汪 泉，郭子如，沈兆武，馬宏昊,3

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥，230027；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥，230027)

管道內(nèi)預(yù)混可燃?xì)怏w爆燃過程涉及氣體流動與化學(xué)反應(yīng)耦合、火焰與管壁作用、火焰與聲波振蕩作用等復(fù)雜問題，國內(nèi)外不少學(xué)者開展了此方面研究工作[1-4]。表征管內(nèi)爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膮?shù)主要有火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆燃壓力、爆燃溫度等，其中爆燃壓力直接反映可燃?xì)怏w爆燃波強(qiáng)度、破壞效果等情況。爆燃壓力的大小與氣體種類和濃度、點火能量、有無障礙物、泄放封口狀況、管道材料等諸多因素有關(guān)，實際研究中往往從單個因素分別考慮其影響情況。本文通過在水平放置的有機(jī)玻璃方管上布置 6支壓力傳感器，測試得到不同甲烷濃度、不同重復(fù)障礙片以及不同封口材料約束等條件下管內(nèi)氣體爆燃壓力分布規(guī)律。為化工容器泄爆、可燃?xì)怏w管道輸送、礦井巷道瓦斯抑爆等方面的研究提供參考。

1 實驗設(shè)計

火焰加速管為長1.5m、截面0.10m×0.10m的有機(jī)玻璃材質(zhì)方管，點火端封閉，開口端封口材料選用厚度約0.06mm聚乙烯（PE）薄膜和厚度約0.17mm牛皮紙(后面若無特別說明封口材料均為單層 PE薄膜)。點火采用簡易電容儲能放電方式，點火能量在250～500mJ。配氣[5]時，預(yù)先將管道抽成真空，再充入配置好的甲烷/空氣預(yù)混氣體(甲烷體積濃度有8.31%、9.35%、9.47%、10.70%幾種)，使管內(nèi)氣體壓力回到常壓進(jìn)行實驗，甲烷濃度用CJG-10型甲烷測定器測量。為了得到爆燃火焰壓力分布情況，在管道上布置6支CY-YD-203型壓力傳感器，其距點火端水平距離分別為51mm、319mm、589mm、862mm、1 130 mm、1 405 mm，配接YE5853A型電荷放大器和 HIOKI8841儲存記錄儀進(jìn)行信號放大和采集。同時選用4種重復(fù)障礙片型障礙物[6]，以獲得有障礙物時管內(nèi)氣體爆燃壓力分布情況。實驗測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗測試系統(tǒng)Fig.1 Schematic of experimental set-up

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甲烷濃度下爆燃壓力分布

預(yù)混氣體燃燒速度和放熱量與甲烷濃度有很大關(guān)系，當(dāng)甲烷與空氣發(fā)生完全氧化反應(yīng)時，根據(jù)其總反應(yīng)方程式：

可計算出甲烷的化學(xué)計量濃度值為9.48%，理論上此數(shù)值為燃燒反應(yīng)最劇烈點，然而實際過程由于反應(yīng)不完全性和燃燒產(chǎn)物的離解和二次反應(yīng)等原因，存在氣體基本燃燒速度極值的最佳濃度，該濃度為化學(xué)計量濃度的1.1～1.5倍[8]。

CH4濃度分別為8.31%、9.35%和10.7%時管道內(nèi)預(yù)混氣體爆燃壓力分布情況見圖2，為了方便比較，各測點壓力均采用峰值爆燃壓力表示。由圖2很容易看出，管內(nèi)各測點峰值壓力數(shù)值大小關(guān)系為Pmax(10.7%CH4)>Pmax(9.35%CH4)>Pmax(8.31 %CH4)，很顯然 10.7%、9.35%數(shù)值分別接近于最佳濃度和化學(xué)計量比濃度，而且10.7%為1.13倍化學(xué)計量比濃度，符合1.1～1.5倍范圍，即甲烷濃度在最佳濃度附近時燃燒反應(yīng)最劇烈、爆燃壓力最大。根據(jù)圖2還可看出，3種濃度下各測點峰值壓力從點火端開始增加，至方管中段位置有壓力脈動現(xiàn)象，在傳播到約管長2/3處爆燃壓力出現(xiàn)最大值，而后靠近開口端壓力迅速下降。

圖2 不同甲烷濃度下管內(nèi)氣體爆燃壓力分布Fig.2 Deflagration pressure distribution under different methane concentration condition

2.2 不同障礙物下爆燃壓力分布

選用A、B、C、D共4種類型障礙物，以研究置障條件下管內(nèi)氣體爆燃壓力分布情況。障礙物A(C)為5片、間距30cm、高1cm(2cm)的重復(fù)障礙片，障礙物B(D)為7片、間距20cm、高1cm(2cm)的重復(fù)障礙片。各類型障礙片均由1mm厚銅片制成，首障礙片距點火端距離均為15cm。圖3(a)、3(b)分別為8.31%CH4和9.35%CH4濃度下4種類型障礙物條件管內(nèi)氣體爆燃壓力分布情況。

