管道內瓦斯非均勻預混火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑芯?/h1>
2021-07-15 08:47:56余明高陳傳東王雪燕韓世新馬梓茂
煤炭學報 2021年6期
余明高，陳傳東，王雪燕，韓世新，馬梓茂
(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室,重慶 400044; 2.河南理工大學 安全科學與工程學院,河南 焦作 454003)
礦井瓦斯爆炸事故時有發(fā)生[1-2]，其中非均勻預混瓦斯爆炸占絕大部分事故類型[3-5]。非均勻預混瓦斯爆炸事故中，涌出的瓦斯在巷道內擴散時間不足，形成體積分數(shù)梯度場是區(qū)別于均勻預混爆炸事故的主要原因[6]，且極大影響了爆炸反應速率及最大爆炸超壓[7-8]。故研究非均勻預混瓦斯爆炸對控制礦井瓦斯爆炸事故人員傷亡、減少事故危害等具有重要意義[9]。
近年來，國內外學者針對均勻及非均勻預混的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院妥畲蟊ǔ瑝哼M行了大量研究。CLANET和SEARBY[10]對管道內甲烷空氣均勻預混爆炸的實驗及數(shù)值模擬研究表明，預混火焰在管道內傳播經歷球形—指形—火焰接觸壁面—郁金香火焰4個階段。與此同時，BYCHKOV等[11]在此基礎上提出了初期階段火焰加速和郁金香火焰形成的理論模型，并認為郁金香火焰的形成與火焰雷諾數(shù)相關。GONZALEA[12]通過數(shù)值模擬方法研究了封閉管道中火焰與聲波的相互作用，他認為火焰后期的形狀變化與周期性振蕩現(xiàn)象是火焰前鋒與壓力波相互作用的結果，其作用機理可以解釋為Taylor不穩(wěn)定性。然而，管道內均勻預混火焰與非均勻預混火焰結構有很大差別。PHILLIPS[13]通過實驗研究首次提出了大空間下甲烷空氣非均勻預混三重火焰的存在，并詳細解釋了三重火焰下濃預混分支、稀預混分支、擴散火焰分支的構成。研究得出三重火焰分支重合點稱為三重點，三重點為化學當量比點[14]，其火焰?zhèn)鞑ニ俣冉朴趯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萚15]。除三重火焰外，HAN等[16]通過實驗和數(shù)值模擬的方法研究了甲烷空氣非均勻預混下出現(xiàn)的火焰拉伸結構。非均勻預混除對火焰結構產生影響外，其對火焰?zhèn)鞑ヌ匦酝瑯赢a生改變。通過AL-MALKI等[17]對燃料空氣部分預混建立有限元分析的研究可以得到，預混程度增加會顯著提高混合物燃燒反應性，使火焰向邊界移動，進而破壞邊界層。ZHANG等[18]通過實驗和數(shù)值模擬計算，研究了氫氣和空氣在垂直通道中非均勻預混形成體積分數(shù)梯度下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｑ芯康贸?，正體積分數(shù)梯度的混合物相較于均勻混合物或負體積分數(shù)梯度的混合物，火焰加速度更高，爆炸超壓上升速率更快。
盡管前人在燃料空氣均勻預混燃燒、部分預混燃燒方面已做出了部分研究[4,19-22]。但從已有論文看，管道內甲烷氣體爆炸研究主要集中在均勻預混方面，而針對非均勻預混研究僅僅集中在管道外大尺寸平臺的甲烷擴散火焰[23-26]及具有體積分數(shù)梯度的氫氣/空氣混合物上[27-29]，目前關于管道內非均勻預混瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯?、非均勻預混下三重火焰?zhèn)鞑ソY構特點研究以及由自由擴散引起的燃料空氣不同體積分數(shù)梯度對火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最大爆炸超壓影響研究仍十分匱乏。從安全的角度考慮，進行管道內非均勻預混瓦斯空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ソY構特性、爆炸超壓方面的研究具有重大意義[30-32]。
筆者通過實驗模擬了小尺寸巷道內瓦斯涌出實際場景，揭露了由甲烷自由擴散時間不同引起的甲烷空氣非均勻體積分數(shù)梯度的變化對火焰結構特性、三重火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓等帶來的影響，對實際生產生活中出現(xiàn)的瓦斯泄漏爆炸事故具有指導意義。
1 實驗部分
1.1 實驗裝置
為研究管道內瓦斯/空氣不同預混程度下爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀F(xiàn)自主設計搭建了“管道瓦斯/空氣非均勻預混爆炸測試系統(tǒng)”。實驗裝置如圖1所示，主要由進氣系統(tǒng)、體積分數(shù)測試系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)、點火裝置、實驗管道5部分構成。
圖1 實驗裝置示意Fig.1 Illustration of experimental setup
實驗管道長1 000 mm，采用20 mm厚透明亞克力板材制成，以便高速攝像機采集火焰圖像。管道截面為方形，尺寸100 mm×100 mm。管道左右兩側壁面均采用7 mm厚不銹鋼板制成，鋼板與管道連接處加入密封墊以保證管內氣體密封性。左側鋼板開有4孔，用于安裝點火電極、進氣閥門、壓力傳感器。為保證實驗安全性，在管道正上方右側距管口100 mm處開設內徑為31.8 mm的泄爆口。管道內非均勻甲烷空氣混合物爆炸產生的超壓經泄爆口排出，避免來回往復的沖擊波對實驗管道及儀器造成損壞[33-34]。進氣系統(tǒng)由2只高精度的體積流量控制計及進氣管道、電磁閥組成，流量控制計采用美國Alicat品牌MC21型號，精度達到0.2%FS。利用流量控制計精確控制進氣體積。通入甲烷后進行一定時間自由擴散，受浮力及擴散作用甲烷沿管道形成橫向及縱向的體積分數(shù)梯度場[35]。點火頭位于管道左側中軸線上，點火采用高壓脈沖點火，通過6 V的穩(wěn)壓電源給高壓變送器供電，變送器輸出的高壓電流擊穿空氣形成電火花點燃管內氣體，經計算，點火能量為30 mJ。數(shù)據采集系統(tǒng)由高速攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、甲烷檢測裝置組成。高速攝像系統(tǒng)由Vision Research Phantom 高速攝像機、筆記本電腦、數(shù)據存儲器、攝像機支架等構成，相機拍攝幀率采用1 000 幀/s，該幀率下所拍攝照片分辨率為1 280×960。壓力采集系統(tǒng)由壓力傳感器、數(shù)據采集裝置構成，壓力數(shù)據采樣頻率為15 kHz。壓力傳感器為上海銘控公司Meokon-MDHF型號產品，量程-0.1～0.1 MPa，綜合精度可達±0.25%FS。TOPVIEW數(shù)據采集裝置具有完善的時域分析及頻域分析，多種類型的數(shù)據輸出，保證實驗數(shù)據測量精確性及分析可靠性。甲烷體積分數(shù)依據道爾頓分壓定律對氧氣體積分數(shù)推算得出，氧氣體積分數(shù)傳感器采用MOX20型號工業(yè)用氧氣體積分數(shù)傳感器，測量精度可達0.1%。4只氧氣傳感器(Sen1～4)通過3組重復實驗分別測量位于管道頂部、中部、底部相應位置的氧氣體積分數(shù)，氧氣傳感器布置位置如圖2所示。
