組合多孔介質(zhì)與氮?dú)饽粎f(xié)同抑制瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)研究*

王 健，余靖宇，凡子堯，鄭立剛，劉貴龍，趙永賢

（1. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3. 河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003）

近年來，隨著城市天然氣管道的發(fā)展，天然氣泄漏導(dǎo)致城市地下綜合管廊內(nèi)事故亦頻頻發(fā)生[1]，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成無法挽回的損失。為減輕事故災(zāi)害或進(jìn)一步防止事故發(fā)生，學(xué)者對(duì)各種主動(dòng)和被動(dòng)抑爆措施開展了廣泛研究，主要集中在惰性氣體、粉體、細(xì)水霧抑爆及多孔介質(zhì)阻爆。

對(duì)于惰性氣體抑爆，張迎新等[2]、余明高等[3]進(jìn)行了氮?dú)馀c二氧化碳抑制瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著初始混合氣體中惰性氣體氮?dú)饣蚨趸己康纳撸咚贡ǔ瑝壕黠@降低，并且N2和CO2的加入導(dǎo)致混合氣體的火焰畸變減小[4]，火焰前沿位置和速度的振蕩幅度減小。胡洋等[5]研究發(fā)現(xiàn)，N2抑制火焰的傳播特性與N2噴射壓力密切相關(guān)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著噴射壓力增加呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢(shì)。劉洋等[6]通過長直管道空間燃?xì)獗〝?shù)值模型，對(duì)比分析了CO2、N2和水蒸氣的抑爆效果，結(jié)果表明CO2對(duì)爆炸超壓及其振蕩的抑制效果最好，水蒸氣次之，N2最弱。

對(duì)于多孔介質(zhì)阻爆的應(yīng)用，Zhuang 等[7]指出多孔材料的厚度和孔徑發(fā)生變化，對(duì)爆炸壓力和爆炸強(qiáng)度有很大的影響。多孔介質(zhì)的互聯(lián)微網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有助于淬滅氣體爆炸火焰和抑制沖擊波超壓，但抑爆程度有限。Duan 等[8]分析了9 種不同孔徑和厚度的多孔介質(zhì)對(duì)管內(nèi)甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ズ统瑝旱挠绊?，發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)對(duì)爆炸火焰的影響主要取決于孔徑，其次是厚度。除了多孔介質(zhì)本身性質(zhì)外，也有學(xué)者研究了點(diǎn)火距離對(duì)多孔介質(zhì)抑爆效果的影響。Shao 等[9]分別在不同點(diǎn)火距離和初始?jí)毫ο?，?duì)空管和含泡沫銅管進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，結(jié)果表明：泡沫銅在不同初始?jí)毫ο驴拷c(diǎn)火端時(shí)具有較好的抑制效果。Jin 等[10-12]實(shí)驗(yàn)研究了單、多層金屬絲網(wǎng)和點(diǎn)火位置與多孔介質(zhì)的距離對(duì)密閉管道內(nèi)預(yù)混甲烷火焰行為和壓力動(dòng)力學(xué)的影響，實(shí)驗(yàn)表明層數(shù)增多和點(diǎn)火位置越靠近金屬絲網(wǎng)，抑制效果越明顯。

