中尺度激波管甲烷燃烧现象研究

王帆

（华北科技学院 安全工程学院，河北 廊坊065000）

1 概述

矿井瓦斯爆炸事故是矿井生产过程中最为严重的事故类型之一。瓦斯爆炸引起的高温火焰和高速冲击波对作业面工作人员及矿用生产设备都有严重的损害。认清矿井瓦斯爆炸这类受限空间内瓦斯爆炸的规律对进行矿井瓦斯爆炸防治有重要意义。

煤科院重庆分院建造了多种大尺度激波爆轰管用于对可燃气体及粉尘的爆炸实验。梁运涛、王连聪[3]等人利用CHEMKIN 4.1 软件中的NormalIncident Shock 反应器结合数值分析及数学物理学方程推导方式建立了激波诱导瓦斯爆炸反应动力学计算模型。林伯泉、景国勋[1]等对瓦斯爆燃产生的火焰波和压力波传播机理进行了研究，根据爆炸巷道的几何特性对爆炸传播的影响做出了实验研究。史晓亮[4]等人对中尺度管道内压力火焰传播特性进行了初步研究。徐景德[2]等人对强火源条件下瓦斯点火化学热力学特征进行了研究。

数值模拟方法具有参考性但不具有确定性。真实矿井条件下进行瓦斯爆炸模拟实验无法保证气密性，以至于实验结果也比较粗糙，采用激波管对矿井瓦斯爆炸模拟是一种有效可靠的实验方法。中尺度激波管内压力火焰传播规律已经有了一定的研究基础，但是对压力火焰传播仅是在单独一个平面内进行研究，认识具有局限性，结合光学流场测量可以完整准确地描述出甲烷燃烧爆炸现象并对找出影响因素有更直观的帮助。

2 实验设备及方法

实验采用华北科技学院瓦斯爆炸实验室（200mm×200mm）方形中尺度激波管进行实验，结合充配气系统，压力、火焰传感器及其数据采集系统，电点火系统和光学流场显示系统及同步控制系统对甲烷预混气体进行试验。

实验采用的压力传感器为M111A22 型PCB 公司生产的传感器。数据采集系统采为东华数采系统：配备采样频率为20Hz的16 通道数采通道和DHDAS 动态信号测试分析系统。将压电传感器的数据线分别连接到动态信号测试分析系统相应的通道上，测试系统的输出端连接到计算机，计算机中安装东华DHDAS 动态信号采集分析系统软件，将采集到的信号采集压电传感器的数据，绘制压力图线，计算压缩波速度和压力数值。

超高速相机通过高频采样进行瞬态捕捉，其中实验所选用的超高速相机是日产的高速相机，设备可以进行每秒1 万帧幅的拍摄，完全可以满足实验需求。

实验使用的光学系统是布置在光学平台上的纹影系统，通过扩束和两次凹球反射镜的反射，可以获得一束质量较好，分布均匀的平行光，532nm 激光，激光器的能量为6w。

3 实验步骤

检查气密性气密性检查采用正压检漏：打开主操作台开关；打开主操作台管体、空压机、压力表的旋钮；打开副操作台；打开主操作台压力表的开关；打开空压机开关，并观察主操作台压力表的读数；当主操作台压力表的读数达到所需压力值PA 时，将空压的旋钮关闭，并且将空压机开关关闭；观察主操作台压力表读数是否发生变化，如果发生变化，说明漏气，用泡沫水对各连接处进行漏气检测。当主操作台压力表读数在一段时间不发生变化时，证明此时气密性完好。

检查气密性后对中尺管进行抽真空操作。将真空泵电闸合上，并打开真空泵红色电源按钮；将真空泵的闸门打开，然后按下真空泵红色电源按钮下方的开按钮，开始抽真空，并观察真空泵上的简易压力表；当简易压力表读数接近一个大气压（0.101325MP）时，注意观察主操作台上压力表的读数；当主操作台压力表读数小于一个大气压时，迅速将压力表的旋钮关闭；打开真空计的旋钮，并将真空计的开关打开，注意观察真空计的读数；当真空计读数不再变化时，将真空计的读数P1 记录下；按下真空泵红色的关按钮，将真空泵电源断开。

进行抽真空操作后开始对系统充入预混气体，实验采用体积分数9.5%的甲烷预混气体。打开储气罐的阀门，再打开主操作台的储气罐旋钮；注意观察真空计的读数，当真空计的读数接近一个大气压时，将主操作台真空计旋钮关闭，观察真空泵上的简易压力表，当压力表读数大于一个大气压时，再旋开主操作台压力表的旋钮，观察主操作台压力表的读数；当主操作台压力表的读数达到预定充气气压时，迅速将主操作台的储气罐旋钮关闭；并且将主副操作台的所有旋钮关闭，关闭主操作台压力表的开关；将储气罐的阀门关闭。