圖2 氧氣傳感器位置示意Fig.2 Illustration of oxygen sensor location
氧氣傳感器測量出相應位置氧氣體積分數(shù)φ(O2)，依據道爾頓分壓定律，計算出該點甲烷體積分數(shù)φ(CH4)。甲烷體積分數(shù)計算公式為
(1)
式中，φ(CH4)為甲烷體積分數(shù)，%；φ(O2)為氧氣體積分數(shù)，%；20.9%為空氣中氧氣體積分數(shù)。
1.2 實驗方案
本文主要研究了管道內非均勻甲烷-空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。因此在管道內甲烷總體積分數(shù)10%下，分別設置5個實驗工況，即分別靜置自由擴散10，20，30，60及600 s。為保證實驗重復性，單個工況實驗3～5次，當有3組數(shù)據誤差小于1/1 000時，認為該數(shù)據有效，且每組實驗完成后，用壓縮空氣沖刷管道10 min，沖刷完成后用可燃氣體探測儀對管內氣體進行探測，確保管道內無甲烷非均勻燃燒殘留物后，開展下一次實驗。通氣方式為沿管道進氣口通入99.9%高濃度純甲烷，此時管道內甲烷總體積受流量控制計和通氣時間共同控制，并且通氣過程中在200，400，600，800 mm處進行氧氣體積分數(shù)檢測，以此推算管道內甲烷體積分數(shù)，重復實驗數(shù)據取誤差小于0.1%的3組實驗平均值，以確保所測得管內甲烷體積分數(shù)數(shù)據有效可靠。
實驗方案為設置甲烷流量控制計為1.0 L/min，根據伯努利公式計算可得，進氣口相對壓力約為2.15 Pa，進氣1 min后關閉管道進出口電磁閥。在此基礎上分別靜置自由擴散10，20，30，60，600 s，使甲烷靜置自由擴散不同時間，分3組不同氧氣傳感器位置測量其管內各點氧氣體積分數(shù)后推算出甲烷體積分數(shù)分布。隨后打開脈沖點火器點火，用高速攝像機及壓力采集系統(tǒng)采集其點火后爆炸火焰?zhèn)鞑ソY構及壓力動態(tài)變化。以達到實驗對非均勻預混甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯俊?/p>
伯努利公式為
(2)
式中，P1，P2為流體中某點的壓強，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；V1，V2為流體該點的流速，m/s；g為重力加速度，9.80 m/s2；h1，h2為該點所在高度，m。
2 結果與討論
2.1 管道內甲烷體積分數(shù)梯度分布
圖3為甲烷在管道內部、中部、底部的體積分數(shù)分布。圖3中縱軸表示甲烷體積分數(shù)，橫軸總擴散時間表示甲烷泄漏時間(60 s)加上靜置自由擴散時間(0～600 s)。由圖3可知，甲烷在管道泄漏過程中，受浮力作用首先在管道頂部積聚，頂部甲烷體積分數(shù)逐漸升高，頂部所測得甲烷體積分數(shù)迅速達到峰值，隨后沿管道橫向傳播，4個位置的甲烷體積分數(shù)按距離泄漏點由近及遠在100 s左右時分別達到峰值，峰值體積分數(shù)分別為29.6%，18.9%，16.9%，14.2%。對比圖3管道內頂部(TOP)中部(MID)底部(BOT)甲烷體積分數(shù)數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，甲烷在管道泄漏后，受浮力作用首先在管道頂部積聚，此時管道內頂部甲烷體積分數(shù)較高，甲烷所受的浮力作用大于甲烷分子間作用力，甲烷體積分數(shù)沿管道橫向傳播，頂部處的甲烷體積分數(shù)率先達到峰值。隨后在體積分數(shù)差及分子間作用力影響下，逆浮力作用沿管道縱向從頂部向中部及底部傳播。管道中部及管道底部處的甲烷體積分數(shù)分別在200 s和250 s時達到峰值。同時，隨著總擴散時間不斷增加，管道內縱向甲烷體積分數(shù)梯度呈先增大后減小的趨勢，在總擴散時間為70 s時，Sen1 TOP-Sen1 MID-Sen1 BOT處的甲烷縱向體積分數(shù)達到最大，為29.6%—3.9%—0.3%。分析圖3后半段可知，隨著擴散時間的不斷增加，管道內甲烷體積分數(shù)分布將逐漸趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定的情況下，管道內甲烷體積分數(shù)分布呈現(xiàn)由管道頂部向底部略帶梯度的甲烷體積分數(shù)分布，Sen1～4處自頂部-中部-底部的體積分數(shù)梯度分別為12.1%—11.2%—8.8%，11.7%—10.8%—8.2%，11.4%—10.4%—7.8%，11.1%—10.1%—7.5%，而非理想條件下的甲烷-空氣管道內均勻預混。
圖3 甲烷體積分數(shù)分布示意Fig.3 Schematic diagram of methane concentration distribution
不同點火時刻時管道內不同位置處甲烷體積分數(shù)見表1。由表1可知，靜置自由擴散時間越短，點火時刻管道內甲烷沿橫向及縱向體積分數(shù)梯度越大。且隨著靜置自由擴散時間不斷增加，管道內甲烷橫向及縱向體積分數(shù)梯度先增大后減小。
表1 管道內不同位置處甲烷體積分數(shù)Table 1 Methane concentration tables at different locations in the pipeline
2.2 火焰?zhèn)鞑ソY構分析
圖4顯示了管道內甲烷體積分數(shù)為10%時，不同靜置自由擴散時間(Diffusion Time，簡寫tDT)下火焰鋒面隨時間變化的特征。由圖4可知，不同靜置自由擴散時間所導致的管道內甲烷體積分數(shù)梯度分布對火焰?zhèn)鞑ソY構有顯著影響。
圖4 不同擴散時間下火焰?zhèn)鞑ソY構Fig.4 Diagram of flame propagation structure under different diffusion time
當tDT=10,20,30,60 s時，火焰形狀變化如圖4所示。tDT=10,20,30 s 時，火焰形態(tài)變化經歷了4個階段:球形火焰、指型火焰、三重火焰、拉伸三重火焰，這與均勻預混狀態(tài)下，火焰在管道內傳播所經歷球形火焰、指型火焰、平板形火焰、郁金香火焰、扭曲郁金香火焰具有明顯不同[10]。
以tDT=10 s時火焰形狀變化為例，如圖4(a)所示。點火后t=0～15 ms時，甲烷處于點燃初期，以球形火焰自由發(fā)展;t=15～34 ms時，受到上下兩側甲烷體積分數(shù)影響，管道內上側甲烷體積分數(shù)過高，下側甲烷體積分數(shù)過低均無法形成明亮的預混燃燒，火焰上下兩側變暗，呈類似指型火焰狀繼續(xù)沿管道向前傳播;t=34 ms時，火焰約傳播至管道200 mm處，此時管道內從頂部—中部—底部形成甲烷體積分數(shù)為30.0%—5.2%—0.3%遞減的梯度分布，即管道中軸線上方存在甲烷燃燒的最佳體積分數(shù)9.5%?；鹧媲颁h形狀出現(xiàn)明顯變形，表現(xiàn)為火焰鋒面尖端向上突起，曲率半徑減小，該火焰現(xiàn)象被Phillips定義為三重火焰[13]。此時，火焰反應速率降低，部分預混燃燒占主導地位。