為了得到更好的抑爆效果，一些學(xué)者將多種抑爆方式組合，研究其對(duì)爆炸過程的影響。王燕等[13]利用溶劑反溶劑法將KHCO3負(fù)載于赤泥表面，提高了赤泥抑制瓦斯爆炸的優(yōu)越性。王亞軍等[14-15]實(shí)驗(yàn)研究了煤粉與泡沫金屬對(duì)瓦斯爆炸的抑制效果，結(jié)果表明：當(dāng)煤粉質(zhì)量一定，粒徑越接近泡沫金屬孔徑，煤粉越易滯留在泡沫金屬上，對(duì)其抑爆性能影響也越大。裴蓓等[16]研究發(fā)現(xiàn)CO2和超細(xì)水霧共同作用時(shí)能避免因超細(xì)水霧帶來的促爆，可以明顯減弱火焰不穩(wěn)定性，減小火焰?zhèn)鞑ニ俣?。余明高等[17]研究了管道內(nèi)N2-雙流體細(xì)水霧復(fù)合抑爆，指出噴霧時(shí)間越長，抑爆效果越好。含氯化鈉添加劑的N2-雙流體細(xì)水霧[18]對(duì)甲烷/空氣爆炸具有更好的抑制效果。郭成成等[19]研究表明N2-細(xì)水霧與CO2-細(xì)水霧均比細(xì)水霧的抑爆效果要好，且CO2-細(xì)水霧的抑爆效果優(yōu)于N2-細(xì)水霧。溫小萍等[20]通過實(shí)驗(yàn)研究了一維多孔介質(zhì)和超細(xì)水霧協(xié)同作用對(duì)瓦斯爆炸的影響，實(shí)驗(yàn)表明：二者組成的復(fù)合體系的抑爆特性優(yōu)于單一體系，即火焰鋒面最大速度和爆炸超壓最大峰值均有顯著變化。韋雙明等[21]研究了氣液兩相介質(zhì)抑制管道甲烷爆炸協(xié)同增效作用，結(jié)果表示：在CO2、N2、He 和Ar 四種惰性氣體與超細(xì)水霧的共同作用下，氣液兩相介質(zhì)對(duì)9.5%甲烷/空氣預(yù)混氣爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥畲蠡鹧鏈囟鹊囊种凭憩F(xiàn)出明顯的協(xié)同增效作用。

以上研究結(jié)果表明，惰性氣體、粉體、細(xì)水霧抑爆及多孔介質(zhì)對(duì)抑制甲烷爆炸都有一定的效果，且復(fù)合抑爆方式優(yōu)于單一抑爆方式。多孔介質(zhì)具有較好的淬熄火焰的效果，與惰性氣體的作用具有一定互補(bǔ)性，因此兩者共同作用對(duì)抑制爆炸壓力及阻止火焰?zhèn)鞑?huì)產(chǎn)生較好的效果。相較于粉體抑爆，粉體的使用會(huì)對(duì)管道造成污染以及環(huán)保問題，惰性氣體則不會(huì)。而目前針對(duì)惰性氣體與多孔介質(zhì)協(xié)同抑制瓦斯爆炸的研究尚不充分。鑒于此，并考慮到CO2比N2窒息性更強(qiáng)，本文通過自主搭建的氮?dú)饽慌c多孔介質(zhì)協(xié)同抑爆實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析氮?dú)馀c多孔介質(zhì)協(xié)同抑制瓦斯爆炸的效果和機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成包括：可視化爆炸管道系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、氮?dú)饽话l(fā)生裝置以及多孔介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。可視化爆炸管道系統(tǒng)由兩個(gè)截面積均為150 mm×150 mm、壁面厚度為20 mm、總長為1 500 mm 的有機(jī)玻璃管道組成，壁面最大承壓極限為2 MPa。兩節(jié)管道長度分別為1 000 和500 mm，管道左端固定封閉，右端使用PVC 薄膜覆蓋封閉。配氣系統(tǒng)主要由甲烷氣瓶、空氣壓縮機(jī)、甲烷流量計(jì)和空氣流量計(jì)以及連接閥門和管道組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由火焰圖像采集系統(tǒng)和壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。圖像采集系統(tǒng)以1 000 s-1的速率捕捉可視化爆炸管道中火焰?zhèn)鞑D像，高速攝像機(jī)的像素設(shè)置為1 024×1 024。壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡USB-1208FS、高頻MD-HF 壓力傳感器和臺(tái)式電腦組成。點(diǎn)火系統(tǒng)主要由高壓變頻模塊、點(diǎn)火電極、6 V 直流電源以及控制器組成。點(diǎn)火電極位于管道左側(cè)封閉蓋板中部，點(diǎn)火能量為0.2 J。氮?dú)饽话l(fā)生裝置包括火焰?zhèn)鞲衅?、電磁閥、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、氮?dú)馄?、噴頭以及電腦。實(shí)驗(yàn)時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到爆炸火焰，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由信號(hào)轉(zhuǎn)換器、電腦組成的系統(tǒng)判斷并處理電信號(hào)，電信號(hào)異常，則觸發(fā)常閉電磁閥打開閥門，氮?dú)饨?jīng)過噴頭噴入管道，在管道橫截面形成氮?dú)饽弧，F(xiàn)有多孔材料大致分為兩類：金屬多孔材料和非金屬多孔材料。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)泡沫金屬的抑制效果優(yōu)于金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷等[22]。本文多孔材料采用泡沫金屬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，材料厚度均為5 mm、密度為0.8 g/cm3、孔隙率為85%。泡沫鐵鎳選用四種孔隙密度：10、20、30、40 ppi。泡沫銅選用兩種孔隙密度：20 和40 ppi。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)工況與方法