对照编号连接传感器和动态信号测试分析系统，试运行动态信号测试分析系统，确认传感器和测试分析系统正常运行，若不能正常运行，更换传感器、连接线或实验通道。

将激光器布置在光学实验台上。打开激光器发射直径为3mm 的激光通过扩束镜后获得直径30mm 的激光，调节高度和角度，使激光器通过扩束镜后产生一束252mm 的平行光线并使平行光线照射到第一面凹球反射镜上。

打开高速相机，在第二面凹球反射镜和实验段间靠近实验段观察窗位置处点燃蜡烛。使蜡烛的火焰处在光束的照射范围内。调整高速相机的位置使高速相机可以拍到光束照射蜡烛后产生的阴影。调整高速相机的光圈大小和拍摄频率，使蜡烛火焰阴影显示清楚。

设置拍摄同步控制。实验室使用的相机为CCD 相机，CCD相机可以使用TTL 信号控制。实验室可以采用八通道延时控制器，可以设置当第一道激波通过第一个压力或火焰传感器后开始。

调整点火系统使其正常工作，实验使用5.475J 能量作为点火源，测试点火时间，调整同步控制系统，开始实验。

4 实验数据分析

实验开始，高压电点火后，将会在点火尖端产生一道激波，激波将沿着管道进行传播，最终达到泄爆仓。火焰在管道传播过程中，分别将通过布置在管道壁面上的压力、火焰传感器。实验中，火焰在35 米的管道中传播了接近两秒钟。在激波的加速作用下，火焰的传播逐渐剧烈。

通过相邻两个传感器捕捉到信号的时间差可以测出火焰传播速度，可得知火焰在一开始进行加速，这是由于产生激波的作用，对火焰面起来推进作用，其速度已经达到了40m/s,之后火焰开始不停的加速减速，这是由于激波速度远大于火焰，当激波在管道内壁发生碰撞，产生了复杂的稀疏波，对火焰产生了复杂的相互作用。最终使火焰维持在一个稳定的速度向前传播。火焰传播过程中整体是遵循能量守恒定律的。

4.1 质量守恒

质量守恒方程简化为：

4.2 动量守恒

4.3 能量守恒

4.4 组分守恒

火焰在传播过程中可以看出，当第一道波到达管道末端时仅仅用了140ms，此时火焰还远没有到达，假设激波在管道中以一个平面进行传播，所以当激波接触到泄爆仓前的盲板时，应该会产生一道平行的反射波，从而对火焰进行减速。但是实际情况中的巷道情况往往是复杂的，这就导致了在末端测电处捕捉到的波系也很混乱。此时最大压力达到了350kpa，这样的压力可以造成强烈的破坏。

通过测量光信号可以得知，随着火焰的传播，光信号逐渐变强，在传播过程，光信号加强但压力信号逐渐下降，并在最后达到一个较为稳定的数值，在此变化过程中存在四个过程。

当第一道激波到达时，由于理论上可以认为冲击波是保持一个驻面进行移动，激波对波前气体产生了挤压和加速作用，压力达到首个峰值；

当冲击波过后，气体被压缩，会导致波后气体压力降低，当激波离开此区域，其他区域的气体会进行回填，此时压力信号会显示一段负值；

当火焰接近时，火焰的高温会使气体产生膨胀，此时气体再次压力升高，波阵面也会发生扭曲；

当火焰阵面到达时，由于火焰的加速推动作用，气体的压力会产生突跃，压力可以达到第二个峰值点。点火后第一道波通过观察窗，根据拍摄帧频对波速进行测量，波速测量结果与压力传感器测量结果相同，实验结果有效。

5 结论

5.1 实验详细地按照了激波管爆炸实验步骤进行，经过验证各项实验实验数据有效，通过实验可以清楚的了解激波管内压力火焰传播规律，光学流场也捕捉到了火焰前激波的发展方式，为以后对甲烷气体爆炸抑制实验打下了基础。

5.2 甲烷气体爆炸过程中，第一道波后是稀疏波区域，波后是火区，但由于冲击波火焰作用愿意，波后质点得到了加速，赶上了第一道波后就会发生爆轰。

5.3 实验中没有达到爆轰，因为管道长度限制不足以让第一道波后稀疏波加速追上第一道波，下一步实验为达到爆轰可以增加加膜段使波得到加速。在瓦斯爆炸事故中，并非所有事故都达到了爆轰这一量级，所以实验仍然具有参考意义。

5.4 实验使用的是中尺度管道，相比于小尺度管道，波速明显下降，这是因为大尺度管道边界约束较低，小尺度管道约束较高，通过触壁使波速得到了增加。