預(yù)混火焰在管道內(nèi)傳播與淬熄的研究進(jìn)展*

趙依晗 李小萌 邊振華

（河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)越來越向復(fù)雜化發(fā)展，特別是近年來天然氣運(yùn)輸、石油化工、煤礦瓦斯管道運(yùn)輸多次發(fā)生燃燒爆炸事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2017年特別重大瓦斯爆炸事故共發(fā)生49起，死亡2 884人，受傷849人，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失80 373.53萬元［1］，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極為嚴(yán)重的影響。并且往往由于在事故初期沒有有效控制事態(tài)的發(fā)展，從而導(dǎo)致更大的二次災(zāi)害發(fā)生，這充分說明了開展可燃?xì)怏w淬熄、抑爆及阻隔爆相關(guān)技術(shù)的研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。特別是多孔材料在衰減爆炸超壓以及淬熄爆炸火焰方面的應(yīng)用，可為可燃?xì)怏w的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存的安全性，以及爆炸事故的防控與應(yīng)急處理提供重要的理論依據(jù)，也是未來發(fā)展的重要趨勢。

1 阻火器的應(yīng)用

早在20世紀(jì)初阻火器就已被應(yīng)用于各類煤炭化工企業(yè)，之后逐漸發(fā)展到石油工業(yè)中，又廣泛用于鐵路運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、水運(yùn)及化學(xué)工業(yè)等眾多行業(yè)。在石油工業(yè)中，阻火器應(yīng)用于易燃易爆的石油類儲罐進(jìn)出口以及石油氣體輸送管道等位置，一旦遇到明火、雷擊、靜電等狀況，管道內(nèi)氣體被引燃發(fā)生爆炸，加裝的阻火器可阻斷火焰的燃燒，避免對整個(gè)網(wǎng)管設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。此外，阻火裝置還可以安裝在眾多場合以阻止火焰爆炸帶來的危害，例如氣體燃料輸運(yùn)的管道、干燥機(jī)的排氣部位、燃?xì)忮仩t的煙囪等部位［2］，同時(shí)阻火器也可以有效地阻止因內(nèi)外壓差而產(chǎn)生的回火現(xiàn)象。因此，針對不同場所選擇合適的阻火器并正確安裝在合理的位置，可以起到保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的作用。

2 火焰在微通道中傳播與淬熄的研究現(xiàn)狀

2.1 火焰淬熄理論的研究發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)燃燒火焰在微小通道或者縫隙中傳播時(shí)，狹縫的間距或通道直徑足夠小時(shí)，火焰在通道或者狹縫中傳播一段距離后就會逐漸熄滅，這種現(xiàn)象稱為淬熄［2］。因此，對燃燒火焰淬熄原理的研究以及人為控制方法是阻止火焰在管道內(nèi)爆燃爆轟的重要研究內(nèi)容。

現(xiàn)階段公認(rèn)的淬熄理論有2種，即冷壁效應(yīng)理論和器壁效應(yīng)理論［3］。在早期的淬熄研究中，通過觀察火焰能否通過阻火器狹縫通道的宏觀現(xiàn)象來判斷阻火器阻火性能的有效性。其后，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，提出了冷壁效應(yīng)和器壁效應(yīng)理論。傳熱理論即冷壁效應(yīng)，該理論認(rèn)為當(dāng)火焰進(jìn)入阻火結(jié)構(gòu)內(nèi)細(xì)小通道時(shí)，壁面散熱面積增大，火焰與器壁存在著持續(xù)的熱量傳遞，熱損失增大，火焰溫度不斷下降，當(dāng)溫度低至著火點(diǎn)以下即發(fā)生火焰淬熄，此時(shí)的溫度為淬熄溫度。連鎖反應(yīng)理論即器壁效應(yīng)，火焰進(jìn)入阻火結(jié)構(gòu)后，通道尺寸減小，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，因而與壁面發(fā)生碰撞而銷毀的自由基數(shù)量變多，參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)狹小器壁消滅的自由基數(shù)目大于參與反應(yīng)的自由基生成數(shù)目時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不再進(jìn)行，火焰開始熄滅［2］。其中，冷壁效應(yīng)利用能量平衡的觀點(diǎn)來描述火焰的淬熄現(xiàn)象，并解釋了平行板間淬熄的二維問題。器壁效應(yīng)解釋了狹小器壁消滅自由基數(shù)目與參與反應(yīng)自由基生成數(shù)目之間的關(guān)系，為火焰熄滅提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上在阻火淬熄過程中二者是同時(shí)存在、相互作用的。當(dāng)火焰進(jìn)入狹縫后，熱傳導(dǎo)起主要作用，火焰溫度開始降低，隨著溫度的不斷降低火焰內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)能量也隨之降低，自由基的消耗速度大于產(chǎn)生速度，由此火焰開始熄滅，因此這是兩種理論耦合作用的結(jié)果。