實(shí)驗(yàn)采用的組合多孔介質(zhì)由兩層多孔介質(zhì)組合而成，第一層（靠近點(diǎn)火源側(cè)）為孔隙密度為10 ppi的泡沫鐵鎳，第二層（靠近出口端）為10、20、30、40 ppi 的泡沫鐵鎳或20、40 ppi 的泡沫銅，并固定于距離點(diǎn)火端1 000 mm 處，氮?dú)饽痪嚯x點(diǎn)火端900 mm，實(shí)驗(yàn)工況如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

實(shí)驗(yàn)基本步驟如下：連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備并調(diào)試，檢查可視化爆炸管道的氣密性；打開充氣閥門，由質(zhì)量流量計(jì)控制配置甲烷濃度為9.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣（即化學(xué)當(dāng)量比），并為確保預(yù)混氣的均勻性，采用五倍充氣法，即控制向管道充入的預(yù)混氣體積為管道體積的五倍；在充氣后期調(diào)整氮?dú)鈬姵鱿到y(tǒng)中氮?dú)鉁p壓閥至0.5 MPa，確保氮?dú)鈬姵鱿到y(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；充氣結(jié)束后，關(guān)閉質(zhì)量流量計(jì)與排氣閥門，靜置30 s，確保管道內(nèi)預(yù)混氣混合均勻；充氣結(jié)束后，先打開高速攝像機(jī)、壓力采集系統(tǒng)，再點(diǎn)火；氮?dú)鈬姵鱿到y(tǒng)檢測(cè)到火焰信號(hào)，啟動(dòng)電磁閥，氮?dú)庖灶A(yù)設(shè)定的壓力噴出；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將整個(gè)過程的火焰圖像及壓力數(shù)據(jù)采集并保存。為確?？芍貜?fù)性和減少因操作等因素可能導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)三次，并取其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氮?dú)饽慌c組合多孔介質(zhì)對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

圖2 給出了實(shí)驗(yàn)所得火焰?zhèn)鞑D像?；鹧姘l(fā)展前期均經(jīng)歷了半球形火焰階段以及指形火焰階段[23]，當(dāng)火焰接近噴頭時(shí)呈破碎狀，表明火焰接觸噴頭前已經(jīng)受到氮?dú)獾囊种谱饔糜绊懀就暾幕鹧媲把卦诘獨(dú)饽坏耐牧髯饔孟缕扑?。而后火焰仍被噴頭截為兩段：噴頭前側(cè)火焰和噴頭后側(cè)火焰，噴頭前側(cè)火焰受到氮?dú)鈬姵鲇绊懚c可燃?xì)怏w及氧氣隔絕，火焰逐漸消散；噴頭后側(cè)火焰受到管道末端泄壓口影響，傳播至管道末端后迅速消散。

