预混火焰在管道内传播与淬熄的研究进展*

赵依晗 李小萌 边振华

（河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引言

随着现代社会的高速发展，工业生产越来越向复杂化发展，特别是近年来天然气运输、石油化工、煤矿瓦斯管道运输多次发生燃烧爆炸事故，据统计，2000—2017年特别重大瓦斯爆炸事故共发生49起，死亡2 884人，受伤849人，造成的直接经济损失80 373.53万元［1］，给人们的生产生活带来了极为严重的影响。并且往往由于在事故初期没有有效控制事态的发展，从而导致更大的二次灾害发生，这充分说明了开展可燃气体淬熄、抑爆及阻隔爆相关技术的研究具有极其重要的现实意义。特别是多孔材料在衰减爆炸超压以及淬熄爆炸火焰方面的应用，可为可燃气体的安全生产、运输、储存的安全性，以及爆炸事故的防控与应急处理提供重要的理论依据，也是未来发展的重要趋势。

1 阻火器的应用

早在20世纪初阻火器就已被应用于各类煤炭化工企业，之后逐渐发展到石油工业中，又广泛用于铁路运输、电力系统、水运及化学工业等众多行业。在石油工业中，阻火器应用于易燃易爆的石油类储罐进出口以及石油气体输送管道等位置，一旦遇到明火、雷击、静电等状况，管道内气体被引燃发生爆炸，加装的阻火器可阻断火焰的燃烧，避免对整个网管设备造成严重破坏。此外，阻火装置还可以安装在众多场合以阻止火焰爆炸带来的危害，例如气体燃料输运的管道、干燥机的排气部位、燃气锅炉的烟囱等部位［2］，同时阻火器也可以有效地阻止因内外压差而产生的回火现象。因此，针对不同场所选择合适的阻火器并正确安装在合理的位置，可以起到保障人民生命财产安全的作用。

2 火焰在微通道中传播与淬熄的研究现状

2.1 火焰淬熄理论的研究发展现状

当燃烧火焰在微小通道或者缝隙中传播时，狭缝的间距或通道直径足够小时，火焰在通道或者狭缝中传播一段距离后就会逐渐熄灭，这种现象称为淬熄［2］。因此，对燃烧火焰淬熄原理的研究以及人为控制方法是阻止火焰在管道内爆燃爆轰的重要研究内容。

现阶段公认的淬熄理论有2种，即冷壁效应理论和器壁效应理论［3］。在早期的淬熄研究中，通过观察火焰能否通过阻火器狭缝通道的宏观现象来判断阻火器阻火性能的有效性。其后，经过大量实验与数值模拟研究，提出了冷壁效应和器壁效应理论。传热理论即冷壁效应，该理论认为当火焰进入阻火结构内细小通道时，壁面散热面积增大，火焰与器壁存在着持续的热量传递，热损失增大，火焰温度不断下降，当温度低至着火点以下即发生火焰淬熄，此时的温度为淬熄温度。连锁反应理论即器壁效应，火焰进入阻火结构后，通道尺寸减小，自由基与通道壁的碰撞几率增大，因而与壁面发生碰撞而销毁的自由基数量变多，参加反应的自由基减少。当狭小器壁消灭的自由基数目大于参与反应的自由基生成数目时，链式反应不再进行，火焰开始熄灭［2］。其中，冷壁效应利用能量平衡的观点来描述火焰的淬熄现象，并解释了平行板间淬熄的二维问题。器壁效应解释了狭小器壁消灭自由基数目与参与反应自由基生成数目之间的关系，为火焰熄灭提供了参考标准。实际上在阻火淬熄过程中二者是同时存在、相互作用的。当火焰进入狭缝后，热传导起主要作用，火焰温度开始降低，随着温度的不断降低火焰内部的化学反应能量也随之降低，自由基的消耗速度大于产生速度，由此火焰开始熄灭，因此这是两种理论耦合作用的结果。

2.2 火焰淬熄的实验研究发展现状

在一些发达国家，关于阻火器相关的技术专利处于垄断状态，相关的研究体系、技术规范也较为完备。国内对阻火器的研究始于20世纪末，虽起步较晚，但近年来在阻火结构的研发以及阻火性能的研究等方面也取得了一定的成果。主要的阻火结构可概括为以下几种：丝网型、波纹板型、平行板型、圆管型、多孔板型、液封型、泡沫金属、金属蜂窝结构等［4］。

