乙醚云雾场燃爆参数实验研究*

王 悦,白春华

(1.新疆工程学院安全工程系,新疆 乌鲁木齐 830091;2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

乙醚云雾场燃爆参数实验研究*

王 悦1,白春华2

(1.新疆工程学院安全工程系,新疆 乌鲁木齐 830091;2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

基于自行研发的20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统，对乙醚液体燃料瞬态雾化云雾场的燃爆参数进行实验研究。通过调节气动压力、设计喷雾剂量，得到了粒径相同、质量浓度不同的乙醚云雾燃爆超压、温度及点火延迟时间等燃爆参数。结果表明，在索特平均直径为22.90 μm的条件下：乙醚云雾与空气混合物的燃爆下限为80.26 g/m3，燃爆上限为417.34 g/m3；最大超压峰值为0.78 MPa，其出现在云雾质量浓度为278.23 g/m3时；最大爆温峰值为1 260 ℃，其出现在云雾质量浓度为228.29 g/m3时；点火延迟时间在燃爆极限范围内呈U型分布。

爆炸力学;燃爆参数;气动压力;乙醚云雾;索特平均直径

近年来，对于云雾燃爆的实验研究主要集中在气-液两相混合物的起爆能量[1]、爆燃转爆轰及爆轰波结构[2-7]等方面。云雾燃爆涉及燃料的物化性能、液滴大小、云雾质量浓度、环境等多种影响因素，当前对密闭容器云雾等粒径条件下，不同质量浓度的云雾燃爆性能的研究还较少，尤其是乙醚云雾此方面的研究更少。乙醚自燃温度为160 ℃，闪点为-45 ℃，可在无火焰或火花的热表面环境下点燃。乙醚在气相状态下与空气混合的燃爆极限为(1.9～36.0)%(体积分数)。由于乙醚易于生产、成本低，同时具有高挥发、低闪点等特性，在军事、燃油替代等领域得到了广泛应用。本文中，通过自行研发的20 L二次脉冲气动多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统，对索特平均直径相同、质量浓度不同的乙醚云雾燃爆参数进行实验研究。

1 实验装置

1.1 概 述

图1(a) 20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统照片图
Fig.1(a) Photo of 20 L pulse pneumatic spray multiphaseexplosion test system

多相爆炸测试系统包括：20 L球型爆炸罐体、双喷头二次脉冲气动雾化子系统、100 J无级可调火花放电点火子系统[8]、高速数据采集处理存储子系统[9-10]、时序触发控制中心。如图1所示，20 L球型爆炸罐体内径为337 mm,罐体包括一对透明光学检测窗口。时序触发控制中心可同时控制气动雾化、点火、数据采集、全散射粒径测量等子系统按实验要求，不同时间精确触发，精度级别1 ms。全散射粒径测量系统光路通过罐体透明光学检测窗口，并穿过球罐中心；激光发射单元光学波长分别为447、543、638 nm，功率为50 mW。

图1(b) 20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统示意图
Fig.1(b) Schematic diagram of 20 L pulse pneumatic spray multiphase explosion test system

1.2 二次脉冲雾化系统

图2 气动雾化喷腔结构模型Fig.2 Structural model of pneumatic atomizing chamber

图3 二次脉冲气动雾化系统示意图Fig.3 Schematic diagram of secondary pulse-pneumatic jet atomization system

为实现瞬态大张角雾化效果，自行研制了双喷头二次脉冲气动雾化子系统。其组成包括：空气泵、电磁阀、高压气室、储液室、气液输送管段(内直径为20 mm)、球型腔体喷头(内直径为40mm，前半球表面上布置11 圈直径为1.0～1.5 mm的小孔119个)、多孔均布空心小球(小球直径为25 mm;开孔42个,孔径为3 mm)。气动雾化喷腔结构如图2所示。

由于在气液输送管段高速高压瞬态脉动喷射作用下，形成以环状流为主的流型结构，即气相在管道中心形成高速流动的气芯，液相以液膜形式沿管壁周围向前运动，如图3所示。在喷雾腔室加装均布带孔小球，上述流型进入气液参混扩散区后(喷雾腔室)，一部分气体进入小球形成高压气腔，并由小球前半部分小孔排出产生二次气动；另部分气体沿小球外部形成漩涡，加强气液掺混；最终由多孔小球排出的带压气体推动气液掺混区的液体沿喷头喷出,形成大张角圆锥体结构的悬浮云雾。