F10F10、F10F20 和F10C20 三種工況爆炸火焰均未淬熄，組合多孔介質(zhì)下游可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃?；鹧?zhèn)鞑ブ恋獨(dú)饽惶幨艿降獨(dú)鈬姵龅挠绊懟鞠嗨啤．?dāng)火焰穿過氮?dú)饽?，進(jìn)入組合多孔介質(zhì)與氮?dú)饽恍纬傻闹舷^(qū)間，具備更大孔隙密度的F10F20 和F10C20 工況的火焰顏色明顯變暗、火焰面積明顯變小。這是由于較小的孔徑能夠阻止氮?dú)獯罅恳莩鼋M合多孔介質(zhì)上游端，從而提升區(qū)間氮?dú)夂?，此時(shí)區(qū)間內(nèi)可燃?xì)怏w及氧氣濃度較低，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)速率降低，火焰面積隨之減小。削弱后的火焰?zhèn)鞑ブ炼嗫捉橘|(zhì)，由多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分割、耗散破碎狀火焰。這兩種工況孔隙密度較小，組合多孔介質(zhì)不能有效淬熄爆炸火焰。通過組合多孔介質(zhì)的微小火焰能夠點(diǎn)燃下游可燃?xì)怏w。此時(shí)組合多孔介質(zhì)起到隔斷上下游火焰的作用，上游火焰由于失去可燃?xì)怏w及氧氣的供應(yīng)逐漸熄滅，下游火焰則因下游具備充足的可燃?xì)怏w和氧氣而加速傳播至管道末端。對(duì)比F10F10、F10F20 和F10C20 下游火焰?zhèn)鞑D，可以發(fā)現(xiàn)F10F20 和F10C20 下游火焰面積均小于F10F10。原因可能是，撞擊多孔介質(zhì)的破碎狀火焰首先被孔隙密度小的第一層多孔介質(zhì)分割為微小火焰，然后撞擊孔隙密度大的第二層多孔介質(zhì)，爆炸火焰經(jīng)歷兩次削弱，降低了火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)部的通過率。同時(shí)，兩種孔隙密度不同的組合使多孔介質(zhì)內(nèi)部更加復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)被氮?dú)夥肿犹畛?，增加了反?yīng)自由基撞擊孔隙結(jié)構(gòu)和氮?dú)夥肿拥母怕剩嵘嗫捉橘|(zhì)淬熄效率。最終通過多孔介質(zhì)的微小火焰數(shù)量少、能量低，下游燃燒反應(yīng)進(jìn)行緩慢，因此火焰面積小于F10F10 工況。

F10F30、F10F40 和F10C40 工況均能淬熄爆炸火焰，這說明增加組合多孔介質(zhì)第二層的孔隙密度能夠有效增強(qiáng)多孔介質(zhì)淬熄性能。這是因?yàn)檫@三種工況下的多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)部的傳播路徑也就更多，火焰與多孔介質(zhì)的接觸面積更大，爆炸反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被快速消耗，因此火焰在多孔介質(zhì)中熄滅。觀察多孔介質(zhì)淬熄爆炸火焰后上游火焰消散情況，發(fā)現(xiàn)三種工況下多孔介質(zhì)上游均未出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，在相同時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)10F40 工況成功淬熄爆炸火焰后，上游火焰消散速度比F10F30 工況的速度更快。同理對(duì)比F10F40 與F10C40 工況，F(xiàn)10C40 工況消散的上游火焰圖像顏色更淡，即火焰消散得更快。由此可見，在氮?dú)饽坏囊种谱饔孟拢粌H能夠消除上游復(fù)燃現(xiàn)象，而且能加速爆炸火焰消散，降低爆炸對(duì)管道上游的破壞。

