余明高，陽旭峰，鄭 凱，萬少杰

(1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044;2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

摻氫碳氫燃料是未來能源發(fā)展的趨勢，而燃料摻氫后能夠明顯增加混合氣體的爆炸危險性。近年來，學(xué)者們針對添加氫氣對甲烷爆炸特性的影響已進行了大量研究。Ma等[1-2]通過實驗與數(shù)值計算的方法研究發(fā)現(xiàn)最大爆炸壓力和爆炸溫度隨氫氣體積分?jǐn)?shù)增大呈線性升高。Yu等[3]對不同氫氣體積分?jǐn)?shù)條件下的甲烷/氫氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行詳細的研究。Salzano等[4]、Faghih等[5]的研究表明：當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)小于70%時，預(yù)混氣體爆炸特性受氫氣影響較小，此時爆燃指數(shù)隨氣體體積分?jǐn)?shù)增加緩慢；而氫氣體積分?jǐn)?shù)大于70%時，預(yù)混氣體爆炸特性主要受氫氣主導(dǎo)，此時爆燃指數(shù)呈指數(shù)增長。

可燃氣體爆炸會受環(huán)境中障礙物的影響，障礙物的存在會加劇火焰?zhèn)鞑ミ^程中的湍流現(xiàn)象，而火焰/湍流的耦合作用對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔芯薮蟮拇龠M作用[6-7]。管道內(nèi)障礙物阻塞率和障礙物數(shù)量的不同會對管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽斐删薮笥绊?。大量研究發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)，預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c峰值超壓均隨著障礙物阻塞率以及障礙物數(shù)量的增加而上升[8-11]，而上升速率與障礙物的幾何形態(tài)有關(guān)。丁以斌等[12]、王成等[13]通過實驗研究不同形狀障礙物對火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱挠绊?，發(fā)現(xiàn)平板障礙物對火焰?zhèn)鞑ビ绊戄^大。Wen等[14]通過研究交錯障礙物對甲烷/空氣爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊懀l(fā)現(xiàn)當(dāng)障礙物位于中間位置的爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ニ俣纫h遠大于障礙物位于兩側(cè)時。Na’inna等[15-16]研究了障礙物間距對爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，發(fā)現(xiàn)兩障礙物之間存在一個最佳距離，使得爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最大值。

添加氫氣和增加障礙物阻塞率均能改變甲烷氣體的爆炸特性，但前人研究主要局限于某一個影響因素，而對甲烷氣體爆炸規(guī)律受障礙物與氫氣共同影響的研究較少。本文中在自制小尺寸實驗平臺上開展不同氫氣體積分?jǐn)?shù)條件下障礙物阻塞率及障礙物形狀對甲烷爆炸特性的影響，獲取不同障礙物阻塞率與形狀下甲烷/氫氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱葦?shù)據(jù)，探索管道內(nèi)障礙物阻塞率及形狀對甲烷/氫氣爆炸特性的影響規(guī)律，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 實 驗

為研究管道內(nèi)障礙物阻塞率及形狀對甲烷/氫氣預(yù)混氣體爆炸特性的影響，自主搭建小尺寸實驗平臺來捕捉管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ袨?。平臺由實驗管道、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗管道尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，由透明石英玻璃制成，以便高速攝像機捕捉預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ袨?。管道底部采用不銹鋼鋼板進行封閉，管道頂部(泄爆端)采用PVC薄膜封閉。配氣系統(tǒng)主要使用3個高靈敏度質(zhì)量流量控制器按照氣體分壓定律進行直接配氣。點火裝置、壓力傳感器和進氣口均安裝于管道底部鋼板的中央位置，三者相距20 mm。光電傳感器安裝于管道外部并指向點火位置，用于標(biāo)定火焰?zhèn)鞑r間。實驗過程中采用高頻脈沖點火器點火，點火電壓為6 V，點火能量為0.2 J；利用數(shù)據(jù)采集卡采集爆炸過程中的壓力信號，采集頻率為15 kHz；采用高速攝像儀采集預(yù)混火焰?zhèn)鞑D像，采集頻率為5 000 s-1。為對比分析障礙物阻塞率及形狀對當(dāng)量比為1時，甲烷/氫氣預(yù)混氣體爆炸特性的影響，實驗在4個工況中進行，其障礙物阻塞率分別為0.3、0.4、0.5和0.5，其中工況3與工況4障礙物形狀不同，各實驗工況如圖1所示。預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為0%、25%、50%、75%和100%。

