惰性气体参数对瓦斯爆燃火焰传播抑制效果的研究

胡 洋 ，杨雨欣 ，石云东 ，吕 硕 ，陶 红

（1.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601；2.爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3.开滦能源化工股份有限公司 煤炭通风部，河北 唐山 063000）

瓦斯爆炸事故作为我国煤矿事故中最严重的事故之一[1-4]，涉及多个学科交叉的学术问题，是爆炸力学和安全科学与工程学科的前沿问题和热点问题。瓦斯爆燃的波系结构是前方为诱导激波，后面是化学反应区，火焰紧跟在激波后方，并支持激波向前运动，为了使前驱激波强度衰减，降低瓦斯爆炸产生的灾害强度，向支持冲击波的火焰喷射惰性气体，以火焰参数表征惰性气体的抑爆效果。对此，国内外学者对瓦斯爆燃过程中火焰传播特性和惰性气体抑爆机理开展了大量研究。孙超伦等[5]探究惰性气体存在抑制甲烷爆炸的临界体积分数；王燕等[6]研究了利用惰性气体（CO2、N2）强化 KHCO3冷气溶胶系统的CH4抑爆机理，分析了惰性气体增效原因；张江等[7]探究了了C2H4和CO 对N2惰化 CH4爆炸的作用规律；KRISTOFFERSEN K 等[8]、THOMAS G 等[9]对气体爆炸过程中火焰传播与爆炸压力波之间的关系进行了研究，结果表明火焰的传播与压力波之间存在耦合作用；杨春丽[10]通过实验证实了，惰性气体浓度和爆炸超压之间存在线性关系；LI 等[11]通过研究发现火焰在CO2或N2/CO2混合气体的抑制下，前锋呈现不稳定的“蘑菇状”火焰结构；陆卫东等[12]从动力学角度出发进行CO2对瓦斯爆炸阻尼效应的数值模拟，得出随着CO2体积增多，甲烷爆炸的强度降低，从机理分析为CO2降低了甲烷爆炸过程中的关键反应步骤感性系数，加强了对有毒有害气体NO 及链式反应自由基的抑制从而达到抑制效果。

目前，选用喷射N2、CO2的方式进行阻燃抑爆的实验较少，对于实验测量数据的方法，主要集中在传统宏观测量上。因此，改变N2、CO2参与瓦斯爆燃反应的方式，选用激光纹影技术对N2、CO2抑制瓦斯爆燃的流场进行微观分析。

1 实验设计

1.1 系统介绍

惰性气体抑制瓦斯/空气预混气体爆燃的实验系统图如图1。系统由爆炸激波管、高压点火系统、真空系统、预混系统、数据采集系统、火焰传感器、同步控制系统、惰性气体喷射装置和激光纹影测试系统组成。

图1 实验系统图Fig.1 Experimental system diagram

实验系统的主体由6 节激波管和1 节实验段组成，激波管每节2.5 m，截面尺寸为200 mm×200 mm；实验段长度为1 m，中部开有直径为300 mm 的圆形可视化窗。为满足惰性气体喷射的实验需求，在试验段底部设计直径15 mm 的惰性气体喷射口。高压点火系统通过外触发控制电极产生高压放电火花，点火能量为100 mJ；真空系统由抽速为90 m3/h、极限真空度0.7 Pa 的旋片泵和抽速为500 m3/h、极限真空度0.4 Pa 的罗茨泵构成；预混系统利用管道外预混原理，将实验气体按照预定的体积百分数充入密闭罐中，静止6～8 h 后充入实验管道；同步控制系统[13-14]由多通道同步控制器连接，协调点火、喷射N2及数据采集时间；激光纹影系统可获取微观流场的纹影图像，实现对流场的定性观测和定量测量[15]；惰性气体喷射装置由气瓶、减压阀、单向阀、电磁阀和进气阀门组成，可控制气体喷射压力，惰性气体喷射装置如图2。

