滑移多孔介质下甲烷爆炸特性研究

雷世林 温子阳 李泽欢 郑露露 段玉龙副教授

(1.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；2.油气生产安全与风险控制重庆市重点实验室，重庆 401331)

0 引言

以甲烷为主的可燃气体是中国乃至全世界的重要战略能源之一，甲烷燃爆将会造成环境破坏、巨额财产损失及人员伤亡[1]，为此国内外诸多学者开展对甲烷爆炸特性和抑爆技术的探索[2]。余明高等[3]和SAZAL Kundu等[4]对甲烷/空气混合气体火焰发展特性、爆燃和爆轰阶段以及从爆燃向爆轰的过渡进行详细概述；聂百胜等[5]基于SEM技术对泡沫陶瓷下瓦斯爆炸特性进行测试，得出最大超压衰减比例可达到50%；陈鹏等[6]的研究表明不同材质的多孔材料对爆炸压力均有一定的抑制作用；CHENG Fangming等[7]研究金属丝网对火焰的淬熄机理，并得出丝网层数越多或网格尺寸越大,火焰通过丝网后褶皱越明显；LU Yawei等[8]研究发现随着丝网数量和层数的增加,泄放火焰长度逐渐减小,容器内爆炸压力逐渐增大；段玉龙等[9-10]研究发现管内滑移挡板能够有效淬灭火焰且抑爆效果优于固定装置；SHAO Hao等[11]研究发现不同初始压力下泡沫金属对火焰和峰值压力的作用呈现出抑制和促进双重作用；HE Yunlong等[12]通过实验得出阻燃丝瓜海绵能完全阻止爆炸火焰蔓延,其爆炸超压衰减率可达84%；温小萍、余明高等[13-14]研究发现超细水雾和多孔材料的组合方式对瓦斯爆炸具有耦合抑制作用，超细水雾能够吸收反应区大量热能,降低反应速率与火焰传播速度，放置在管道中的多孔材料使得传播火焰淬熄，且添加的超细水雾可降低多孔材料上游的超压，两者的协同抑制优于单一作用效果；袁必和等[15]实验得出管内填充多孔聚丙烯复合材料后最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率都明显降低；DUAN Yulong等[16]基于自行设计的滑移实验平台，研究不同弹性系数下不同孔径的多孔介质在初始位置40cm(距点火位置)处的甲烷/空气预混气体爆炸特性，结果表明，滑动多孔介质的耦合作用对爆炸火焰和超压具有明显抑制,可有效降低火焰的传播速度和持续时间。

综上所述，多孔介质在抑爆领域已经被广泛应用，且主要用于研究火焰一次加速阶段，对多孔介质抑制爆炸火焰二次加速阶段的研究不够深入。因此本研究将探索多孔介质置于70cm处的动态滑移实验，通过延长甲烷爆炸火焰、冲击波压力与多孔介质的接触时间，以及滑移过程中对火焰的反向抑制时间，以此来阻隔、抑制火焰二次加速传播，衰减爆炸带来的冲击波和压力，研究结果将对抑爆技术的创新和发展提供有效参考。

1 实验平台及流程

实验装置由爆炸激波管、配气系统、数据采集系统、点火系统、压力采集系统、多孔介质和滑移轨道等组成，如图1。爆炸激波管长度为100cm，横截面为正方形，面积为100m2，最大耐压强度为2MPa；配气系统由质量流量计(量程为0～5L/min)、空气压缩机、高纯度甲烷气瓶、阀门及输气管组成；压力采集系统由高频压力传感器(-0.1～0.1MPa)、冲击测试仪、测试主机(型号NUXI-1004)等组成；点火系统由点火器、电源和高压脉冲转换装置组成；火焰数据采集系统由摄像机控制软件(Phantom Camera Control，PCC)、高速摄像机(Phantom V710L)组成，采样频率 2 000fps，曝光时间480μs，分辨率1 280×800像素；滑移轨道由机械弹簧(弹性线径分别为0.6和0.8mm)和圆柱形光滑钢棍组成；多孔介质孔隙度为60PPI和100PPI；管道尾部置有圆形泄爆口，采用PVC膜密封，同时为方便探查滑移多孔介质的运行轨迹，在多孔介质上安装耐高温LED灯。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

