MgH2粉尘火焰传播过程与热辐射特性

张 云，贾 月，杨振欣，赵懿明，赵凤起，裴 庆，徐司雨，焦枫媛，吴星亮，徐 森，曹卫国

(1.西安近代化学研究所 燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065；2.中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051；3.北京航天试验技术研究所，北京 100048；4.南京理工大学 化学与化工学院，江苏 南京 210094)

引 言

含能材料作为武器系统的毁伤源和动力源，是实现武器高能和安全的重要保证，而添加高能燃烧剂是提高含能材料作功能力的有效手段[1-3]。随着对复合含能材料性能要求的逐步提高，储氢金属由于其优异的燃烧性能逐渐引起了兵器、航空、航天等工业领域研究人员的关注[4-7]。但储氢金属在生产和运输过程中由于不稳定而存在着安全风险。发生燃烧爆炸时，常伴有火焰和冲击波[8-10]，因此有必要对其爆炸火焰传播过程进行进一步研究。

张洋等[11]采用激光点火结合高速摄影，研究了MgH2对典型含能材料的燃烧性能影响，结果表明，随着MgH2含量的增加，火焰形貌变得更加规则、亮度更高、火焰速度更快。董卓超等[12]采用1.2L哈特曼管和20L球形装置对Al、MgH2和CM(镁基复合储氢材料)火焰传播特性进行了研究，结果表明火焰高度排序大小为CM>MgH2>Al；火焰传播速率为MgH2>CM>Al。火焰产生的热辐射会对人员和设备造成进一步的损伤[13-14]，研究人员针对火焰的热辐射特性开展了大量研究。Dorofeevto等[15]通过大型试验对不同类型燃料空气混合物的爆燃、爆轰的热效应进行了相应的研究。结合实验结果给出了火球的最大辐射量、热效应持续时间和总的发射能量与燃料质量之间的相对关系。王秋红等[16]通过自建的粉尘爆炸实验装置，对圆柱形火焰传播规律和不同位置处的热辐射进行了研究，结果表明距火焰较近的热辐射通量较大，不同位置处热辐射通量随着粉尘质量浓度的增加而增加。

基于此，在前人研究的基础上，为了获取储氢金属燃爆过程中的火焰传播与热辐射特性，本研究以MgH2为对象，采用改进后的哈特曼管对其燃烧过程进行研究，比较了不同质量浓度的MgH2粉尘火焰传播特性，获取了不同位置处的热辐射通量和红外温度场数据，以期为储氢材料添加到含能材料中的生产及使用安全提供基础数据。

1 实 验

1.1 测试装置

实验在改进后的哈特曼管装置上进行，如图1所示，实验装置由石英燃烧管、点火系统、分散系统、高速摄像机、红外热成像仪、热辐射仪及同步控制系统组成。燃烧管为直径68mm、长300mm的石英玻璃管；点火电极位于距燃烧管底部上方100mm处；分散系统由伞状喷嘴和外部高压射流构成，射流压力设置为0.7MPa；高速摄像机(FASTCAM Mini UX 100)与红外热成像仪(Telops)均置于哈特曼管前方5m处，分别用以记录燃烧过程中火焰形貌和管口外部火焰表面温度场域的动态变化过程；3组热辐射仪(Vatell Heat Flux Microsensors)分别位于燃烧管右侧30cm处、燃烧管左侧20cm处、燃烧管上方100cm处来测试不同位置的热辐射通量变化。热辐射通量由下式计算[17]：

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

(1)

式中：q为热辐射通量(W/cm2)；VHFS为传感器的瞬时放大电压信号(μV)；GHFS为传感器通道的放大器增益；g、h为灵敏度和温度之间关系的系数；ΔT为反应前后热辐射测点处的温度差(℃)，由传感器测得。

1.2 测试流程

实验开始时，首先将MgH2粉尘均匀地铺撒在哈特曼管底，随后通过同步控制系统将粉尘吹扬到燃烧管中，为使粉体充分分散且确保点火成功，经过60ms的点火延时后，使用1J的点火能量点火，同时通过高速摄像机、红外热成像仪和热辐射仪同步记录粉尘火焰传播、温度变化和热辐射通量变化过程。