1.2 工况设计

实验目的是对比不同惰性气体在不同喷射压力和不同位置条件下抑制瓦斯/空气预混气体爆燃的效果，通过火焰传感器记录变化过程，在每节激波管道的正中部的同一轴向位置和实验段的可视化窗口前后，安装火焰传感器，共8 组，实验测点布置如图3，火焰传感器距点火端的距离见表1。

表1 火焰传感器距点火端的位置Table 1 Position of flame sensors from ignition end

图3 实验测点布置Fig.3 Layout of experimental measuring points

气体喷射口共2 个，位于距点火端7.655 m和8.780 m 处底部，分别在传感器F3～F4 和F4～F5 之间。

实验设计为2 种惰性气体（N2与CO2）喷射进入爆炸激波管中抑制瓦斯爆燃的对比实验，每种惰性气体在不同喷射压力、不同喷射位置下，分别进行8 组实验；基础实验工况为9.5%甲烷预混气体在无惰性气体喷射的条件下爆燃；为了减少系统误差引起的数据差异，每组实验至少重复3 次以上，获得较为准确的实验数据。实验工况设计见表2。

表2 实验工况设计Table 2 Design of experimental conditions

2 实验结果

2.1 基础工况实验

以9.5%瓦斯/空气预混气体爆燃作为基础实验工况，以便后续与惰性气体抑爆实验作为对照，9.5% 甲烷/空气预混气体火焰信号图如图4，火焰信号强度在F3、F6 处最强。

图4 9.5%甲烷/空气预混气体火焰信号图Fig.4 Flame front propagation diagram of 9.5%methane/air premixed gas

2.2 不同位置喷射N2 抑爆燃实验

2.2.1 不同位置喷射N2抑爆火焰传感器数据

分别向管道内喷射来自不同喷射口的不同压力的N2，测量火焰阵面抵达传感器的时间。近点火端喷射N2火焰阵面传播过程如图5，远点火端喷射N2火焰阵面传播过程如图6。由于不同位置的火焰传感器接收到火焰信号强度不同，因此图像纵坐标取能够完整显示的最优范围。

图5 近点火端喷射N2 火焰阵面传播过程Fig.5 Propagation process of N2 flame front near ignition

图6 远点火端喷射N2 火焰阵面传播过程Fig.6 Propagation process of N2 flame front far away from ignition

由图5（a）、图5（b）可知：当N2喷射压力较小时，无法扩散到传感器F1、F2 附近，因此火焰阵面抵达传感器的时间与基础工况相比时间近似；当喷射压力增强到2.5 MPa 及以上时，火焰速度显著提升，这是因为N2能够扩散到传感器附近并使管道中未反应气体的静止状态收到影响，形成湍流效应。由图5（c）可知：当喷射压力达到3.5 MPa后，足够多的N2开始对预混气体爆燃产生抑制作用，火焰阵面抵达时间才发生延缓；虽抑爆作用不明显，但与基础工况相比，火焰信号强度明显变弱，说明N2对预混气体进行了一定的稀释。由图5（d）可知：当喷射压力为2.5 MPa 时，火焰阵面抵达传感器F4 的时间初步延缓，喷射压力变大，延缓更明显；当瓦斯/空气预混气体发生爆燃后，其产物膨胀压缩未燃气体，形成前驱冲击波向未燃区域传播，其过程卷吸了更多从喷射口喷入的N2，因此火焰传感器F4 的延缓效果变得更明显。由图5（d）～图5（e）可知：传感器F4 与传感器F5的时间波动趋势相同，但其火焰信号更强，分析认为，前驱冲击波卷吸着从喷射口喷入的N2向未燃区域传播的同时，同样卷吸更多的未燃气体在传感器F5 附近发生强烈的爆燃反应，但当喷射压力大于2.5 MPa，N2足够多，依旧能够起到抑制爆燃的效果；火焰传感器F6、F7、F8 的火焰阵面到达时间波动趋势与之前一致。

