球形罐中丙烷—空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦苑治?/h1>
2019-09-10 01:42:58倪文婧
工程爆破 2019年4期
倪文婧
(天地科技股份有限公司，北京 100013)
液化石油燃料的供需矛盾是各國面臨的重要問題之一，石油替代燃料是發(fā)動機(jī)和燃料領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。丙烷是液化石油氣的主要成分，其沸點(diǎn)低而且燃燒生成的辛烷值高且易于和空氣混合，被認(rèn)為是最有潛力的替代燃料。但是丙烷是易燃?xì)怏w，其火焰在傳播過程中，伴隨火焰加速以及壓力溫度的急劇增加引起的非理想爆炸是工業(yè)生產(chǎn)中爆炸災(zāi)害的主要形式。而對早期火焰的結(jié)構(gòu)以及加速傳播的內(nèi)在機(jī)制研究則可以有效抑制該類爆炸事故的發(fā)生。
縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前較為關(guān)注的是丙烷—空氣不同比例下的混合物爆炸參數(shù)研究[1-5]，而對火焰?zhèn)鞑ミ^程微觀結(jié)構(gòu)受外界條件影響規(guī)律方面的研究則相對較少。其中，在方形長管實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Tulip火焰結(jié)構(gòu)，即在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，球面陣面的曲率發(fā)生變化，火焰陣面即火焰結(jié)構(gòu)由凸面向凹面轉(zhuǎn)變。同時，伴隨半球面火焰向前傳播的過程中，球面曲率半徑降低并最終形成平面，火焰面開始向易燃區(qū)傳播，形成小尺度的湍流燃燒，這種火焰被稱為Tulip火焰結(jié)構(gòu)[6]。對此現(xiàn)象，有以下幾種理論解釋：火焰陣面和壓力波的相互作用、火焰的不穩(wěn)定性、在火焰前鋒有大尺度的渦流、壁面淬熄效應(yīng)和黏性影響以及D-L不穩(wěn)定性。而且以往對Tulip的研究僅僅局限于方形長管中，球形爆炸罐內(nèi)的研究則相對較少。
本文介紹了借助高速紋影系統(tǒng)了解球形爆炸罐內(nèi)丙烷—空氣預(yù)混體燃燒的過程，探究了丙烷濃度對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，重點(diǎn)關(guān)注Tulip火焰結(jié)構(gòu)的形成過程，并分析及對比了火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、浮力傳播速度隨時間的變化規(guī)律。
1 實(shí)驗(yàn)裝置
1.16 m3的球形多相爆炸罐體如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由點(diǎn)火系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。8套噴粉揚(yáng)塵系統(tǒng)對稱安裝，測試孔均勻分布在罐體四周，其中測試裝置、點(diǎn)火裝置利用測試孔來進(jìn)行安裝。點(diǎn)火裝置安裝有電極，鹵鎢燈用作紋影系統(tǒng)的光源，設(shè)有凹面鏡、凸透鏡、平面鏡。
圖1 多相燃燒爆炸罐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of the multiphase combustion explosion tank
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1 紋影實(shí)驗(yàn)
為了考察丙烷濃度對丙烷燃燒過程的影響，分別采用了當(dāng)量比φ為1.8、2.0 及2.1的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)量比φ為1.8和2.0時，點(diǎn)火能量為120 pF，15.9 kV；而φ為2.1時，點(diǎn)火能量為1 200 pF，15.9 kV。三種濃度的丙烷—空氣混合氣燃燒過程的紋影如圖2所示。
圖2 丙烷—空氣混合物的紋影Fig.2 Flame schlieren images of propane-air mixture
從圖2可以看出，在三種工況下火焰的傳播過程都不同程度的受到浮力影響。