无装置条件下9.5%甲烷/空气预混气体爆炸火焰传播速度在0.4cm处达到第一次峰值，在70cm处第二次小幅度增加，随后出现第二次峰值[10]。因此本实验装置中滑移多孔介质的初始位置(距点火位置距离)为70cm，如图2。

图2 滑移多孔介质初始位置(距点火位置)Fig.2 The initial position of the sliding porous medium from the ignition position

管内初始压力与大气压相等为0.1Mpa，按照表1所设计的工况开展实验。为保证甲烷/空气充分均质预混，运用4倍体积法向激波管内通入气体8min，并在此过程中运用气体检测仪检测系统密封性以防止气体泄漏。触发点火系统时，火焰数据采集系统和压力采集系统同时被触发，从而采集到火焰和压力数据，每组实验重复进行3次以确保各组实验数据的精确性。

表1 实验工况Tab.1 Experimental conditions

2 实验结果分析

2.1 滑移装置下火焰特性分析

高速摄像机拍摄的不同工况下的滑移多孔介质下甲烷/空气爆炸火焰传播图，步长20ms，如图3。从图3可以看出，在整个火焰传播过程中，多孔介质滑移工况下的火焰前锋高度比无装置工况时的短，且火焰在无装置工况和滑移工况下均经历4个发育阶段，即球形—指形—平面形—郁金香形。

图3 不同工况下火焰结构发展变化Fig.3 Development and change of the flame structure under different working conditions

不同工况下火焰完全淬熄的时间分别为200、240、360、360、280ms，这是因为无装置工况下火焰自左向右传播过程中不受任何阻隔，传播至附有PVC膜的泄爆口附近时伴随着压力和冲击波快速释放，导致管内火焰淬灭时间较短；而滑移多孔介质工况中由于多孔介质密集孔隙作用，能将甲烷爆炸产生的火焰完全限制在多孔介质上游区域，阻隔火焰朝下游区域的继续传播，造成甲烷爆炸火焰在多孔介质处均发生贴壁扩散燃烧现象，因此较无装置工况下火焰发生淬灭的时间有所延长。滑移多孔介质能够延缓“郁金香形”火焰的出现时间，60ms时无装置工况下火焰前锋由“平面形”变为“郁金香形”，而滑移多孔介质工况下出现“郁金香形”火焰的时间均为80ms。其中工况一和工况二下“郁金香形”火焰传播至多孔介质表面的时间为80ms，工况三和工况四下“郁金香形”火焰传播至多孔介质表面的时间为100ms，表明当弹簧线径一定时，火焰传播至多孔介质表面的时间随着孔隙度的增加将逐渐增加。

根据火焰数据采集系统采集到的火焰图像，通过火焰发育尖端最大轴向距离随时间的变化，即采用公式(1)计算平均火焰传播速度v[17]：

v=L/(t2-t1)

(1)

式中：

L—火焰传播距离，m；

t2—火焰传播初始时间,ms；

t1—火焰传播截止时间,ms。

计算滑移装置距点火位置70cm工况下与无装置工况下的火焰传播速度，如图4。由图4可知，多孔介质在滑移条件下对火焰传播的抑制效果较好，滑移装置条件下的火焰传播速度均低于无装置条件。基于公式(1)计算各工况下的最大火焰传播速度，无装置工况下为16.61m/s，工况一到工况四下最大火焰传播速度分别为14.41、14.94、14.55、15.46m/s。对比无装置工况下最大火焰传播速度衰减比例分别为13.24%、10.05%、12.40%、6.92%。