由图6 可知：远点火端喷射N2时，与近点火端喷射相比，从传感器F3 开始，火焰阵面的抵达时间开始发生轻微波动，随喷射压力的增强，时间提前，至3.5 MPa 时，到达时间才轻微延缓。因为喷射压力足够大，即使远离喷射口，依旧有少量N2扩散到附近，稀释了未燃气体；远点火端喷射口位于传感器F4 与F5 中间，未反应气体受到的扰动最明显，火焰信号强度显著增强；并且当喷射N2压力达到2.5 MPa 时，火焰阵面抵达时间相比于压力较小时更为延缓，但仍比基础工况提前；喷射压力增强到3.5 MPa 时，火焰阵面抵达时间明显延缓。

喷射压力为3.5 MPa N2的火焰信号如图7。

图7 喷射压力为3.5 MPa N2 的火焰信号Fig.7 Flame signal with nitrogen injection pressure of 3.5 MPa

由图7 可知：当火焰达到传感器F6 时，火焰被N2分割成a、b 2 部分，前段小火团a 先于较大火团b 经过传感器F6，火团b 带有鲜明的三维凹陷特质，且经N2分割的火焰阵面，速度明显降低；火焰阵面抵达火焰传感器F7 与F8 的时间波动趋向，与近点火端喷射时一致，且因位于激波管道的末端，火焰信号相对较弱。

可以发现，与基础工况相比，随着喷射N2的压力增大，火焰阵面抵达各个火焰传感器的时间先提前后延缓。且近点火端喷射时的火焰阵面抵达各传感器的时间，比远离点火端喷射产生的波动要早。通过抵达传感器的时间计算得到不同喷射位置的火焰传播速度，不同位置喷射N2的火焰传播速度如图8。

图8 不同位置喷射N2 的火焰传播速度Fig.8 Flame propagation velocity of N2 injection at different positions

由图8 分析可得：不同位置喷射时，火焰传播速度都在喷射压力为1.5 MPa 时达到最大，2.5 MPa的时候传播速度开始降低；但不同的是，最高火焰传播速度在靠近点火端喷射时发生在3 号传感器，为189.873 m/s，远离点火端喷射时发生在F4，并随着喷射口靠近点火端而提前；靠近点火端喷射时的最高火焰传播速度，相比于远火端喷射时的238.095 m/s 大幅度降低且降低速度更快；近点火端喷射口的火焰传播速度最低为4.181 m/s，远点火端喷射时为4.798 m/s，同样是靠近点火端喷射口的火焰传播速度降得更低；近点火端喷射压力为1.5 MPa 时，火焰传感器F8 的火焰传播速度已经比基础工况略低；喷射压力为2.5 MPa时，F3 到F4 传感器之间的火焰传播速度降至6.944 m/s，低于基础工况。因此，靠近点火端喷射口与远离点火端喷射口喷射同一压力的N2时，靠近点火端喷射的效果更好，对瓦斯/空气预混气体爆燃的抑制效果更明显。

2.2.2 不同位置喷射N2抑爆激光纹影图像

喷射0 MPa N2的纹影图像（无N2）如图9。

图9 喷射0 MPa N2 的纹影图像（无N2）Fig.9 Schlieren images of nitrogen at injection pressure of 0 MPa (no nitrogen)

图9 即瓦斯/空气预混气体爆燃基础工况的纹影图像。根据图像可以发现，由于火焰是三维立体结构，因此各点的火焰信号强度各不相同，不断变化。火焰阵面因轴向力的拉伸发生变形，中间部分速度较快，使火焰发生变性，形成类指尖形，随即扩散至整个管道。

靠近点火端喷射0.5、1.5、2.5、3.5 MPa N2的纹影图像如图10～图13。由于N2喷射口位置在可视窗之前，所以近点火端纹影图像的火焰已经经过N2的作用。

图10 靠近点火端喷射0.5 MPa N2 的纹影图像Fig.10 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end

