路 長，張運(yùn)鵬，朱 寒，王鴻波，路昊昕，潘榮錕

（1. 河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，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）

礦井瓦斯爆炸事故是煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，尤其是重大、特大瓦斯爆炸事故，傷亡人數(shù)眾多，設(shè)備破壞嚴(yán)重[1]。在我國的煤炭生產(chǎn)中，一次死亡10 人以上特、重大事故總數(shù)中，約70%左右是瓦斯、煤塵爆炸事故[2]。如何更好地減弱甚至消除瓦斯爆炸事故造成的危害，是廣大學(xué)者面臨的一個(gè)重大課題。

為了降低爆炸帶來的危害，國內(nèi)外學(xué)者做了許多工作，對爆炸過程中施放滅火劑、抑爆劑來達(dá)到抑爆效果的研究比較多。Cao 等[3]發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧中的NaCl 濃度不同對甲烷爆炸抑制作用不同。Yu 等[4]研究了細(xì)水霧中添加NaCl 及感應(yīng)電荷對甲烷爆炸的抑制增強(qiáng)作用。裴蓓等[5]采用CO2和細(xì)水霧雙噴頭對甲烷爆炸進(jìn)行抑制研究。王信群等[6]用BC 干粉進(jìn)行抑爆研究，改性后抑制效果大為提高。路長等[7]研究了四氟乙烷對甲烷爆炸過程中的抑制作用。楊勇[8]進(jìn)行了含添加劑的N2-雙流體細(xì)水霧抑制甲烷爆炸的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了其抑爆規(guī)律并探討了其協(xié)同抑爆機(jī)理。常琳[9]對煤礦井下區(qū)域自動(dòng)噴粉滅火抑爆系統(tǒng)的原理、技術(shù)指標(biāo)和性能進(jìn)行研究。程方明等[10]利用硅藻土分體進(jìn)行了抑制瓦斯爆炸的研究。王婷等[11]研究了惰性SiO2和活性NaHCO3粉體對甲烷爆炸的作用效果。薛少謙[12]利用七氟丙烷進(jìn)行甲烷爆炸的抑制實(shí)驗(yàn)研究。Liang 等[13]通過實(shí)驗(yàn)了解N2有助于撲滅爆炸火焰、降低爆炸壓力。李成兵[14]發(fā)現(xiàn)CO2會(huì)參與甲烷氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并對CH4氧化放熱產(chǎn)生阻礙作用。張宇明等[15]發(fā)現(xiàn)使用ABC 干粉作為抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ慕橘|(zhì)，能夠?qū)鹧嫫鸬匠掷m(xù)消焰作用，減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣?，有效控制爆燃向爆轟的發(fā)展。

目前的抑爆方法不能阻止爆炸傳播，不能杜絕后續(xù)破壞，而阻隔爆法能夠?qū)崿F(xiàn)對爆炸的阻止，使被保護(hù)區(qū)域免于遭到破壞。Wang 等[16]研究了波紋阻火器對丙烷爆燃火焰的熄滅作用。Zhang 等[17]分析了泡沫陶瓷對爆炸火焰和沖擊波的耦合作用。孫建華等[18]發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷組合體的抑爆效果比兩者單用時(shí)效果都好。張巨峰等[19]等觀測了多層金屬網(wǎng)對管道中甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ズ痛阆ǖ挠绊?。馬凱等[20]分析了爆炸火焰到達(dá)泡沫陶瓷內(nèi)部后鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的斷裂與終止。固體和機(jī)械裝置的阻/隔爆應(yīng)用于低濃度瓦斯輸送管道、其他可燃?xì)怏w管道，已經(jīng)是比較成熟可靠了。但如果固體和機(jī)械裝置應(yīng)用于礦井巷道中進(jìn)行阻隔爆，那么會(huì)造成巷道被隔斷、通風(fēng)不暢，而導(dǎo)致的瓦斯積聚、人員窒息中毒的問題。為在礦井巷道中實(shí)現(xiàn)阻隔爆，應(yīng)該使用滅火劑阻隔。王俊峰等[21]應(yīng)用南非的HS 主動(dòng)抑爆系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，能達(dá)到快速噴粉和撲滅爆炸火焰的效果。榮佳等[22]研制的純機(jī)械觸發(fā)方式自動(dòng)抑爆裝置可有效阻隔火焰的傳播。Lu 等[23]研究了氮?dú)獾淖璞⒎治隽说獨(dú)鈬姵鰰r(shí)刻對阻爆的影響。Wang 等[24]對南非HS 主動(dòng)抑爆系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試。