1.3 粒径测量系统

为实时测量云雾粒径及质量浓度，自行研发了全散射粒径测量系统，并同步使用实时喷雾激光粒度仪HELOS-VARIO进行了实验数据比较测试，结果见表1，表中n为测量次数。2套系统所测得特征直径D10、D50、D90和索特平均直径D32的误差分别为2.85%、4.65%、1.27%、0.24%。结果证明，研发的全散射粒径测量系统能够满足实验测量要求。

表1 2种测量系统的测量结果Table 1 Measured results by two measuring systems

2 实验过程

实验工况为：初始环境温度,21 ℃;喷雾时长,50 ms;点火时刻,100 ms;点火能量,40.32 J。首先,通过调节气动压力和设计喷雾剂量，在实验环境恒定的条件下进行等粒径、不同质量浓度的实验数据收集；然后，通过统计获得一组等粒径、不同质量浓度的实验数据，进行云雾燃爆参数测试实验，即同步触发气动喷雾、高速摄像机及点火系统；最后，记录燃爆超压、温度、点火延迟等实验数据。

3 结果与分析

3.1 粒径分布与质量浓度

索特平均直径为22.90 μm，由乙醚云雾不同质量浓度ρ数据统计结果(见表2)可知：(1)在喷雾时长50 ms作用下，400～800 kPa不同气动压力pp雾化过程完成后100 ms，罐体内部压力pv仅上升2～4 kPa,满足后期常压燃爆实验环境要求；(2)由实验测量发现，喷雾损耗剂量ml不可忽视，其占设计喷雾剂量md的15%～25%；(3)索特平均直径22.90 μm为不同质量浓度下实测粒径D32的平均值，其偏差小于5%。

表2 乙醚云雾质量浓度和粒径实验数据Table 2 Experimental data of particle size and mass concentration of diethyl ether mist

3.2 燃爆参数

在点火能为40.32 J、乙醚云雾索特平均直径为22.90 μm的条件下，由图4可知，乙醚云雾燃爆极限范围为80.26～417.34 g/m3。

乙醚气相燃爆极限浓度范围在1.9%～36%(体积分数)[11]。在本实验研究中，按标准状态气相换算云雾体积浓度为2.42%～12.60%(体积分数)。可见实验获得的云雾燃爆下限80.26 g/m3(2.42%)比文献中乙醚纯气相燃爆下限1.9%高；同时，云雾燃爆上限417.34 g/m3(12.60%)比文献中乙醚气相燃爆上限36%低，因此可以得出:(1)在乙醚云雾索特平均直径为22.90 μm的条件下，云雾浓度对乙醚云雾燃爆上、下限有较大影响；(2)燃爆上限的下降是由于随云雾液滴浓度的增大，液滴群吸热汽化并燃烧所需的能量逐渐增加，发生了淬火现象所致。

乙醚气相与空气混合(乙醚当量体积分数Cst≈3.39%)化学反应方程如下：

图4 不同质量浓度的乙醚云雾燃爆超压、温度变化趋势Fig.4 Peak overpressure and temperature of diethyl ether mistwith different mass concentrations

理论上，上述方程说明乙醚气相与空气混合燃爆超压峰值p的最大值应出现在乙醚当量体积分数为3.99%[12-13]的位置。而实验获得最大超压出现在乙醚云雾质量浓度为278.23 g/m3(6.89%(体积分数))时，这说明由于云雾液相颗粒群主要以扩散燃烧模式并促使了对应于最大燃爆超压的乙醚云雾质量浓度推迟来临。

气相可燃物与空气混合燃爆超压和温度θ变化趋势同步[14],但在本实验中，最大火焰扩散温度出现在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时；而最大燃爆超压出现在乙醚云雾质量浓度为278.23g/m3时；这表明乙醚云雾液相颗粒群蒸发扩散燃烧过程对温度、压力同步发生了影响，即最大燃爆温度对应的乙醚云雾质量浓度低于最大燃爆超压对应的乙醚云雾质量浓度。

