龍鳳英 李澤歡 黃 俊 俞樹威 段玉龍副教授

(1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.油氣生產(chǎn)安全與風(fēng)險控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，但頻發(fā)的燃?xì)獗ㄊ鹿释ǔ斐芍卮笕藛T傷亡和財產(chǎn)損失[1-2]。同時，氣體傳播路徑中存在的障礙物或潛在障礙物可能顯著增加爆炸強(qiáng)度和損傷能力[3-4]。障礙物引起傳播火焰與流場非穩(wěn)態(tài)耦合，火焰前方產(chǎn)生不同尺度渦旋，火焰—渦旋相互作用進(jìn)一步加劇火焰?zhèn)鞑ニ俾屎蛪毫ι仙齕5-6]。為解決這一問題，人們提出許多抑制和減輕氣體爆炸的方法[7-10]。多孔材料因其具有顯著抑制氣體爆炸作用被廣泛應(yīng)用[11-14]，例如HOWELL等[15]綜述使用多孔惰性介質(zhì)來穩(wěn)定火焰相關(guān)的結(jié)構(gòu)和傳熱能；PANG等[16]和SONG等[17]研究發(fā)現(xiàn)多孔材料網(wǎng)狀鋁合金對氣體爆燃具有促進(jìn)/抑制的雙重作用；CHEN等[18]研究表明多孔材料對封閉燃燒管中甲烷/空氣預(yù)混爆炸火焰結(jié)構(gòu)演變和超壓有顯著影響；多孔材料破壞火焰?zhèn)鞑サ慕Y(jié)構(gòu)特征和火焰前表面，導(dǎo)致火焰扭曲[19]；多孔介質(zhì)增加橫波與縱波的能耗，減輕上游巨大的壓力危害[20]；CICCARELLI[21]指出如果火焰不被淬滅，多孔介質(zhì)內(nèi)的湍流會促進(jìn)爆炸升級；BIVOL和GOLOVASTOV[22]研究表明孔徑較大的多孔材料可被看作湍流元件，導(dǎo)致燃燒面積增加和燃燒加??；ZALOSH[23]在裝置中添加聚合物泡沫和鋁網(wǎng)來研究爆炸抑制，揭示多孔材料壁可以削弱橫波，但可能不能抑制爆炸；MCGARRY等[24]指出，一旦在火焰區(qū)域產(chǎn)生高湍流強(qiáng)度的反應(yīng)物，在高湍流燃燒速度下發(fā)生反應(yīng)，可增強(qiáng)局部和整體湍流火焰加速；CICCARELLI[21]和WANG等[25]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多孔金屬泡沫作用可表現(xiàn)出與障礙物一致的特性；網(wǎng)狀障礙物干擾未燃燒氣體，增強(qiáng)火焰前表面的弧度和火焰內(nèi)流場的湍流強(qiáng)度，燃燒反應(yīng)更加劇烈[26]；CICCARELLI等[27]和NA'INNA等[28-29]研究表明障礙物放置距離是影響火焰加速度的顯著因素；多孔網(wǎng)狀材料放置明顯影響氣體動力學(xué)行為[30]；SHAO等[31]研究指出金屬泡沫對防爆抑制的影響與金屬泡沫的位置密切相關(guān)；DUAN等[32]研究發(fā)現(xiàn)放置在不同位置的多孔網(wǎng)狀材料對甲烷/空氣預(yù)混爆炸有顯著而不同的影響。

綜上所述，氣體爆炸過程中多孔材料可能因自身特性差異導(dǎo)致抑爆失效，充當(dāng)網(wǎng)狀障礙物加劇爆炸。由于氣體爆炸往往在管道的不同位置以不同的狀態(tài)發(fā)生，而且甲烷爆炸過程中，隨著爆炸波的向前推進(jìn)，過壓和火焰速度都會增加，說明爆炸能量會隨著爆炸波的增加而增加[23]。因此，研究多孔網(wǎng)狀材料在管道中不同安裝位置對瓦斯爆炸時的抑制作用尤為重要。本文以泡沫銅為爆炸抑制材料，探究不同空間位置的多孔材料對甲烷/空氣預(yù)混爆炸性能的影響，以期為發(fā)展和改進(jìn)管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)的基礎(chǔ)理論研究，為安全應(yīng)用甲烷提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)平臺包括管道、氣體預(yù)混系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和高頻壓力采集系統(tǒng)，如圖1。有機(jī)玻璃管道尺寸為10cm×10cm×100cm，管壁厚2cm，可承內(nèi)壓2MPa。氣體預(yù)混系統(tǒng)由一個甲烷氣瓶(純度為99.99%)、一個空氣瓶、2個氣體質(zhì)量流量計和若干氣動配件組成，其中，質(zhì)量流量計為Alicat20系列標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量計(精度5L/min)，可以快速有效地抑制壓力波動。高速攝像系統(tǒng)由Phantom710L高速攝像機(jī)和計算機(jī)組成，其中，高速攝像機(jī)拍攝參數(shù)由攝像機(jī)控制軟件(Phantom Camera Control，PCC)設(shè)置，圖像采集的分辨率設(shè)置為1 024×304，拍攝頻率4 000fps，曝光時間240μs。點(diǎn)火系統(tǒng)由自制點(diǎn)火頭、高頻脈沖點(diǎn)火器及點(diǎn)火控制器組成，電源輸入電壓為6V。高頻壓力采集系統(tǒng)包括沖擊波測試儀、2個壓力傳感器(A和B)和計算機(jī)；通過Tytest Data View測試軟件設(shè)置沖擊波測試儀參數(shù)；采集模式為單次采集，時長200ms，以便后期數(shù)據(jù)處理篩選；壓力傳感器A和B安裝位置為0cm和77cm處，便于收集多孔材料2端壓力變化信號；壓力傳感器的量程為0～0.69MPa，線性誤差<1%。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺Fig.1 Experimental platform