使用滅火劑進(jìn)行阻爆的研究還較少。本文通過噴出氮?dú)膺M(jìn)行阻爆，并研究不同噴頭布置對阻爆的影響。使用氮?dú)獯婀腆w進(jìn)行阻爆不會(huì)阻斷通風(fēng)，避免井下人員受到有毒氣體的傷害。阻爆的實(shí)現(xiàn)也使得巷道的大部分范圍都免于爆炸的危害。另外本文研究采用主動(dòng)式阻爆，在爆炸發(fā)生后噴出氮?dú)?，爆炸結(jié)束后關(guān)閉氮?dú)?，氮?dú)鈬姵隹倳r(shí)間在1 秒或幾秒以內(nèi)。在礦井中持續(xù)通風(fēng)的情況下，幾秒內(nèi)所噴氮?dú)饬肯鄬τ诳偼L(fēng)量很小，對井下人員的影響也非常小。本文阻爆的研究方法有助于更有效地控制和消除瓦斯爆炸所造成的危害，繼而為煤礦安全提供更好的保障。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 為本實(shí)驗(yàn)采用的系統(tǒng)裝置，由管道系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、阻爆系統(tǒng)構(gòu)成。主管道模擬井下巷道而搭建，為了清楚地觀測火焰?zhèn)鞑ミ^程，管道系統(tǒng)由透明且厚度為20 mm 的樹脂玻璃制作，橫截面為正方形，管道內(nèi)部尺寸為150 mm×150 mm×1 600 mm。實(shí)驗(yàn)前用PVC（聚氯乙烯薄膜）對左端面和下表面泄壓口進(jìn)行密封。管道下表面泄壓口尺寸為100 mm×100 mm，距離管道左端45 cm。實(shí)驗(yàn)中管道水平放置，右端封閉，進(jìn)氣孔和點(diǎn)火端在管道右端，排氣孔在管道左側(cè)上表面。配氣系統(tǒng)主要由質(zhì)量流量控制計(jì)、甲烷鋼瓶和空氣壓縮機(jī)構(gòu)成。空氣、甲烷在三通管內(nèi)預(yù)混合均勻，然后通入管道內(nèi)，為使氣體濃度達(dá)到要求，采用排氣法沖充入4 倍管道體積的氣體。本文實(shí)驗(yàn)中預(yù)混氣的甲烷體積分?jǐn)?shù)都采用9.5%。點(diǎn)火系統(tǒng)主要由高頻脈沖點(diǎn)火器和開關(guān)組成，點(diǎn)火器放置在管道右端，電壓為4.5 V，點(diǎn)火能0.15 J，延遲約0.2 s，點(diǎn)火電壓由6 V 直流電源供給，通過高頻脈沖形成高壓，擊穿空氣后放電產(chǎn)生電火花。測量系統(tǒng)由德國Lavision 高速攝像儀與高質(zhì)量計(jì)算機(jī)組成。攝像機(jī)的圖像采集速率為1 000 s?1，精度達(dá)到了毫秒量級。

圖 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimenal system

阻爆系統(tǒng)由氮?dú)鈬婎^、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒉杉ā㈦娔X及控制軟件、減壓閥、電磁閥、氮?dú)怃撈繕?gòu)成，是主動(dòng)式阻爆系統(tǒng)[25]，采用火焰?zhèn)鞲衅鞲咚偬綔y爆炸的發(fā)生，氮?dú)獾膰姵龊完P(guān)閉也由系統(tǒng)高速控制?；鹧?zhèn)鞲衅鞣胖迷诠艿雷钣叶?，以盡快探測到爆炸火焰，火焰探測器探測到火焰時(shí)刻在23～30 ms 之間波動(dòng)，開始噴氣時(shí)刻在59～73 ms 間波動(dòng)。爆炸發(fā)生后，火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到火焰并有超過0.2 V 電壓變化，電腦控制軟件接收到電壓變化信號后輸出5 V 電壓，進(jìn)而打開電磁閥開關(guān)。噴氣裝置由氮?dú)鈬婎^、電磁閥、減壓閥和氮?dú)怃撈拷M成，電磁閥為整個(gè)噴氣裝置的開關(guān)，電磁閥打開后，便開始噴出氮?dú)猓粐姎夂蠼?jīng)設(shè)定時(shí)間（本文實(shí)驗(yàn)中為3 s）電磁閥又處于關(guān)閉狀態(tài)，停止噴出氮?dú)狻Ｔ诠艿老卤砻嬖O(shè)置了兩個(gè)噴頭點(diǎn)，都在泄壓口的左邊，火焰?zhèn)鞑サ南掠巍Ｓ易髧婎^點(diǎn)距離泄壓口中心分別是20、35 cm。噴氣方式共有3 種：右噴頭噴氣、左噴頭噴氣、雙噴頭噴氣。