2.2 氮?dú)饽慌c組合多孔介質(zhì)對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

圖3 為不同組合多孔介質(zhì)工況下的火焰前鋒位置隨時(shí)間變化曲線。如圖所示，火焰?zhèn)鞑ブ?00 mm 前，六種工況火焰前鋒位置隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致。之后由于氮?dú)饽缓投嗫捉橘|(zhì)的共同作用下，曲線變化出現(xiàn)差異。F10F10 不能淬熄爆炸火焰，這是由于10 ppi 的泡沫鐵鎳的淬熄效率低，此時(shí)多孔介質(zhì)類似障礙物。火焰受到多孔介質(zhì)的障礙物加速作用，傳播至管道末端時(shí)間最短。而F10F20、F10C20 雖然爆炸火焰均未淬熄，但F10C20 傳播至管道末端的時(shí)間明顯長于F10F20。這是由于泡沫金屬導(dǎo)熱性[24]較好，且泡沫銅優(yōu)于泡沫鐵鎳，破碎狀火焰在泡沫銅內(nèi)部熱量耗散更快，穿過多孔介質(zhì)的火焰能量更低，所以下游燃燒反應(yīng)劇烈程度低于F10F20，傳播至管道末端用時(shí)長于F10F20。F10F30、F10F40、F10C40 爆炸火焰均能淬熄，但F10C40 淬熄火焰用時(shí)最長。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，泡沫銅的衰壓能力強(qiáng)[25]，爆炸產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波被組合多孔介質(zhì)的泡沫銅大量吸收，破壞前驅(qū)沖擊波對(duì)未燃混合氣體的加熱和壓縮的正反饋機(jī)理，導(dǎo)致火焰加速受阻，火焰?zhèn)鞑ブ炼嗫捉橘|(zhì)用時(shí)更長。

圖3 不同組合多孔介質(zhì)的火焰前鋒位置-時(shí)間曲線Fig. 3 The curve of flame front position versus time for different combinations of porous media

圖4 為不同組合多孔介質(zhì)抑制作用下的火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰前鋒位置變化曲線。可以看出，雙層均使用10 ppi 泡沫鐵鎳時(shí)，火焰在多孔介質(zhì)前的傳播速度最快，為46.96 m/s。由于孔隙密度的增大，導(dǎo)致多孔介質(zhì)對(duì)上游氣體的阻力作用增強(qiáng)，因此隨著第二層多孔介質(zhì)孔隙密度的增加，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之降低。F10F20、F10F30、F10F40 的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為42.76、38.20、37.50 m/s。之后由于多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)及內(nèi)部氮?dú)夥肿訜o法阻止過快的火焰沖擊，此時(shí)多孔介質(zhì)充當(dāng)障礙物，孔隙視為增加湍流作用的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致火焰穿過多孔介質(zhì)后達(dá)到更大的速度，例如淬熄失敗的F10F10 和F10F20 工況中，火焰穿過多孔介質(zhì)的傳播速度峰值分別高達(dá)53.76 和50.34 m/s。并且在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，穿過多孔介質(zhì)的火焰并未繼續(xù)加速傳播至管道末端，而是出現(xiàn)火焰反轉(zhuǎn)傳播的現(xiàn)象。這種情況的出現(xiàn)，可能是因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)內(nèi)部復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒒鹧娣指顬榧?xì)小火焰，導(dǎo)致通道壁面散熱量大于燃燒反應(yīng)釋放的熱量，并且多孔結(jié)構(gòu)增加了反應(yīng)自由基碰撞通道壁面的幾率，從而達(dá)到淬熄爆炸火焰的目的。淬熄失敗時(shí)，細(xì)小火焰迅速穿過多孔介質(zhì)，由于細(xì)小火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、能量小，只能點(diǎn)燃到多孔介質(zhì)一定距離的可燃?xì)怏w，而貼近多孔介質(zhì)的可燃?xì)怏w第一時(shí)間并未被點(diǎn)燃，再加上噴出的氮?dú)鈱⒍嗫捉橘|(zhì)上游未燃?xì)怏w持續(xù)排至下游。因此下游段出現(xiàn)火焰反向傳播，將貼近多孔介質(zhì)側(cè)的未燃?xì)怏w燃燒之后，繼續(xù)向管道末端傳播。

圖4 不同組合多孔介質(zhì)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?位置曲線Fig. 4 Velocity-position curves of flame propagation fordifferent combinations of porous media

