管道内瓦斯爆炸火焰传播压力与温度特性

王秋红，王二飞，陈晓坤，蒋军成，张明广

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安，710054；2.南京工业大学安全科学与工程学院，江苏南京，210009)

矿井瓦斯爆炸事故是煤矿生产最严重的灾害之一，伤亡人数众多，设备破坏严重，经济损失严重[1-3]。研究瓦斯爆炸特性可对煤矿安全生产和防爆控爆提供依据。国内外专家学者对于瓦斯爆炸特性及其规律进行了诸多实验研究。GIERAS等[4]采用40 dm3爆炸罐研究了甲烷爆炸实验，得出初始温度升高，甲烷/空气混合物的爆炸压力降低，爆炸极限增加。ZHU等[5]利用平行长管道进行了预混甲烷/空气爆炸实验，发现爆炸超压在2 个相等长度的分支管道中相接近，在交汇点处爆炸超压明显增强，在2 个长度不等的分支管道中传播时，当火焰相遇时超压峰值更高。HISKEN 等[6]在管道中进行了丙烷气体爆炸实验，并与FLACS 数值模拟结果相比较，发现在标准FLACS 燃烧速度模型中，当量比小于1.4时模拟的最大超压与实验值相类似；当量比大于1.4时模拟最大超压值远小于实验值，加入Markstein 模型后超压值与实验值相对误差在±10%以内。SALZANO 等[7]在5 L 的封闭容器中进行氢气与甲烷在空气中的混合爆炸实验研究，发现氢气与甲烷在空气中的配比爆炸过程中，氢气含量对最大压力、最大压力上升速率和燃烧速度有显著的影响。MITTAL[8]对比了甲烷空气混合气体在20 L球形、27 L立方体、0.8 m3矩形管道和25.6 m3球形装置中的爆炸结果，得到了在一定范围内，爆燃指数随着试验容器尺寸的增加而增加。李润之等[9-11]在20 L近球形中研究了瓦斯爆炸最大爆炸压力、最大压力上升速率等特征参数。尉存娟等[12-13]利用水平管道研究了不同体积分数甲烷爆炸最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率，其中蔚存娟等[12]采用内径为140 mm、长度为3.1 m的水平管道，张迎新等[13]采用爆炸管内径×长度为300 mm×1 500 mm 的水平管道。牛芳等[14]用10 m3圆角圆柱体爆炸罐进行甲烷/空气预混气的爆炸实验，分析了爆炸罐中压力的成长过程及火焰传播特性。陈东梁等[15]利用高速纹影技术对密闭管道(长×宽×高为500 mm×80 mm×80 mm)内的甲烷/空气预混气体火焰传播特征进行了研究，分析了火焰阵面由向未燃区弯曲到已燃区弯曲转折，由层流燃烧向湍流燃烧转变并形成“Tulip”火焰的过程。李鹏等[16]用瓦斯管网(长度为2 m、直径为159 mm抗爆管道)分析了体积分数对瓦斯爆炸的温度峰值和压力峰值的影响及温度峰值和压力峰值随管道距离的变化规律(采用C2-1-K 型温度传感器测量温度)。综上分析，研究瓦斯爆炸的实验装置大多为球形或管道型，研究内容多数集中在爆炸压力方面。因探测爆炸瞬间火焰温度对温度传感器快速响应时间有极高的要求，研究瓦斯爆炸火焰温度方面非常少，李鹏等[16]采用C2-1-K型温度传感器测量的瓦斯爆炸火焰温度也偏低。本文作者采用高频压力传感器和直径为25µm的R型微细热电偶探测瓦斯爆炸瞬间过程的压力和温度变化规律，并且结合高速摄像仪采集的火焰传播瞬态图像进行分析，综合得到管道中瓦斯爆炸火焰传播压力与温度特性。

1 实验

1.1 实验系统组成

实验系统由电磁阀、爆炸管道、同步控制器、高压脉冲发生器、数据采集仪、高速摄像仪和计算机等组成。爆炸管道是1 个长方体容器，内部长×宽×高为80 mm×80 mm×600 mm，如图1所示。为了便于观测爆炸过程，管道的2个侧面分别是厚度为20 mm 的不锈钢板，在不锈钢板的一侧距离管道底部550 mm 处有直径为40 mm 的圆形泄爆口，其余2 个侧面分别是厚度为10 mm 石英玻璃。在距离管道底部上面250 mm 和400 mm 处分别装有微细热电偶，热电偶采用直径为25 µm 的Pt/Rh13-Pt丝制作。在装有热电偶一侧并且距离管道顶部60 mm 处装有压力传感器(输出电压为0～5 V，输入电压为24 V，量程为0～2 MPa)。点火电极为2 根直径为0.4 mm 的钨丝，其间距为2 mm，点火电极距离燃烧管道底部50 mm。同步控制器可以对电磁阀、高压脉冲发生器、数据采集仪和高速摄像仪精确控制。