2 實(shí)驗(yàn)過程

通過改變噴頭的設(shè)置方式來觀測其對阻爆的影響。三種噴頭設(shè)置下，噴氣壓力有0（即不噴氣）、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 等6 種情況，對應(yīng)的噴頭氮?dú)鈬姵隽髀史謩e為0、1.78、2.97、4.24、5.31、6.42 L/s。為了更清晰地對噴氣狀態(tài)進(jìn)行示蹤，每次實(shí)驗(yàn)前，將適量示蹤劑放置在噴氣口處。檢查整套實(shí)驗(yàn)設(shè)施的密閉性，檢查合格后即可開始配氣。為了保證安全，防止預(yù)混氣體在實(shí)驗(yàn)室泄漏，充氣過程中用導(dǎo)管將排氣孔和室外連接。電磁閥在起爆前處于關(guān)閉狀態(tài)，因此氮?dú)獠粫?huì)噴出，爆炸發(fā)生后，氮?dú)庾璞到y(tǒng)自動(dòng)打開電磁閥，噴出氮?dú)狻?/p>

充氣完成后立刻關(guān)閉甲烷和空氣，并關(guān)閉實(shí)驗(yàn)管道上的排氣孔。充氣完成后，將氮?dú)鉁p壓閥開啟到預(yù)定壓力，電磁閥保持關(guān)閉。為了讓混合氣體均勻混合，并降低管道內(nèi)湍流，需要靜置10 min。然后點(diǎn)火、記錄、保存實(shí)驗(yàn)中的各種數(shù)據(jù)，如壓力、圖像等。完成每次實(shí)驗(yàn)后，換掉破裂的PVC 薄膜，并擦干管道中殘留的示蹤劑，為下次實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。每組實(shí)驗(yàn)都需要重復(fù)做三組，并使誤差在一定范圍內(nèi)，最終得出具有良好重復(fù)性的數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 噴頭距泄壓口20 cm 時(shí)的火焰?zhèn)鞑?/h3>

管道左端和下方泄壓口用PVC 薄膜密封，爆炸發(fā)生后兩處泄壓口薄膜破裂。噴頭距泄壓口20 cm，爆炸火焰從管道右端向左傳播，爆炸發(fā)生后，電磁閥自動(dòng)打開噴出氮?dú)猓瑘D2 為噴氣壓力0.5 MPa 下的爆炸火焰?zhèn)鞑D片，右端的數(shù)字為火焰到達(dá)該位置時(shí)的時(shí)刻，相鄰兩張圖片之間的間隔為20 ms，部分火焰到達(dá)泄壓口、噴頭、管道左端圖片與相鄰圖片間隔不為20 ms，圖片的兩端即為管道的兩端，圖片下方刻度標(biāo)明管道長度，泄壓口中心在刻度尺1.15 m 處，兩個(gè)噴頭位置分別在1.5，1.35 m 處。

圖 2 單噴頭距泄壓口20 cm、噴氣壓力為0.5 MPa下的爆炸火焰Fig. 2 Explosion flame while single nozzle 20 cm away from the vent and spurting pressure of 0.5 MPa

從圖2 可以看出火焰在100 ms 前，火焰面較為平滑，主要呈現(xiàn)出層流火焰，之后由于氮?dú)夂托箟旱挠绊懀鹧鏍顟B(tài)逐漸變得紊亂，開始呈現(xiàn)出湍流狀態(tài)?；鹧娴竭_(dá)前，在氮?dú)夂捅_擊波的共同作用下，泄壓口薄膜破裂，部分預(yù)混氣體經(jīng)泄壓口流出管道外，在泄壓口外聚集。火焰在162 ms 到達(dá)泄壓口后，在泄壓口外發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生明亮火焰，之后火焰繼續(xù)向左傳播，在201 ms 左右到達(dá)噴頭處。氮?dú)鈱艿纼?nèi)預(yù)混氣體進(jìn)行了稀釋，但甲烷與氧氣的濃度仍在可燃極限以上，仍被到達(dá)的火焰點(diǎn)燃反應(yīng)，火焰便穿過噴頭位置繼續(xù)向左傳播，并在246 ms 到達(dá)管道左端。之后火焰反應(yīng)強(qiáng)度加強(qiáng)，在266 ms 左右火焰反應(yīng)最為劇烈，然后逐漸趨于熄滅。實(shí)驗(yàn)中所噴出的氮?dú)獠⑽茨茏柚贡ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ァ?/p>