图4 不同工况下的火焰传播速度Fig.4 Flame propagation speed under different working conditions

实验表明滑移多孔介质能够抑制火焰的传播，滑移装置下火焰速度峰值及较无装置工况时的火焰速度峰值衰减比例，见表2。由表2可得，较无装置工况下火焰传播速度峰值随着多孔介质的孔隙度和弹簧线径的增加均呈现递增趋势，不同的是滑移装置中弹簧线径对火焰速度衰减效果的影响程度是大于多孔介质孔隙度的。

表2 有滑移装置火焰速度峰值及较无装置工况速度峰值衰减比例对比表Tab.2 The comparison table between the flame speed peak value with sliding device and the attenuation ratio of the speed peak value under working condition without sliding device

2.2 滑移多孔介质下爆炸超压分析

不同工况下爆炸压力与时间的关系，如图5。从图5(a)、(b)可以看出滑移条件下管内上游、下游的爆炸压力均低于无装置工况，这是因为多孔介质的细小孔隙结构可以不断地吸收横波和纵波，且弹簧对多孔介质产生的反向推动作用将延长冲击波和压力与多孔介质的接触时间，此过程中冲击波也伴随着能量被吸收和消散，所以导致爆炸压力峰值一定幅度衰减。管内上游区域，无装置工况时的峰值压力为15.85kPa，其他工况下的爆炸压力分别为13.02、13.52、13.04、14.54kPa，较无装置工况分别下降17.85%、14.71%、17.73%、8.26%；管内下游区域，无装置工况下的峰值压力为18.11kPa，其他工况下的峰值压力分别为13.65、13.63、14.92、14.42kPa，较无装置分别下降24.63%、24.74%、17.61%、20.38%。

图5 不同工况下的爆炸压力Fig.5 Explosion pressure under different working conditions

峰值压力和峰值压力衰减比例关系，见表3。由表3可以看出，滑移装置均对管内上、下游区域的爆炸压力有抑制作用。通过横向对比，当弹簧线径一定时，管内上游峰值压力的上升速率均随着多孔介质孔隙度的增大而递增。这是由于多孔介质孔隙度的增大和多孔介质滑移产生的耦合作用，阻碍管内上游区域气体的流动，延长了冲击波和火焰到达泄爆口的时间，导致无法随着泄爆口及时泄放，压力进一步增大。通过纵向对比，多孔介质孔隙度一定时，上游峰值压力随弹簧线径的增大而逐渐增大，而下游的峰值压力将会逐渐降低。多孔介质滑移过程中对上游甲烷爆炸火焰和冲击波的传播的阻隔、抑制效果增加，导致上游的峰值超压增大，但也造成下游未燃烧区域的气体未完全燃烧，因此下游的峰值超压呈现降低趋势。

表3 滑移装置爆炸峰值超压及较无装置工况峰值超压衰减比例Tab.3 Explosion overpressure with sliding device and the attenuation ratio of the peak value overpressure under working conditions without sliding device

3 结论

基于自行设计的滑移装置实验平台，开展当量比为1、甲烷浓度为9.5%与空气预混气体在滑移多孔介质初始位置距点火端70cm时的爆炸特性研究。主要结论如下：

(1)有滑移多孔介质工况下与无装置工况下的火焰均经历球形—指形—平面形—郁金香形4个发育阶段。滑移多孔介质的设置能够延缓“郁金香形”火焰的出现时间，降低火焰最大传播速度，较无装置工况下的速度最高衰减比例可达13.24%。

(2)动态滑移下的多孔介质对管内上游、下游爆炸产生的峰值超压和冲击波均能够进行有效衰减。在上游区域，较无装置工况下的衰减比例分别为17.85%、14.71%、17.73%、8.26%；在下游区域较无装置工况下衰减比例分别为24.63%、24.74%、17.61%、20.38%。综合分析本实验中甲烷预混气体爆炸特性，滑移多孔介质对火焰和压力的最佳抑制效果的工况为孔隙度60PPI且弹簧线径0.6mm。

(3)多孔介质和弹簧在爆炸过程中的相互耦合作用，使得多孔介质在滑移运行条件下的降压、抑波效果显著，可为甲烷爆炸防治领域的技术创新和发展提供新的思考。