當(dāng)φ=1.8時，火焰在傳播過程的同時受到浮力與熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的干擾。當(dāng)t=176 ms時，球形火焰陣面下半球形火焰中心發(fā)生彎曲，即從未燃區(qū)轉(zhuǎn)移至已燃區(qū)，此時逐漸形成Tulip結(jié)構(gòu)；當(dāng)t=467.2 ms時，整個火焰陣面漂移出可視窗口；當(dāng)t=478.4 ms時，火焰陣面再次傳播到可視窗口且火焰陣面不是球形傳播，而是沿著電極向未燃區(qū)凸起的方式傳播。初始的火焰陣面是光滑的陣面，隨著火焰的向前傳播，火焰陣面迅速布滿褶皺，形成胞格結(jié)構(gòu)，促進(jìn)燃燒加速。
當(dāng)φ=2.0且t=154.3 ms時，球形火焰陣面下半個球火焰陣面中心由未燃區(qū)彎曲逐步向已燃區(qū)彎曲，形成Tulip結(jié)構(gòu)，并逐步擴(kuò)大；t=445 ms時，整個火焰陣面漂移出可視窗口。由于設(shè)置的紋影記錄時間太短，未能記錄燃燒混合物的二次燃燒，火焰陣面再次出現(xiàn)在可視窗口的情況。
當(dāng)φ=2.1且t=138.5 ms時，球形火焰陣面下半個球火焰陣面中心由未燃區(qū)彎曲逐步向已燃區(qū)彎曲，形成Tulip結(jié)構(gòu)；t=463 ms時，整個火焰陣面漂移出可視窗口，t=3 294 ms時，火焰陣面再次傳播到可視窗口，但是火焰陣面不規(guī)則。
綜上所述，在此種實(shí)驗(yàn)條件下，隨著當(dāng)量比的增加，Tulip結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時間越早。而且隨著當(dāng)量比的增加，火焰陣面從漂移出可視陣面到再次出現(xiàn)在陣面的時間大大增加。這說明火焰陣面碰到容器壁，火焰陣面反向傳播，φ為1.8時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?/p>
2.2 變化規(guī)律與對比分析
不同當(dāng)量比火球半徑與時間的關(guān)系如圖3所示。火球半徑隨著時間的增加均呈增長趨勢且當(dāng)量比為1.8時的火球半徑最大，而當(dāng)量比為2.0時的火球半徑最小。由于隨著當(dāng)量比的增加，單位體積內(nèi)釋放的能量越小而且多余丙烷吸熱會消耗能量，所以隨著當(dāng)量比的增加，火球半徑逐漸減少。但是φ為2.1的火球半徑大于當(dāng)量比為2.0的火球半徑(見圖3)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于當(dāng)量比為2.1的點(diǎn)火能量為其他兩種工況點(diǎn)火能量的10倍引起的。從上述結(jié)果可以得出，點(diǎn)火能量在爆炸極限附近對可燃性混合物的燃燒影響很大。
圖3 火球半徑隨時間的變化規(guī)律Fig.3 The fireball radius as a function of time
不同當(dāng)量比條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間的變化規(guī)律如圖4所示。隨著時間的推移，火球半徑增長速度呈逐漸減小的趨勢。在火焰發(fā)展初始階段，即t=0.09 s時，當(dāng)量比為1.8的火球半徑增長速度最快，而當(dāng)量比為2.0的增長速度最慢。當(dāng)t>0.09 s時，當(dāng)量比為2.0的火球增長速度逐步超過當(dāng)量比為2.1的火球增長速度。這是由于隨著火焰向前傳播，點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴А．?dāng)量比為2.0時，隨著火焰向前傳播，火球半徑增長速度呈現(xiàn)先緩慢減小，而后幾乎保持不變，最后迅速下降的趨勢。當(dāng)t=0.18 s時，火球半徑增長速度迅速減小，對比紋影圖片，此時產(chǎn)出明顯的Tulip火焰。
圖4 混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間變化規(guī)律Fig.4 Evolution of the flame propagation velocity with time
不同當(dāng)量比條件下浮力傳播速度隨時間的變化規(guī)律如圖5所示，隨著時間的推移，浮力傳播速度呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)量比為1.8時浮力傳播速度最大，當(dāng)量比為2.0時，浮力傳播速度最小。當(dāng)量比為2.0且t=0.15 ms時，浮力傳播速度逐步減小。從圖2中可知，當(dāng)t=154.3 ms時形成了Tulip火焰結(jié)構(gòu)。由此可知，Tulip火焰結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使浮力傳播速度迅速減少。
圖5 浮力傳播速度隨時間的變化規(guī)律Fig.5 Evolution of buoyancy propagation speed with the time