由表1 可以看出，噴氣時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥谖磭姎鈺r(shí)，這是因?yàn)榈獨(dú)鈱?dǎo)致的氣體紊流會(huì)加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，另一方面，火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)噴頭和管道左端的時(shí)間隨著氮?dú)鈮毫Φ脑黾佣娱L，即火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兴陆?，說明氮?dú)獾亩栊蕴匦詴?huì)阻礙火焰?zhèn)鞑?，這與其他抑爆文獻(xiàn)中的抑爆規(guī)律相同[3,5]，所以噴入氮?dú)饩哂形闪骷铀俸投栊詼p速的雙重作用。

表 1 單噴頭距泄壓口20 cm 的爆炸傳播特征表Table 1 Spread characteristics of the flame while single nozzle 20 cm away from the vent

不能阻爆的原因在于：氮?dú)馕磳⒐艿纼?nèi)可燃預(yù)混氣體稀釋到可燃極限以下，未對管道實(shí)現(xiàn)完全徹底的遮斷。因?yàn)楸ǚ磻?yīng)劇烈，爆炸火焰速度快，而氮?dú)獾臄U(kuò)散又比較慢，當(dāng)爆炸火焰到達(dá)時(shí)，噴頭附近仍有處于可燃極限以上的預(yù)混氣體，火焰便會(huì)穿過噴頭到達(dá)管道左端，阻爆失敗。

3.2 噴頭距泄壓口35 cm 時(shí)火焰?zhèn)鞑?/h3>

管道左端端面和下方泄壓口用PVC 薄膜密封，爆炸發(fā)生后系統(tǒng)控制電磁閥開關(guān)打開，噴出氮?dú)猓瑑商幈∧て屏?，火焰從管道右端向管道左端傳播，圖3（a）～（d）氮?dú)鈮毫Ψ謩e為0、0.3、0.4、0.5 MPa，相鄰兩張圖片間隔選定為30 ms，部分火焰到達(dá)泄壓口、噴頭、管道左端的圖片與相鄰圖片間隔不為30 ms，圖片下方刻度為管道長度，泄壓口中心在刻度尺1.15 m 處，兩個(gè)噴頭位置刻度分別為1.5，1.35 m。

圖3（a）、（b）中，火焰穿過噴頭位置到達(dá)管道左端；圖3（c）中，大部分火焰被阻止于噴頭處，但仍有少量火焰越過噴頭，接著反應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)并布滿整個(gè)管道左端；圖3（d）中火焰被阻止于噴頭處，實(shí)現(xiàn)了阻爆，且火焰反應(yīng)的劇烈程度大為降低。因此，通過改變噴頭設(shè)置能實(shí)現(xiàn)對爆炸火焰的阻止撲滅。

圖 3 噴頭距泄壓口35 cm 時(shí)的爆炸火焰圖像Fig. 3 Explosion flame while single nozzle 35 cm away from the vent

圖3（a）中，未噴射氮?dú)猓鹧嬖?84 ms 到達(dá)泄壓口，并在管道外發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成明亮火焰，火焰到達(dá)泄壓口處時(shí)速度明顯變慢，這是因?yàn)樾箟鹤饔檬沟靡讶紖^(qū)壓力變小，與未燃區(qū)壓力差縮小，火焰向左傳播的推動(dòng)力減小。接著火焰繼續(xù)向左傳播，在496 ms 左右到達(dá)噴頭處。圖中可以看到，由于沒有氮?dú)鈬姵觯ɑ鹧嬖竭^泄壓口以后，仍呈現(xiàn)出較好的層流狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，傳播速度較慢，并于632 ms到達(dá)管道左端，

圖3（b）中，爆炸火焰在172 ms 時(shí)到達(dá)泄壓口處，405 ms 時(shí)到達(dá)噴頭位置，512 ms 到達(dá)管道左端。由于氮?dú)獾某掷m(xù)噴出，在120 ms 時(shí)爆炸火焰已經(jīng)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，此后的時(shí)間內(nèi)爆炸火焰也一直呈湍流狀態(tài)向左傳播。由于湍流的加速作用，爆炸火焰的傳播用時(shí)比圖3（a）中的少很多。壓力0.3 MPa 下，噴出的氮?dú)馕茨茏璞?/p>

圖3（c）中，火焰的傳播狀況與圖3（b）大致相同，噴氣壓力0.4 MPa 情況下也未能阻爆。火焰在182 ms 到達(dá)泄壓口，到達(dá)噴頭時(shí)刻為419 ms，較圖（b）中時(shí)間有所延長。接著大部分火焰被阻擋于噴頭處?？梢钥吹?，在419 ms 時(shí)，有少量火焰越過噴頭?；鹧孢M(jìn)入噴頭左側(cè)后，火焰范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，在581 ms時(shí)火焰充滿噴頭左側(cè)的整個(gè)管道空間，這說明爆炸火焰?zhèn)鞑サ膭×倚院涂臻g性，火焰面上任一點(diǎn)都是火源，只要跟火焰面接觸的未燃空間中存在預(yù)混氣體處于可燃極限以上，那么該氣體就會(huì)被點(diǎn)燃。該燃燒的氣體又成為新的火源，點(diǎn)燃相鄰的可燃?xì)?，以此循環(huán)不斷向前傳播。