首先，在管內(nèi)設(shè)置3組障礙物N1、N2和N3，依次安裝于距點(diǎn)火端10、20和30cm處，單個障礙物阻塞率為0.15；其次，依次距點(diǎn)火端40、50、60和75cm處安裝多孔材料，即多孔材料分別與障礙物N3間隔10、20、30和45cm。工況示意圖，如圖2。多孔材料采用泡沫銅，其具有優(yōu)異的燒結(jié)抗性和韌性，不易損傷[33]。截面尺寸為10cm×10cm，厚度為1cm?？紫抖葹?0PPI，因?yàn)?0PPI多孔材料作用下，火焰穿過多孔材料后湍流程度明顯增強(qiáng)，多孔材料對爆燃火焰幾乎沒有阻隔作用，在某種程度上可看作障礙物[34]。由于其良好的導(dǎo)熱性和火焰熱的快速散熱，已被應(yīng)用于阻火器等先進(jìn)消防設(shè)備[35]。

圖2 工況示意圖Fig.2 The schematic diagram of working conditions

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，平均溫度為25℃，管內(nèi)初始壓力為101 325Pa。預(yù)混合的甲烷—空氣的化學(xué)計量比為1.0，即甲烷反應(yīng)濃度為9.5%，此濃度下爆炸超壓最高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，破壞力最?qiáng)[36-37]。管道泄壓口用PVC膜密封，起安全泄壓作用。氣體配送采用4倍體積排氣法[38-39]。填充結(jié)束后，靜置管內(nèi)預(yù)混氣體約15s，以保證爆炸氣體均勻混合。高速攝像機(jī)和壓力采集系統(tǒng)處于自動觸發(fā)等待狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過程中，收集并儲存壓力和火焰結(jié)構(gòu)的變化。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3-5次，以確保結(jié)果準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰?zhèn)鞑?/h3>

障礙物作用下9.5%甲烷/空氣預(yù)混爆炸實(shí)驗(yàn)過程，如圖3。從圖3可以看出，火焰在置障管道中傳播，除了得到CLANET和SEARBY[40]提出的4個經(jīng)典動力學(xué)階段：球形火焰、手指形火焰、火焰裙接觸側(cè)壁和郁金香火焰，還包括因障礙物擠壓效應(yīng)拉伸形成的蘑菇狀火焰和扭曲的蘑菇狀火焰[41]。因障礙物的存在，燃燒火焰從障礙物開口噴射傳播，在壁反射和稀疏波的影響下，火焰前鋒的軸向傳播速度慢于徑向傳播速度[42]?；鹧娼?jīng)歷不穩(wěn)定的變形，從層流火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧鎇43]。t=35.75ms時，火焰前鋒演變?yōu)槟⒐綘罨鹧?。由于多個障礙物的存在，前一個障礙物的影響導(dǎo)致火焰以扭曲蘑菇狀火焰的形式通過后續(xù)障礙物。且障礙物的數(shù)量越多，火焰依次通過每個障礙物的扭曲程度就越大，相應(yīng)的湍流程度也就越大[41]。

圖3 障礙物作用下甲烷/空氣預(yù)混爆炸Fig.3 The methane/air premixed explosion under the action of obstacles

