陳鵬黃福軍何昕李曉霞

（1．中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京100083；2．中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院　北京100083；3．山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院　山西大同037009）

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多孔材料對管道內(nèi)甲烷－空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊?

陳鵬1，2黃福軍2何昕2李曉霞3

（1．中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100083；2．中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院北京100083；3．山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院山西大同037009）

摘要為研究多孔材料對封閉管道內(nèi)甲烷－空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，設(shè)計加工了橫截面積為80 mm×80 mm的方形試驗(yàn)管道，運(yùn)用自發(fā)光拍攝技術(shù)和動態(tài)壓力傳感器對甲烷－空氣預(yù)混火焰在該管道內(nèi)傳播過程中形狀變化和壓力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在管道尾部放置3種不同材質(zhì)的多孔材料時，其對爆炸壓力均有一定的抑制作用，聚氨酯泡沫對管道內(nèi)壓力的衰減效果優(yōu)于聚苯乙烯泡沫和自制泡沫材料。對壓力曲線進(jìn)行一次求導(dǎo)，得出了壓力變化速率，結(jié)果與空管道實(shí)驗(yàn)相比，在放置多孔材料的管道內(nèi)壓力降低的速率更快，時間更短。

關(guān)鍵詞多孔材料火焰?zhèn)鞑ヮA(yù)混火焰?zhèn)鞑ヒ种谱饔?/p>

Effects of Different Porous Foam Upon Premixed Methane／air Flame Propagation in Closed Ducts

CHEN Peng1，2HUANG Fujun2HE Xin2LI Xiaoxia3
（1．State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology Beijing 100083）

Abstract The paper aims at explaining the effects of porous foam on premixed methane／air flame propagation in the closed ducts．The dynamic pressure testing and self－luminous shooting techniques are used to analyze flame propagation character-istic in a square－shape explosion test pipe with 80 mm×80 mm cross－section．The results show that porous foam has cer-tain inhibition on gas explosion pressure．The failure effect of polyurethane foam on pipe pressure is better than polystyrene foam and self－made porous material．First－order derivative of the flame pressure distribution curve is numerically comput-ed and the result shows that pressure is decreased faster in the pipe that porous materials are placed compared to vacuum duct experiments．

Key Words porous foam flame propagation premixed flame propagation inhibitory effect

0　引言

可燃?xì)怏w燃燒和爆炸過程中，總是伴隨著壓力和溫度的升高，造成的嚴(yán)重后果也都與燃燒和爆炸沖擊有關(guān)。因此，研究抑制燃燒和減弱爆炸波強(qiáng)度的方法和壓力傳播規(guī)律，一直是防災(zāi)減災(zāi)研究的重點(diǎn)。近年來，人們試圖利用多孔可壓縮材料來抑制爆炸波的傳播。多孔材料按照材質(zhì)的不同，可分為多孔金屬材料、多孔陶瓷材料、泡沫塑料及多種復(fù)合材料形態(tài)材料［1－3］。實(shí)驗(yàn)研究表明，一定結(jié)構(gòu)的多孔材料對火焰的淬熄和爆炸波的衰減具有很好的抑制作用［4－6］。文獻(xiàn)［7］、［8］研究了泡沫多孔陶瓷對瓦斯爆炸過程的影響，分析了其對瓦斯爆炸的作用機(jī)理，認(rèn)為泡沫陶瓷對瓦斯爆炸超壓有明顯的衰減作用；陳鵬［9］等研究了不同層數(shù)和目數(shù)的金屬絲網(wǎng)對管道內(nèi)甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)能使其前后的超壓峰值增大，并表現(xiàn)出吸波效應(yīng)，當(dāng)絲網(wǎng)達(dá)到一定層數(shù)時，使火焰發(fā)生淬熄；喻健良［10－11］等研究了多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對管道內(nèi)氣體爆炸的抑爆過程，提出了臨界淬熄速度、臨界淬熄超壓和熄爆等概念。但迄今為止，關(guān)于有機(jī)多孔材料對管道內(nèi)氣體預(yù)混燃燒壓力波影響的研究還較少見。因此，本文以聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫和自制多孔泡沫為材料，研究不同多孔材料對管道內(nèi)瓦斯爆炸的影響規(guī)律，以期為設(shè)置安全和有效的抑爆設(shè)計提供依據(jù)。