圖3（d）中，火焰在184 ms 左右到達(dá)泄壓口，大量預(yù)混氣體從泄壓口涌出，并在外發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生明亮火焰，直到反應(yīng)結(jié)束。相比于圖3（b）與圖3（c），火焰從274 ms 開始直到427 ms 到達(dá)噴頭位置，火焰反應(yīng)劇烈程度明顯較低，火焰呈現(xiàn)出昏暗狀態(tài)，之后逐漸趨于熄滅?？梢钥闯鰣D3（c）中，242～302 ms內(nèi)火焰在管道內(nèi)的傳播較弱，這是因?yàn)楣艿纼?nèi)大量預(yù)混氣體泄出，甲烷濃度降低，這有利于火焰的阻爆。噴氣壓力0.5 MPa 情況下成功阻爆。阻爆成功的原因是：噴出的氮?dú)鈮毫^大，對噴頭附近管道內(nèi)預(yù)混氣體稀釋充分，火焰到達(dá)噴頭前，噴頭所在斷面的預(yù)混氣被完全驅(qū)離和稀釋到可燃極限以下，形成完整的氮?dú)庾钄嗝?，?dāng)火焰到達(dá)噴頭附近時(shí)，氮?dú)庑纬傻淖钄嗝孀柚沽嘶鹧嫦驀婎^左側(cè)的傳播，火焰便于噴頭處停止傳播、熄滅。

對比圖2 與圖3（d）氮?dú)鈮毫Χ际?.5 MPa，可以發(fā)現(xiàn)，圖2 中：爆炸火焰在到達(dá)管道左端時(shí)呈現(xiàn)明亮狀態(tài)且充滿整個(gè)管道，明顯未能成功阻爆，圖3（d）中火焰熄滅于噴頭處，阻爆成功。當(dāng)噴頭位置離左端更近、泄壓口更遠(yuǎn)時(shí)，對爆炸的阻隔效果越好。原因有兩點(diǎn)：一是，噴頭離泄壓口越遠(yuǎn)，火焰到達(dá)噴頭所需時(shí)間越長，氮?dú)鈱︻A(yù)混氣體稀釋也越充分；二是，噴頭離泄壓口越近，噴出的氮?dú)饩驮饺菀讖男箟嚎诹鞒?，減弱了對管道內(nèi)預(yù)混氣體稀釋作用。

表 2 單噴頭距泄壓口35 cm 的爆炸傳播特征表Table 2 Spread characteristics of the flame while single nozzle 35 cm away from the vent

對比表1、表2 可知：噴氣壓力0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 下，單噴頭距泄壓口20 cm 和單噴頭距泄壓口35 cm，爆炸火焰到達(dá)泄壓口位置時(shí)刻分別為162、163、169、166 和162 ms 以及170、171、172、182 和184 ms。兩者到達(dá)泄壓口時(shí)刻相近，相差10 ms 左右。同樣，兩者到達(dá)噴頭位置時(shí)刻分別為179、196、192、200 和201 ms 以及382、394、405、419 和397 ms，兩噴頭位置相距15 cm，相同壓力下兩者到達(dá)噴頭位置時(shí)間差距分別為203、208、213、219、和196 ms?？梢钥闯鲈跍p速作用下，適當(dāng)延后噴頭的布置，火焰到達(dá)噴頭的時(shí)間大大延遲，就會(huì)有更多氮?dú)鈬姵鰧艿纼?nèi)預(yù)混氣體進(jìn)行稀釋，這有利于阻爆。從火焰到達(dá)前的氮?dú)鈬姵隽縼砜矗? 中0.5 MPa 下的氮?dú)饬繛?.854 L，表2 中0.5 MPa 下為2.080 L，后者遠(yuǎn)大于前者。噴頭距離泄壓口越遠(yuǎn)，爆炸火焰到達(dá)時(shí)間就越長，因此，在爆炸火焰到達(dá)前，噴氣時(shí)間越長噴氣量就越大，對預(yù)混氣的稀釋驅(qū)離就越充分，阻爆效果也越好。另外，單噴頭距泄壓口35 cm 比單噴頭距泄壓口20 cm 位置更遠(yuǎn)，從泄壓口涌出的氮?dú)庀鄬Ω伲艿纼?nèi)存留的氮?dú)饩蜁?huì)更多，對預(yù)混氣體的稀釋也就更充分，這也有利于阻爆。