對(duì)于第二層孔隙密度較大的F10F30、F10F40 而言，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到峰值后，由于更多的氮?dú)獗Ａ粼诙嗫捉橘|(zhì)上游，大幅降低可燃物濃度，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之迅速下降，減速后的火焰被組合多孔介質(zhì)淬熄。對(duì)于工況F10C20 而言，改變第二層多孔介質(zhì)的材質(zhì)，雖然沒有提升多孔介質(zhì)淬熄性能，但最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫剿p。多孔介質(zhì)上下游最大火焰?zhèn)鞑ニ俣人p至41.35 和48.36 m/s。當(dāng)泡沫銅的孔隙密度提升至40 ppi，組合多孔介質(zhì)能夠淬熄爆炸火焰，前期火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著降低，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚。瑸?4.55 m/s。可見合理改變多孔介質(zhì)的組合能提升與氮?dú)饽粎f(xié)同抑制瓦斯爆炸的效果。

2.3 氮?dú)饽慌c組合多孔介質(zhì)對(duì)瓦斯爆炸超壓的影響

實(shí)驗(yàn)中，使用高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器對(duì)管道內(nèi)壓力進(jìn)行采集，得到氮?dú)饽慌c組合多孔介質(zhì)協(xié)同抑制瓦斯爆炸過程中爆炸超壓隨時(shí)間變化曲線。如圖5 所示，六種工況均出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)。

圖5 不同組合多孔介質(zhì)的爆炸超壓-時(shí)間曲線Fig. 5 Variation curves of explosion overpressure with time for different combinations of porous media

對(duì)比圖5 中各工況壓力曲線，并對(duì)第一、第二超壓峰值變化規(guī)律進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 第一超壓峰值，產(chǎn)生的原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中爆炸產(chǎn)生的沖擊波造成泄壓口PVC 薄膜的破裂，氣體泄出量急劇提升，導(dǎo)致爆炸超壓的回落；組合多孔介質(zhì)影響第一超壓峰值的數(shù)值，組合多孔介質(zhì)孔隙密度越大，第一超壓峰值越大；六種工況對(duì)應(yīng)第一超壓峰值分別為5.235、5.323、5.421、5.536、5.213、5.444 kPa；

(2) 氮?dú)鈬姵鱿到y(tǒng)檢測(cè)到火焰信號(hào)，氮?dú)饽话l(fā)生裝置觸發(fā)啟動(dòng)，大量氮?dú)膺M(jìn)入多孔介質(zhì)上游，窒息區(qū)間內(nèi)湍流度增大，火焰迅速發(fā)展，壓力迅速升高；隨著火焰靠近多孔介質(zhì)板，多孔介質(zhì)對(duì)上游氣流的阻礙作用導(dǎo)致較多氮?dú)獗Ａ粼趨^(qū)間內(nèi)，抑制火焰發(fā)展，壓力驟然下降，形成第二超壓峰值；對(duì)于較低孔隙密度的第二層多孔介質(zhì)的工況，對(duì)于壓力波的阻礙與反射能力較低，火焰穿過多孔介質(zhì)后引燃管道下游的可燃?xì)怏w，且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為開口管道，致使第二超壓峰值降低；隨著第二層多孔介質(zhì)孔隙密度的增大，多孔介質(zhì)反射壓力波的能力增強(qiáng)，同時(shí)能夠更好地阻止氮?dú)獾囊绯?，使多孔介質(zhì)上游積聚的壓力也隨之增高，致使淬熄成功的工況第二峰值大于淬熄失敗的工況峰值；六種工況對(duì)應(yīng)第二超壓峰值分別為3.794、4.440、5.383、6.036、4.217、5.787 kPa；其中使用泡沫銅的工況壓力均低于同種配置的泡沫鐵鎳工況，原因?yàn)椋号菽~衰減壓力的能力強(qiáng)于泡沫鐵鎳；泡沫銅大量吸收先于火焰到達(dá)多孔介質(zhì)的沖擊波，破壞沖擊波與火焰面的正反饋；同時(shí)，材質(zhì)強(qiáng)度高的泡沫鐵鎳位于泡沫銅前方，有效防止強(qiáng)度低的泡沫銅形變而造成淬熄失敗。