由图10 可知：仍可以看出火焰阵面因受N2影响而发生拉伸变形，且火焰阵面中间部分突出程度比无N2时显著减小。

由图11 可知：N2对火焰阵面的影响逐步增强，火焰因拉伸变形而不再保持原先的指尖形，且中部不仅突出程度减小，甚至火焰表面发生凹陷，变得凹凸不平。

图11 靠近点火端喷射1.5 MPa N2 的纹影图像Fig.11 Schlieren images of 1.5 MPa N2 injection near ignition end

由图12 可知：随着N2喷射压力的增大，火焰阵面发生的拉伸变形更加严重，指尖形逐渐趋向变平。火焰阵面中部突出逐渐消失，向圆弧形靠拢。

图12 靠近点火端喷射2.5 MPa N2 的纹影图像Fig.12 Schlieren image of 2.5 MPa N2 injection near ignition end

由图13 可知：当N2喷射压力达到3.5 MPa 时，火焰阵面因N2的影响而拉伸变形，不再呈现指尖形，而是呈圆弧形，同时火焰厚度变薄。但火焰变形不明显，分析原因认为，火焰阵面经过喷射口时变形最明显，但可视窗离喷射口有一定距离，经此距离，火焰阵面发生了逆向变形。

图13 靠近点火端喷射3.5 MPa N2 的纹影图像Fig.13 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end

远离点火端喷射3.5 MPa N2的纹影图像如图14。

图14 远离点火端喷射3.5 MPa N2 的纹影图像Fig.14 Schlieren images of nitrogen injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end

由图14 可知：当远离点火端喷射压力达到3.5 MPa 时，火焰阵面因N2的阻挡发生形变，呈凹凸不平的近平面形态，减少火焰表面积，爆燃强度降低。同时，N2喷射入管道，随着火焰的传播向管道下游分散，对未燃气体发挥稀释、窒息作用，而当火焰传播到管道下游时，因氧气供应不足而抑制火焰传播。

2.3 不同位置喷射CO2 抑爆燃实验

2.3.1 不同位置喷射CO2抑爆火焰传感器数据

选择不同位置的2 个喷射口分别喷射压力为0.5、1.5、2.5、3.5 MPa 的CO2，近 点 火 端 喷 射CO2火焰阵面传播过程如图15，远点火端喷射CO2火焰阵面传播过程如图16。

图15 近点火端喷射CO2 火焰阵面传播过程Fig.15 Propagation process of CO2 flame front near ignition

图16 远点火端喷射CO2 火焰阵面传播过程Fig.16 Propagation process of CO2 flame front far away from ignition

由图15 可知：当喷射压力达3.5 MPa 后，火焰阵面抵达时间开始延缓；当喷射压力为2.5 MPa 时，火焰阵面抵达传感器F4 的时间初步延缓；当喷射压力为3.5 MPa 时，延缓更明显；火焰传感器F5 与F4 相比波动趋势相同，但火焰信号更强；火焰传感器F6～F8 的火焰阵面到达时间，发现其波动趋势与之前一致。

由图16 可知：火焰抵达传感器F3 后，时间开始发生轻微波动，且随着喷射压力的增大而轻微提前，直到喷射压力达到3.5 MPa 时，到达时间才轻微延缓。火焰传感器F4 与F5 位于端喷射口两端，未燃气体受到的扰动最大，火焰信号强度明显增强，在喷射压力为0.5、1.5 MPa 时，时间有明显的提前；当喷射压力为2.5 MPa 时，相较于1.5 MPa 时的时间略有延缓，但与基础工况相比时间仍然有所提前；直到喷射压力达到3.5 MPa，火焰阵面抵达时间才有明显延缓。由图16（f）可知：当喷射压力为2.5 MPa 时，火焰到达传感器F6 的时间与基础工况相比已经有延缓迹象；喷射压力增加到3.5 MPa 时，火焰阵面抵达时间明显延缓。

由图4、图15 和图16 可知：喷射CO2与基础工况相比，火焰阵面抵达各个位置的火焰传感器的时间，呈现先提前后延缓的趋向；且近点火端喷射时火焰阵面抵达各传感器的时间，比远离点火端喷射更早产生波动。