當t=62 ms時，形成明顯三重火焰結構，如圖5所示。在非均勻預混火焰?zhèn)鞑ミ^程中，管道軸線上方形成濃預混火焰，軸線下方形成稀預混火焰。經濃預混燃燒富余的可燃物與經稀預混燃燒富余的氧化劑在管道軸線處再次燃燒形成擴散火焰[13]。3種火焰共同作用形成三重火焰，相交點稱為三重點。且同時可以發(fā)現(xiàn)，三重點位置略高于管道中軸線。分析甲烷體積分數(shù)測量結果可得:三重火焰穩(wěn)定傳播段(400 mm處)甲烷自上而下體積分數(shù)為17.0%—4.8%—0%，甲烷均勻預混燃燒體積分數(shù)9.5%存在于管道中軸線上方，三重點為濃預混火焰、稀預混火焰交界處且位于管道中軸線上方，故三重點處為甲烷均勻預混燃燒。三重火焰在向前傳播的過程中，擴散火焰不斷被拉長，形成一個較長的尾部。三重火焰的形成是由于管道內甲烷縱向的體積分數(shù)梯度，甲烷在較短擴散時間內更多積聚于管道上方，形成沿管道縱向的由上向下的體積分數(shù)梯度遞減場[35]。當火焰?zhèn)鞑ブ猎搮^(qū)域，由上至下形成濃預混火焰、擴散火焰、稀預混火焰3種形式，3種火焰形式共同構成了三重火焰。
圖5 三重火焰結構示意Fig.5 Triple flame structure
圖4(a)中t=62～125 ms時，火焰以三重火焰形態(tài)平穩(wěn)向前傳播，速率保持穩(wěn)定。值得注意的是，火焰裙邊在此階段逐漸遠離管道壁面，火焰前鋒面積以不斷擴大的月牙狀增長。t=125 ms時，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿兰s3/5處，火焰前鋒厚度明顯增加。此時管道內甲烷體積分數(shù)較低，約為3.6%，氧化劑空氣含量較高，由于火焰前沿邊界層傳熱與傳質的不均勻性，在充足的氧化劑作用下，三重火焰點(均勻預混燃燒)化學反應速率及熱釋放速率高于上下兩側濃預混火焰及稀預混火焰，使火焰前鋒速度產生較強的速度梯度變化。三重火焰前端被拉伸，反應區(qū)變寬，藍色火焰厚度增加，反應速率加快，出現(xiàn)拉伸三重火焰[36]。t=125～189 ms時，拉伸三重火焰繼續(xù)向前傳播，在氧氣充足的情況下，淡藍色火焰區(qū)不斷拉伸。t=189 ms時，火焰?zhèn)鞑ブ列贡谂懦觥?/p>
在擴散較短時間內即10，20，30 s時，火焰形狀變化均出現(xiàn)球形火焰、指型火焰、三重火焰、拉伸三重火焰4個階段，但對應火焰階段轉變位置卻不盡相同。球形火焰階段內，球形火焰持續(xù)時間較短，發(fā)展區(qū)域有限，火焰持續(xù)時間及火焰形狀大小基本保持一致。但從實驗圖像及管道體積分數(shù)數(shù)據對比可明顯觀察出，隨擴散時間的增加，管道內甲烷體積分數(shù)梯度不斷減小，中軸線上甲烷體積分數(shù)更趨于最佳燃燒體積分數(shù)，火焰顏色與輪廓更加清晰。指型火焰階段內，隨擴散時間增長，指型火焰持續(xù)長度隨擴散時間呈線性增長，如圖6(a)所示。這是由于靠近進氣口，管道前段甲烷與空氣混合相對均勻。三重火焰階段，三重火焰起始點位置隨擴散時間呈現(xiàn)線性增長，如圖6(b)所示。
圖6 火焰結構演變示意Fig.6 Schematic diagram of flame structure evolution
當tDT=60 s及600 s時，此時管道內甲烷空氣預混程度相較tDT=10，20，30 s時預混程度更高，橫向及縱向體積分數(shù)梯度變小，火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)發(fā)生較大變化，tDT=600 s火焰?zhèn)鞑ソY構示意圖如圖7所示。觀察圖4(d)、圖7火焰?zhèn)鞑D像，相較擴散10，20，30 s工況，火焰顏色呈淡藍色，更加明亮、輪廓更加清晰、球形和指形火焰階段火焰形態(tài)更加飽滿[37]。這是因為在擴散60 s及600 s工況下，管道前甲烷與空氣混合程度較高，中軸線處甲烷體積分數(shù)均接近甲烷當量比燃燒水平。tDT=60 s時中軸線上體積分數(shù)依次為9.0%—8.2%—8.0%—7.3%，其火焰在中軸線上前半段呈預混狀態(tài)下的球形、指型火焰向前傳播[38]。傳播至后2/5段時，管道內甲烷體積分數(shù)差異較大，tDT=60 s時管道600 mm處甲烷體積分數(shù)自上而下為16.0%—8.0%—3.2%，縱向梯度較大，火焰向三重火焰扭曲變形，火焰尖端呈現(xiàn)出類似三重火焰結構，如圖4(d)61 ms時刻圖像所示，隨后火焰?zhèn)鞑ブ列贡?。tDT=600 s時，管道內甲烷橫向及縱向體積分數(shù)均處于相對穩(wěn)定水平，中軸線上體積分數(shù)依次為11.2%—10.9%—10.4%—10.1%，管道內甲烷體積分數(shù)均處于甲烷爆炸極限范圍內(5%～15%)?？梢园l(fā)現(xiàn)，tDT=600 s，甲烷體積分數(shù)差異更小，火焰顏色更加明亮，基本呈預混火焰向前傳播，出現(xiàn)平板形火焰、郁金香火焰及扭曲郁金香火焰，隨后傳播至泄爆口[39]。
2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>
如圖8所示，本實驗通過將拍攝到的火焰圖像進行像素測量，得到火焰前鋒在管道內位置以及與點火后時間一一對應關系。
由圖8可知，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒诵贡诘臅r間隨著擴散時間的增加而減小。這是由于隨擴散時間增加，管內甲烷與空氣混合更加均勻，管道內甲烷體積分數(shù)梯度越小，化學反應速率加快，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兛?，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒藭r間變短。且可以發(fā)現(xiàn)，擴散60 s時傳播至泄爆口所需時間與擴散600 s時十分接近，擴散600 s工況下所需傳播時間最短。
對火焰前鋒位置時間圖進行分析，得到火焰前鋒速度時間圖及火焰前鋒速度位置圖，如圖9所示。不難發(fā)現(xiàn)，在5種不同預混程度下火焰速度隨時間均保持同樣的變化規(guī)律，即火焰速度先快速上升后下降，再平穩(wěn)發(fā)展至緩慢上升。結合火焰形狀變化分析，如圖4，9所示，火焰在球形火焰以及球形火焰向指形火焰過渡階段，火焰前鋒速度呈近似直線增長，這是由于在球形火焰和球形火焰向指形火焰過渡階段內，火焰鋒面未受到管道壁面影響自由發(fā)展，火焰比表面積逐漸增大，火焰速度增加，火焰速度在指形火焰處達到峰值[40]?；鹧娴竭_指型火焰后，火焰上下兩鋒面與管道壁面相接觸，導致火焰比表面積減小，且燃燒過程中產生的自由基在與管道壁面碰撞過程中被消耗[41]，火焰與壁面接觸過程中熱傳導擴大火焰熱損耗，同時上下側甲烷體積分數(shù)過高或過低導致甲烷燃燒不均勻，多種因素共同作用下表現(xiàn)為火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停感位鹧媲颁h速度沿管道傳播逐漸下降。
圖9 火焰前鋒速度時間圖及速度位置Fig.9 Flame front speed diagram of time and position