圖6 浮力傳播速度隨火球半徑變化規(guī)律Fig.6 Relationship between buoyancy velocity and the fireball radius
不同當(dāng)量比浮力傳播速度隨火焰半徑的變化規(guī)律如圖6所示，浮力傳播速度呈逐漸增加的趨勢。在火焰發(fā)展初始階段，火球半徑小于0.055 m時，當(dāng)量比為2.0時，浮力傳播速度最大，而當(dāng)量比為1.8時，浮力傳播速度最小。當(dāng)量比為2.0時，受浮力的影響最大，當(dāng)量比為1.8時，受浮力的影響最小。當(dāng)火球半徑大于0.055 m，當(dāng)量比為2.0時，浮力傳播速度迅速降低，低于當(dāng)量比為2.1的浮力傳播速度。這是由于隨著火焰向前傳播，點(diǎn)火能對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴?。?dāng)量比為2.0時，隨著火焰的向前傳播，浮力傳播速度呈現(xiàn)先緩慢增加，然后迅速下降的趨勢。在火球半徑為0.052 m時，浮力傳播速度迅速減小，對比紋影圖片，此時產(chǎn)出明顯的Tulip火焰。
不同當(dāng)量比火球半徑增長速度隨火球半徑的變化規(guī)律如圖7所示。隨著火焰的傳播，火球半徑增長速度隨著火球半徑逐漸降低。在火焰發(fā)展初始階段，火球半徑小于0.045 m，當(dāng)量比為2.0時，火球半徑增長速度最小，而當(dāng)量比為1.8時，火球半徑增長速度最大。這說明，當(dāng)量比為2.0時，能力釋放速率最小，當(dāng)量比為1.8時，能量釋放速率最大。當(dāng)火球半徑大于0.045 m，當(dāng)量比為2.1時，火球半徑增長速度迅速降低，和當(dāng)量比為2.0時的情況基本一致。這是由于隨著火焰的向前傳播，點(diǎn)火能對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴А?/p>
圖7 火球半徑增長速度與火球半徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between fireball radius growth speed and the fireball radius
3 結(jié)論
在爆炸罐體內(nèi)對丙烷—空氣預(yù)混氣的燃燒過程進(jìn)行研究時，分析了火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、浮力傳播速度隨時間的變化規(guī)律，并關(guān)注浮力傳播速度以及火球半徑增長速度隨火焰半徑的變化關(guān)系。研究表明，當(dāng)丙烷—空氣在燃燒極限附近，點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑ビ绊懞艽?。?dāng)量比為2.1的點(diǎn)火能量是當(dāng)量比為2.0的10倍時，相同時刻當(dāng)量比為2.1的火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣却?。?dāng)丙烷—空氣在富燃情形下，即當(dāng)量比大于1.8時，預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程受浮力的影響，火焰陣面向已燃區(qū)彎曲，此時形成Tulip火焰結(jié)構(gòu)。此外，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，Tulip火焰結(jié)構(gòu)形成于浮力傳播速度減小以及火球半徑迅速降低的過程中。
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1 實(shí)驗(yàn)裝置
1.16 m3的球形多相爆炸罐體如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由點(diǎn)火系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。8套噴粉揚(yáng)塵系統(tǒng)對稱安裝，測試孔均勻分布在罐體四周，其中測試裝置、點(diǎn)火裝置利用測試孔來進(jìn)行安裝。點(diǎn)火裝置安裝有電極，鹵鎢燈用作紋影系統(tǒng)的光源，設(shè)有凹面鏡、凸透鏡、平面鏡。
圖1 多相燃燒爆炸罐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of the multiphase combustion explosion tank
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2.1 紋影實(shí)驗(yàn)