2 结果与讨论

2.1 MgH2粉尘的形貌和结构

采用扫描电子显微镜(SEM)对实验采用的MgH2粉尘的形貌结构进行了表征，结果如图2所示。

图2 MgH2粉尘的扫描电子显微镜图Fig.2 Scanning electron microscope image of MgH2 dust

由图2可知，MgH2粉尘分散较好，基本呈球状，颗粒大小较为规律，其粒径分布大致在10～30μm。

2.2 MgH2粉尘爆炸火焰传播特性

对质量浓度为150、250、500、750和1000g/m3下的MgH2粉尘分别进行了点火实验，图3为高速摄像机捕捉到的质量浓度750g/m3下MgH2粉尘爆炸火焰传播过程。计点火时刻为0时刻，电火花点燃粉尘后，火焰从电极位置向管两侧传播，形成了明亮的白色火焰，火焰轮廓较为光滑。火焰前锋阵面到达管口后挣脱燃烧管的束缚持续向上传播，并向周围扩散形成蘑菇云状火焰。随着燃烧的进行，火焰开始衰减，顶端出现了燃烧的白色火星，上部连续的燃烧区域逐渐转变为离散状火焰。随着燃烧反应的进一步进行，火焰的宽度变窄，亮度明显减弱，离散火焰区域逐渐增大，最终火焰逐渐熄灭。

图3 典型的MgH2粉尘爆炸火焰高速摄影Fig.3 Typical MgH2 dust explosion flame captured by a high-speed camera

为了更好地分析MgH2粉尘的火焰传播过程，对其火焰前锋阵面高度进行了测量，计燃烧管底部平面为0mm，图4(a)为不同质量浓度下火焰前锋阵面高度和时间的关系。各个质量浓度下，火焰前锋阵面高度均呈现先增高后平缓的趋势。在质量浓度150、250、500、750和1000g/m3下分别在62、60、50、52和46ms时达到最大值，为595、683、894、1138和1116mm。

图4 不同质量浓度下MgH2粉尘爆炸火焰传播高度和传播速度与时间的关系曲线Fig.4 Relation curves of flame propagation height and velocity of MgH2 dust explosion vs.time under different mass concentrations

对图4(a)中的数据进一步处理得到图4(b)所示的MgH2粉尘爆炸火焰传播速度曲线。各个质量浓度下火焰传播速度均呈现先增大后波动下降的趋势，在质量浓度150、250、500、750和1000g/m3下火焰传播速度峰值分别在16、18、14、8和6ms时达到最大值，为15、19、29、45和35m/s。

不同质量浓度下的火焰传播速度和传播高度的最大值如图5所示。

图5 不同质量浓度下MgH2粉尘爆炸火焰传播特性Fig.5 Flame propagation characteristics of MgH2 dust under different mass concentrations

由图5可知，随着MgH2粉尘质量浓度的增加，MgH2粉尘火焰传播高度和速度峰值均呈现先增大后减小趋势。在粉尘质量浓度低于750g/m3时，燃烧管道内空气充足，火焰高度和速度主要取决于粉尘粒子的数目，质量浓度越高，发生反应的粉尘粒子数越多，火焰传播越高，速度越快，在750g/m3时最大，分别达到1138mm和45m/s。当质量浓度继续上升时，燃烧管内粉尘浓度过高，空气相对较少，反应的粒子数降低，致使火焰在喷出管口时的速度减小，在1000g/m3时火焰传播速度显著下降，但由于浓度上升喷出管口的粉尘粒子数增多，随着管道外部空间的空气参与到反应中来，在管外发生燃烧的粒子数目增大，使得火焰高度下降幅度较小。