1材料選取及實(shí)驗(yàn)裝置

1．1材料的選取

實(shí)驗(yàn)選用的3種多孔材料均為有機(jī)軟質(zhì)泡沫材料，厚度為20 mm，其中聚氨酯泡沫（材料1）為開孔結(jié)構(gòu)，通孔率約為95%，密度0．08 g／cm3；聚苯乙烯泡沫（材料2）為閉孔結(jié)構(gòu)，密度0．03 g／cm3；自制多孔材料（材料3）是將γ－酸酯，α－醚（M＝450），β－酯（M＝400）按1∶0．8∶0．3的比例混合均勻，加入一定濃度的十二烷基硫酸鈉（發(fā)泡劑）制成，為閉孔結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度為2．7 MPa，密度0．12 g／cm3。

1．2實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)由定容燃燒管道、壓力測試系統(tǒng)、混氣系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)管道為一方形直管，長度為500 mm，橫斷面尺寸80 mm×80 mm，管道泄壓孔用聚偏二氯乙烯粘性材料進(jìn)行密封。管道前后兩側(cè)由抗壓強(qiáng)度不低于20 MPa的透明石英玻璃板制成。壓力傳感器采用美國產(chǎn)112A05型壓電式石英片傳感器，并將其固定在管道末端位置。數(shù)據(jù)采集儀型號為HIOKI8847，最高波形采樣率20 MS／s。多孔材料固定在距離點(diǎn)火器最遠(yuǎn)的管道末端。實(shí)驗(yàn)采用的甲烷／空氣預(yù)混氣體的當(dāng)量比Φ＝1，管道初始溫度和壓力為298 K和0．1 MPa。

1－高速攝像機(jī)；2－高能點(diǎn)火器；3－點(diǎn)火電極；4－計算機(jī)控制終端；5－PLC同步控制器；6－壓力傳感器；7－高速數(shù)據(jù)采集儀；8－真空泵；9－預(yù)混配氣罐；10－泄壓閥；11－多孔材料圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1反應(yīng)前后預(yù)混火焰對多孔材料的影響分析

圖2甲烷／空氣預(yù)混火焰在裝有多孔材料的管道中的自發(fā)光圖像

由圖2可知，甲烷被點(diǎn)燃后迅速向前傳播，傳播初期由于燃燒溫度低，火焰亮度也較低，氣體以層流形態(tài)發(fā)展。隨著燃燒的進(jìn)行，火焰逐漸變亮，最后充滿整個管道。圖2（a）中t＝200 ms時，圖2（b）中t ＝180 ms時，可以看到清晰的Tulip火焰出現(xiàn)，火焰上下呈對稱結(jié)構(gòu)向前發(fā)展?；鹧?zhèn)鞑サ椒胖糜卸嗫撞牧系奈恢脮r可以觀察到此時火焰的顏色最亮，這是由于多孔材料吸附了大量的可燃?xì)怏w，火焰?zhèn)鞑サ蕉嗫撞牧蠒r，駐存在多孔材料中的氣體逐漸析出并參與燃燒，從而使得火焰在多孔材料前方駐留較久，燃燒更加充分。

對比反應(yīng)前后多孔材料的外觀可知，參與反應(yīng)后聚苯乙烯泡沫四周有收縮現(xiàn)象，其表面有被燒過的痕跡，部分變色，瓦斯／空氣預(yù)混火焰經(jīng)材料1的部分孔徑變大，反應(yīng)完成后有燒糊氣味產(chǎn)生；對比材料2可知，反應(yīng)之后材料2四周出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象，其收縮程度比材料1更明顯，反應(yīng)后沒有氣味產(chǎn)生；觀察對比材料3，瓦斯／空氣預(yù)混火焰經(jīng)過材料3以后，表面出現(xiàn)了明顯的變色現(xiàn)象，材料靠近中心的位置變形較明顯，四周有被燃燒過的痕跡，反應(yīng)結(jié)束之后材料3發(fā)生陰燃并伴有難聞的氣味產(chǎn)生。以上3種材料受熱后表現(xiàn)出相似的物理化學(xué)特性，這是由于3種材料的玻璃化溫度均在80～150℃，而甲烷－空氣預(yù)混火焰的燃燒溫度可達(dá)2 000℃左右，高溫使得多孔材料分解變形并釋放出異氰酸酯、多元醇、氨等有氣味的氣體。

