氫化鋯卷?yè)P(yáng)成霧及其爆炸火焰?zhèn)鞑パ芯?

黃勇 張紅偉 唐雙凌

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 江蘇常州 213164； 2.南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院 南京 210094)

0 引言

氫化鋯是一種灰黑色粉末，能平穩(wěn)燃燒，被用作引燃劑，廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)、核工業(yè)、軍事工業(yè)等領(lǐng)域。細(xì)小粉塵在氣流等作用下會(huì)發(fā)生卷?yè)P(yáng)、分散，并在空氣中懸浮，受限空間內(nèi)的粉塵累積到一定的濃度后，遇到明火或高溫即會(huì)發(fā)生爆炸。為了減少原子能工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的氫化鋯粉塵卷?yè)P(yáng)、懸浮以及由弱點(diǎn)火引起的爆炸事故，需弄清楚它的反應(yīng)機(jī)理，而目前激波條件下氫化鋯揚(yáng)起規(guī)律以及氫化鋯爆炸火焰特性的研究還非常鮮見(jiàn)，因此開(kāi)展氫化鋯卷?yè)P(yáng)成霧及火焰?zhèn)鞑パ芯靠梢詾榉蹓m空間的粉塵控制提供參考，為原子能工業(yè)安全生產(chǎn)提供科學(xué)理論依據(jù)。

付士根等[1]自行搭建自帶光源的濃度測(cè)試機(jī)，并經(jīng)驗(yàn)證后滿(mǎn)足檢測(cè)粉塵濃度。在粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)研究中，通常采用空氣射流式揚(yáng)塵裝置分散實(shí)驗(yàn)所需的懸浮粉塵云[2]，如趙一姝等[3]以球罐內(nèi)的粉塵為模擬對(duì)象，表述了粉塵運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)與火焰的關(guān)系。TATEUKI S等[4]得出激波速度大于粉塵揚(yáng)起的速度，且速度差與粒徑有關(guān)。BORISOV A等[5]研究了激波作用后氣固兩相的相互作用過(guò)程，發(fā)現(xiàn)粉塵顆粒物很難單個(gè)被拋散在空氣中，從而提出了粉塵顆粒物之間存在相互的凝聚力。KLEMENS R等[6]建立了揚(yáng)塵實(shí)驗(yàn)管道，發(fā)現(xiàn)了沖擊波達(dá)到時(shí)間和粉塵揚(yáng)起之間存在時(shí)間差。并且以測(cè)得的粉塵濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算了粉塵云的縱向速度，并給出了這些參數(shù)間的定量關(guān)系。劉龍等[7]在透明的爆炸球中采集粉塵運(yùn)動(dòng)過(guò)程的照片，得出粉塵運(yùn)動(dòng)、懸浮及沉降過(guò)程，確定粉塵分散的最佳狀態(tài)。

綜上分析，對(duì)管道條件下激波卷?yè)P(yáng)沉積粉塵形成爆炸規(guī)律，尤其是在弱激波條件下粉塵揚(yáng)起規(guī)律的研究非常少，前人研究?jī)?nèi)容大多集中在鋼管爆炸壓力及速度的表征參數(shù)的測(cè)試，缺少對(duì)卷?yè)P(yáng)過(guò)程及爆炸火焰發(fā)展過(guò)程的同步研究。本文在自行搭設(shè)的氫化鋯卷?yè)P(yáng)及火焰?zhèn)鞑ゾC合研究平臺(tái)結(jié)合高速攝像技術(shù)及管道測(cè)壓技術(shù)得出卷?yè)P(yáng)及火焰過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

采用的樣品為氫化鋯粉塵。氫化鋯外觀為金屬狀，粉末為黑色。氫化鋯在空氣中能持續(xù)穩(wěn)定燃燒，加熱至500～700 ℃幾乎完全分解。氫化鋯的粒徑分布如圖1所示，根據(jù)圖1可得粒徑為2～5 μm的氫化鋯占比為97.4%。

圖1 氫化鋯粒徑分布

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖2。

1—實(shí)驗(yàn)管道；2—甲烷供氣；3—點(diǎn)火按鈕；4—空壓機(jī)；5—進(jìn)氣閥；6—壓力表；7—壓力測(cè)試；8—高速攝像機(jī)。