為了考察丙烷濃度對丙烷燃燒過程的影響，分別采用了當(dāng)量比φ為1.8、2.0 及2.1的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)量比φ為1.8和2.0時，點(diǎn)火能量為120 pF，15.9 kV；而φ為2.1時，點(diǎn)火能量為1 200 pF，15.9 kV。三種濃度的丙烷—空氣混合氣燃燒過程的紋影如圖2所示。
圖2 丙烷—空氣混合物的紋影Fig.2 Flame schlieren images of propane-air mixture
從圖2可以看出，在三種工況下火焰的傳播過程都不同程度的受到浮力影響。
當(dāng)φ=1.8時，火焰在傳播過程的同時受到浮力與熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的干擾。當(dāng)t=176 ms時，球形火焰陣面下半球形火焰中心發(fā)生彎曲，即從未燃區(qū)轉(zhuǎn)移至已燃區(qū)，此時逐漸形成Tulip結(jié)構(gòu)；當(dāng)t=467.2 ms時，整個火焰陣面漂移出可視窗口；當(dāng)t=478.4 ms時，火焰陣面再次傳播到可視窗口且火焰陣面不是球形傳播，而是沿著電極向未燃區(qū)凸起的方式傳播。初始的火焰陣面是光滑的陣面，隨著火焰的向前傳播，火焰陣面迅速布滿褶皺，形成胞格結(jié)構(gòu)，促進(jìn)燃燒加速。
當(dāng)φ=2.0且t=154.3 ms時，球形火焰陣面下半個球火焰陣面中心由未燃區(qū)彎曲逐步向已燃區(qū)彎曲，形成Tulip結(jié)構(gòu)，并逐步擴(kuò)大；t=445 ms時，整個火焰陣面漂移出可視窗口。由于設(shè)置的紋影記錄時間太短，未能記錄燃燒混合物的二次燃燒，火焰陣面再次出現(xiàn)在可視窗口的情況。
當(dāng)φ=2.1且t=138.5 ms時，球形火焰陣面下半個球火焰陣面中心由未燃區(qū)彎曲逐步向已燃區(qū)彎曲，形成Tulip結(jié)構(gòu)；t=463 ms時，整個火焰陣面漂移出可視窗口，t=3 294 ms時，火焰陣面再次傳播到可視窗口，但是火焰陣面不規(guī)則。
綜上所述，在此種實(shí)驗(yàn)條件下，隨著當(dāng)量比的增加，Tulip結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時間越早。而且隨著當(dāng)量比的增加，火焰陣面從漂移出可視陣面到再次出現(xiàn)在陣面的時間大大增加。這說明火焰陣面碰到容器壁，火焰陣面反向傳播，φ為1.8時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?/p>
2.2 變化規(guī)律與對比分析
不同當(dāng)量比火球半徑與時間的關(guān)系如圖3所示。火球半徑隨著時間的增加均呈增長趨勢且當(dāng)量比為1.8時的火球半徑最大，而當(dāng)量比為2.0時的火球半徑最小。由于隨著當(dāng)量比的增加，單位體積內(nèi)釋放的能量越小而且多余丙烷吸熱會消耗能量，所以隨著當(dāng)量比的增加，火球半徑逐漸減少。但是φ為2.1的火球半徑大于當(dāng)量比為2.0的火球半徑(見圖3)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于當(dāng)量比為2.1的點(diǎn)火能量為其他兩種工況點(diǎn)火能量的10倍引起的。從上述結(jié)果可以得出，點(diǎn)火能量在爆炸極限附近對可燃性混合物的燃燒影響很大。
圖3 火球半徑隨時間的變化規(guī)律Fig.3 The fireball radius as a function of time
不同當(dāng)量比條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間的變化規(guī)律如圖4所示。隨著時間的推移，火球半徑增長速度呈逐漸減小的趨勢。在火焰發(fā)展初始階段，即t=0.09 s時，當(dāng)量比為1.8的火球半徑增長速度最快，而當(dāng)量比為2.0的增長速度最慢。當(dāng)t>0.09 s時，當(dāng)量比為2.0的火球增長速度逐步超過當(dāng)量比為2.1的火球增長速度。這是由于隨著火焰向前傳播，點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴А．?dāng)量比為2.0時，隨著火焰向前傳播，火球半徑增長速度呈現(xiàn)先緩慢減小，而后幾乎保持不變，最后迅速下降的趨勢。當(dāng)t=0.18 s時，火球半徑增長速度迅速減小，對比紋影圖片，此時產(chǎn)出明顯的Tulip火焰。