2．2多孔材料對瓦斯爆炸超壓的影響

最大爆炸壓力是反映爆炸破壞效應(yīng)的重要指標(biāo)，壓力越大，其對人員及物品的傷害就越嚴(yán)重。圖3為空管道和管道內(nèi)放置不同多孔材料情況下的壓力隨時間的變化曲線。由圖可知，在壓力上升的過程中，4種工況下的上升曲線并非呈規(guī)律的指數(shù)型變化，而是存在一個先上升后平緩再上升的過程。不同多孔材料到達(dá)最大壓力的時間不同，壓力峰值也不同，各工況下管道內(nèi)壓力隨時間的變化均可分為3個階段，即平臺期、上升期與下降期。

圖3管道內(nèi)壓力隨時間的變化曲線

（1）平臺期：在0～0．14 s過程，可以看出，各工況下的壓力曲線重合，管道內(nèi)壓力上升緩慢，測點(diǎn)壓力值沒有明顯變化，此時燃燒正處于初始發(fā)展階段，火焰以球形形態(tài)發(fā)展，管道壁面的限制作用對火焰影響不明顯，因此這一階段的燃燒表現(xiàn)為無壓燃燒，壓力始終保持一個大氣壓。

（2）上升期：在0．14～0．16 s過程，壓力上升明顯，這一階段火焰開始觸壁，瞬態(tài)火焰釋熱導(dǎo)致的熱壓縮波和管道壁面的限制作用使得火焰面迅速變大，壓力快速上升，燃燒更充分。壓力自0．16 s繼續(xù)上升，直至達(dá)到峰值，這一階段為壓力上升期，放置有材料2的管道內(nèi)壓力峰值高于放置材料1和材料3的管道內(nèi)測得的壓力峰值。這是由于材料2為聚苯乙烯泡沫，內(nèi)部為閉孔結(jié)構(gòu)，表面比較光滑平整，對從燃燒端傳播來的爆炸超壓具有很好的反射作用。反射波與入射波相互作用使得火焰燃燒面積增大，燃燒更加充分，從而使得壓力較大。材料1與材料3對壓力的抑制作用曲線極為相近，壓力峰值和到達(dá)峰值的時間基本相同，其中在空管道中壓力峰值為0．443 13 MPa，在裝有聚苯乙烯泡沫的管道中壓力峰值為0．421 8 MPa，較空管道衰減了4．97%；在裝有自主研發(fā)的多孔材料的管道內(nèi)壓力峰值為0．378 MPa，下降了14．67%；在放置聚氨酯海綿的管道內(nèi)壓力峰值下降最大，為0．36 MPa，下降了18．73%。在時間上，裝有聚氨酯海綿的管道內(nèi)壓力最早達(dá)到峰值，說明聚氨酯海綿對于管道內(nèi)超壓的抑制更為有效。從聚氨酯海綿本身的物理特性來分析，本實(shí)驗(yàn)采用的為軟質(zhì)聚氨酯泡沫，內(nèi)部具有網(wǎng)狀、無方向性的多孔結(jié)構(gòu)，相對密度小，孔道與孔道之間聯(lián)通程度較高，使其具有吸收橫波和抑制駐波的功能，沖擊波在其內(nèi)部反射、折射作用程度較強(qiáng)，對其壓縮時耗能程度高，對燃燒產(chǎn)生的沖擊波具有很好的吸收能力，導(dǎo)致壓力衰減最多，加上聚氨酯海綿玻璃化時吸收熱量，對火焰溫度也有一定的降低作用，聚氨酯海綿與另外兩種多孔材料相比質(zhì)地較軟，孔隙率更大，因此沖擊波在聚氨酯泡沫材料中具有更強(qiáng)的傳播衰減效應(yīng)。

（3）下降期：壓力自峰值開始下降直至反應(yīng)結(jié)束的階段為下降期。反應(yīng)結(jié)束，管道內(nèi)溫度逐漸降低，由克拉貝龍方程［12］可知，管道內(nèi)壓力也逐漸降低。