3.3 雙噴頭時(shí)的火焰?zhèn)鞑?/h3>

管道下表面設(shè)置雙噴頭，噴頭距泄壓口分別為20 和35 cm。爆炸火焰從管道右端向左傳播，爆炸發(fā)生時(shí)系統(tǒng)控制電磁閥打開噴出氮?dú)?，圖4（a）～（e）中，左右兩噴頭噴氣壓力相同，噴氣壓力分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa，圖片右端的數(shù)字為火焰到達(dá)該位置時(shí)的時(shí)刻，圖片的兩端即為管道的兩端，圖片下方刻度為管道長度，泄壓口中心在刻度尺1.15 m 處，兩個(gè)噴頭位置刻度分別為1.5 和1.35m。圖4（a）和（b）組相鄰兩張圖片間隔30 ms，圖4（c）～（e）組相鄰兩張圖片間隔20 ms，部分火焰到達(dá)泄壓口、噴頭、管道左端圖片與相鄰圖片間隔不為20 或30 ms。圖4（a）、（b）兩組示蹤劑為粉筆，其他組為墨水，爆炸火焰遇到粉塵顆粒時(shí)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的散射，因此圖片效果稍有差別，但示蹤劑的不同對實(shí)驗(yàn)結(jié)果無影響。

由圖4 可以看出在噴氣壓力0.1、0.2 MPa 情況下未能阻爆，火焰穿過噴頭到達(dá)管道左端。在噴氣壓力0.3、0.4 MPa 情況下，火焰熄滅于右噴頭處，實(shí)現(xiàn)阻爆。在噴氣壓力0.5 MPa 情況下，火焰熄滅于泄壓口與噴頭中間，同樣實(shí)現(xiàn)阻爆。

圖 4 雙噴頭下的爆炸火焰圖像Fig. 4 Explosion flame images with double nozzle

圖4（a）中預(yù)混氣體被點(diǎn)燃，氣體膨脹，火焰加速向左傳播，在145 ms 左右時(shí)到達(dá)泄壓口，并在泄壓口外發(fā)生劇烈反應(yīng)，并產(chǎn)生明亮火焰，爆炸火焰在經(jīng)過泄壓口和噴頭附近時(shí)，速度明顯下降，為稀釋預(yù)混氣體爭取了更多時(shí)間。接著火焰繼續(xù)向左傳播，在205 ms 左右時(shí)少量火焰零星分布于泄壓口與右噴頭之間（管道外表面火焰是經(jīng)泄壓口涌出的火焰），在253 ms 火焰到達(dá)右噴頭處時(shí)，爆炸火焰頭部再次充滿整個(gè)管道，這是因?yàn)楸ň哂袆×倚院涂臻g性，只要空間內(nèi)還存在可燃極限以上的氣體，爆炸火焰便能繼續(xù)反應(yīng)并向前傳播。接著火焰繼續(xù)向左傳播，并于433 ms 到達(dá)管道左端，噴氣壓力0.1 MPa 下未能阻爆，圖4（b）中火焰?zhèn)鞑顩r與圖4（a）類似，火焰到達(dá)管道左端，未能成功阻爆。

圖4（c）中火焰在167 ms 到達(dá)泄壓口，因?yàn)楸▔毫偸窍扔诒ɑ鹧媲爱a(chǎn)生，沖擊波在爆炸火焰到達(dá)前將泄壓口薄膜沖破，氮?dú)鈱艿纼?nèi)預(yù)混氣體進(jìn)行稀釋的同時(shí)，大量預(yù)混氣體經(jīng)泄壓口涌出，在泄壓口外發(fā)生劇烈反應(yīng)，并伴隨有明亮火焰。管道內(nèi)甲烷和氧氣濃度迅速下降，但并未降到可燃極限以下，爆炸火焰便繼續(xù)向左傳播。圖4（c）相比于圖4（a）～4（b）火焰亮度明顯下降，火焰在267 ms 到達(dá)右噴頭位置，并不再向前傳播，阻爆成功原因是因?yàn)樵?.3 MPa 下，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，氮?dú)鈬姵鰰r(shí)間和量較大，對管道內(nèi)預(yù)混氣體稀釋較為充分，預(yù)混氣體濃度達(dá)到可燃極限以下，火焰不能繼續(xù)向左傳播。

圖4（d）和4（e）與圖4（c）反應(yīng)過程類似。圖4（d）火焰在274 ms 左右到達(dá)噴頭處，并停止向前傳播。圖4（e）火焰在158 ms 到達(dá)泄壓口處，之后繼續(xù)向左傳播，并在泄壓口與噴頭之間停止傳播。