以圖3中的超壓—速度曲線為例分析，火焰自點(diǎn)火后傳播至障礙物N1耗時23.50ms，經(jīng)N1傳播至N2耗時12.25ms，而由N2傳至N3僅用5.00ms。由此可見，重復(fù)障礙物的存在，爆燃波被反復(fù)反射，可燃?xì)怏w混合物被完全壓縮，溫度和壓力升高，化學(xué)反應(yīng)速度增加[44]。t=46.50ms時火焰速度到達(dá)最大峰值54.87m/s，觀察對應(yīng)時刻的火焰圖像可得，火焰到達(dá)最大速度峰值后湍流區(qū)域占比明顯增大。湍流脈動的影響顯著縮短從點(diǎn)火到燃燒壓力峰值的時間，因此壓力峰值先速度峰值一步出現(xiàn)[45]。湍流的影響加速燃燒速率，促使火焰速度和超壓提升。圖4中幾種工況的速度和超壓也符合此加速規(guī)律。

前人研究[21，25]表明，多孔材料選型不當(dāng)時可看作網(wǎng)狀障礙物作用。障礙物間距是影響火焰加速效應(yīng)的重要因素之一。因此，多孔材料的抑制作用與多孔材料的空間位置密切相關(guān)[46-47]。從圖4可以看出，當(dāng)多孔材料安裝于距點(diǎn)火端40、50和60cm時，即多孔網(wǎng)狀材料與障礙物N3間距10、20和30cm，重復(fù)障礙物N1、N2和N3引起的火焰加速可能導(dǎo)致多孔材料淬熄失效，火焰穿透多孔材料繼續(xù)向下游傳播。穿透時間分別為45.50、38.25和42.50ms。多孔材料與障礙物N3間距10cm時，火焰速度并未達(dá)到峰值，而是在多孔材料的進(jìn)一步促進(jìn)下到達(dá)峰值速度55.77m/s。對比無多孔材料時，速度提升1.64%，因?yàn)檎系K物對火焰的提速作用主要依賴于障礙物下游形成的湍流渦結(jié)構(gòu)，渦量集中的區(qū)域具有高強(qiáng)度湍動能[48]。此時多孔材料可看作一種網(wǎng)狀障礙物，障礙物N3和網(wǎng)狀障礙物間距過小，障礙物N3下游渦旋發(fā)育受限，渦團(tuán)雖“填滿”障礙物之間的空隙，但渦團(tuán)尺度小，湍流強(qiáng)度低，并沒有對火焰起到很好的激勵作用，所以火焰速度提升不明顯[49]。

圖4 不同位置多孔材料耦合障礙物作用下甲烷/空氣預(yù)混爆炸Fig.4 The methane/air premixed explosion under the action in which the porous material couple with obstacles at different positions

如圖4(b)和圖4(c)所示，當(dāng)多孔網(wǎng)狀材料與障礙物N3間距20和30cm時，障礙物N3和多孔網(wǎng)狀障礙物間距足夠，障礙物N3下游渦旋發(fā)育充分，渦量集中區(qū)在障礙物間距中所占的比例增加，湍流程度增強(qiáng)，火焰接觸多孔材料時到達(dá)最大速度峰值72.80和63.78m/s。多孔介質(zhì)之前的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)的停留時間越短，火焰與固體壁面之間的換熱越少，火焰越不容易被淬熄[50]。對比無多孔材料時，火焰速度升幅分別為32.68%和16.24%。后續(xù)完整火焰經(jīng)多孔材料被分割為若干小型射流火焰，下游未燃?xì)怏w被引燃后以較高的湍流速度進(jìn)行傳播，直至火焰熄滅。

當(dāng)多孔材料安裝于距點(diǎn)火端75cm時，即多孔網(wǎng)狀材料與障礙物N3間距45cm，火焰被多孔材料有效淬熄，無法穿透多孔材料傳播至多孔下游。因?yàn)檎系K物間距過大，渦團(tuán)的尺度遠(yuǎn)小于障礙物間距，火焰?zhèn)鞑ネ局信c管壁接觸的部分火焰熄滅使它表面積減小，不利于火焰加速。同時，火焰淬熄后，前驅(qū)體爆炸波能量的供應(yīng)被切斷，有效降低沖擊波的破壞作用。多孔材料的特殊結(jié)構(gòu)會破壞火焰波和沖擊波的耦合效應(yīng)[51]?；鹧嫠俣确逯涤蔁o多孔材料作用時的54.87m/s衰減為48.05m/s，降幅12.43%，多孔材料起到一定的抑制作用。

2.2 爆炸超壓

由圖3中壓力曲線(PA和PB)可得，障礙物作用下9.5%濃度的甲烷/空氣預(yù)混爆炸超壓隨時間推移，先達(dá)到一個小峰值(破膜壓力)后下降。因?yàn)辄c(diǎn)火后，管道內(nèi)產(chǎn)生燃燒氣體，超壓增加，當(dāng)PVC膜超過承壓能力發(fā)生破裂，未燃燒的氣體就開始經(jīng)排氣口逸出[52]。隨著氣體燃燒膨脹，火焰繼續(xù)傳播，當(dāng)產(chǎn)氣速率大于排氣速率時超壓又一次開始增加，直至峰值超壓。當(dāng)產(chǎn)氣速率等于排氣速率時，最大峰值超壓出現(xiàn)[53]。隨后，伴隨周期性振蕩超壓逐漸下降。