圖4 混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間變化規(guī)律Fig.4 Evolution of the flame propagation velocity with time
不同當(dāng)量比條件下浮力傳播速度隨時間的變化規(guī)律如圖5所示，隨著時間的推移，浮力傳播速度呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)量比為1.8時浮力傳播速度最大，當(dāng)量比為2.0時，浮力傳播速度最小。當(dāng)量比為2.0且t=0.15 ms時，浮力傳播速度逐步減小。從圖2中可知，當(dāng)t=154.3 ms時形成了Tulip火焰結(jié)構(gòu)。由此可知，Tulip火焰結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使浮力傳播速度迅速減少。
圖5 浮力傳播速度隨時間的變化規(guī)律Fig.5 Evolution of buoyancy propagation speed with the time
圖6 浮力傳播速度隨火球半徑變化規(guī)律Fig.6 Relationship between buoyancy velocity and the fireball radius
不同當(dāng)量比浮力傳播速度隨火焰半徑的變化規(guī)律如圖6所示，浮力傳播速度呈逐漸增加的趨勢。在火焰發(fā)展初始階段，火球半徑小于0.055 m時，當(dāng)量比為2.0時，浮力傳播速度最大，而當(dāng)量比為1.8時，浮力傳播速度最小。當(dāng)量比為2.0時，受浮力的影響最大，當(dāng)量比為1.8時，受浮力的影響最小。當(dāng)火球半徑大于0.055 m，當(dāng)量比為2.0時，浮力傳播速度迅速降低，低于當(dāng)量比為2.1的浮力傳播速度。這是由于隨著火焰向前傳播，點(diǎn)火能對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴?。?dāng)量比為2.0時，隨著火焰的向前傳播，浮力傳播速度呈現(xiàn)先緩慢增加，然后迅速下降的趨勢。在火球半徑為0.052 m時，浮力傳播速度迅速減小，對比紋影圖片，此時產(chǎn)出明顯的Tulip火焰。
不同當(dāng)量比火球半徑增長速度隨火球半徑的變化規(guī)律如圖7所示。隨著火焰的傳播，火球半徑增長速度隨著火球半徑逐漸降低。在火焰發(fā)展初始階段，火球半徑小于0.045 m，當(dāng)量比為2.0時，火球半徑增長速度最小，而當(dāng)量比為1.8時，火球半徑增長速度最大。這說明，當(dāng)量比為2.0時，能力釋放速率最小，當(dāng)量比為1.8時，能量釋放速率最大。當(dāng)火球半徑大于0.045 m，當(dāng)量比為2.1時，火球半徑增長速度迅速降低，和當(dāng)量比為2.0時的情況基本一致。這是由于隨著火焰的向前傳播，點(diǎn)火能對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴А?/p>
圖7 火球半徑增長速度與火球半徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between fireball radius growth speed and the fireball radius
3 結(jié)論
在爆炸罐體內(nèi)對丙烷—空氣預(yù)混氣的燃燒過程進(jìn)行研究時，分析了火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、浮力傳播速度隨時間的變化規(guī)律，并關(guān)注浮力傳播速度以及火球半徑增長速度隨火焰半徑的變化關(guān)系。研究表明，當(dāng)丙烷—空氣在燃燒極限附近，點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑ビ绊懞艽?。?dāng)量比為2.1的點(diǎn)火能量是當(dāng)量比為2.0的10倍時，相同時刻當(dāng)量比為2.1的火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣却?。?dāng)丙烷—空氣在富燃情形下，即當(dāng)量比大于1.8時，預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程受浮力的影響，火焰陣面向已燃區(qū)彎曲，此時形成Tulip火焰結(jié)構(gòu)。此外，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，Tulip火焰結(jié)構(gòu)形成于浮力傳播速度減小以及火球半徑迅速降低的過程中。
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