tDT=10～30 s時，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏嗤淖兓厔?，即球形、指形火焰階段火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭龃?，在指形火焰階段達到峰值，隨后火焰向三重火焰過渡的過程中傳播速度迅速下降至谷低，火焰以三重火焰形態(tài)沿管道繼續(xù)向前傳播，且隨著火焰沿管道向前推進，管道內氧化劑含量愈發(fā)充足，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u提升。泄爆口中心點位于管道900 mm處，隨后火焰?zhèn)鞑ブ凉芡狻?/p>
如圖9所示，tDT=60 s及600 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h高于tDT=10～30 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣?。結合火焰?zhèn)鞑D像分析，沿管道前2/3段時，tDT=60 s與600 s時火焰?zhèn)鞑ソY構保持高度相似，均為球形火焰、指形火焰。這是由于在tDT=60 s及600 s時，管道中軸線上甲烷體積分數(shù)梯度分別為9.0%—8.2%—8.0%—7.3%，11.2%—10.9%—10.4%—10.1%，中軸線上甲烷體積分數(shù)均處于甲烷燃燒當量比9.5%上下較小范圍內，故tDT=60 s及600 s火焰速度保持相似且遠高于tDT=10～30 s。同時可以發(fā)現(xiàn)，由于tDT=600 s時管內縱向體積分數(shù)梯度更小，甲烷空氣混合程度更高，故tDT=600 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，火焰形狀輪廓更明顯?；鹧?zhèn)鞑ブ凉艿兰s600 mm時，tDT=60 s工況下火焰?zhèn)鞑ブ良淄樯舷聝蓚润w積分數(shù)差異較大處，此時管道中軸線甲烷體積分數(shù)8%已較大偏離于甲烷燃燒當量比9.5%，且由頂部到底部甲烷體積分數(shù)梯度為16.0%—8.0%—3.2%，火焰發(fā)生明顯變形，火焰尖端向軸線上方偏移，傳播速度降至谷值6.1 m/s，隨后火焰繼續(xù)向前傳播至泄爆口。tDT=600 s時管道內上下部分甲烷體積分數(shù)差異較小，管道600 mm處的縱向體積分數(shù)梯度為11.4%—10.4%—7.8%，梯度差異較小，且甲烷體積分數(shù)均處于爆炸當量比9.5%附近，火焰沿管道以球形、指形、平板形、郁金香形火焰向前傳播至泄爆口[42]。
2.4 爆炸超壓分析
圖10顯示了管道內甲烷在擴散10，20，30，60及600 s時爆炸超壓隨時間變化曲線，壓力記錄起始時刻約為點火前0.1 s。分析圖10中數(shù)據可知，擴散時間為10，20，30 s時，管道內甲烷空氣預混程度逐步增加，甲烷體積分數(shù)梯度逐漸減小，最大爆炸超壓逐漸增加且呈現(xiàn)一前一后2個波峰，后波峰壓力峰值約為前波峰1/2。結合火焰?zhèn)鞑ソY構及火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?，tDT=10～30 s時，點火后火焰由球形火焰逐漸發(fā)展為指形火焰，火焰速度在指形火焰階段達到第1個速度峰值，受指形火焰階段快速的燃燒反應以及較高的熱釋放速率帶來的壓升影響，爆炸超壓達到第1個峰值。隨后指形火焰轉變?yōu)槿鼗鹧鏁r火焰速度迅速下降，壓力表現(xiàn)為迅速下降至波谷，隨后爆炸超壓隨著三重火焰速度的提升到達第2個峰值，三重火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝汉蟛ǚ寰s為前峰值的1/2。可以發(fā)現(xiàn)，爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂幸灰粚P系。隨后壓力經泄爆口迅速排出，管道內壓力恢復正常水平。擴散時間為60 s時，此時管內最大爆炸超壓顯著增加，壓力迅速上升形成1個波峰，對比tDT=30 s時，峰值壓力增加約2/3。隨后壓力迅速下降，以略高于常壓水平產生波動，形成2個較小的波峰，壓力波動過后形成負壓，隨后壓力恢復正常水平。tDT=600 s時，管內最大爆炸超壓顯著上升，峰值對比tDT=60 s時增長約1/3，后波峰峰值減小、出現(xiàn)時間顯著縮短，隨后壓力恢復正常水平。
圖10 甲烷爆炸超壓示意Fig.10 Schematic of methane explosion overpressure
對上述數(shù)據分析可得，甲烷-空氣預混程度的增加即管道內甲烷體積分數(shù)梯度的減小會顯著影響甲烷爆炸超壓峰值。擴散時間越長，甲烷體積分數(shù)梯度越小，超壓峰值越大。在自由擴散時間較短的工況下，爆炸超壓呈現(xiàn)2個峰值，且爆炸超壓曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈相對應關系。10%管道體積的甲烷經過足夠長的時間泄漏與擴散后，會在管道內形成相對穩(wěn)定的自上而下的體積分數(shù)梯度分布，為12.0%—11.2%—8.8%。甲烷體積分數(shù)均處于爆炸極限內，且接近于甲烷化學計量比9.5%，此時管道內甲烷爆炸超壓達到峰值35 kPa。
3 結 論
(1)甲烷在管道內泄漏擴散后，先受到浮力作用在管道頂部積聚，隨后在分子間作用力及體積分數(shù)差的引導下，沿管道橫向及縱向傳播，達到穩(wěn)定狀態(tài)后形成橫向及縱向甲烷體積分數(shù)梯度場，而非傳統(tǒng)研究中的管道內甲烷與空氣完全均勻預混。巷道內瓦斯泄漏后體積分數(shù)分布當遵循此規(guī)律。
(2)當非均勻甲烷-空氣在甲烷縱向體積分數(shù)梯度場中被引燃時，會呈現(xiàn)出三重火焰結構，且梯度越大，三重火焰結構愈發(fā)明顯;三重火焰形態(tài)出現(xiàn)后，火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓迅速下降，但隨三重火焰繼續(xù)傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝郝杂猩仙厔荨?/p>
(3)管道內甲烷空氣非均勻預混時爆炸超壓呈現(xiàn)2個峰值，爆炸超壓曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏鄬P系。壓力峰值間隔時間隨體積分數(shù)梯度減小而減小，且在不同梯度下，中軸線處甲烷體積分數(shù)越接近當量比時火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，爆炸超壓越高?/p>
猜你喜歡
《火焰》快樂作文(1.2年級)(2023年12期)2023-04-20 10:06:06 最亮的火焰音樂天地(音樂創(chuàng)作版)(2022年1期)2022-04-26 13:51:04 代謝綜合征患者臂踝脈搏波傳播速度與頸動脈粥樣硬化的關系現(xiàn)代臨床醫(yī)學(2021年6期)2021-11-20 06:34:30 液氧甲烷發(fā)動機軍民兩用技術與產品(2021年10期)2021-03-16 06:05:08 論煤炭運輸之甲烷爆炸水上消防(2020年1期)2020-07-24 09:26:02 漂在水上的火焰動漫星空(興趣百科)(2019年5期)2019-05-11 02:05:38 Gas from human waste瘋狂英語·新讀寫(2018年3期)2018-11-29 22:37:11 新雷作文周刊·小學一年級版(2018年13期)2018-05-22 11:42:50 一類廣義canmassa—Holm方程的無限傳播速度與漸近行為上海師范大學學報·自然科學版(2018年3期)2018-05-14 13:47:10 吹不滅的火焰學與玩(2017年6期)2017-02-16 07:07:22
