)鞑ミ^程圖Fig.2 Flame propagation process diagram under different water mist particle sizes

    由圖2可知,在點(diǎn)火初期,火焰從點(diǎn)火點(diǎn)向外擴(kuò)散,形成半球形火焰,火焰?zhèn)冗吔佑|壁面后,火焰前鋒逐漸形成“手指”狀結(jié)構(gòu)。不同粒徑細(xì)水霧下,火焰的顏色差別較大,無水霧時火焰呈淡藍(lán)色,添加5μm粒徑細(xì)水霧時火焰呈暗紅色,添加45μm粒徑細(xì)水霧時火焰呈亮黃色。根據(jù)火焰顏色可以定性判斷:當(dāng)在管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時,火焰溫度最低,添加粒徑45μm細(xì)水霧時火焰溫度最高。這說明當(dāng)爆炸管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時,爆炸受到抑制,但當(dāng)添加45μm粒徑細(xì)水霧時,爆炸強(qiáng)度不但沒有減弱,反而增強(qiáng)。由圖2還可以看出,當(dāng)管道內(nèi)未添加細(xì)水霧時,火焰?zhèn)鞯焦艿莱隹谛枰?09 ms,當(dāng)添加5μm粒徑細(xì)水霧時,其管內(nèi)傳播時間為214 ms,而當(dāng)添加45μm粒徑細(xì)水霧時,火焰?zhèn)鞯匠隹趦H需要106 ms。以上數(shù)據(jù)表明,當(dāng)添加5μm粒徑細(xì)水霧時,火焰?zhèn)鞑r間增加約1倍,此時細(xì)水霧對瓦斯火焰的燃燒具有很好的抑制作用,但細(xì)水霧粒徑增大到45μm 時,火焰?zhèn)鞑ニ俣确炊涌?,說明細(xì)水霧對管內(nèi)瓦斯爆炸的強(qiáng)度起到了促進(jìn)作用。本文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了不同粒徑條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x變化的速度曲線,如圖3所示。

    圖3 不同粒徑條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S傳播距離變化曲線Fig.3 Flame propagation velocity curves under different watermist particle sizes

    由圖3可以看出,未添加細(xì)水霧時,在距點(diǎn)火點(diǎn)約1 000 mm處爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值,為31.5 m/s;添加5μm粒徑細(xì)水霧后,火焰在距點(diǎn)火點(diǎn)約1 200 mm處達(dá)到火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲笾担瑸?5.2 m/s,相比未添加細(xì)水霧時,最大傳播速度降低了50%;當(dāng)進(jìn)一步增大細(xì)水霧粒徑至45μm時,火焰在管道內(nèi)的整個傳播過程中都處于加速狀態(tài),出口處火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值,為45.8 m/s。圖2~3都表明:與無水霧存在的管內(nèi)瓦斯爆炸相比,當(dāng)在瓦斯管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時,管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度降低;添加45μm粒徑細(xì)水霧時,管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度提高。

    1.2.2 細(xì)水霧粒徑對瓦斯管內(nèi)爆炸壓力的影響

    為了進(jìn)一步驗(yàn)證水霧粒徑對于管內(nèi)瓦斯爆炸過程的影響,圖4繪出了不同粒徑細(xì)水霧條件下瓦斯爆炸時爆炸壓力隨時間振蕩曲線。

    圖4 不同粒徑細(xì)水霧條件下火焰爆炸壓力隨時間振蕩曲線Fig.4 Pressure oscillation curves of flame propagation under different watermist particle sizes

    由圖4可以看出,無水霧時,瓦斯爆炸的最大壓力為7.39×103Pa,添加5μm粒徑細(xì)水霧時,最大壓力僅為3.47×103Pa,最大壓力降低了53%;當(dāng)增大細(xì)水霧粒徑時,爆炸產(chǎn)生的最大壓力值達(dá)到了9.74×103Pa,相比于無水霧時,增加了55.2%。爆炸壓力的變化規(guī)律進(jìn)一步驗(yàn)證了5μm粒徑細(xì)水霧對于瓦斯爆炸具有很好的抑制作用,45μm粒徑細(xì)水霧對瓦斯爆炸具有一定的促進(jìn)作用。