預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)可按下式計算：

(1)

式中：V(H2)為氫氣體積，V(CH4)為甲烷體積。

燃料當(dāng)量比為：

式中：F/A為燃料與空氣體積比，(F/A)|stoic為燃料與空氣的燃空當(dāng)量比。Φ<1為貧燃；Φ=1為化學(xué)計量濃度；Φ>1為富燃。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)的影響

對高速攝像機采集到的爆炸預(yù)混火焰?zhèn)鞑D像進行處理，得到火焰鋒面結(jié)構(gòu)隨時間變化圖像。圖2所示為各工況在氫氣體積分?jǐn)?shù)為50%時的預(yù)混火焰?zhèn)鞑D像。從圖中可以看出，點火初期各工況火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)基本相同[17-18]?；鹧?zhèn)鞑ビ稣系K物后，由于障礙物阻塞率與形狀的變化，其傳播結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯差異。在圖2(a)～(c)中，在火焰經(jīng)過第1組障礙物時，由于障礙物的阻礙作用與已燃氣體的膨脹作用，火焰鋒面被拉長，形成尖端火焰鋒面，且隨著障礙物阻塞率的增加，這一現(xiàn)象變得更加明顯。經(jīng)過拉伸的火焰由第1組障礙物中間的空隙噴出，形成“蘑菇狀”火焰結(jié)構(gòu)。通過障礙物后的火焰在高壓氣流的作用下向兩側(cè)不斷產(chǎn)生卷吸和褶皺，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)變得扭曲，從而使得大量未燃燒氣體與高溫燃燒氣體混合[14]，進而導(dǎo)致預(yù)混火焰?zhèn)鞑ビ蓪恿飨蛲牧鬓D(zhuǎn)變。障礙物的阻塞率越大，經(jīng)過障礙物時火焰鋒面拉伸越長，形成的火焰通道越窄，加速效應(yīng)愈明顯。在圖2(d)中，障礙物位于管道中央位置，當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ降?組障礙物時，火焰前鋒被障礙物壓平，此后由于已燃氣體膨脹產(chǎn)物的壓縮作用與障礙物的阻擋作用，火焰由障礙物兩側(cè)空隙向下游噴出，形成兩束火焰前鋒。穿過障礙物后的火焰前鋒在高壓氣流的作用下不斷的卷吸和扭曲，形成“舌狀”火焰前鋒。由于火焰前鋒的卷吸作用，這2個獨立火焰鋒面逐漸向管道中心軸線靠攏，重新結(jié)合在一起，在這一過程中，預(yù)混火焰完成由層流向湍流的轉(zhuǎn)變[19]。實驗中含有3組障礙物，火焰通過每組障礙物時其傳播結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷相似的變化過程。但經(jīng)過的障礙物數(shù)量越多，火焰湍流特征越明顯，火焰前鋒變得更扭曲。

圖3所示為工況3在混合氣體氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為φ=0,25%,75%和100%時預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中的結(jié)構(gòu)變化，φ=50%的結(jié)果則在圖2(c)中給出。從圖3中可以看出，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰顏色發(fā)生明顯變化。當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為零時，在點火后，火焰?zhèn)鞑コ跗诔实{色，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰顏色逐漸出現(xiàn)黃色、紅色，這是由于甲烷與氫氣燃燒時，自由基濃度及其光譜不同而造成火焰顏色的變化[20]。隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰變得更加明亮，這表明火焰溫度隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而升高[21]。相同工況條件下預(yù)混火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)變化趨勢基本相同，但是隨著預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，預(yù)混火焰穩(wěn)定性逐漸減弱，使得火焰鋒面變得更加扭曲。