通过数据采集系统测量数据计算得到不同单口位置下的火焰传播速度，不同喷射压力下火焰的传播速度如图17。

图17 不同喷射压力下火焰的传播速度Fig.17 Flame propagation velocity under different injection pressures

由图17，2 种喷射距离都是在喷射压力为1.5 MPa 的时候火焰传播速度最高，在喷射压力为2.5 MPa 的时候火焰传播速度开始降低；在喷射压力为3.5 MPa 的时候火焰传播速度达到最低。且靠近点火端喷射口的最高火焰传播速度，与远点火端喷射时的速度相比更低；但是都发生在火焰传感器F3～F4 之间；虽然两者的最高火焰传播速度都发生在喷射压力为1.5 MPa 的时候，但靠近点火端喷射口的最高火焰传播速度为148.515 m/s 远低于远离点火端喷射时的最高火焰传播速度187.5 m/s，且火焰传播速度降低得更快，喷射1.5 MPa 时传感器F8 附近火焰传播速度已经比基础工况更低；在喷射压力为2.5 MPa 时，靠近点火端喷射时的火焰传播速度低于基础工况的位置更近，位于传感器F3～F4 之间。靠近点火端喷射时火焰传播速度最低为4.105 m/s，同样低于远离点火端喷射时的4.545 m/s。因此，靠近点火端喷射比远离点火端效果更好，对瓦斯/空气预混气体爆燃的抑制效果更明显。

2.3.2 不同位置喷射CO2抑爆激光纹影图像

选取火焰形态发生形变最明显的激光纹影图像，靠近点火端喷射压力为3.5 MPa 的CO2如图18，远离点火端喷射压力为3.5 MPa 的CO2如图19。

图18 靠近点火端喷射压力为3.5 MPa 的CO2Fig.18 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa near ignition end

图19 远离点火端喷射压力为3.5 MPa 的CO2Fig.19 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end

由图18 可知：火焰阵面严重拉伸变形，不再能够维持指尖形，而是呈凹凸不平的近平面状，同时火焰明显变薄。

由图19 可知：火焰阵面因喷射的CO2呈凹凸不平的近平面状，甚至使中间部分明显凹陷，呈现三维凹陷的状态。

2.4 N2 与CO2 对比

分析图8、图17 可知：在不同位置喷射不同压力的N2与CO2，对火焰传播速度的影响趋势基本一致，且CO2在近点火端喷射时，火焰最高速度148.515 m/s，最低速度4.105 m/s；远点火端喷射时，最高速度187.5 m/s，最低速度4.454 m/s，均低于喷射N2的实验工况。因此，CO2抑制火焰传播的效果强于N2，分析原因为作为三体反应的第3 体，N2的碰撞效率低于CO2，使活性支链反应中心浓度的降低程度也低于CO2。因此，N2的抑制效果明显弱于CO2。

3 结 语

1）随着喷射压力增大，火焰传播速度先增大后减小；火焰阵面逐渐被拉伸变形，无法保持指尖状，呈现近平面状，火焰变薄甚至出现三维凹陷结构，对未燃气体产生明显的吸卷效应。

2）将火焰传播的最高/最低速度作为抑制爆燃能力的判定标准，对比2 种喷射位置，近点火端喷射CO2比远离点火端喷射的最高火焰传播速度低20.79%，而喷射N2时最高火焰传播速度降低20.25%；近点火端喷射CO2比远点火端喷射的最低火焰速度降低9.68%，喷射N2时降低12.86%，因此近点火端喷射惰性气体抑制瓦斯/空气预混气体爆燃的效果更好。

3）对比2 种阻燃抑爆气体，近点火端喷射CO2比喷射N2的最高火焰传播速度低21.78%，最低速度比N2低1.82%；远点火端喷射CO2时的最高火焰速度比N2低21.25%，最低火焰速度比N2低5.27%，因此，CO2的效果比N2更好。