气体非均匀燃爆实验装置的研制及其教学应用

张 苏，王金贵，郭 进，施永乾

（福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350116）

甲烷是天然气的主要成分，也是化学工业中的重要原料，其在密闭空间中的泄漏有引起爆炸的危险。当甲烷意外泄漏时，通常先在局部聚集，然后逐渐扩散到整个密闭空间，由于在扩散期间甲烷在空气中并非均匀分布，而是存在浓度梯度，此时若出现点火源则有可能发生爆炸[1-4]。掌握甲烷泄漏过程中浓度梯度演化规律及该条件下的燃爆（燃烧与爆炸）特性（包括火焰行为和压力积累等），并设计合适的保护和缓解措施具有重要现实意义。

前述内容是安全工程专业本科课程“燃烧学”中的重要知识点，也是师生普遍反映的“教”与“学”的难点[5-6]。由于在课堂教学中缺乏对气体扩散分层、预混火焰、扩散火焰、对流火焰和郁金香火焰等现象的直观展示方法，使得在该知识点教学中长期存在不足；同时受限于课时、经费及设备不足等问题，对于此知识点单独设置实验课也存在困难。因此，如何在现有条件下，提高“燃烧学”课程的课堂教学质量，一直是相关专业教师长期探索的问题[6-10]。在“科教并重，全面育人”的要求下，大学既要积极推进科研，还应将科研成果以案例形式融入课堂教学，更好地向学生传授新知识、新技能[11-12]。高校教师将科研成果转化为教学案例不仅可以丰富教学内容，而且可以充分发挥教师科研对教学的促进作用，提高学生创新思维与创新能力，更好地满足高校培养全面发展高素质创新人才的需要。

本文通过构建甲烷泄漏非均匀分布及燃爆特性本科教学实验装置，将甲烷泄漏过程中的浓度梯度变化规律、在不同浓度梯度下甲烷燃爆火焰演化及超压特征等内容融入课程教学中，旨在提升安全工程专业“燃烧学”课程中的气体非均相燃爆相关知识点的教学效果。

1 实验装置及流程设计

1.1 实验装置的设计

为了帮助学生理解“燃烧学”中气体非均匀燃爆（燃烧与爆炸）的相关抽象知识点，设计了可燃气体泄漏扩散过程中非均匀分布及燃爆特性实验系统。如图1 所示，实验系统为一个封闭的矩形管道，总长度为2 m（由两节各1 m 组成），横截面积为0.3 m×0.3 m；每节矩形管道侧面中心位置均有一个0.75 m（长度）×0.30 m（宽度）的观察窗，该窗口用透明亚力克板封堵，实验过程中可使用高速摄像机记录燃爆火焰的演化过程。点火电极位于距离管道左侧盲板175 mm 处的中心位置，单次点火能量约为1 J。在管道的右侧盲板上等间距布置有5 个氧气传感器（OS1—OS5），安装点距离管道底部分别为25、87.5、150、212.5 和275 mm。在距点火电极 1325 mm 处安装了测量范围为-100～+1 000 kPa（PS）的压阻压力传感器，以测量内部超压，并使用数据采集系统记录其产生的信号。

图1 实验舱及其测试系统示意图

1.2 实验流程

本实验装置可用于“燃烧学”课程中的可燃气体分层特征和气体燃爆特性等科研类教学案例。

（1）对于可燃气体泄漏时的分层特征测试，首先利用真空泵将90 L 的配气室抽成真空，再将甲烷填充至所需压力。然后打开电磁阀，配气室的甲烷气体将通过管道上端的36 个各自带有12 个孔（孔径0.8 mm）的喷嘴（如图 2(a)所示）缓慢水平进入管道中，进气时间持续30 s。在进气过程中，打开管道底部的两个球阀，管道内原有的部分空气将被上方甲烷从底部挤替出；在配气完成后，同时关闭电磁阀和球阀。利用5 个氧气传感器OS1—OS5 测量（采样率为1 Hz）管道不同高度处的氧气浓度，计算甲烷浓度的空间分布。在每组实验进行前，均需使用干燥空气彻底清洁管道。

图2 甲烷注入及扩散示意图

（2）在分层甲烷-空气混合物燃爆特性测试中，通过控制点火延迟时间tig设置甲烷气体不同的扩散时间，如图 2(b)所示，以得到不同浓度分层空间分布下的实验工况。实验中，点火单元、高速摄像机和数据采集系统由信号同步发生器同时触发。

2 实验结果及其教学应用

为了让学生直观理解可燃气体在泄漏初期存在的分层分布特征，以及在该条件下发生气体燃爆时伴随的火焰演化及爆炸压力等知识点，可以利用前述实验的结果为“燃烧学”课程的相关知识点提供科研教学案例支持。