丝网型阻火器是由具有一定目数和孔径的金属丝网挤压叠加组合而成的一种阻火结构，该材料的阻火效果随着丝网层数的增多和目数的减小会有所提升，但也在一定程度上阻碍了管内气体的流通，导致压力上升。JIN K等［5］探究了预混氢气-空气可燃气体在密闭管道内多层金属丝网对其火焰传播抑制的实验，结果表明多层金属丝网对管道内部最大压力、最大声波都具有明显的抑制降低作用。波纹板型的阻火芯由不同尺寸的波纹带和平板相互叠加、交替卷曲而制成，由此产生的狭窄通道截面为三角形，具有良好的淬灭火焰效果，理论上可阻止高速火焰的传播。波纹板高度越小、阻火单元厚度越厚，火焰越易发生淬熄，并且阻火器不会产生机械损伤。平行板型形式的阻火结构由若干紧密间隔的金属平板平行堆叠而成，结构抗冲击稳定性强，火焰通过平板之间的狭窄缝隙可使其熄灭。MAHLIYHANNAN A M等［6］利用电火花点燃一定当量比的预混燃料-空气可燃气体，阻火结构为淬火丝网和平行铝板，实验表明低速层流火焰的淬熄长度为1.3~1.5 mm，湍流状态的火焰淬熄距离为2~2.5 mm，此时淬熄距离与可燃气体和当量比有关。

陈鹏等［7］构建了一套针对多孔泡沫金属板对管道内爆燃火焰的抑制系统，研究发现随着孔隙密度的增加火焰速度显著下降，当无法达到可燃气体的燃烧条件时就会发生淬熄。孙少辰［8］自主搭建了一套实验系统，观测阻火层孔隙率和厚度对阻火性能的影响，得出阻火层孔隙率的降低提升了阻火性能但会对管道前端造成压力增大的结论。

综上，众多学者利用实验观察手段分析了各类阻火结构对预混火焰淬熄效果的影响，通过改变阻火器参数，燃料种类、温度、压力等初始条件影响因素，发现阻火器对火焰的淬熄影响效果显著，这为阻火器在实际应用方面的设计及研究工作提供了有力的理论依据。

2.3 火焰淬熄的数值模拟研究发展现状

随着计算机技术的不断发展，越来越多的学者不仅使用实验方法进行研究，还利用流体仿真软件来模拟复杂流体的实验发展过程，通过建立二维、三维模型来提前验证实验的可行性，在一定程度上缓解了实验设备成本高昂的问题，同时模拟计算出的结果也可与实验的真实数据相互验证。

KAKUTKINA N A等［9］对管道型多孔元件的烧穿进行了数值分析，得出增加多孔元件的长度或者减小通道直径、孔隙率，可确保阻火器不会被烧穿。喻健良、胡春明、李江涛等学者［10-12］利用数值模拟做了一系列的分析研究，分别对丝网结构、微型圆管、平板狭缝内的淬熄进行二维、三维数值模拟研究，模拟均表明：孔径尺寸、火焰速度、可燃气体温度的增加均加大了淬熄的难度，而初始温度对淬熄效果的影响较小。

王晓东等［13］运用FLUENT对甲烷火焰爆轰压力和速度与壳体结构之间的参数影响关系进行了研究，通过改变阻火器壳体内径和阻火芯孔隙率建立二维几何模型，得到了二者之间的变化规律。孙少辰等［14］应用二维轴对称模型对乙烯-空气预混火焰在波纹管道阻火器中的传播与淬熄进行了数值模拟研究，得出的结论有：火焰初期为球状火焰，随着时间的发展逐渐转变为“郁金香”状火焰，随后反转呈现“指尖”状，同时火焰锋面的曲率减小；阻火单元的孔隙率和厚度对爆燃火焰的传播具有显著的抑制作用。程方明等［15］通过三维数值模拟，采用大涡模型对金属丝网在甲烷-空气预混气体管道内淬熄的影响进行了分析，金属丝网对火焰温度具有衰减作用，且丝网目数越大，火焰热量扩散越快，衰减越大，淬熄的效果越好。

总的来说，利用计算机模拟技术代替实验工作在一定程度上为科学研究提供了更多的可能性，目前针对火焰淬熄抑爆的模拟不足，且多为二维数值模拟，不足够与现有的实验结果进行有效对照，无法提供足够的理论参考依据。

3 火焰在微通道中传播与淬熄的发展趋势

3.1 新型多孔材料

随着国内对火焰燃烧传播以及隔爆机理的研究深入，试验装置的完善创新，使得我国在阻火抑爆以及材料研发上取得了一定的成绩。金属丝网、泡沫金属、泡沫陶瓷等多孔材料因其具有较小的体积和密度、比强度高、比表面积大以及阻尼性能较好的特性，且对爆炸火焰具有良好的分割淬熄作用，在工业防护及阻隔爆等研究领域广受青睐，也引起了国内外学者的广泛关注。