制作長(zhǎng)2 001 mm、內(nèi)徑124 mm的管道，其中距離右側(cè)401 mm處設(shè)置爆破片隔斷，通過(guò)法蘭盤(pán)和螺栓連接，在距離右側(cè)端板440、470、620、1 120 mm處安裝壓力傳感器?？扇?xì)怏w預(yù)混系統(tǒng)通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制甲烷氣罐向觸發(fā)段通入一定量的甲烷氣體和空氣，使其達(dá)到一定的濃度。壓力測(cè)試技術(shù)有傳感器、壓電轉(zhuǎn)換器、測(cè)試主機(jī)，通過(guò)Phantom V1212型高速攝像機(jī)拍攝。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)激波卷?yè)P(yáng)氫化鋯實(shí)驗(yàn)方法。先將0.5 g粉塵樣品放入被驅(qū)動(dòng)段距膜片150 mm處，粉塵平鋪100 mm長(zhǎng)、20 mm寬，然后在管道法蘭處加裝膜片(即一張復(fù)印紙)，再向驅(qū)動(dòng)段通入0.9 MPa空氣。開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)段入口處電磁閥，高壓氣體瞬間破膜產(chǎn)生的激波及其高速氣流卷?yè)P(yáng)氫化鋯，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)記錄激波壓力和卷?yè)P(yáng)過(guò)程，高速攝像機(jī)拍攝幀率為1 000幀/s。

(2)氫化鋯點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)方法。法蘭處加裝膜片后抽真空，然后通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)通入質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.5%的甲烷-空氣混合氣，再用BWGD-12高能點(diǎn)火器引燃混合氣體，產(chǎn)生的燃燒波破膜，燃燒波將氫化鋯卷?yè)P(yáng)并引燃，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)記錄激波壓力和卷?yè)P(yáng)過(guò)程。

2 氫化鋯顆粒卷?yè)P(yáng)特性

2.1 卷?yè)P(yáng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

根據(jù)高速攝像技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)，氫化鋯運(yùn)動(dòng)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)前假設(shè)的恒方向運(yùn)動(dòng)不一致，而是出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生持續(xù)改變的現(xiàn)象。圖3是第59、69、90 ms時(shí)刻的氫化鋯卷?yè)P(yáng)幀圖，氫化鋯位移分別為249.7、219.1、329 mm位置。

圖3 卷?yè)P(yáng)過(guò)程不同時(shí)刻粉塵前沿位置

同時(shí)在壓力-時(shí)間分布圖可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象。圖4是距離右側(cè)端板440 mm處壓力傳感器參數(shù)。壓縮空氣破膜后產(chǎn)生激波，在1 ms時(shí)壓力劇烈上升并達(dá)到峰值16 kPa。由于原壓縮空氣的體積迅速膨脹，此時(shí)波頭的內(nèi)部空氣密度迅速減小，此為稀疏波。根據(jù)沖擊波理論，遇到固壁稀疏波必然反射一個(gè)方向相反的稀疏波，形成向左稀疏波，在向左傳播的過(guò)程中使得傳感器位置的壓力開(kāi)始下降至-14.65 kPa。根據(jù)沖擊波理論，遇到大氣壓面，稀疏波必然反射一個(gè)方向相反的壓縮波。右行壓縮波再向右傳播的過(guò)程中會(huì)持續(xù)增大管內(nèi)壓強(qiáng)，隨后右側(cè)端板反射左行壓縮波，管內(nèi)壓力持續(xù)增強(qiáng)至13.78 kPa。壓縮波遇到大氣壓面會(huì)發(fā)射一個(gè)方向相反的稀疏波，即右行稀疏波，使傳感器位置的壓力降低，直至在右側(cè)端板反射。如此反復(fù)，這樣的壓力波動(dòng)規(guī)律與高速幀圖的往復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致。

圖4 0.5 g氫化鋯卷?yè)P(yáng)實(shí)驗(yàn)40 mm處壓力數(shù)據(jù)

探究管道中不同位置的壓力分布，見(jiàn)圖5，可以發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)壓力集中在中部，達(dá)到19.99 kPa?？梢缘贸?，將粉塵布置在距膜片70 mm附近能夠?qū)⒏喾蹓m參與卷?yè)P(yáng)，使得高速攝像技術(shù)的觀測(cè)結(jié)果更直觀。