雙噴頭下0.3 MPa 就能夠阻爆，而單噴頭距泄壓口35 cm 下0.5 MPa 才能夠阻爆，雙噴頭阻爆效果明顯優(yōu)于單噴頭。這是因?yàn)殡p噴頭噴出氮?dú)庑纬傻囊种浦舷^(qū)范圍更大，而單噴頭噴出氮?dú)庑纬傻囊种浦舷^(qū)范圍相對很小。阻爆成功的關(guān)鍵在于爆炸火焰到達(dá)噴頭處時(shí)，氮?dú)饽芊駥婎^附近預(yù)混氣體充分稀釋到可燃極限以下，從而不被火焰點(diǎn)燃。爆炸傳播形成高速的橫向火焰流，當(dāng)?shù)獨(dú)庖种浦舷^(qū)較小時(shí)，橫向火焰流就有可能穿過窒息區(qū)而點(diǎn)燃后部預(yù)混可燃?xì)?，從而阻爆失敗。在單噴頭下就需要更大的氮?dú)鈮毫?，噴出更多氮?dú)獠拍軐?shí)現(xiàn)阻爆。雙噴頭下形成一個(gè)較大范圍的氮?dú)庖种浦舷^(qū)，橫向火焰流就更難以穿過窒息區(qū)，從而需要較小的氮?dú)鈮毫?，噴出較少的氮?dú)饩涂梢詫?shí)現(xiàn)阻爆。

由于爆炸氣流的橫向流動(dòng)，所噴出的氮?dú)獠⒉荒芤恢狈e聚于噴頭位置，也會(huì)流動(dòng)離開，氮?dú)庖种茀^(qū)域受橫向流動(dòng)影響越小，噴頭附近氮?dú)夂吭蕉?、阻爆效果越好。? 中0.3 MPa 下火焰到右噴頭時(shí)氮?dú)鈬姵隽?.671 L 能阻爆，而0.2 MPa 下火焰到左噴頭時(shí)氮?dú)鈬姵隽?.865 L 卻不能阻爆，說明氮?dú)鈬姵隽坎皇亲璞奈ㄒ缓徒^對標(biāo)準(zhǔn)。氮?dú)獾膰姵鰪?qiáng)度（即流率）是影響阻爆的另一個(gè)重要因素。在0.3 MPa下氮?dú)獾膰姵鰪?qiáng)度大，單位時(shí)間內(nèi)能聚集在噴頭附近抑制區(qū)內(nèi)的氮?dú)饬慷?，從而有利于稀釋預(yù)混氣，阻隔爆炸火焰?zhèn)鞑?。?.2 MPa 下氮?dú)獾膰姵鰪?qiáng)度相對小，單位時(shí)間內(nèi)能聚集在噴頭附近抑制區(qū)內(nèi)的氮?dú)饬肯鄬ι?，從而不利于稀釋預(yù)混氣和阻隔爆炸火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

表 3 雙噴頭下的爆炸傳播特征表Table 3 The characteristics of explosion spread when double nozzle used

表3 中0.3 MPa 下雙噴頭氮?dú)饪倗姵隽?.671 L 能阻爆，表2 中0.4 MPa 下單噴頭氮?dú)饪倗姵隽?.901 L 卻不能阻爆，說明雙噴頭的大抑制區(qū)比單噴頭的小抑制區(qū)更有利于實(shí)現(xiàn)阻爆。氮?dú)鈬姵鲂枰纬梢粋€(gè)阻隔氣幕以實(shí)現(xiàn)阻爆，但爆炸傳播是橫向傳播的，會(huì)沖散氮?dú)?，從而削弱阻隔氣幕的形成。在單噴頭噴氣下，氮?dú)饽粎^(qū)域小，在橫向氣流的沖散作用下需要更大的流量才能達(dá)到阻隔的效果。在雙噴頭噴氣下，形成了一個(gè)更大范圍的氮?dú)饽粎^(qū)域，受橫向氣流的影響相對要小，因此較小的流量就能達(dá)到阻隔的效果，更易于對爆炸反應(yīng)進(jìn)行抑制窒息。所以雙噴頭下需要較低氮?dú)鈮毫?、較小氮?dú)鈬姵隽烤涂梢猿晒ψ璞?/p>

3.4 爆炸超壓變化

實(shí)驗(yàn)中同時(shí)進(jìn)行爆炸超壓數(shù)據(jù)采集，以了解壓力變化情況。噴氣壓力0.5 MPa 下，單噴頭距泄壓口20 cm 噴氣、單噴頭距泄壓口35 cm 噴氣和雙噴頭噴氣的超壓曲線如圖5 所示。