余明高，陳傳東，王雪燕，韓世新，馬梓茂
(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室,重慶 400044; 2.河南理工大學 安全科學與工程學院,河南 焦作 454003)
礦井瓦斯爆炸事故時有發(fā)生[1-2]，其中非均勻預混瓦斯爆炸占絕大部分事故類型[3-5]。非均勻預混瓦斯爆炸事故中，涌出的瓦斯在巷道內擴散時間不足，形成體積分數(shù)梯度場是區(qū)別于均勻預混爆炸事故的主要原因[6]，且極大影響了爆炸反應速率及最大爆炸超壓[7-8]。故研究非均勻預混瓦斯爆炸對控制礦井瓦斯爆炸事故人員傷亡、減少事故危害等具有重要意義[9]。
近年來，國內外學者針對均勻及非均勻預混的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院妥畲蟊ǔ瑝哼M行了大量研究。CLANET和SEARBY[10]對管道內甲烷空氣均勻預混爆炸的實驗及數(shù)值模擬研究表明，預混火焰在管道內傳播經歷球形—指形—火焰接觸壁面—郁金香火焰4個階段。與此同時，BYCHKOV等[11]在此基礎上提出了初期階段火焰加速和郁金香火焰形成的理論模型，并認為郁金香火焰的形成與火焰雷諾數(shù)相關。GONZALEA[12]通過數(shù)值模擬方法研究了封閉管道中火焰與聲波的相互作用，他認為火焰后期的形狀變化與周期性振蕩現(xiàn)象是火焰前鋒與壓力波相互作用的結果，其作用機理可以解釋為Taylor不穩(wěn)定性。然而，管道內均勻預混火焰與非均勻預混火焰結構有很大差別。PHILLIPS[13]通過實驗研究首次提出了大空間下甲烷空氣非均勻預混三重火焰的存在，并詳細解釋了三重火焰下濃預混分支、稀預混分支、擴散火焰分支的構成。研究得出三重火焰分支重合點稱為三重點，三重點為化學當量比點[14]，其火焰?zhèn)鞑ニ俣冉朴趯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萚15]。除三重火焰外，HAN等[16]通過實驗和數(shù)值模擬的方法研究了甲烷空氣非均勻預混下出現(xiàn)的火焰拉伸結構。非均勻預混除對火焰結構產生影響外，其對火焰?zhèn)鞑ヌ匦酝瑯赢a生改變。通過AL-MALKI等[17]對燃料空氣部分預混建立有限元分析的研究可以得到，預混程度增加會顯著提高混合物燃燒反應性，使火焰向邊界移動，進而破壞邊界層。ZHANG等[18]通過實驗和數(shù)值模擬計算，研究了氫氣和空氣在垂直通道中非均勻預混形成體積分數(shù)梯度下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｑ芯康贸?，正體積分數(shù)梯度的混合物相較于均勻混合物或負體積分數(shù)梯度的混合物，火焰加速度更高，爆炸超壓上升速率更快。
盡管前人在燃料空氣均勻預混燃燒、部分預混燃燒方面已做出了部分研究[4,19-22]。但從已有論文看，管道內甲烷氣體爆炸研究主要集中在均勻預混方面，而針對非均勻預混研究僅僅集中在管道外大尺寸平臺的甲烷擴散火焰[23-26]及具有體積分數(shù)梯度的氫氣/空氣混合物上[27-29]，目前關于管道內非均勻預混瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯?、非均勻預混下三重火焰?zhèn)鞑ソY構特點研究以及由自由擴散引起的燃料空氣不同體積分數(shù)梯度對火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最大爆炸超壓影響研究仍十分匱乏。從安全的角度考慮，進行管道內非均勻預混瓦斯空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ソY構特性、爆炸超壓方面的研究具有重大意義[30-32]。
筆者通過實驗模擬了小尺寸巷道內瓦斯涌出實際場景，揭露了由甲烷自由擴散時間不同引起的甲烷空氣非均勻體積分數(shù)梯度的變化對火焰結構特性、三重火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓等帶來的影響，對實際生產生活中出現(xiàn)的瓦斯泄漏爆炸事故具有指導意義。
1 實驗部分
1.1 實驗裝置
為研究管道內瓦斯/空氣不同預混程度下爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀F(xiàn)自主設計搭建了“管道瓦斯/空氣非均勻預混爆炸測試系統(tǒng)”。實驗裝置如圖1所示，主要由進氣系統(tǒng)、體積分數(shù)測試系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)、點火裝置、實驗管道5部分構成。
圖1 實驗裝置示意Fig.1 Illustration of experimental setup
實驗管道長1 000 mm，采用20 mm厚透明亞克力板材制成，以便高速攝像機采集火焰圖像。管道截面為方形，尺寸100 mm×100 mm。管道左右兩側壁面均采用7 mm厚不銹鋼板制成，鋼板與管道連接處加入密封墊以保證管內氣體密封性。左側鋼板開有4孔，用于安裝點火電極、進氣閥門、壓力傳感器。為保證實驗安全性，在管道正上方右側距管口100 mm處開設內徑為31.8 mm的泄爆口。管道內非均勻甲烷空氣混合物爆炸產生的超壓經泄爆口排出，避免來回往復的沖擊波對實驗管道及儀器造成損壞[33-34]。進氣系統(tǒng)由2只高精度的體積流量控制計及進氣管道、電磁閥組成，流量控制計采用美國Alicat品牌MC21型號，精度達到0.2%FS。利用流量控制計精確控制進氣體積。通入甲烷后進行一定時間自由擴散，受浮力及擴散作用甲烷沿管道形成橫向及縱向的體積分數(shù)梯度場[35]。點火頭位于管道左側中軸線上，點火采用高壓脈沖點火，通過6 V的穩(wěn)壓電源給高壓變送器供電，變送器輸出的高壓電流擊穿空氣形成電火花點燃管內氣體，經計算，點火能量為30 mJ。數(shù)據采集系統(tǒng)由高速攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、甲烷檢測裝置組成。高速攝像系統(tǒng)由Vision Research Phantom 高速攝像機、筆記本電腦、數(shù)據存儲器、攝像機支架等構成，相機拍攝幀率采用1 000 幀/s，該幀率下所拍攝照片分辨率為1 280×960。壓力采集系統(tǒng)由壓力傳感器、數(shù)據采集裝置構成，壓力數(shù)據采樣頻率為15 kHz。壓力傳感器為上海銘控公司Meokon-MDHF型號產品，量程-0.1～0.1 MPa，綜合精度可達±0.25%FS。TOPVIEW數(shù)據采集裝置具有完善的時域分析及頻域分析，多種類型的數(shù)據輸出，保證實驗數(shù)據測量精確性及分析可靠性。甲烷體積分數(shù)依據道爾頓分壓定律對氧氣體積分數(shù)推算得出，氧氣體積分數(shù)傳感器采用MOX20型號工業(yè)用氧氣體積分數(shù)傳感器，測量精度可達0.1%。4只氧氣傳感器(Sen1～4)通過3組重復實驗分別測量位于管道頂部、中部、底部相應位置的氧氣體積分數(shù)，氧氣傳感器布置位置如圖2所示。