從圖4可以看出，在不同位置的多孔材料作用下，超壓呈現(xiàn)出相似趨勢。只是當(dāng)多孔材料空間位置距點(diǎn)火端60cm時，因多孔材料作用于超壓減速階段，超壓變化會呈現(xiàn)不同規(guī)律。圖4(c)中t=42.50ms時，多孔網(wǎng)狀障礙物的阻礙會使爆炸波跨過后火焰表面積增大，內(nèi)部湍流增強(qiáng)，化學(xué)反應(yīng)和熱釋放率增加，進(jìn)而導(dǎo)致爆炸壓力再次增長，第3個超壓峰值出現(xiàn)。于是，為更好地評估燃爆場景的危害性，人們往往以最大危害情形進(jìn)行討論，故此本文以最大超壓峰值進(jìn)行危害度分析。

各工況下爆炸超壓峰值及其變化幅度，如圖5。從圖5可以看出，多孔材料對超壓有促進(jìn)和衰減雙重作用。多孔材料空間位置在管道前半部分時，多孔網(wǎng)狀障礙物激勵促進(jìn)作用起主導(dǎo)，峰值超壓最大可提升72.45%，且多孔材料位于50cm處的促進(jìn)效果優(yōu)于40cm處；而多孔材料位于管道后半部分時，多孔網(wǎng)狀材料阻擋、反射和衰減壓力波作用起主導(dǎo)，且75cm處的衰減效果優(yōu)于60cm處。SUN等[54]研究指出無障礙物作用時，金屬絲網(wǎng)對瓦斯爆炸峰值超壓衰減率可達(dá)50%，而本文因火焰?zhèn)鞑ヂ窂酱嬖诙嘟M障礙物加速，網(wǎng)狀材料對峰值超壓的最大衰減率僅達(dá)20.09%，故此可得，障礙物的存在可一定程度削弱多孔材料的抑爆效果。

圖5 各工況下超壓峰值及其變化幅度Fig.5 The peak value of the overpressure and its variation amplitude under various working conditions

2.3 綜合分析

各工況爆炸特性參數(shù)變化幅度，見表1。從表1可以看出，多孔材料安裝于距點(diǎn)火端40cm處時，火焰速度和超壓雖有不同程度提升，但升幅不大；而50cm處時，網(wǎng)狀障礙物的促爆效應(yīng)對火焰速度和超壓有大幅提升作用，爆炸危害顯著增加，實(shí)際燃爆場景中應(yīng)盡量避免此工況出現(xiàn)；60cm處時，峰值壓力和火焰淬熄耗時雖有所衰減，但降幅有限，而火焰速度卻提升較大，可達(dá)16.24%，故此可得，60cm處的多孔材料促進(jìn)效應(yīng)優(yōu)于抑制效應(yīng)；75cm處時，火焰速度和超壓有較大程度的衰減，且火焰被多孔材料有效淬熄，起到一定的抑制作用，但多孔材料作用時間較晚，無法盡早限制事故發(fā)展、隔離事故根源。綜合上述分析可得，將多孔材料置于距點(diǎn)火位置40cm處最佳，后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究改變多孔材料自身特性(厚度和孔隙度)對預(yù)混爆炸的影響。

表1 各工況爆炸特性參數(shù)變化幅度Tab.1 The variation range of explosion characteristic parameters under various working conditions

3 結(jié)論

(1)多孔材料與障礙物的間距顯著影響火焰加速效果。多孔網(wǎng)狀材料與障礙物間距過大和過小都不利于火焰渦對火焰?zhèn)鞑サ募钭饔?。多孔材料位?0cm處時，即多孔網(wǎng)狀材料與障礙物N3間距20cm，火焰渦的激勵作用最顯著，火焰加速傳播，最大速度可達(dá)72.80m/s。

(2)多孔材料對壓力波有促進(jìn)和衰減2種相反效果。多孔材料位于管道前半部分時，多孔網(wǎng)狀障礙物激勵促進(jìn)作用起主導(dǎo)，峰值超壓提升率最大可達(dá)72.45%；位于管道后半部分時，多孔網(wǎng)狀材料阻擋、反射和衰減壓力波作用起主導(dǎo)，峰值超壓衰減率最大可達(dá)20.09%。

(3)綜合分析火焰速度和瞬態(tài)壓力變化可得，將多孔材料置于距點(diǎn)火位置40cm處最佳，后續(xù)實(shí)驗(yàn)可進(jìn)一步探究改變多孔材料自身特性(厚度和孔隙度)對預(yù)混爆炸的影響。