3 抑制機(jī)理

圖6 所示為氮?dú)饽慌c多孔介質(zhì)協(xié)同抑制瓦斯爆炸機(jī)理。完整的火焰前峰在到達(dá)氮?dú)饽恢埃獨(dú)饽缓蠓匠錆M了可燃?xì)怏w與氧氣。完整的火焰前峰受到氮?dú)饽坏臎_擊作用形成破碎狀火焰，削減火焰強(qiáng)度，且燃燒反應(yīng)所需的可燃?xì)怏w和氧氣，被噴出的氮?dú)怛?qū)離噴頭區(qū)域，燃燒反應(yīng)速率下降，致使瓦斯爆炸強(qiáng)度降低。當(dāng)破碎狀火焰?zhèn)鞑ブ羾婎^與多孔介質(zhì)形成的區(qū)間時(shí)，不斷噴出的氮?dú)鈷稁Ц嗫扇細(xì)饧把鯕膺\(yùn)輸至多孔介質(zhì)下游。多孔介質(zhì)對(duì)上游氣體的阻力作用將噴出的氮?dú)夥e聚在區(qū)間內(nèi)，進(jìn)一步稀釋區(qū)間內(nèi)可燃物濃度，再加上多孔介質(zhì)復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)吸收前驅(qū)沖擊波，破壞正反饋機(jī)制。兩者共同作用導(dǎo)致多孔介質(zhì)上游火焰速度驟然下降。

圖6 抑制機(jī)理示意圖Fig. 6 Schematic diagram of suppression mechanism

破碎狀火焰?zhèn)鞑ブ炼嗫捉橘|(zhì)時(shí)，被多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)分割成眾多微小火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。多孔介質(zhì)通過物理和化學(xué)兩種作用淬熄爆炸火焰：物理作用，多孔介質(zhì)內(nèi)部存在狹小的通道，當(dāng)通道足夠小，火焰在通道內(nèi)傳播一定距離會(huì)自動(dòng)熄滅，而且由于多孔介質(zhì)內(nèi)部的冷壁導(dǎo)熱，火焰的熱損失急劇增加，即多孔介質(zhì)帶走了火焰大部分的熱量從而抑制爆炸反應(yīng)的進(jìn)行；化學(xué)作用，多孔介質(zhì)較大的表面積能夠增加自由基碰撞概率，促進(jìn)自由基的壁面銷毀和氣相銷毀等[26]。

氮?dú)庵饕鸬较♂屚咚節(jié)舛群透艚^氧氣的作用，此外氮?dú)夥肿涌梢宰鳛榈谌w參與爆炸反應(yīng)，降低參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的高能自由基數(shù)量，從而達(dá)到抑制爆炸的效果，也稱為三體碰撞反應(yīng)[27]。然而氮?dú)夥肿映涑庠诙嗫捉橘|(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)之間，致使爆炸反應(yīng)自由基要么碰撞孔隙結(jié)構(gòu)而銷毀，要么與氮?dú)夥肿影l(fā)生三體碰撞反應(yīng)而銷毀，燃燒反應(yīng)在多孔介質(zhì)內(nèi)部難以進(jìn)行，火焰被多孔介質(zhì)淬熄。因此氮?dú)饽伙@著衰減火焰?zhèn)鞑ブ炼嗫捉橘|(zhì)的強(qiáng)度，也提升了多孔介質(zhì)淬熄瓦斯爆炸火焰的性能。