圖2 氧氣傳感器位置示意Fig.2 Illustration of oxygen sensor location
氧氣傳感器測量出相應位置氧氣體積分數(shù)φ(O2)，依據道爾頓分壓定律，計算出該點甲烷體積分數(shù)φ(CH4)。甲烷體積分數(shù)計算公式為
(1)
式中，φ(CH4)為甲烷體積分數(shù)，%；φ(O2)為氧氣體積分數(shù)，%；20.9%為空氣中氧氣體積分數(shù)。
1.2 實驗方案
本文主要研究了管道內非均勻甲烷-空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。因此在管道內甲烷總體積分數(shù)10%下，分別設置5個實驗工況，即分別靜置自由擴散10，20，30，60及600 s。為保證實驗重復性，單個工況實驗3～5次，當有3組數(shù)據誤差小于1/1 000時，認為該數(shù)據有效，且每組實驗完成后，用壓縮空氣沖刷管道10 min，沖刷完成后用可燃氣體探測儀對管內氣體進行探測，確保管道內無甲烷非均勻燃燒殘留物后，開展下一次實驗。通氣方式為沿管道進氣口通入99.9%高濃度純甲烷，此時管道內甲烷總體積受流量控制計和通氣時間共同控制，并且通氣過程中在200，400，600，800 mm處進行氧氣體積分數(shù)檢測，以此推算管道內甲烷體積分數(shù)，重復實驗數(shù)據取誤差小于0.1%的3組實驗平均值，以確保所測得管內甲烷體積分數(shù)數(shù)據有效可靠。
實驗方案為設置甲烷流量控制計為1.0 L/min，根據伯努利公式計算可得，進氣口相對壓力約為2.15 Pa，進氣1 min后關閉管道進出口電磁閥。在此基礎上分別靜置自由擴散10，20，30，60，600 s，使甲烷靜置自由擴散不同時間，分3組不同氧氣傳感器位置測量其管內各點氧氣體積分數(shù)后推算出甲烷體積分數(shù)分布。隨后打開脈沖點火器點火，用高速攝像機及壓力采集系統(tǒng)采集其點火后爆炸火焰?zhèn)鞑ソY構及壓力動態(tài)變化。以達到實驗對非均勻預混甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯俊?/p>
伯努利公式為
(2)
式中，P1，P2為流體中某點的壓強，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；V1，V2為流體該點的流速，m/s；g為重力加速度，9.80 m/s2；h1，h2為該點所在高度，m。
2 結果與討論
2.1 管道內甲烷體積分數(shù)梯度分布
圖3為甲烷在管道內部、中部、底部的體積分數(shù)分布。圖3中縱軸表示甲烷體積分數(shù)，橫軸總擴散時間表示甲烷泄漏時間(60 s)加上靜置自由擴散時間(0～600 s)。由圖3可知，甲烷在管道泄漏過程中，受浮力作用首先在管道頂部積聚，頂部甲烷體積分數(shù)逐漸升高，頂部所測得甲烷體積分數(shù)迅速達到峰值，隨后沿管道橫向傳播，4個位置的甲烷體積分數(shù)按距離泄漏點由近及遠在100 s左右時分別達到峰值，峰值體積分數(shù)分別為29.6%，18.9%，16.9%，14.2%。對比圖3管道內頂部(TOP)中部(MID)底部(BOT)甲烷體積分數(shù)數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，甲烷在管道泄漏后，受浮力作用首先在管道頂部積聚，此時管道內頂部甲烷體積分數(shù)較高，甲烷所受的浮力作用大于甲烷分子間作用力，甲烷體積分數(shù)沿管道橫向傳播，頂部處的甲烷體積分數(shù)率先達到峰值。隨后在體積分數(shù)差及分子間作用力影響下，逆浮力作用沿管道縱向從頂部向中部及底部傳播。管道中部及管道底部處的甲烷體積分數(shù)分別在200 s和250 s時達到峰值。同時，隨著總擴散時間不斷增加，管道內縱向甲烷體積分數(shù)梯度呈先增大后減小的趨勢，在總擴散時間為70 s時，Sen1 TOP-Sen1 MID-Sen1 BOT處的甲烷縱向體積分數(shù)達到最大，為29.6%—3.9%—0.3%。分析圖3后半段可知，隨著擴散時間的不斷增加，管道內甲烷體積分數(shù)分布將逐漸趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定的情況下，管道內甲烷體積分數(shù)分布呈現(xiàn)由管道頂部向底部略帶梯度的甲烷體積分數(shù)分布，Sen1～4處自頂部-中部-底部的體積分數(shù)梯度分別為12.1%—11.2%—8.8%，11.7%—10.8%—8.2%，11.4%—10.4%—7.8%，11.1%—10.1%—7.5%，而非理想條件下的甲烷-空氣管道內均勻預混。
圖3 甲烷體積分數(shù)分布示意Fig.3 Schematic diagram of methane concentration distribution
不同點火時刻時管道內不同位置處甲烷體積分數(shù)見表1。由表1可知，靜置自由擴散時間越短，點火時刻管道內甲烷沿橫向及縱向體積分數(shù)梯度越大。且隨著靜置自由擴散時間不斷增加，管道內甲烷橫向及縱向體積分數(shù)梯度先增大后減小。
表1 管道內不同位置處甲烷體積分數(shù)Table 1 Methane concentration tables at different locations in the pipeline
2.2 火焰?zhèn)鞑ソY構分析
圖4顯示了管道內甲烷體積分數(shù)為10%時，不同靜置自由擴散時間(Diffusion Time，簡寫tDT)下火焰鋒面隨時間變化的特征。由圖4可知，不同靜置自由擴散時間所導致的管道內甲烷體積分數(shù)梯度分布對火焰?zhèn)鞑ソY構有顯著影響。
圖4 不同擴散時間下火焰?zhèn)鞑ソY構Fig.4 Diagram of flame propagation structure under different diffusion time
當tDT=10,20,30,60 s時，火焰形狀變化如圖4所示。tDT=10,20,30 s 時，火焰形態(tài)變化經歷了4個階段:球形火焰、指型火焰、三重火焰、拉伸三重火焰，這與均勻預混狀態(tài)下，火焰在管道內傳播所經歷球形火焰、指型火焰、平板形火焰、郁金香火焰、扭曲郁金香火焰具有明顯不同[10]。
以tDT=10 s時火焰形狀變化為例，如圖4(a)所示。點火后t=0～15 ms時，甲烷處于點燃初期，以球形火焰自由發(fā)展;t=15～34 ms時，受到上下兩側甲烷體積分數(shù)影響，管道內上側甲烷體積分數(shù)過高，下側甲烷體積分數(shù)過低均無法形成明亮的預混燃燒，火焰上下兩側變暗，呈類似指型火焰狀繼續(xù)沿管道向前傳播;t=34 ms時，火焰約傳播至管道200 mm處，此時管道內從頂部—中部—底部形成甲烷體積分數(shù)為30.0%—5.2%—0.3%遞減的梯度分布，即管道中軸線上方存在甲烷燃燒的最佳體積分數(shù)9.5%?；鹧媲颁h形狀出現(xiàn)明顯變形，表現(xiàn)為火焰鋒面尖端向上突起，曲率半徑減小，該火焰現(xiàn)象被Phillips定義為三重火焰[13]。此時，火焰反應速率降低，部分預混燃燒占主導地位。