2．3多孔材料對瓦斯爆炸壓力上升速率的抑制作用

壓力對時間求導(dǎo)數(shù)可以表征壓力上升的速率，壓力變化速率dp／dt與反應(yīng)速度正相關(guān)，二者的變化趨勢同步。因此，dp／dt的變化可以反映管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?。如圖4所示，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著反應(yīng)的加劇而增加，當(dāng)反應(yīng)到一定程度后，由于管道封閉性的限制，速度達(dá)到峰值后降低，之后反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，火焰發(fā)生變形，面積增大，反應(yīng)速度再次加快。在0．17 s前，4條曲線基本重合，這一階段為火焰?zhèn)鞑コ跗?，火焰前鋒距離材料較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的壓力波也未傳播到管道尾部，因此材料在火焰發(fā)展受限之前對管道內(nèi)的壓力影響不大。在0．195 s時，不同材料作用下的dp／dt值開始產(chǎn)生分歧，加有材料的dp／dt達(dá)到峰值的時間早于未加入材料的情況，峰值從小到大的工況順序依次為材料1、材料3、材料2和未加材料。從第2個峰值開始下降時，下降的時間從早到晚依次為材料1、材料3、材料2和未加材料。由此可得，在尾部管道加入材料對火焰發(fā)展初期的影響并不明顯，而在火焰因受限而發(fā)生形變后，加入材料可以降低由于火焰面積增大而引起的速度增加，使速度下降時間提前。對火焰抑制效果最好的為材料1，材料3與材料1的作用相近，優(yōu)于材料2，管道內(nèi)加入多孔材料對壓力上升速率的抑制效果明顯好于不加材料時的工況。

圖4壓力變化速率隨時間的變化曲線

3　結(jié)論

（1）封閉管道內(nèi)的壓力變化可以分為3個階段：平臺期、上升期和下降期。多孔材料對平臺期和上升期前期的影響不大，對上升期后期的影響比較明顯。

（2）多孔材料對瓦斯爆炸壓力衰減效應(yīng)明顯，最大衰減可達(dá)18．73%，聚氨酯泡沫和自制泡沫材料對管道內(nèi)壓力的衰減效果優(yōu)于聚苯乙烯泡沫。

（3）在壓力上升的過程中，上升曲線并非呈規(guī)律的指數(shù)型變化，而是存在一個先上升后平緩再上升的過程，壓力變化速率dp／dt呈現(xiàn)先上升后下降再上升的規(guī)律。加入多孔材料后，dp／dt的第2個峰值降低，第2個峰值開始下降的時間提前。

（4）煤礦井下，在巷道拐角處的壁面位置設(shè)置多孔材料，巷道發(fā)生火災(zāi)時能對沖擊波的傳播起到一定的抑制作用，從而減少人員傷亡和對井下設(shè)備的損壞。

參考文獻(xiàn)

［1］劉培生．多孔材料引論［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［2］蔡永源，劉靜嫻．高分子材料阻燃技術(shù)手冊［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993．

［3］王禮立．爆炸與沖擊載荷下結(jié)構(gòu)和材料動態(tài)響應(yīng)研究的新進(jìn)展［J］．爆炸與沖擊，2001，21（2）：81－88．

［4］魏春榮，徐敏強(qiáng)，孫建華，等．多孔材料抑制瓦斯爆炸傳播的實(shí)驗(yàn)及機(jī)理［J］．功能材料，2012，43（16）：2247－2250．

［5］張巨峰，王暉，武元，等．管道內(nèi)多層金屬絲網(wǎng)對預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀跩］．山西大同大學(xué)學(xué)報，2012，29（1）：66－69．

［6］張巨峰，徐敏強(qiáng)，王樹桐，等．多孔材料抑制瓦斯爆炸火焰波的實(shí)驗(yàn)研究［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，42（2）：207－212．

［7］NIE Bai－sheng，HE Xue－qiu，ZHANG Ru－ming，et al．The roles of foam ceramics in suppression of gas explosion overpressure and quenching of flame propagation［J］．Journal of Haz-ardous Materials，2011，192（2）：741－747．

［8］ZHANG jin－feng，SUN zhong－qiang，ZHENG Yan－min，et al．Coupling effects of foam ceramics on the flame and shock wave of gas explosion［J］．Safety Science，2012，50（4）：797－800．

［9］陳鵬，楊永波，郭實(shí)龍，等．金屬絲網(wǎng)對甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ビ绊懙难芯浚跩］．中國安全科學(xué)學(xué)報，2014（7）：33－36．

［10］喻健良，蔡濤，李岳，等．絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對爆炸氣體淬熄的實(shí)驗(yàn)研究［J］．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008，14（2）：97－100．

［11］喻健良．預(yù)混火焰在微小通道中傳播和淬熄的研究［D］．遼寧大連：大連理工大學(xué)，2008．

［12］朱善明，劉穎，林兆莊，等．工程熱力學(xué)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2011：240－242．

收稿日期：（2015－04－20）

作者簡介陳鵬，男，1971年生，安徽人，副教授。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51274205），中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（SKLCRSM10KFB13）。