图1 实验系统图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 实验过程与参数设置

实验过程：用真空泵抽取配气罐里的气体，真空度抽至为0.05 MPa，根据分压配比法向配气罐充入所需瓦斯量，然后用压缩机向配气罐打入空气使瓦斯/空气混合气体压力达到0.1 MPa，配气罐内气体进入爆炸管道后，刚好使真空度为0.09 MPa 的爆炸管道内达到常压。启动触发开关，电磁阀、高压脉冲发生器、数据采集仪、高速摄像仪依次被触发，点火电极引燃瓦斯燃烧，实现爆炸过程。单组实验结束后，对燃烧产物进行排放并记录保存数据，准备下一组实验。

参数设置：数据采集仪设置采集时间为1 s，采样速度设置为10µs/采集一个数据点。高速摄像仪的拍摄速率为2 000 帧/s，高速摄像仪分辨率为1 280×800，曝光时间为30µs。泄爆膜为4 层油面纸、2层复印纸叠加制作，总厚度为0.3 mm，经过反复实验，此种安装方式可使爆炸管道内真空度达到0.09 MPa。高压脉冲发生器采用电容储能放电原理，通过交流电对电容充电，电容放电后，按1:50 的变压器升压，最后由电极放电点火，电极放电时的点火能可用公式E=CU2计算得到。实验中所用电容C为200µF，电压U为600 V，点火能E为36 J。

2 实验结果与分析

2.1 管道内瓦斯爆炸压力分析

对体积分数为6%，7%，8%，9%，10%，11%，12%和13%的瓦斯可燃气爆炸压力进行分析，爆炸压力随时间的变化如图2所示。在点火发生后，压力不是迅速上升，而是有一段极短的感应时间，这段时间就是瓦斯爆炸点火延迟时间(即爆炸缓慢氧化阶段)。从图2可知：不同体积分数的瓦斯爆炸感应时间不同，文献[9-10]中也反映了这一点。爆炸管道内不同体积分数的瓦斯爆炸时，压力上升时间、上升速率与最大爆炸压力pmax均不同。当瓦斯体积分数为6%和7%时，压力上升较缓慢，到达最大爆炸压力的时间tmax较长；当瓦斯体积分数为8%～13%时则相反。这也表明在有限爆炸空间中，并不是瓦斯体积分数越大，产生的爆炸压力就越大，每个瓦斯体积分数都有对应1个最大压力的点，超过这个点压力就会减小。当瓦斯体积分数为10%时，爆炸压力上升速率最快。当瓦斯体积分数为6%和7%时，瓦斯爆炸产生的压力较小并且上升缓慢，未能击穿泄爆膜。由于能量积聚在管道内，燃烧反应又在密闭的受限空间内进行，只能通过管壁和泄爆膜的冷却效应和熄火作用来消耗能量，所以，压力下降到外界环境压力需要较长时间。

压力的这种变化是因为电极点火后，电极周围的瓦斯气体燃烧，压力波面迅速向外扩张，由于受到管壁的限制，火焰横向传播受阻，纵向传播愈明显，产生大量的高温高压气体，受到管壁的摩擦作用，冲击波的相互挤压和叠加，导致火焰加速，超压增强，并且沿着管道方向传播，直到击穿泄爆膜，压力恢复到与外界环境压力平衡状态。当瓦斯体积分数达到10%时，与空气的混合程度达到了最佳状态，并且可以完全燃烧。随着化学反应顺利进行，反应过程中能量不断积累，燃烧最为强烈，超压明显增强。当瓦斯体积分数较低时，过量的空气作为惰性气体阻碍了瓦斯与氧气分子的有效碰撞，不利于链式反应的进行，反应过程中积累的能量就越少；并且随着反应的进行，由于瓦斯气体变得比较稀薄，不能维持后续的反应，所以压力较低，达到最大值所用时间较长。当瓦斯体积分数过高时，混合气中的氧气体积分数减少，处于贫氧状态，在很短的时间内，氧气被消耗殆尽，燃烧反应所产生的能量和超压远低于体积分数为10%瓦斯下所产生的能量和超压。

图2 不同体积分数的瓦斯爆炸压力-时间曲线Fig.2 Explosion pressure-time curves of gas at different volume fractions

瓦斯爆炸对pmax、最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max和tmax的影响，如图3所示。

图3 不同体积分数对瓦斯爆炸pmax，(dp/dt)max和tmax的影响Fig.3 Effect of different volume fractions on pmax，(dp/dt)max and tmax of gas explosion