當t=62 ms時，形成明顯三重火焰結構，如圖5所示。在非均勻預混火焰?zhèn)鞑ミ^程中，管道軸線上方形成濃預混火焰，軸線下方形成稀預混火焰。經濃預混燃燒富余的可燃物與經稀預混燃燒富余的氧化劑在管道軸線處再次燃燒形成擴散火焰[13]。3種火焰共同作用形成三重火焰，相交點稱為三重點。且同時可以發(fā)現(xiàn)，三重點位置略高于管道中軸線。分析甲烷體積分數(shù)測量結果可得:三重火焰穩(wěn)定傳播段(400 mm處)甲烷自上而下體積分數(shù)為17.0%—4.8%—0%，甲烷均勻預混燃燒體積分數(shù)9.5%存在于管道中軸線上方，三重點為濃預混火焰、稀預混火焰交界處且位于管道中軸線上方，故三重點處為甲烷均勻預混燃燒。三重火焰在向前傳播的過程中，擴散火焰不斷被拉長，形成一個較長的尾部。三重火焰的形成是由于管道內甲烷縱向的體積分數(shù)梯度，甲烷在較短擴散時間內更多積聚于管道上方，形成沿管道縱向的由上向下的體積分數(shù)梯度遞減場[35]。當火焰?zhèn)鞑ブ猎搮^(qū)域，由上至下形成濃預混火焰、擴散火焰、稀預混火焰3種形式，3種火焰形式共同構成了三重火焰。
圖5 三重火焰結構示意Fig.5 Triple flame structure
圖4(a)中t=62～125 ms時，火焰以三重火焰形態(tài)平穩(wěn)向前傳播，速率保持穩(wěn)定。值得注意的是，火焰裙邊在此階段逐漸遠離管道壁面，火焰前鋒面積以不斷擴大的月牙狀增長。t=125 ms時，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿兰s3/5處，火焰前鋒厚度明顯增加。此時管道內甲烷體積分數(shù)較低，約為3.6%，氧化劑空氣含量較高，由于火焰前沿邊界層傳熱與傳質的不均勻性，在充足的氧化劑作用下，三重火焰點(均勻預混燃燒)化學反應速率及熱釋放速率高于上下兩側濃預混火焰及稀預混火焰，使火焰前鋒速度產生較強的速度梯度變化。三重火焰前端被拉伸，反應區(qū)變寬，藍色火焰厚度增加，反應速率加快，出現(xiàn)拉伸三重火焰[36]。t=125～189 ms時，拉伸三重火焰繼續(xù)向前傳播，在氧氣充足的情況下，淡藍色火焰區(qū)不斷拉伸。t=189 ms時，火焰?zhèn)鞑ブ列贡谂懦觥?/p>
在擴散較短時間內即10，20，30 s時，火焰形狀變化均出現(xiàn)球形火焰、指型火焰、三重火焰、拉伸三重火焰4個階段，但對應火焰階段轉變位置卻不盡相同。球形火焰階段內，球形火焰持續(xù)時間較短，發(fā)展區(qū)域有限，火焰持續(xù)時間及火焰形狀大小基本保持一致。但從實驗圖像及管道體積分數(shù)數(shù)據對比可明顯觀察出，隨擴散時間的增加，管道內甲烷體積分數(shù)梯度不斷減小，中軸線上甲烷體積分數(shù)更趨于最佳燃燒體積分數(shù)，火焰顏色與輪廓更加清晰。指型火焰階段內，隨擴散時間增長，指型火焰持續(xù)長度隨擴散時間呈線性增長，如圖6(a)所示。這是由于靠近進氣口，管道前段甲烷與空氣混合相對均勻。三重火焰階段，三重火焰起始點位置隨擴散時間呈現(xiàn)線性增長，如圖6(b)所示。
圖6 火焰結構演變示意Fig.6 Schematic diagram of flame structure evolution
當tDT=60 s及600 s時，此時管道內甲烷空氣預混程度相較tDT=10，20，30 s時預混程度更高，橫向及縱向體積分數(shù)梯度變小，火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)發(fā)生較大變化，tDT=600 s火焰?zhèn)鞑ソY構示意圖如圖7所示。觀察圖4(d)、圖7火焰?zhèn)鞑D像，相較擴散10，20，30 s工況，火焰顏色呈淡藍色，更加明亮、輪廓更加清晰、球形和指形火焰階段火焰形態(tài)更加飽滿[37]。這是因為在擴散60 s及600 s工況下，管道前甲烷與空氣混合程度較高，中軸線處甲烷體積分數(shù)均接近甲烷當量比燃燒水平。tDT=60 s時中軸線上體積分數(shù)依次為9.0%—8.2%—8.0%—7.3%，其火焰在中軸線上前半段呈預混狀態(tài)下的球形、指型火焰向前傳播[38]。傳播至后2/5段時，管道內甲烷體積分數(shù)差異較大，tDT=60 s時管道600 mm處甲烷體積分數(shù)自上而下為16.0%—8.0%—3.2%，縱向梯度較大，火焰向三重火焰扭曲變形，火焰尖端呈現(xiàn)出類似三重火焰結構，如圖4(d)61 ms時刻圖像所示，隨后火焰?zhèn)鞑ブ列贡?。tDT=600 s時，管道內甲烷橫向及縱向體積分數(shù)均處于相對穩(wěn)定水平，中軸線上體積分數(shù)依次為11.2%—10.9%—10.4%—10.1%，管道內甲烷體積分數(shù)均處于甲烷爆炸極限范圍內(5%～15%)?？梢园l(fā)現(xiàn)，tDT=600 s，甲烷體積分數(shù)差異更小，火焰顏色更加明亮，基本呈預混火焰向前傳播，出現(xiàn)平板形火焰、郁金香火焰及扭曲郁金香火焰，隨后傳播至泄爆口[39]。
2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>
如圖8所示，本實驗通過將拍攝到的火焰圖像進行像素測量，得到火焰前鋒在管道內位置以及與點火后時間一一對應關系。
由圖8可知，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒诵贡诘臅r間隨著擴散時間的增加而減小。這是由于隨擴散時間增加，管內甲烷與空氣混合更加均勻，管道內甲烷體積分數(shù)梯度越小，化學反應速率加快，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兛?，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒藭r間變短。且可以發(fā)現(xiàn)，擴散60 s時傳播至泄爆口所需時間與擴散600 s時十分接近，擴散600 s工況下所需傳播時間最短。
對火焰前鋒位置時間圖進行分析，得到火焰前鋒速度時間圖及火焰前鋒速度位置圖，如圖9所示。不難發(fā)現(xiàn)，在5種不同預混程度下火焰速度隨時間均保持同樣的變化規(guī)律，即火焰速度先快速上升后下降，再平穩(wěn)發(fā)展至緩慢上升。結合火焰形狀變化分析，如圖4，9所示，火焰在球形火焰以及球形火焰向指形火焰過渡階段，火焰前鋒速度呈近似直線增長，這是由于在球形火焰和球形火焰向指形火焰過渡階段內，火焰鋒面未受到管道壁面影響自由發(fā)展，火焰比表面積逐漸增大，火焰速度增加，火焰速度在指形火焰處達到峰值[40]?；鹧娴竭_指型火焰后，火焰上下兩鋒面與管道壁面相接觸，導致火焰比表面積減小，且燃燒過程中產生的自由基在與管道壁面碰撞過程中被消耗[41]，火焰與壁面接觸過程中熱傳導擴大火焰熱損耗，同時上下側甲烷體積分數(shù)過高或過低導致甲烷燃燒不均勻，多種因素共同作用下表現(xiàn)為火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停感位鹧媲颁h速度沿管道傳播逐漸下降。
圖9 火焰前鋒速度時間圖及速度位置Fig.9 Flame front speed diagram of time and position