我国高校众多学者在矿井阻隔爆技术方面对金属丝网、泡沫陶瓷及二者叠加体在瓦斯爆炸阻隔方面进行了实验研究，得到了金属丝网和泡沫陶瓷对火焰、爆炸超压都具有一定的抑制效果，且在一定参数下，二者的组合体的衰减效果优于各自单体［16-18］。但目前的研究内容还远远不足，如由于受到管道长径比的限制，目前实验对象主要以低速燃烧火焰为主，火焰强度较弱，对高速爆燃火焰在多孔材料中的阻隔爆研究还比较匮乏；还有关于阻隔爆材料强度的研究也较少，目前多孔材料已被证实对爆炸火焰具有良好的淬熄作用，并且对可燃气体爆炸超压具有一定的减弱作用，但因其多孔的结构特点，随着孔隙密度的增加，材料强度也有所降低，因此多孔材料在实际应用中是否会破碎失效也需进一步深入地试验探究。

因此研究可燃气体淬熄抑爆及阻隔爆相关技术，特别是在衰减爆炸超压以及淬熄火焰方面的应用［18］，可以为目前煤矿化工等安全生产领域的事故防控提供重要的理论依据。同时，研究不同种类多孔材料的不同抑爆特性及规律是当前亟需探讨的课题，也是目前工程应用研究的发展趋势。

3.2 复合协同抑制

大量学者研究表明，单一的淬熄抑爆方式，如添加超细水雾、多孔介质以及惰性气体对抑制火焰爆炸均具有一定效果，但常用的抑爆介质也存在不足，如粉末粉体等介质容易团聚，会产生环境污染，惰性气体抑爆剂若要达到良好的效果要达到较高的浓度要求，而超细水雾则可能会出现“平台效应”。随着研究的不断拓宽，多种抑制方式结合的形式出现在了视野中，可针对单一方式的不足进行优势互补，为管道中预混火焰的淬熄抑爆提供新思路。

金凯强［19］首次揭示了CO2与金属丝网耦合作用下对氢气-空气预混火焰在管道内传播的抑制作用，试验表明，CO2惰化稀释和金属丝网分解吸热的抑制作用效果均优于各自单体。关于气液两相协同抑爆，裴蓓［20］对管道内预混甲烷-空气爆炸进行的研究表明：在超细水雾与He，Ar，CO2和N2等4种惰性气体的协同抑制下，气液两相介质对爆炸抑制效果具有明显的协同增效作用，其中采用CO2和超细水雾的协同抑爆水平最好，N2次之，余下2种稀有气体与超细水雾的协同抑爆效果相差不大。

上述讨论证明，由于单一的抑爆剂或抑爆材料具有的不同性质，抑爆效果都存在一定的不足且有上限，而把两种方式有效地结合起来，可针对单一材料的缺陷弥补不足，优势互补形成正耦合。但这些结论也仅通过实验观察等方法而进行判断，其作用机理尚未明确揭示，有待今后深入研究。因此对不同材料的组合、协同抑爆机理的揭示、研发新型高效环保抑爆剂等都将是未来对可燃气体淬熄抑爆研究的重点和方向。

4 结论

国内外大量的学者对可燃气体的淬熄抑爆进行了理论、实验和数值模拟的研究，综上所述本文得出的结论主要有：

1）火焰淬熄是冷壁效应和器壁效应共同作用的结果，但无论是实验研究还是数值模拟中都忽略了对二者的区分，并且目前仍有许多工程采用单一的传热理论作为设计阻火器的理论依据，因此对淬熄机理方面需更加深层次的研究。

2）火焰的淬熄作用受多种因素的共同影响，现有的实验研究主要是对预混火焰在平板狭缝、丝网结构、波纹型等微小通道传播与淬熄的研究，表明淬熄直径越大、火焰初始速度越大、管壁初始温度越高，所需的淬熄长度就越大等规律。

3）利用计算机数值模拟技术可建立预混火焰在微通道中二维、三维模型，模拟获得淬熄长度与火焰速度、狭缝间距、壁面温度等因素之间的关系，与现有的实验进行有效对照，为淬熄的理论发展提供理论依据。目前我国大多数为数值模拟局限于二维模型，但在工业生产中许多类型的阻火结构不能简单地化简成二维情况，例如波纹型阻火器，因此在日后的研究工作中对三维数值模拟需重视起来。

4）结合目前可燃气体淬熄、抑爆及阻隔爆相关技术的研究发展趋势，寻求适用于实际工业应用领域的经济、环保、高效的新型多孔材料、多相复合协同作用方式及其作用机理都是未来研究的重点方向。