2.2 火焰淬熄的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展現(xiàn)狀

在一些發(fā)達(dá)國家，關(guān)于阻火器相關(guān)的技術(shù)專利處于壟斷狀態(tài)，相關(guān)的研究體系、技術(shù)規(guī)范也較為完備。國內(nèi)對阻火器的研究始于20世紀(jì)末，雖起步較晚，但近年來在阻火結(jié)構(gòu)的研發(fā)以及阻火性能的研究等方面也取得了一定的成果。主要的阻火結(jié)構(gòu)可概括為以下幾種：絲網(wǎng)型、波紋板型、平行板型、圓管型、多孔板型、液封型、泡沫金屬、金屬蜂窩結(jié)構(gòu)等［4］。

絲網(wǎng)型阻火器是由具有一定目數(shù)和孔徑的金屬絲網(wǎng)擠壓疊加組合而成的一種阻火結(jié)構(gòu)，該材料的阻火效果隨著絲網(wǎng)層數(shù)的增多和目數(shù)的減小會有所提升，但也在一定程度上阻礙了管內(nèi)氣體的流通，導(dǎo)致壓力上升。JIN K等［5］探究了預(yù)混氫氣-空氣可燃?xì)怏w在密閉管道內(nèi)多層金屬絲網(wǎng)對其火焰?zhèn)鞑ヒ种频膶?shí)驗(yàn)，結(jié)果表明多層金屬絲網(wǎng)對管道內(nèi)部最大壓力、最大聲波都具有明顯的抑制降低作用。波紋板型的阻火芯由不同尺寸的波紋帶和平板相互疊加、交替卷曲而制成，由此產(chǎn)生的狹窄通道截面為三角形，具有良好的淬滅火焰效果，理論上可阻止高速火焰的傳播。波紋板高度越小、阻火單元厚度越厚，火焰越易發(fā)生淬熄，并且阻火器不會產(chǎn)生機(jī)械損傷。平行板型形式的阻火結(jié)構(gòu)由若干緊密間隔的金屬平板平行堆疊而成，結(jié)構(gòu)抗沖擊穩(wěn)定性強(qiáng)，火焰通過平板之間的狹窄縫隙可使其熄滅。MAHLIYHANNAN A M等［6］利用電火花點(diǎn)燃一定當(dāng)量比的預(yù)混燃料-空氣可燃?xì)怏w，阻火結(jié)構(gòu)為淬火絲網(wǎng)和平行鋁板，實(shí)驗(yàn)表明低速層流火焰的淬熄長度為1.3~1.5 mm，湍流狀態(tài)的火焰淬熄距離為2~2.5 mm，此時(shí)淬熄距離與可燃?xì)怏w和當(dāng)量比有關(guān)。

陳鵬等［7］構(gòu)建了一套針對多孔泡沫金屬板對管道內(nèi)爆燃火焰的抑制系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)隨著孔隙密度的增加火焰速度顯著下降，當(dāng)無法達(dá)到可燃?xì)怏w的燃燒條件時(shí)就會發(fā)生淬熄。孫少辰［8］自主搭建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，觀測阻火層孔隙率和厚度對阻火性能的影響，得出阻火層孔隙率的降低提升了阻火性能但會對管道前端造成壓力增大的結(jié)論。

綜上，眾多學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)觀察手段分析了各類阻火結(jié)構(gòu)對預(yù)混火焰淬熄效果的影響，通過改變阻火器參數(shù)，燃料種類、溫度、壓力等初始條件影響因素，發(fā)現(xiàn)阻火器對火焰的淬熄影響效果顯著，這為阻火器在實(shí)際應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)及研究工作提供了有力的理論依據(jù)。

2.3 火焰淬熄的數(shù)值模擬研究發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者不僅使用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，還利用流體仿真軟件來模擬復(fù)雜流體的實(shí)驗(yàn)發(fā)展過程，通過建立二維、三維模型來提前驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性，在一定程度上緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高昂的問題，同時(shí)模擬計(jì)算出的結(jié)果也可與實(shí)驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。