由圖5 能夠清晰看出，爆炸發(fā)生后，向CH4/Air 預(yù)混氣中噴入氮?dú)?，爆炸壓力曲線呈現(xiàn)清晰的“雙峰”構(gòu)造。造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诒ǖ脑缙谶^程中，管道左端和泄壓口PVC 薄膜未破裂，但因爆炸產(chǎn)生的高溫使管道內(nèi)氣體擴(kuò)張、壓力升高；而后造成泄壓口膜破碎后，管道內(nèi)部分氣體溢出，壓力下落，造成第一峰值。爆炸火焰到達(dá)泄壓口時(shí)，與管道外新鮮空氣相遇，爆炸火焰面積不斷擴(kuò)大、亮度增強(qiáng)，爆炸超壓迅速上升，從而形成第二峰值。在管道超壓變化中，第二峰值變化較為明顯，單噴頭距泄壓口20 cm、單噴頭距泄壓口35 cm、雙噴頭的第二峰值大小依次為：1.37、1.29、0.88 kPa。

圖 5 0.5 MPa 下噴頭不同布置的爆炸超壓Fig. 5 Explosion overpressure at 0.5 MPa with different nozzle arrangement

單噴頭距泄壓口20 cm 時(shí)，噴頭距離泄壓口較近，氮?dú)飧菀讖男箟嚎谛钩?，管道?nèi)的氮?dú)庀鄬碚f更少，對爆炸的抑制作用較低，因此第二超壓峰值較高。單噴頭距泄壓口35 cm 時(shí)，噴頭距離泄壓口較遠(yuǎn)，因?yàn)閲婎^處壓力大于泄壓口處壓力，氮?dú)饽嬷ɑ鹧鎮(zhèn)鞑シ较蛄鞒鲂箟嚎冢獨(dú)庠诠艿纼?nèi)逆流趨于更大，管道內(nèi)氮?dú)飧?，有利于稀釋預(yù)混氣體和降溫，對爆炸的抑制作用較高，所以第二超壓峰值小于單噴頭距泄壓口20 cm。雙噴頭時(shí)，氮?dú)鈬娚淞孔疃啵獨(dú)庖种浦舷^(qū)域最大，對爆炸的抑制作用最好，第二超壓峰值最低。第二超壓峰值從大到小順序依次為單噴頭距泄壓口20 cm、單噴頭距泄壓口35 cm、雙噴頭。

4 結(jié) 論

（1）單噴頭距泄壓口20 cm 噴氮?dú)鈺r(shí)，噴氣壓力為0.1～0.5 MPa 均未能阻爆。單噴頭距泄壓口35 cm 噴氮?dú)鈺r(shí)，噴氣壓力0.1～0.4 MPa 未能阻爆，而0.5 MPa 下成功阻爆。雙噴頭同時(shí)噴氮?dú)鈺r(shí)，噴氣壓力0.1 和0.2 MPa 下未能阻爆，而0.3 到0.5 MPa 均成功阻爆。因此氮?dú)鈬姵鲎鳛樽璞瑒┠軌驅(qū)崿F(xiàn)對爆炸火焰的傳播阻隔。

（2）在爆炸火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)前，噴頭附近氮?dú)饬吭蕉?，越有利于對預(yù)混可燃?xì)膺M(jìn)行充分的驅(qū)離稀釋，越易于阻爆。對于單噴頭噴氮?dú)?，?dāng)噴頭距泄壓口較遠(yuǎn)時(shí)，爆炸火焰需要更多的時(shí)間才傳播到噴頭處，從而有更多的時(shí)間噴出氮?dú)?，氮?dú)獾目偭恳簿透?，更有利于?shí)現(xiàn)阻爆。由于存在爆炸傳播氣流對氮?dú)獾臎_散作用，因此氮?dú)鈬姵鰪?qiáng)度（流率）也是影響阻爆的一個(gè)重要參數(shù)。

（3）雙噴頭噴氮?dú)饪梢孕纬梢粋€(gè)較大的抑制窒息區(qū)，有利于對爆炸反應(yīng)進(jìn)行抑制。同時(shí)大的抑制區(qū)受橫向流動(dòng)氣流的沖散作用影響較小，噴頭附近區(qū)域存留的氮?dú)飧?，因此相對于單噴頭，雙噴頭下需要較低氮?dú)鈮毫?，較小的氮?dú)饪偭烤涂蓪?shí)現(xiàn)阻爆。

（4）在噴氣壓力0.5 MPa 情況下，不同噴頭布置下的阻爆能力和超壓峰值變化趨勢相同，阻爆能力越強(qiáng)的噴頭布置實(shí)驗(yàn)，其爆炸超壓越低。