2.2 對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

對高速攝像機拍攝到的火焰?zhèn)鞑D像進行計算處理，得到火焰前鋒速度隨位置變化曲線。圖4所示為氫氣體積分?jǐn)?shù)φ=0,50%,100%時，不同工況下火焰前鋒位置與速度的變化曲線。從圖4中可以看出，相同氫氣體積分?jǐn)?shù)條件下，各工況在火焰?zhèn)鞑コ跗诘幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣茸兓€基本保持重合。經(jīng)第1組障礙物作用后，各工況火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓厔莼鞠嗨?，即火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)過障礙物時經(jīng)歷先加速后減速然后再次加速的過程，這是由于經(jīng)過障礙物時火焰被拉伸使得火焰加速，經(jīng)過障礙物后火焰會向兩側(cè)或中央卷吸使得速度下降；火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮〕霈F(xiàn)明顯的差別，這是由障礙物阻塞率變化而致使預(yù)混火焰湍流強度的變化所引起的，阻塞率越大時湍流強度越大，火焰/湍流耦合效應(yīng)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募铀傩?yīng)愈發(fā)明顯?；鹧?zhèn)鞑ニ俣葧S著障礙物阻塞率的增加而增大。對比工況3和4可以看出，阻塞率相同時，障礙物形狀對火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂休^大的影響。工況4的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@大于工況3，且工況4的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓觿×摇＿@主要因為障礙物位于管道中間位置時，經(jīng)過障礙物后火焰鋒面面積變化幅度較大，產(chǎn)生的火焰/湍流耦合效應(yīng)對火焰速度的激勵作用更加明顯。

對比圖4(a)～(c)中火焰前鋒位置-速度圖可以看出，當(dāng)混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)較低(φ≤50%)時，火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)出先增加后下降再增加的變化趨勢；而氫氣分?jǐn)?shù)為75%和100%時，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诮?jīng)過第1組障礙物后呈近似直線增長?；鹧?zhèn)鞑ソ?jīng)第1組障礙物作用后會由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳎覍嶒炦^程中含有3組障礙物，而障礙物的數(shù)量能夠明顯增加火焰?zhèn)鞑ミ^程中的湍流強度[22]。當(dāng)混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)φ≤50%時，氫氣對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾有Ч^弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，增加預(yù)混火焰湍流強度能夠明顯增加預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣?；在氫氣體積分?jǐn)?shù)較大(φ>50%)情況下，預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅４?，?dāng)預(yù)混火焰為湍流傳播時，火焰/湍流耦合效應(yīng)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募铀傩Ч⒉幻黠@[23]，此時燃料自身燃燒特性對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懻紦?jù)主導(dǎo)性作用，而湍流效應(yīng)影響甚微。

表1給出各工況預(yù)混火焰?zhèn)鞑ブ凉艿莱隹谒钑r間t。從表中可以看出，添加氫氣、增加障礙物阻塞率和改變障礙物形狀均能使得火焰?zhèn)鞑ブ脸隹谒钑r間縮短。對于工況1，在氫氣體積分?jǐn)?shù)從零增大到100%的過程中t相應(yīng)地從34.30 ms縮短到5.45 ms，減少了84.11%。對于氫氣體積分?jǐn)?shù)為零阻塞率由0.3增大到0.5時，t相應(yīng)地從34.30 ms縮短到30.45 ms，縮短11.22%。而氫氣體積分?jǐn)?shù)為零時障礙物位于兩側(cè)與中間的t分別為30.45 ms和28.75 ms，縮短5.58%。對數(shù)據(jù)對比分析可以看出，障礙物阻塞率與形狀對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ブ脸隹谒钑r間明顯影響要小于增加氫氣體積分?jǐn)?shù)對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ブ脸隹谒钑r間的影響。