圖5 0.5 g氫化鋯卷?yè)P(yáng)過(guò)程各位置的最大壓力

2.2 懸浮過(guò)程

通過(guò)測(cè)算，打開(kāi)電磁閥通入壓縮空氣后，產(chǎn)生的激波速度為380.2 m/s。破膜后第329 ms壓力振幅開(kāi)始潰縮，同時(shí)與高速幀圖上顯示粉塵開(kāi)始降速一致。根據(jù)粉塵受力分析可知，氫化鋯粒子受到浮力作用導(dǎo)致懸浮1 800 ms，隨后開(kāi)始時(shí)長(zhǎng)120 ms的沉降。

3 氫化鋯點(diǎn)火特性

3.1 火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程

稱(chēng)量0.012 5 g氫化鋯進(jìn)行點(diǎn)火過(guò)程實(shí)驗(yàn)。圖6為在高速攝像技術(shù)下捕捉到的畫(huà)面。在按下點(diǎn)火按鈕后，迅速點(diǎn)燃右端點(diǎn)火段的甲烷氣體為0時(shí)刻。第24 ms甲烷火焰破膜，產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波卷?yè)P(yáng)沉積的氫化鋯，第28 ms后驅(qū)燃燒波到達(dá)并部分引燃已被揚(yáng)起的氫化鋯，氫化鋯受熱氣解并參與燃燒，并在2 ms內(nèi)火焰?zhèn)鬟f至整個(gè)氫化鋯粉塵云團(tuán)內(nèi)部，火焰開(kāi)始形成發(fā)展，受到管壁限制及燃燒放熱影響使得更多粒子參與反應(yīng)，導(dǎo)致火焰開(kāi)始由69 m/s加速至最終199 m/s。

圖6 氫化鋯火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程

同時(shí)，壓力測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7?？梢园l(fā)現(xiàn)，壓力隨時(shí)間并不是線性的上升或下降，而是發(fā)生了壓力的脈動(dòng)，這是由于前驅(qū)激波與燃燒波的互相作用及粒子燃燒反應(yīng)的影響。

圖7 點(diǎn)火過(guò)程不同位置的壓力隨時(shí)間變化

3.2 點(diǎn)火特性影響因素分析

鋪設(shè)不等質(zhì)量的氫化鋯粉塵，探究濃度對(duì)點(diǎn)火特性的影響，其管道內(nèi)的質(zhì)量濃度達(dá)到0.510、1.019、2.037、4.074 g/m3，圖8分別高數(shù)攝像機(jī)采集到的上述4種濃度下的氫化鋯火焰鋒面，其火焰鋒面前期都是離散型，但是后期火焰鋒面受濃度的增大會(huì)而越平滑。

圖8 不同濃度的氫化鋯在后期的火焰鋒面

將4種濃度的氫化鋯火焰?zhèn)鞑ニ俣燃盎鹧媲颁h位置記錄在圖9中，能夠得出火焰前鋒近似均勻地前進(jìn)，而火焰速度大小卻發(fā)生波動(dòng)，這是因?yàn)槭艿焦艿纼?nèi)激波與燃燒波疊加產(chǎn)生湍流及粒子間能量傳遞的不均勻。同時(shí)，火焰的速度隨濃度增大而增大，在管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e為88.4、93.1、93.4、101.3 m/s。

(a)火焰鋒面

(b)火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

4 結(jié)論

(1)氫化鋯卷?yè)P(yáng)過(guò)程是沉積氫化鋯在破膜產(chǎn)生的激波作用下發(fā)生的向前進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓力集中在中部70 mm處。

(2)點(diǎn)燃初期，氫化鋯粉塵的火焰速度慢，為不規(guī)則的離散型火焰鋒面，后期火焰速度加快，趨向于弧線型火焰鋒面，隨著氫化鋯濃度的增大，火焰鋒面趨向于平滑的線型。

(3)火焰鋒面和時(shí)間近似于線性關(guān)系，而火焰的速度及壓力出現(xiàn)了脈動(dòng)，氫化鋯濃度的增大，會(huì)加劇火焰速度的脈動(dòng)程度和增大火焰平均速度。