    綜合以上分析,無論火焰圖像、火焰?zhèn)鞑ニ俣冗€是爆炸壓力方面,都說明與無水霧時管內(nèi)瓦斯爆炸相比,當(dāng)在瓦斯管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時,管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度降低;添加45μm粒徑細(xì)水霧時,管內(nèi)瓦斯爆炸強(qiáng)度提高。其主要原因是5μm粒徑細(xì)水霧比表面積較大,此時細(xì)水霧與火焰內(nèi)部換熱劇烈,細(xì)水霧快速蒸發(fā),細(xì)水霧能夠在火焰作用下完全汽化,吸收大量熱量,降低燃燒反應(yīng)速率,從而降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋涣硪环矫?,由于汽化產(chǎn)生大量的水蒸氣,稀釋了可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù),抑制了燃燒反應(yīng)中自由基的生成,從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫档汀O喾?,?dāng)細(xì)水霧粒徑為45μm時,其比表面積僅為5μm粒徑細(xì)水霧的1/9,此時火焰與細(xì)水霧的接觸面積減小,燃燒結(jié)束時細(xì)水霧可能未完全蒸發(fā),從而導(dǎo)致湍流產(chǎn)生,湍流脈動使火焰變形,這種變形作用使火焰表面積增加,從而造成高溫氣流與未燃?xì)怏w能夠快速混合,化學(xué)反應(yīng)速率迅速增大,導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蠛捅▔毫ι仙?/p>

    2 數(shù)值模擬

    由于瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快,整個爆炸過程時間為毫秒量級,試驗(yàn)研究中,對火焰溫度的測試存在一定困難,而且爆炸過程中其化學(xué)反應(yīng)速率難以通過試驗(yàn)進(jìn)行測試,而這些參數(shù)對深層次探究細(xì)水霧抑制管內(nèi)瓦斯爆炸作用機(jī)理非常重要。因此,本文基于FLUENT軟件,對不同細(xì)水霧粒徑條件下火焰溫度和燃燒反應(yīng)速率進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,可以更好地對細(xì)水霧和爆炸火焰之間的作用機(jī)理進(jìn)行分析。

    2.1 計(jì)算模型和模型驗(yàn)證

    本文采用的燃燒計(jì)算模型為渦擴(kuò)散概念模型,細(xì)水霧運(yùn)動采用DPM 模型進(jìn)行計(jì)算,且在計(jì)算過程中考慮細(xì)水霧的蒸發(fā)。采用試驗(yàn)和模擬方法研究細(xì)水霧對瓦斯爆炸的影響時,為了驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,設(shè)置瓦斯體積分?jǐn)?shù)9.5%,細(xì)水霧粒徑5μm,細(xì)水霧質(zhì)量體積117.6 g/m3,將試驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果見圖5。

    由圖5可以看出,在相同工況下,數(shù)值計(jì)算結(jié)果能夠很好地反映真實(shí)的火焰?zhèn)鞑ミ^程,火焰結(jié)構(gòu)演變都是從點(diǎn)火初期的球狀火焰逐漸發(fā)展成為“手指”狀火焰,試驗(yàn)結(jié)構(gòu)相同。同時,從火焰?zhèn)鞑ブ凉艿莱隹跁r所用時間看,試驗(yàn)結(jié)果為90 ms,數(shù)值計(jì)算結(jié)果為87 ms,兩者相差3 ms,誤差僅為3.3%;有細(xì)水霧時,試驗(yàn)和模擬管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r間分別為124 ms和133 ms,兩者相差僅9 ms,誤差僅7.2%。誤差產(chǎn)生的主要原因是試驗(yàn)過程中火焰會通過壁面散熱,而數(shù)值計(jì)算將壁面設(shè)定為絕熱壁面,另外,壁面的冷壁效應(yīng)會造成管內(nèi)有效水霧質(zhì)量體積降低,這些因素都會影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?,造成兩者?jì)算結(jié)果不同,但模擬和試驗(yàn)結(jié)果顯示誤差都在10%以內(nèi),可以認(rèn)為本文數(shù)值計(jì)算模型是可靠的,能夠很好地再現(xiàn)管道內(nèi)瓦斯爆炸過程。

    圖5 有無水霧模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Results comparisons between simulation and experimentwith or withoutwatermist

    2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

    2.2.1 細(xì)水霧條件下燃燒火焰內(nèi)部溫度場分析

    通過數(shù)值模擬計(jì)算了不同細(xì)水霧條件下火焰內(nèi)部溫度場,圖6給出了火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50,750 mm位置處無水霧和添加5μm粒徑細(xì)水霧2種工況下的中心軸線處溫度變化曲線。

    圖6 有無細(xì)水霧條件下不同火焰鋒面處火焰溫度隨傳播距離變化曲線Fig.6 Flame temperature curves of different flame fronts with or without watermist