tDT=10～30 s時，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏嗤淖兓厔?，即球形、指形火焰階段火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭龃?，在指形火焰階段達到峰值，隨后火焰向三重火焰過渡的過程中傳播速度迅速下降至谷低，火焰以三重火焰形態(tài)沿管道繼續(xù)向前傳播，且隨著火焰沿管道向前推進，管道內氧化劑含量愈發(fā)充足，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u提升。泄爆口中心點位于管道900 mm處，隨后火焰?zhèn)鞑ブ凉芡狻?/p>
如圖9所示，tDT=60 s及600 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h高于tDT=10～30 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣?。結合火焰?zhèn)鞑D像分析，沿管道前2/3段時，tDT=60 s與600 s時火焰?zhèn)鞑ソY構保持高度相似，均為球形火焰、指形火焰。這是由于在tDT=60 s及600 s時，管道中軸線上甲烷體積分數(shù)梯度分別為9.0%—8.2%—8.0%—7.3%，11.2%—10.9%—10.4%—10.1%，中軸線上甲烷體積分數(shù)均處于甲烷燃燒當量比9.5%上下較小范圍內，故tDT=60 s及600 s火焰速度保持相似且遠高于tDT=10～30 s。同時可以發(fā)現(xiàn)，由于tDT=600 s時管內縱向體積分數(shù)梯度更小，甲烷空氣混合程度更高，故tDT=600 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，火焰形狀輪廓更明顯?；鹧?zhèn)鞑ブ凉艿兰s600 mm時，tDT=60 s工況下火焰?zhèn)鞑ブ良淄樯舷聝蓚润w積分數(shù)差異較大處，此時管道中軸線甲烷體積分數(shù)8%已較大偏離于甲烷燃燒當量比9.5%，且由頂部到底部甲烷體積分數(shù)梯度為16.0%—8.0%—3.2%，火焰發(fā)生明顯變形，火焰尖端向軸線上方偏移，傳播速度降至谷值6.1 m/s，隨后火焰繼續(xù)向前傳播至泄爆口。tDT=600 s時管道內上下部分甲烷體積分數(shù)差異較小，管道600 mm處的縱向體積分數(shù)梯度為11.4%—10.4%—7.8%，梯度差異較小，且甲烷體積分數(shù)均處于爆炸當量比9.5%附近，火焰沿管道以球形、指形、平板形、郁金香形火焰向前傳播至泄爆口[42]。
2.4 爆炸超壓分析
圖10顯示了管道內甲烷在擴散10，20，30，60及600 s時爆炸超壓隨時間變化曲線，壓力記錄起始時刻約為點火前0.1 s。分析圖10中數(shù)據可知，擴散時間為10，20，30 s時，管道內甲烷空氣預混程度逐步增加，甲烷體積分數(shù)梯度逐漸減小，最大爆炸超壓逐漸增加且呈現(xiàn)一前一后2個波峰，后波峰壓力峰值約為前波峰1/2。結合火焰?zhèn)鞑ソY構及火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?，tDT=10～30 s時，點火后火焰由球形火焰逐漸發(fā)展為指形火焰，火焰速度在指形火焰階段達到第1個速度峰值，受指形火焰階段快速的燃燒反應以及較高的熱釋放速率帶來的壓升影響，爆炸超壓達到第1個峰值。隨后指形火焰轉變?yōu)槿鼗鹧鏁r火焰速度迅速下降，壓力表現(xiàn)為迅速下降至波谷，隨后爆炸超壓隨著三重火焰速度的提升到達第2個峰值，三重火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝汉蟛ǚ寰s為前峰值的1/2。可以發(fā)現(xiàn)，爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂幸灰粚P系。隨后壓力經泄爆口迅速排出，管道內壓力恢復正常水平。擴散時間為60 s時，此時管內最大爆炸超壓顯著增加，壓力迅速上升形成1個波峰，對比tDT=30 s時，峰值壓力增加約2/3。隨后壓力迅速下降，以略高于常壓水平產生波動，形成2個較小的波峰，壓力波動過后形成負壓，隨后壓力恢復正常水平。tDT=600 s時，管內最大爆炸超壓顯著上升，峰值對比tDT=60 s時增長約1/3，后波峰峰值減小、出現(xiàn)時間顯著縮短，隨后壓力恢復正常水平。
圖10 甲烷爆炸超壓示意Fig.10 Schematic of methane explosion overpressure
對上述數(shù)據分析可得，甲烷-空氣預混程度的增加即管道內甲烷體積分數(shù)梯度的減小會顯著影響甲烷爆炸超壓峰值。擴散時間越長，甲烷體積分數(shù)梯度越小，超壓峰值越大。在自由擴散時間較短的工況下，爆炸超壓呈現(xiàn)2個峰值，且爆炸超壓曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈相對應關系。10%管道體積的甲烷經過足夠長的時間泄漏與擴散后，會在管道內形成相對穩(wěn)定的自上而下的體積分數(shù)梯度分布，為12.0%—11.2%—8.8%。甲烷體積分數(shù)均處于爆炸極限內，且接近于甲烷化學計量比9.5%，此時管道內甲烷爆炸超壓達到峰值35 kPa。
3 結 論
(1)甲烷在管道內泄漏擴散后，先受到浮力作用在管道頂部積聚，隨后在分子間作用力及體積分數(shù)差的引導下，沿管道橫向及縱向傳播，達到穩(wěn)定狀態(tài)后形成橫向及縱向甲烷體積分數(shù)梯度場，而非傳統(tǒng)研究中的管道內甲烷與空氣完全均勻預混。巷道內瓦斯泄漏后體積分數(shù)分布當遵循此規(guī)律。
(2)當非均勻甲烷-空氣在甲烷縱向體積分數(shù)梯度場中被引燃時，會呈現(xiàn)出三重火焰結構，且梯度越大，三重火焰結構愈發(fā)明顯;三重火焰形態(tài)出現(xiàn)后，火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓迅速下降，但隨三重火焰繼續(xù)傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝郝杂猩仙厔荨?/p>
(3)管道內甲烷空氣非均勻預混時爆炸超壓呈現(xiàn)2個峰值，爆炸超壓曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏鄬P系。壓力峰值間隔時間隨體積分數(shù)梯度減小而減小，且在不同梯度下，中軸線處甲烷體積分數(shù)越接近當量比時火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，爆炸超壓越高?/p>
猜你喜歡
快樂作文(1.2年級)(2023年12期)2023-04-20 10:06:06
音樂天地(音樂創(chuàng)作版)(2022年1期)2022-04-26 13:51:04
現(xiàn)代臨床醫(yī)學(2021年6期)2021-11-20 06:34:30
軍民兩用技術與產品(2021年10期)2021-03-16 06:05:08
水上消防(2020年1期)2020-07-24 09:26:02
動漫星空(興趣百科)(2019年5期)2019-05-11 02:05:38
瘋狂英語·新讀寫(2018年3期)2018-11-29 22:37:11
作文周刊·小學一年級版(2018年13期)2018-05-22 11:42:50
上海師范大學學報·自然科學版(2018年3期)2018-05-14 13:47:10
學與玩(2017年6期)2017-02-16 07:07:22