表1 預(yù)混火焰?zhèn)鞑ブ脸隹谒钑r間Table 1 Time of flame needed to arrive at the vent

2.3 對超壓的影響

圖5給出各工況在氫氣體積分?jǐn)?shù)φ=0和φ=50%時的壓力隨時間變化規(guī)律曲線。對比圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)(φ≤50%)，能夠從壓力曲線中明顯觀測到泄爆壓力，此后泄爆壓力會隨著混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而消失；達到最大超壓的時間會隨著障礙物阻塞率及氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而減??；當(dāng)障礙物位于管道中間時達到最大超壓的時間要小于障礙物位于管道兩側(cè)時的時間。根據(jù)Ibrahim等[24]的定義，管道內(nèi)出現(xiàn)的第1個壓力峰值為泄爆壓力；第2個壓力峰值稱為峰值超壓，此壓力值為管道最大超壓。但從圖中5(a)中可以發(fā)現(xiàn)，各工況在泄爆壓力形成之后最大超壓形成之前的時間段內(nèi)均出現(xiàn)1個壓力峰值，該壓力峰值會隨著障礙物阻塞率的增大而變的不明顯，也隨著混合氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而消失。這與Ibrahim等人結(jié)果出現(xiàn)明顯差異。Ibrahim等[24]的實驗過程中管道內(nèi)僅含有1組障礙物，而本文中實驗管道內(nèi)含有3組障礙物?？梢哉J(rèn)為，此現(xiàn)象是由管道內(nèi)障礙物數(shù)量變化而引起的。

圖6所示為不同工況在不同氫氣體積分?jǐn)?shù)條件下的最大超壓曲線，從圖中可以看出，預(yù)混氣體最大爆炸超壓隨著障礙物阻塞率和氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而增大?？梢詫D中最大爆炸超壓隨體積分?jǐn)?shù)的增長分為2個部分。當(dāng)混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)φ≤50%時，此時各工況最大爆炸超壓隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而緩慢上升。當(dāng)混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)為零時工況1中的爆炸最大超壓為12.55 kPa，而氫氣體積分?jǐn)?shù)為50%時達到23.29 kPa，最大超壓升高約85.6%；當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為零時，工況2的最大爆炸超壓為25.54 kPa，相比于工況1中的最大超壓升高103.5%?？梢钥闯觯畲蟊ǔ瑝菏苷系K物阻塞率與預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的共同影響，但此時障礙物阻塞率對最大差壓的影響明顯占據(jù)主要地位。當(dāng)混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)較大(φ>50%)時，最大爆炸超壓隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的加而急劇增長，相較于障礙物阻塞率的變化，混合氣自身燃燒特性對最大爆炸壓力的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。對于工況3和工況4在障礙物形狀不同、阻塞率相同的情況下，當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)小于50%時，兩者最大爆炸超壓基本相同；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于50%時，兩者最大爆炸差壓出現(xiàn)明顯差異，障礙物位于管道中間位置時對最大爆炸超壓的影響明顯大于兩側(cè)時的。

3 結(jié) 論

通過自主搭建的小尺寸實驗平臺研究了障礙物阻塞率及形狀對甲烷/氫氣爆炸特性的影響主要得到以下結(jié)論：

(1)相同工況下的火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)障礙物作用后會經(jīng)歷相似的變化過程。障礙物阻塞率越大，火焰前鋒拉伸越長，火焰加速效應(yīng)越明顯。增大預(yù)混氣體中氫氣積分?jǐn)?shù)能夠明顯提高火焰不穩(wěn)定程度。

(2)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而上升，而增加障礙物阻塞率能夠進一步提高預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣?，減少火焰?zhèn)鞑ブ凉艿莱隹谒钑r間。阻塞率一定時，障礙物位于管道中間時的預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣燃邦A(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓厔菥笥谡系K物位于兩側(cè)時的情況。

(3)最大爆炸超壓隨障礙物阻塞率與混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，但最大爆炸超壓出現(xiàn)時間會隨障礙物阻塞率和混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大顯著減小，泄爆壓力會隨著混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而消失。

(4)管道內(nèi)甲烷/氫氣爆炸特性可根據(jù)氫氣體積分?jǐn)?shù)的不同劃分為兩個部分。當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)φ≤50%時，爆炸特性受障礙物的激勵作用與混合氣體燃燒性質(zhì)共同影響；而在氫氣體積分?jǐn)?shù)φ>50%時，爆炸特性主要受到混合氣體自身燃燒特性的影響。

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