从图3可知：pmax与(dp/dt)max随瓦斯体积分数的增加先增大后减小，但tmax随瓦斯体积分数的增加先减小后增大；当瓦斯体积分数为10%时，pmax和(dp/dt)max均最大，分别为0.74 MPa 和11.059 MPa/s，tmax最短为0.323 s。

2.2 爆炸火焰温度分析

对体积分数为6%，7%，%，9%，10%，11%，12%和13%的瓦斯可燃气进行火焰温度分析。对于本实验1号热电偶和2号热电偶，分别测量管道下部和上部火焰的温度，由于热电偶的热惯性效应，温度的测量值与实际值之间有一定的误差，为了得到准确的温度，假设热电偶接点处对流换热量多与辐射传热量，实测的温度可以通过下列公式进行修正[17-19]：

式中：T为修正的热电偶接点处的温度；Tm为热电偶测量温度；τ为热电偶的时间常数；t为时间；ρ和cp分别为Pt/Rh13-Pt 金属的密度和比定压热容；Nu为努塞尔数；kf为热电偶周围气体的热传导系数；d为接点直径；在本实验条件下，Nu=2；

kf=0.081W/(m ⋅K)，ρ=2.14 × 104kg/m3，cp=159 J/(kg ⋅K)，d=50×10-6m，将参数代入式(2)得τ=8.75 ms，所以，修正公式变为

下文中所有热电偶测得的温度均用式(3)进行修正。在该实验状态下，微细热电偶的最高瞬态温度可到1 700°C 左右，当瓦斯体积分数为10%，11%和12%时，2号热电偶测量的温度超出了这个界限，故未给出温度峰值。

以瓦斯体积分数为8%和10%为例，说明热电偶测得的温度随时间变化特征，如图4所示。

从图4可知：温度测量值与修正值随时间动态变化，1号和2号热电偶对温度的响应速率都很快，2 号热电偶测得的温度比1 号热电偶的高，说明管道上部燃烧比下部剧烈。从图4(a)与4(b)可知：瓦斯体积分数为10%时比8%时对温度的响应时间要早，并且对于同一位置热电偶测得的温度，瓦斯体积分数为10%时比8%时的高。

不同瓦斯体积分数爆炸火焰温度随时间动态变化曲线如图5所示。

从图5可知：不同瓦斯体积分数的爆炸火焰温度随时间的推移先增大后减小；当瓦斯体积分数为10%时，1号和2号热电偶对火焰温度的上升速率最快；当瓦斯体积分数为6%时，火焰温度的上升速率最慢。在2 号热电偶处，瓦斯体积分数为10%，11%和12%时的温度曲线顶部出现异常，这是因为在这3个瓦斯体积分数下测得温度峰值超出了热电偶的测量范围，故对应的修正温度曲线也未获得修正值。在1号热电偶处测得的瓦斯体积分数为10%时，火焰温度修正峰值为1 704.26 °C；当瓦斯体积分数为6%时，火焰温度修正峰值为653.96°C，其他体积分数下的温度峰值均在这2个温度之间。

图4 火焰传播过程中热电偶温度测量曲线(实线)与温度修正曲线(虚线)Fig.4 Temperature measuring curves(solid lines)and temperature correction(dotted lines)by thermocouples during flame propagation process

图5 不同瓦斯体积分数对瓦斯爆炸火焰温度的影响Fig.5 Effect of different gas volume fractions on flame temperatures of gas explosion

1 号和2 号热电偶测得的火焰温度测量峰值与修正峰值如表1所示。

表1 热电偶测得的火焰温度峰值Table 1 Flame temperature peaks measured by thermocouples °C

温度变化特点如下：由于在密闭空间中，瓦斯爆炸产生的火焰在传播过程中，侧向扩展受到抑制，燃烧继续向上传播，形成两波三区结构，已燃区的火焰受到管壁的摩擦和剪切及压力波的反射作用，扰动火焰峰面，增加了与可燃气体的接触面积，未燃气体被点燃，温度急剧升高，直到泄爆膜被击穿，通过热辐射和热对流以及管壁的冷却效应，温度才缓慢降下来。从图5(a)可知：当瓦斯体积分数为10%时，温度上升速率最快，说明反应速率最快，单位时间内产生的热量越多。

当瓦斯体积分数为8%，10%和12%时，火焰传播情况如图6所示。

图6 不同瓦斯体积分数时的火焰传播图Fig.6 Images of flame propagation at different gas volume fractions