當(dāng)?shù)獨(dú)饽慌c組合多孔介質(zhì)結(jié)合使用，氮?dú)夥肿舆M(jìn)入組合多孔介質(zhì)內(nèi)部，參與多孔介質(zhì)淬熄爆炸火焰的過程：首先，氮?dú)饽凰p后的爆炸火焰沖擊孔徑大的第一層多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)復(fù)雜微孔結(jié)構(gòu)的散熱能力與氮?dú)獾奈鼰崮芰τ行ЫY(jié)合，加速爆炸反應(yīng)熱能的耗散，降低了爆炸反應(yīng)強(qiáng)度和爆炸反應(yīng)速率；其次，進(jìn)一步衰減后的爆炸火焰沖擊孔徑更小的第二層多孔介質(zhì)，網(wǎng)狀孔隙通道的增加導(dǎo)致火焰再次分流，多孔介質(zhì)本身淬熄爆炸火焰的概率有所提升，再加上氮?dú)夥肿臃植荚诟】紫督Y(jié)構(gòu)中，與爆炸反應(yīng)自由基發(fā)生三體碰撞的概率大幅提升。因此原本需要更大孔隙密度多孔介質(zhì)才能淬熄的爆炸火焰，最終在氮?dú)饽缓徒M合多孔介質(zhì)層層削減作用下，淬熄在組合多孔介質(zhì)內(nèi)部。在實(shí)驗(yàn)后可觀察到多孔介質(zhì)材料上附著一層黑色燃燒殘余物，且第二層多孔介質(zhì)為泡沫銅的工況下，還觀察到泡沫銅產(chǎn)生輕微變形。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖7 所示，多孔介質(zhì)下游所有工況的第一超壓峰值均低于上游的第一超壓峰值，其原因?yàn)橄掠蔚牡谝怀瑝悍逯禐槠颇毫?，而上游的第一超壓峰值為破膜壓力與上游積蓄壓力的疊加值。對(duì)于上游的爆炸超壓的第二峰值，前文已分析，在此只對(duì)下游的第二峰值做出解釋，在第二層多孔介質(zhì)密度較低的工況下，即未被淬熄的火焰點(diǎn)燃了下游可燃?xì)怏w，致使爆炸超壓再次上升。對(duì)于具有較高密度第二層多孔介質(zhì)的工況，火焰在氮?dú)馀c多孔介質(zhì)協(xié)同作用下被淬熄，下游可燃物未被點(diǎn)燃，即不會(huì)出現(xiàn)第二峰值。

圖7 多孔介質(zhì)上下游超壓對(duì)比Fig. 7 Comparison of upstream and downstream overpressure of porous media

4 結(jié) 論

本文研究了氮?dú)饽慌c組合多孔介質(zhì)對(duì)瓦斯爆炸抑制效果的影響，并探討了氮?dú)饽慌c多孔介質(zhì)協(xié)同抑制瓦斯爆炸的機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1) 合理改變多孔介質(zhì)的組合能提升與氮?dú)饽粎f(xié)同抑制瓦斯爆炸的效果；孔隙密度大的多孔介質(zhì)作為組合多孔介質(zhì)第二層，能阻擋氮?dú)庖莩龆嗫捉橘|(zhì)上游，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之迅速下降，并隨著第二層板孔隙密度的增加，多孔介質(zhì)淬熄火焰性能得到增強(qiáng)，上游端已燃火焰消散更快；其中，使用空隙密度為40 ppi 的泡沫金屬銅能夠明顯降低前期火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

(2) 組合多孔介質(zhì)條件下的爆炸超壓隨時(shí)間變化曲線均為雙峰型；當(dāng)組合多孔介質(zhì)第二層板孔隙密度增加時(shí)，第一超壓峰值變化較小，第二超壓峰值驟然上升；但使用衰壓能力優(yōu)秀的泡沫銅，吸收大量前驅(qū)沖擊波，破壞正反饋機(jī)制，有助于降低爆炸危險(xiǎn)性；同時(shí)強(qiáng)度高的泡沫鐵鎳位于泡沫銅前方，能夠防止強(qiáng)度低的泡沫銅形變而造成淬熄失??；

(3) 氮?dú)饽徊粌H削弱多孔介質(zhì)上游爆炸反應(yīng)強(qiáng)度，而且提升了多孔介質(zhì)淬熄瓦斯爆炸火焰的性能；氮?dú)饽豢上♂尪嗫捉橘|(zhì)上游可燃?xì)怏w濃度，同時(shí)，多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)中保留許多氮?dú)夥肿?，?dǎo)致參與燃燒反應(yīng)的高能自由基碰撞孔隙結(jié)構(gòu)或與氮?dú)夥肿影l(fā)生三體碰撞反應(yīng)而銷毀，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也被多孔介質(zhì)快速耗散。