2.1 甲烷浓度分层规律

甲烷气体扩散速度较慢，其在泄漏初期在泄漏点周边存在浓度梯度，而在非均匀情况下发生的燃爆特性与均匀预混燃爆有较大不同，让学生直观理解甲烷气体在泄漏初期的分层现象对于其掌握后续知识点具有重要意义。在1.2 中所述的案例（1）中，假设管道中仅有空气和甲烷，则根据道尔顿分压定律可根据氧气浓度确定甲烷浓度的空间分布为 CCH4=(1-CO2/20.9%)×100%，其中 CCH4和 CO2分别是甲烷和氧气的体积浓度，20.9%是干燥空气中氧气的体积分数。

图3 为管道内不同高度位置的甲烷浓度分布随扩散时间的变化规律。结果显示，在不同管道高度位置的甲烷浓度时程分布特征有较大差异。甲烷-空气混合物的爆炸下限（LFL）和爆炸上限（UFL）分别假定为5%和15%，则在H=212.5 mm 和275 mm 的管道上部，甲烷浓度首先快速增加进入爆炸极限浓度范围，然后超过爆炸上限，再达到最大值，随后逐渐降低并再次进入爆炸极限浓度范围。在H=25 mm 和87.5 mm的管道下部，甲烷注入后的25 min 内，甲烷浓度几乎单调增加，最终达到10%的平均体积分数。管道中部位置（H=150 mm）的甲烷浓度值先较快增加，然后稳定在10%的平均体积分数上。在本装置尺寸条件下，管道内甲烷经过25 min 后才基本均匀。

2.2 甲烷分层燃爆火焰特性

在不同的浓度分层分布条件下，甲烷的燃爆特性也存在较大差异。图4 为不同tig下点火26 ms 后的火焰图像。当tig≥15 min 时，由于较低的横向浓度梯度，火球的直径几乎相同且具有相对光滑表面的，如图4(a)、(b)所示。当tig＜8 min 时，火球以稍低的速度膨胀，如图4(c)所示。当tig减小至6 min 和4 min 时，火球膨胀速度明显变慢，如图4(d)、(e)所示。结合2.1中的甲烷浓度分层规律，火焰气泡尺寸的减小与点火时电极周围极大的浓度梯度密切相关。实验发现，当tig≤3 min 时无法点燃分层的甲烷-空气混合物。

图3 不同高度位置甲烷浓度随时间的变化规律

图4 不同tig 下点火26 ms 时的火焰图像

对比图 5（tig为 25 min）和图 6（tig为 4 min）发现，随着火焰的进一步演化，不同浓度梯度下火焰演化的速度及结构特征均存在较大差异。在图5 中可以明显观察到郁金香火焰（图5(c)、(d)），而在图6 中未发现此类火焰，但却观察到中间扩散火焰和尾随对流火焰。如图6 所示，在火焰的早期传播过程中，仅观察到蓝色的预混火焰，该火焰穿过狭窄的可燃层；由于高浓度甲烷-空气混合物与含有过量氧气的高温产物之间的相互扩散，一些平滑的黄色扩散火焰首先出现在管道的上部，如图 6(a)所示。在浮力和相对速度变化的影响下，光滑的黄色扩散火焰随着向下移动而变得卷曲、絮凝和明亮，最终形成了对流火焰，如图6(b)、(c)所示。

2.3 甲烷分层燃爆超压

图7 为不同浓度梯度下甲烷的燃爆超压时程曲线。由图可见，在tig为6 min 时，达到相同的超压（如50 kPa 和150 kPa）所需的时间、距离明显大于tig为10 min 时。因为当tig较小时，甲烷在管道内具有更大的浓度梯度，从而使处于爆炸极限浓度范围内的甲烷-空气混合物较少，所以火焰必须行进更大的水平距离才能产生与更大tig所获得的相同的热量。实验发现，当4 min≤tig≤15 min 时，最大超压值随tig的增加而快速增大；当tig＞15 min 后，tig的增加对最大超压值的影响较小，因为此时甲烷在容器内已基本均匀。

图5 tig 为25 min 时的火焰演化图像

图6 tig 为4 min 时的火焰演化图像

3 结语

将科研实验应用于课堂教学案例，不但能丰富和形象化相关知识点，很好地发挥科研工作对本科教学的促进作用，而且有利于提升学生的创新思维和能力，符合培养高素质创新人才的需要。对于“燃烧学”课程，通过由科研成果转化而来的案例，可以使学生更好地理解可燃气体在泄漏初期时的分层分布特征，以及在该工况下发生气体燃爆时伴随的火焰演化及爆炸压力等知识点，将理论知识与实际现象相结合，达到理论联系实际的教学效果。科研案例还能够激发学生兴趣、拓宽学生视野，实现以“学”为“用”的教学目标。通过对比课程考核结果，应用本科研案例后学生对相关知识点的掌握程度明显提升，而且形成了较完整的利用“燃烧学”理论解决实际问题的思路，锻炼了科研思维，提升了科研能力。