    由圖6可以看出,無細(xì)水霧條件下,火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm處時,火焰內(nèi)部溫度約2 300 K,在火焰鋒面處溫度快速下降到環(huán)境溫度300 K;當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm處時,由于燃燒時間短,與低溫壁面換熱少,火焰內(nèi)部溫度變化不大,這說明在無細(xì)水霧條件下,火焰內(nèi)部溫度基本不隨火焰?zhèn)鞑ザl(fā)生變化。在管道內(nèi)部添加細(xì)水霧后,當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm處時,可以觀察到火焰內(nèi)部溫度有明顯下降,約為2 100 K,而火焰鋒面處的溫度下降趨勢與無水霧時基本一致,當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?50 mm時,可以觀察到火焰內(nèi)部溫度降低到約1 970 K,這是因?yàn)榧?xì)水霧蒸發(fā)會導(dǎo)致火焰溫度降低,而細(xì)水霧蒸發(fā)是一個連續(xù)過程,蒸發(fā)吸熱降低火焰內(nèi)部溫度也是一個連續(xù)過程,同時由于火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢,火焰與細(xì)水霧之間換熱較為充分,導(dǎo)致在很短的傳播時間內(nèi),火焰內(nèi)部溫度明顯下降。

    2.2.2 細(xì)水霧條件下燃燒反應(yīng)速率分析

    上文分析了細(xì)水霧對燃燒火焰溫度的影響,但化學(xué)反應(yīng)速率同樣是影響瓦斯爆炸強(qiáng)度的主要因素之一,為此,本文通過數(shù)值模擬得到無細(xì)水霧和5μm粒徑細(xì)水霧2種工況下燃燒反應(yīng)中生成水的速率隨傳播距離變化曲線,如圖7所示。

    圖7 有無細(xì)水霧條件下燃燒反應(yīng)生成水的速率隨傳播距離變化曲線Fig.7 Rate of water generated by combustion reaction with or without water mist

    由圖7可以看出,在無細(xì)水霧條件下,不同時間點(diǎn)燃燒反應(yīng)生成水的速率基本一致,火焰處于一個均勻的燃燒過程,燃燒反應(yīng)生成水的速率約180 kg/s。在管道內(nèi)加入5μm粒徑細(xì)水霧后,反應(yīng)速率比未加細(xì)水霧時明顯降低,且降低幅度隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸變大,當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?00 mm處時,燃燒反應(yīng)速率只有無水霧時的50%。

    化學(xué)反應(yīng)速率可根據(jù)反應(yīng)物的濃度和溫度系數(shù)表示為

    式中:[A]和[BC]分別為反應(yīng)物的濃度;k′(T)為正比于溫度的系數(shù),可表示為

    結(jié)合式(1)和(2),爆炸過程中細(xì)水霧蒸發(fā)產(chǎn)生大量水蒸氣,降低了反應(yīng)物濃度,同時由于水是燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物,會導(dǎo)致燃燒反應(yīng)逆向進(jìn)行,進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。同時,水霧在蒸發(fā)過程中吸收大量的熱量,溫度系數(shù)k′(T)降低,同樣會導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。從反應(yīng)速率的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和理論分析可知,管道內(nèi)添加5μm粒徑細(xì)水霧時,細(xì)水霧抑制作用的存在使燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度降低,從而造成熱擴(kuò)散系數(shù)和反應(yīng)速率都有一定程度減小,使瓦斯爆炸火焰的傳播速度降低,爆炸強(qiáng)度受到一定程度抑制。

    3 細(xì)水霧條件下促爆機(jī)理分析

    試驗(yàn)結(jié)果顯示,5μm粒徑細(xì)水霧對管內(nèi)瓦斯爆炸具有很好的抑制作用,而45μm粒徑細(xì)水霧對管內(nèi)瓦斯的爆炸不但沒有抑制作用,反而起到促進(jìn)作用。為了進(jìn)一步探究細(xì)水霧促爆機(jī)理,本文通過數(shù)值模擬方法研究160μm粒徑細(xì)水霧條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫Ψ謩e隨傳播距離和時間的變化,如圖8所示。

    圖8 大粒徑細(xì)水霧條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫Ψ謩e隨傳播距離和時間的變化曲線Fig.8 Flame propagation velocity curves and explosion pressure curves under different large particle size of water mist