KAKUTKINA N A等［9］對管道型多孔元件的燒穿進(jìn)行了數(shù)值分析，得出增加多孔元件的長度或者減小通道直徑、孔隙率，可確保阻火器不會被燒穿。喻健良、胡春明、李江濤等學(xué)者［10-12］利用數(shù)值模擬做了一系列的分析研究，分別對絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、微型圓管、平板狹縫內(nèi)的淬熄進(jìn)行二維、三維數(shù)值模擬研究，模擬均表明：孔徑尺寸、火焰速度、可燃?xì)怏w溫度的增加均加大了淬熄的難度，而初始溫度對淬熄效果的影響較小。

王曉東等［13］運(yùn)用FLUENT對甲烷火焰爆轟壓力和速度與殼體結(jié)構(gòu)之間的參數(shù)影響關(guān)系進(jìn)行了研究，通過改變阻火器殼體內(nèi)徑和阻火芯孔隙率建立二維幾何模型，得到了二者之間的變化規(guī)律。孫少辰等［14］應(yīng)用二維軸對稱模型對乙烯-空氣預(yù)混火焰在波紋管道阻火器中的傳播與淬熄進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出的結(jié)論有：火焰初期為球狀火焰，隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝艚鹣恪睜罨鹧妫S后反轉(zhuǎn)呈現(xiàn)“指尖”狀，同時(shí)火焰鋒面的曲率減??；阻火單元的孔隙率和厚度對爆燃火焰的傳播具有顯著的抑制作用。程方明等［15］通過三維數(shù)值模擬，采用大渦模型對金屬絲網(wǎng)在甲烷-空氣預(yù)混氣體管道內(nèi)淬熄的影響進(jìn)行了分析，金屬絲網(wǎng)對火焰溫度具有衰減作用，且絲網(wǎng)目數(shù)越大，火焰熱量擴(kuò)散越快，衰減越大，淬熄的效果越好。

總的來說，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)代替實(shí)驗(yàn)工作在一定程度上為科學(xué)研究提供了更多的可能性，目前針對火焰淬熄抑爆的模擬不足，且多為二維數(shù)值模擬，不足夠與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效對照，無法提供足夠的理論參考依據(jù)。

3 火焰在微通道中傳播與淬熄的發(fā)展趨勢

3.1 新型多孔材料

隨著國內(nèi)對火焰燃燒傳播以及隔爆機(jī)理的研究深入，試驗(yàn)裝置的完善創(chuàng)新，使得我國在阻火抑爆以及材料研發(fā)上取得了一定的成績。金屬絲網(wǎng)、泡沫金屬、泡沫陶瓷等多孔材料因其具有較小的體積和密度、比強(qiáng)度高、比表面積大以及阻尼性能較好的特性，且對爆炸火焰具有良好的分割淬熄作用，在工業(yè)防護(hù)及阻隔爆等研究領(lǐng)域廣受青睞，也引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

我國高校眾多學(xué)者在礦井阻隔爆技術(shù)方面對金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷及二者疊加體在瓦斯爆炸阻隔方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷對火焰、爆炸超壓都具有一定的抑制效果，且在一定參數(shù)下，二者的組合體的衰減效果優(yōu)于各自單體［16-18］。但目前的研究內(nèi)容還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，如由于受到管道長徑比的限制，目前實(shí)驗(yàn)對象主要以低速燃燒火焰為主，火焰強(qiáng)度較弱，對高速爆燃火焰在多孔材料中的阻隔爆研究還比較匱乏；還有關(guān)于阻隔爆材料強(qiáng)度的研究也較少，目前多孔材料已被證實(shí)對爆炸火焰具有良好的淬熄作用，并且對可燃?xì)怏w爆炸超壓具有一定的減弱作用，但因其多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，隨著孔隙密度的增加，材料強(qiáng)度也有所降低，因此多孔材料在實(shí)際應(yīng)用中是否會破碎失效也需進(jìn)一步深入地試驗(yàn)探究。

因此研究可燃?xì)怏w淬熄抑爆及阻隔爆相關(guān)技術(shù)，特別是在衰減爆炸超壓以及淬熄火焰方面的應(yīng)用［18］，可以為目前煤礦化工等安全生產(chǎn)領(lǐng)域的事故防控提供重要的理論依據(jù)。同時(shí)，研究不同種類多孔材料的不同抑爆特性及規(guī)律是當(dāng)前亟需探討的課題，也是目前工程應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢。