圖3 不同障礙物下管內(nèi)氣體爆燃壓力分布Fig.3 Deflagration pressure distribution under different repeat baffles condition

由圖3可知，各類型障礙物均引起管內(nèi)氣體爆燃壓力不同程度的增加，約為無障礙物情形的1～3倍，數(shù)值之間的關(guān)系為Pmax(D)>Pmax(C) >Pmax(B) >Pmax(A)>Pmax(無障礙物)，說明增加障礙片個數(shù)和阻塞比對火焰爆燃壓力均有貢獻(xiàn)，同時也表明阻塞比的激勵程度要優(yōu)于障礙片個數(shù)(這一點可以從B、C類型障礙物條件爆燃壓力數(shù)值比較上反映出來)。

2.3 不同開口約束下爆燃壓力分布

泄壓膜片其破裂壓力與材料強(qiáng)度、厚度和直徑滿足以下關(guān)系[8]：

式（1）中：PΔ為膜片兩邊壓力差，Pa；δ為厚度，mm；σ為抗拉強(qiáng)度，Pa；d為泄壓口直徑，mm。

若假定壓力差PΔ等于最大爆燃壓力Pb（表壓），則式（1）可簡化為(適用于方形、圓形和矩形膜片)[8]：

式（2）：Pb為最大爆燃壓力，kPa；AV為泄壓口面積，m2；Kb為由實驗確定的材料常數(shù)，kPa·m。

本文選用1層(厚0.06mm)、2層、4層PE薄膜和牛皮紙(厚0.17mm)作為開口端封口材料，測試得出9.35%CH4、不同封口約束下管內(nèi)氣體爆燃火焰壓力分布情況，結(jié)果如圖4所示。

圖 4 不同開口約束下管內(nèi)氣體爆燃壓力分布(9.35%CH4)Fig.4 Deflagration pressure distribution under different sealing materials at open end condition

單層PE薄膜和牛皮紙出廠標(biāo)識的抗拉強(qiáng)度分別約為 20MPa、23.5MPa，根據(jù)式（1）～（2）可分別估算出它們的破裂壓力和材料爆破常數(shù)為0.012MPa、1.2kPa·m和0.040MPa、4.0kPa·m，據(jù)此可假定2層和4層薄膜破裂壓力為0.024MPa、0.048MPa。通過以上計算以及圖4的測試結(jié)果可看出，在泄放口面積一定條件下，管內(nèi)氣體爆燃壓力數(shù)值與封口材料的厚度和抗拉強(qiáng)度均有關(guān)，材料越厚、抗拉強(qiáng)度越大，管內(nèi)爆燃壓力值越大。管內(nèi)各測點峰值壓力分布規(guī)律為：點火端峰值壓力較小，而后逐漸增大，在管道中部出現(xiàn)壓力脈動，在管道2/3位置出現(xiàn)最大爆燃壓力，臨近泄放口處峰值壓力下降，該數(shù)值大于估算的封口材料破裂壓力，但隨著封口材料約束強(qiáng)度增加，此處峰值壓力下降速度減緩。

2.4 不同時刻瞬時爆燃壓力分布

管內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃壓力分布除了與位置有關(guān)外，還具有時間相關(guān)性，圖5為9.47%CH4典型時刻的管內(nèi)氣體爆燃壓力分布情況。

從圖5可看出，點火后約40ms壓力波到達(dá)首測點，而后依次到達(dá)其余測點。各測點壓力變化規(guī)律都是先增大后減小，在臨近開口處壓力下降迅速。各測點壓力持續(xù)時間從約40ms到超過200ms不等，表現(xiàn)為管道兩端持續(xù)時間較短，管道中部壓力持續(xù)時間較長且有壓力脈動現(xiàn)象。

圖5 不同時刻管內(nèi)氣體瞬時爆燃壓力分布(9.47% CH4)Fig.5 Deflagration pressure distribution at different time(9.47% CH4)

3 結(jié)論

（1）開口泄放管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃壓力分布規(guī)律基本一致：峰值壓力從點火端開始增加，至管道中段位置有壓力脈動現(xiàn)象，在傳播到約管長2/3處爆燃壓力出現(xiàn)最大值，而后靠近開口端壓力下降。

（2）甲烷濃度接近化學(xué)計量濃度時，管內(nèi)爆燃壓力最大；內(nèi)置重復(fù)障礙物會激勵火焰?zhèn)鞑ミ^程，使得爆燃壓力增加，而障礙物阻塞比的激勵程度要優(yōu)于障礙片個數(shù)。

（3）在泄放口面積一定條件下，管內(nèi)氣體爆燃壓力數(shù)值與封口材料的厚度和抗拉強(qiáng)度均有關(guān)，材料越厚、抗拉強(qiáng)度越大，管內(nèi)爆燃壓力值越大。

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