    由圖8(a)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出,管道內(nèi)添加160μm粒徑細(xì)水霧后,管道內(nèi)火焰最大傳播速度從38.2 m/s上升到62.1 m/s,最大傳播速度增加了約63%,這種情況也發(fā)生在壓力變化過程中,如圖8(b)所示,添加160μm粒徑細(xì)水霧后,爆炸的最大超壓值由1.313×104Pa增到2.492×104Pa,最大超壓值相比于無水霧條件增加了約90%??梢哉J(rèn)為較大粒徑的細(xì)水霧對瓦斯爆炸具有明顯的促進(jìn)作用,其主要原因有:首先,粒徑較大的細(xì)水霧其比表面積較小,在爆炸過程中與火焰之間的傳熱速率較低;其次,由于爆炸時間極短,管道內(nèi)細(xì)水霧無法完全蒸發(fā),對于傳播的火焰而言,細(xì)水霧相當(dāng)于障礙物,其存在使管道內(nèi)氣體流動的湍流強(qiáng)度增加,使燃燒區(qū)反應(yīng)速率增大,當(dāng)細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱的量不足以抵消細(xì)水霧帶來的湍流增強(qiáng)效應(yīng)時,細(xì)水霧的存在就會促進(jìn)瓦斯爆炸。

    細(xì)水霧在火焰內(nèi)部的蒸發(fā)過程伴隨著粒徑變化,粒徑的變化規(guī)律可表示為

    式中:d為細(xì)水霧瞬時直徑;d0為細(xì)水霧初始直徑;t為細(xì)水霧蒸發(fā)時間;k為細(xì)水霧蒸發(fā)常數(shù);λ和cp分別為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容;ρL為細(xì)水霧密度;L為液體的汽化潛熱;Tf和Ts分別為火焰表面和細(xì)水霧表面溫度。

    由式(3)可以看出,如果細(xì)水霧完全蒸發(fā),則細(xì)水霧蒸發(fā)時間與初始粒徑的平方成正比。結(jié)合式(3)和(4)可計(jì)算出本文試驗(yàn)中的顆粒蒸發(fā)時間,如表1所示。

    表1 不同粒徑細(xì)水霧的蒸發(fā)時間Tab.1 Evaporation time of watermistwith different particle size

    無細(xì)水霧時,火焰最大傳播速度為38.5 m/s,此時層流火焰前鋒面厚約5 mm,顆粒穿過火焰前鋒面的時間僅需0.13 ms,在該時間內(nèi)如果細(xì)水霧無法蒸發(fā)就會對火焰?zhèn)鞑ピ斐勺璧K作用。本文的試驗(yàn)和模擬結(jié)果都很好地印證了上述結(jié)論:當(dāng)粒徑為5μm時,細(xì)水霧能夠在火焰鋒面完全蒸發(fā),能夠有效抑制瓦斯爆炸;當(dāng)細(xì)水霧粒徑為45μm和160μm時,細(xì)水霧無法在火焰鋒面完全蒸發(fā),此時細(xì)水霧會增強(qiáng)火焰的湍流效應(yīng),促進(jìn)火焰燃燒,對管內(nèi)瓦斯爆炸起到一定的促進(jìn)作用。

    4 結(jié)論

    (1)5μm粒徑細(xì)水霧對瓦斯爆炸具有很好的抑制作用,能夠有效降低爆炸時火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥畲蟪瑝褐?,?5μm和160μm粒徑細(xì)水霧對管道內(nèi)瓦斯爆炸能夠起到一定的促進(jìn)作用。

    (2)小粒徑細(xì)水霧對管內(nèi)瓦斯爆炸的抑制作用主要是因?yàn)榧?xì)水霧蒸發(fā)會導(dǎo)致火焰溫度降低,并且燃燒過程中火焰內(nèi)部溫度持續(xù)下降;同時蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣能夠稀釋可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù),而水蒸氣作為燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物會導(dǎo)致燃燒反應(yīng)逆向進(jìn)行,其綜合作用能夠降低燃燒反應(yīng)速率,從而起到抑制瓦斯爆炸的作用。

    (3)大粒徑細(xì)水霧對火焰燃燒有兩方面的作用:首先細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱會抑制火焰的傳播;其次大粒徑細(xì)水霧在火焰中無法完全汽化,就會在火焰?zhèn)鞑ミ^程中形成障礙物,增大火焰的湍流效應(yīng),反而促進(jìn)火焰燃燒,當(dāng)促進(jìn)作用大于抑制作用時,燃燒反應(yīng)速率加快,使爆炸強(qiáng)度增強(qiáng)。

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