3.2 復(fù)合協(xié)同抑制

大量學(xué)者研究表明，單一的淬熄抑爆方式，如添加超細(xì)水霧、多孔介質(zhì)以及惰性氣體對抑制火焰爆炸均具有一定效果，但常用的抑爆介質(zhì)也存在不足，如粉末粉體等介質(zhì)容易團(tuán)聚，會產(chǎn)生環(huán)境污染，惰性氣體抑爆劑若要達(dá)到良好的效果要達(dá)到較高的濃度要求，而超細(xì)水霧則可能會出現(xiàn)“平臺效應(yīng)”。隨著研究的不斷拓寬，多種抑制方式結(jié)合的形式出現(xiàn)在了視野中，可針對單一方式的不足進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，為管道中預(yù)混火焰的淬熄抑爆提供新思路。

金凱強(qiáng)［19］首次揭示了CO2與金屬絲網(wǎng)耦合作用下對氫氣-空氣預(yù)混火焰在管道內(nèi)傳播的抑制作用，試驗(yàn)表明，CO2惰化稀釋和金屬絲網(wǎng)分解吸熱的抑制作用效果均優(yōu)于各自單體。關(guān)于氣液兩相協(xié)同抑爆，裴蓓［20］對管道內(nèi)預(yù)混甲烷-空氣爆炸進(jìn)行的研究表明：在超細(xì)水霧與He，Ar，CO2和N2等4種惰性氣體的協(xié)同抑制下，氣液兩相介質(zhì)對爆炸抑制效果具有明顯的協(xié)同增效作用，其中采用CO2和超細(xì)水霧的協(xié)同抑爆水平最好，N2次之，余下2種稀有氣體與超細(xì)水霧的協(xié)同抑爆效果相差不大。

上述討論證明，由于單一的抑爆劑或抑爆材料具有的不同性質(zhì)，抑爆效果都存在一定的不足且有上限，而把兩種方式有效地結(jié)合起來，可針對單一材料的缺陷彌補(bǔ)不足，優(yōu)勢互補(bǔ)形成正耦合。但這些結(jié)論也僅通過實(shí)驗(yàn)觀察等方法而進(jìn)行判斷，其作用機(jī)理尚未明確揭示，有待今后深入研究。因此對不同材料的組合、協(xié)同抑爆機(jī)理的揭示、研發(fā)新型高效環(huán)保抑爆劑等都將是未來對可燃?xì)怏w淬熄抑爆研究的重點(diǎn)和方向。

4 結(jié)論

國內(nèi)外大量的學(xué)者對可燃?xì)怏w的淬熄抑爆進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究，綜上所述本文得出的結(jié)論主要有：

1）火焰淬熄是冷壁效應(yīng)和器壁效應(yīng)共同作用的結(jié)果，但無論是實(shí)驗(yàn)研究還是數(shù)值模擬中都忽略了對二者的區(qū)分，并且目前仍有許多工程采用單一的傳熱理論作為設(shè)計(jì)阻火器的理論依據(jù)，因此對淬熄機(jī)理方面需更加深層次的研究。

2）火焰的淬熄作用受多種因素的共同影響，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究主要是對預(yù)混火焰在平板狹縫、絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、波紋型等微小通道傳播與淬熄的研究，表明淬熄直徑越大、火焰初始速度越大、管壁初始溫度越高，所需的淬熄長度就越大等規(guī)律。

3）利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)可建立預(yù)混火焰在微通道中二維、三維模型，模擬獲得淬熄長度與火焰速度、狹縫間距、壁面溫度等因素之間的關(guān)系，與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效對照，為淬熄的理論發(fā)展提供理論依據(jù)。目前我國大多數(shù)為數(shù)值模擬局限于二維模型，但在工業(yè)生產(chǎn)中許多類型的阻火結(jié)構(gòu)不能簡單地化簡成二維情況，例如波紋型阻火器，因此在日后的研究工作中對三維數(shù)值模擬需重視起來。

4）結(jié)合目前可燃?xì)怏w淬熄、抑爆及阻隔爆相關(guān)技術(shù)的研究發(fā)展趨勢，尋求適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的新型多孔材料、多相復(fù)合協(xié)同作用方式及其作用機(jī)理都是未來研究的重點(diǎn)方向。