从图6可知：当瓦斯体积分数为8%时，产生的火焰比较暗，在点火的初始阶段，管道内的火焰开始向四周扩散，形成球形火焰，这段时间火焰自由膨胀不受限制，后续因管道壁面的限制呈指尖型向上传播，并且上升速度呈指数形式上升。当瓦斯体积分数为10%和12%时，在燃烧初期也出现相似的现象，之后火焰加速导致压力波产生，而且已燃区的气体产物不断膨胀，这将导致温度升高。火焰在上升到管道中后段时，速度明显减慢，火焰峰面发生了变形。由于火焰前方的压缩波越来越强，导致火焰速度减慢，形成向已燃区凹陷的形状，这种火焰被称为“Tulip”火焰[15,17,20]。当瓦斯体积分数为8%时，“Tulip”火焰出现的时间较晚，70～100 ms 仍处于“Tulip”火焰阶段，110 ms 时火焰峰面发生了变化。当瓦斯体积分数为12%时，“Tulip”火焰的形成不明显。当瓦斯体积分数为10%时，在40～60 ms 时有“Tulip”火焰峰面形成，而且形成时间比较早，70 ms时火焰峰面已经变形。在“Tulip”火焰之后，峰面开始发生变化，出现湍流燃烧现象[15]。根据火焰传播情况，可知火焰在1 号热电偶处还未充分发展，在2号热电偶处已经充分发展，大量高温气体产物存在于管道中，高温燃烧产物会在浮力作用下发生对流作用[17]，所以上部火焰温度高。

1 号和2 号热电偶温度修正峰值与瓦斯体积分数的关系如图7所示。进一步对1号位置的火焰温度修正峰值进行拟合，结果如图7(a)所示。所得出的拟合曲线方程式为

其中：X为瓦斯体积分数；Y为火焰温度峰值。

从图7可知：当瓦斯体积分数为6%～13%时，1号热电偶所测的温度峰值随着体积分数的增加先增加后减小。这些最高温度点的分布符合图7中的温度拟合曲线表达式，表达式呈4 次函数表达式，说明温度在瓦斯体积分数为10%时达到最高值。表1所示为不同体积分数瓦斯爆炸的温度测量峰值与修正峰值，这为瓦斯爆炸事故和瓦斯含量评估及防爆控爆提供了基础数据。

2.3 最大爆炸压力、火焰温度峰值与瓦斯体积分数的关系

瓦斯爆炸对最大爆炸压力、火焰温度峰值的影响如图8所示。

从图8可知：在该实验装置下，随着瓦斯体积分数的增加，火焰温度峰值与pmax有相同变化的趋势；当瓦斯体积分数为10%时，1号热电偶测得的火焰温度与管内爆炸压力都取得最大值。结合图6中体积分数为10%时的瓦斯火焰最亮，说明该状态下化学反应最剧烈。由于火焰在传播过程中，已燃区的高温导致未燃区的温度升高，瓦斯体积分数越接近10%，未然气体的点火延滞时间越缩短，新产生的压力波与前驱压力波不断叠加，导致超压骤然增强，温度急剧攀升。

图7 不同瓦斯体积分数对瓦斯爆炸火焰温度峰值的影响Fig.7 Effect of different gas volume fractions on flame temperature peaks of gas explosion

图8 不同体积分数的瓦斯对pmax和火焰温度峰值的影响Fig.8 Effect of different volume fractions on pmax and flame temperature peak of gas

3 结论

1)在瓦斯爆炸极限范围内，该管道内pmax随着瓦斯体积分数的增加先增大后减小；到达tmax时，随瓦斯体积分数增加，pmax先减小后增大。在该管道内体积分数为10%的瓦斯爆炸威力最大，pmax为0.74 MPa，(dp/dt)max为 11.059 MPa/s，tmax为0.323 s。

2)在瓦斯爆炸极限范围内，管道内火焰温度峰值随瓦斯体积分数的增加先增大后减小；2号热电偶测得的火焰温度高于1号测得的温度，说明管道上部燃烧反应比下部剧烈。1号热电偶测得的火焰温度符合4次函数表达式，且当瓦斯体积分数为10%时，火焰最明亮，火焰温度峰值最高，为1 704.26°C。

3)在该管道内瓦斯爆炸火焰传播过程中，火焰峰面初期发生变化，在短时间内由球形火焰峰面转变为指尖型火焰。瓦斯体积分数越接近10%，火焰传播过程中越易形成火焰峰面由未燃区向已燃区凹陷的“Tulip”火焰。

4) 在爆炸管道内，当瓦斯体积分数接近10%时，温度和压力都最大，爆炸越猛烈，破坏越强，偏离该浓度时，温度和压力都会降低。所以，在煤矿生产过程中一定要控制瓦斯体积分数，避免井下瓦斯爆炸的发生。