2.3 MgH2粉尘爆炸火焰热辐射特性

图6为各个质量浓度下不同位置处的热辐射通量最大值，在本研究的MgH2粉尘质量浓度的范围内，各个位置处的热辐射通量均随着质量浓度的增大而增大，在1000g/m3时达到最大值，分别为0.86、4.92、31.74kW/m2。1号传感器热辐射通量最大值小于2号传感器，这是由于，一方面随着距离的增加，燃烧产物的温度急剧降低，热效应也相应减弱；另一方面，传感器与火球的距离增大，热辐射能量在传输过程中，空气中的二氧化碳和水蒸汽的吸收作用以及空气中的尘埃和其他悬浮粒子的散射作用，导致火焰的热辐射强度衰减。而3号传感器的热辐射通量峰值明显大于其他传感器，这是由于MgH2在燃烧过程中受到玻璃管长时间的约束作用，使得火焰在正上方传播高度远大于侧面宽度，位于燃烧管正上方的3号传感器接收到的热辐射相对两侧的传感器更加强烈，同时随着火焰高度持续增长，火焰距离3号传感器更近，热辐射通量增长明显更大。此外，火焰传播速度的最佳质量浓度和热辐射通量的最佳质量浓度并不一致，这主要是因为随着质量浓度的增加，在750g/m3达到火焰传播速度的最佳质量浓度，但浓度继续增加造成粉尘燃烧总质量增大，在管外发生燃烧持续时间长，使得热辐射通量在质量浓度为1000g/m3时达到最大。

图6 不同位置处MgH2粉尘热辐射通量测试值Fig.6 Heat radiation test value of MgH2 dust at different positions

图7为1000g/m3的MgH2粉尘爆炸不同位置处的热辐射通量变化曲线，可以看出热辐射通量随着时间的增长呈现先增大后减小的趋势，1号和2号传感器增大到最大值后热辐射通量的变化值不大，而3号传感器变化明显。这是因为MgH2粉尘爆炸火焰的运动趋势整体向上，向两侧运动的趋势较小，火焰相对于1号和2号传感器的距离几乎不变，而与3号传感器的距离变化较大，致使其热辐射通量随火焰的上升衰减发生剧烈变化。

图7 不同位置处MgH2粉尘热辐射通量变化Fig.7 Heat radiation changes of MgH2 dust at different positions

2.4 MgH2粉尘爆炸火焰红外温度场域

通过红外热成像仪对喷出管口后的火焰表面温度进行纪录，随着燃烧的进行，火焰温度不断升高，图8为质量浓度1000g/m3时火焰表面最高温度随时间的变化曲线，火焰最高温度随时间先增大后减小，从点火到峰值是一个瞬态过程，温度峰值为1057℃。

图8 不同时刻火焰最高温度图Fig.8 Maximum temperature diagram of flame at different times

图9为最高温度时的红外热成像图，从拍摄角度来看，火焰到达燃烧管外部后，正面形成了一个类似椭圆的温度区域，火焰温度明显大于环境温度，火焰中心温度最高，并向周围逐渐衰减。

图9 最高温度红外热成像图Fig.9 Infrared thermogram diagram of maximum temperature flame

为了进一步探究火焰温度与位置的关系，以图9中火焰的几何中心建立椭圆，图10为竖直方向的椭圆长轴与水平方向的椭圆短轴的温度随距离的变化图。

图10 长短轴火焰最高温度图Fig.10 Long and short axis diagram of flame maximum temperature

计火焰顶部为长轴起始点，长轴上的温度随着距离的增大而呈现先波动上升后迅速减小的趋势，在长轴位置处达到最大值1037℃，高温主要集中在火焰上部和长轴的中心附近，这是由于粉尘被气流裹挟至管外后燃烧反应区主要集中在火焰上部，而管口处及火焰底部粉尘浓度较低，反应相对不剧烈。

计火焰右侧为短轴起始点，短轴上的火焰温度随着距离增大先增大后减小，相对于火焰中心呈现对称分布，短轴上温度达到最大值884℃。

3 结 论

(1)MgH2粉尘在质量浓度150～1000g/m3范围内，爆炸火焰前锋阵面高度和火焰传播速度均随着质量浓度的增加而先增加后减小，在750g/m3时达到最大值，分别为1138mm和45m/s。

(2)MgH2粉尘在质量浓度150～1000g/m3范围内，爆炸火焰的热辐射通量峰值随质量浓度的增大持续增大，在1000g/m3时达到最大值，分别为0.86、4.92、31.74kW/m2；热辐射通量随传感器与火焰的距离变化明显，正上方热辐射通量峰值远高于两侧。

(3)管口外火焰表面中心温度最高，并向周围逐渐衰减；竖直方向上，高温区集中在火焰上部及中心区域；水平方向上，火焰表面温度相对于火焰中心呈现对称分布。