3.3 点火延迟时间

对于云雾场燃爆通常由点火时刻到火焰传播发生，存在不同的点火延迟时间ti,d，如图5所示云雾点火超压过程示意图。这是由于:(1)放电火花点火过程发生的放热过程及液滴群吸热过程存在一定的时间；(2)不同物化性能的云雾也是影响点火延迟时间的重要因素；(3)对于不同浓度的云雾场，点火延迟时长也不尽相同。通过高速摄像机以10 000 fps的速度拍摄不同乙醚云雾点火延迟时间及火焰发展过程，如图6所示，由不同质量浓度下点火延迟时间及趋势可知，在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时其点火延迟时长最短，约为15 ms；最长点火延迟时长26 ms发生在乙醚云雾燃爆上限417.34 g/m3。乙醚云雾与空气混合点火延迟时长在燃爆极限范围内呈U型分布。

图5 云雾点火超压过程示意图Fig.5 Diagrammatic overpressure processon ignition of the mist

图6 不同质量浓度的乙醚液雾的点火延迟时间Fig.6 Ignition delay time of diethyl ether mist with different mass concentrations

如图7所示，实验观测得到火焰由球罐下半部向整个罐体传播，分析可得：(1)在雾化完成后，液滴的沉降效应导致球罐下半部浓度随时间而升高；(2)双喷头二次脉冲气动雾化方法，减缓了气动对罐体内部湍流强度，从而使湍流效应弱于液滴群沉降效应。

图7 质量浓度为278.23 g/m3的乙醚云雾点火及火焰传播过程Fig.7 Ignition and flame propagation process of diethyl ether mist with the mass concentration of 278.23 g/m3

4 结 论

建立了20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统，通过不同气动压力与设计喷雾剂量的协调，获得了乙醚云雾在索特平均直径为22.90μm的条件下不同质量浓度实验数据，并在点火能为40.32 J、常温常压条件下进行了燃爆超压、温度及点火延迟时间等燃爆参数的实验研究，得到结论如下：

(1)乙醚云雾与空气混合物燃爆质量浓度极限范围为80.26～417.34 g/m3。

(2)乙醚云雾与空气混合物燃爆最大超压0.78 MPa,出现在乙醚云雾质量浓度为278.34 g/m3时。乙醚云雾燃爆最大温度1 260 ℃，出现在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时。

(3)乙醚云雾与空气混合物点火延迟时长在燃爆极限范围内呈U型分布，最短点火延迟时长15 ms发生在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时；最长点火延迟时长26 ms发生在乙醚云雾燃爆质量浓度上限417.34 g/m3时。

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(责任编辑 张凌云)

Experimental research on explosion parameters of diethyl ether mist

Wang Yue1, Bai Chunhua2

(1.DepartmentofSafetyEngineering,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi830091,Xinjiang,China；2.StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

The Mei extinction detection system and the self-developed 20 L pulse pneumatic spray multiphase explosion test system were applied to experimentally investigate the explosion parameters of the diethyl ether mist/air mixtures. By regulating pneumatic pressure and designing spray dose, the explosion parameters of the diethyl ether mist/air mixtures with the same particle size and different mass concentrations were obtained including explosion overpressure, explosion temperature and ignition delay time. The results show that when the Sauter mean diameter of diethyl ether mist is 22.90 μm, the lower explosion limit of diethyl ether mist/air mixtures is 80.261 g/m3, the upper explosion limit is 417.34 g/m3, the highest peak overpressure is 0.78 MPa which occurs with the mass concentration as 278.23 g/m3, the highest peak temperature is 1 260 ℃ which occurs with the mass concentration as 228.29 g/m3, and the ignition delay time takes on a U-shaped distribution in the explosion limit range.

mechanics of explosion; explosion parameter; pneumatic pressure; diethyl ether mist; Sauter mean diameter

10.11883/1001-1455(2016)04-0497-06

2014-11-18；

2015-02-06

国家自然科学基金项目(11372044)

王 悦(1975— )，女，博士,讲师，726572905@qq.com。

O381国标学科代码：13035

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