章智慧, 王昌建, 劉 義, 李 冰, 周鵬剛

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266580; 3.兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司,山東 鄒城 273512)

氫氣作為一種潔凈無(wú)污染的二次能源,越來(lái)越受到人們的重視,并在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而,由于高壓氫氣的意外泄漏并被點(diǎn)燃所形成的欠膨脹氫氣噴射火通常會(huì)很長(zhǎng),并可能產(chǎn)生高溫和熱輻射危害,危及人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[2]。因此,為了減弱氫氣噴射火帶來(lái)的危害,迫切需要尋找一種行之有效的方法來(lái)?yè)錅缁蜃韪魵錃鈬娚浠?。文獻(xiàn)[3]研究表明,細(xì)水霧具有較高的熱容和汽化潛熱,可以有效地降低火焰的熱輻射。與此同時(shí),細(xì)水霧還可以顯著降低局部的氧濃度,從而降低火焰的燃燒效率。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)細(xì)水霧的研究和應(yīng)用進(jìn)行了較為全面的綜述,包括細(xì)水霧的發(fā)展趨勢(shì)、面臨的挑戰(zhàn)以及其在抑爆、滅火和除煙中的應(yīng)用;文獻(xiàn)[6]研究了細(xì)水霧與大尺寸(1.10 MW)亞音速甲烷擴(kuò)散火焰之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧可以增加火焰的抬升距離,降低火焰的最高溫度和熱輻射。通過(guò)研究細(xì)水霧與甲烷氣體擴(kuò)散火焰之間的相互作用,文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧蒸發(fā)形成的水蒸氣在衰減熱輻射方面具有顯著作用,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的火焰輻射熱通量明顯小于沒(méi)有細(xì)水霧作用時(shí)的輻射熱通量,但細(xì)水霧作用前后火焰的高度和溫度沒(méi)有明顯變化;文獻(xiàn)[8]使用紅外攝像儀來(lái)評(píng)估細(xì)水霧對(duì)高速非預(yù)混甲烷噴射火的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管細(xì)水霧無(wú)法撲滅火災(zāi),但細(xì)水霧與火焰之間的熱交換以及細(xì)水霧對(duì)氧氣的稀釋隔離作用對(duì)火焰燃燒效率的降低有顯著的影響。細(xì)水霧與火焰的相互作用是極為復(fù)雜的過(guò)程,并且與燃料的種類密切相關(guān)[9]。然而,關(guān)于細(xì)水霧與欠膨脹氫氣噴射火相互作用的研究較少。因此,本文通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究細(xì)水霧對(duì)水平欠膨脹氫氣噴射火的影響,進(jìn)而評(píng)估細(xì)水霧在削弱氫氣噴射火危害方面的有效性和合理性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置主要由氫氣噴射火系統(tǒng)、瓶組式細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量及采集系統(tǒng)組成,如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)選用瓶組式細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng),通過(guò)調(diào)節(jié)高壓氮?dú)馄可系臏p壓閥來(lái)調(diào)節(jié)耐高壓儲(chǔ)水罐中的壓力,儲(chǔ)水罐上配有數(shù)顯壓力表(型號(hào)為PUST.PLD.0201,測(cè)量范圍為0～6 MPa,精度為0.5%)來(lái)實(shí)時(shí)顯示細(xì)水霧壓力。采用單個(gè)實(shí)心錐形細(xì)水霧噴嘴垂直向下噴射,并與氫氣噴嘴軸線垂直正交,細(xì)水霧霧性參數(shù)見表1所列。

表1 不同壓力和高度下細(xì)水霧霧性參數(shù)

氫氣噴射火系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氫罐、減壓閥、緩沖罐、壓力傳感器、波紋管、噴嘴等組成,氫氣由儲(chǔ)氫罐上的減壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié),通過(guò)波紋管流入緩沖罐進(jìn)行降速穩(wěn)壓,然后通過(guò)噴嘴噴出。

因?yàn)楸疚闹饕疾鞂?shí)心錐形細(xì)水霧在不同施加高度以及施加壓力下對(duì)欠膨脹氫氣噴射火的影響,所以在所有測(cè)試場(chǎng)景中,氫氣壓力始終保持在0.5 MPa,并使用直徑為3 mm的圓形噴嘴。

實(shí)驗(yàn)將細(xì)水霧噴嘴水平設(shè)置在欠膨脹氫氣噴射火火焰水平長(zhǎng)度的中間位置處,設(shè)置高度H分別為30、 50、 70 cm,分別記作實(shí)驗(yàn)A、B、C,不同的細(xì)水霧壓力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa,分別記為1、2、3、4,以此來(lái)描述實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)采用K型熱電偶來(lái)測(cè)量溫度,由于氫氣噴射火火焰溫度可能超過(guò)2 000 ℃[4],遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了所選熱電偶的測(cè)量范圍0～1 300 ℃。因此,本文通過(guò)測(cè)量火焰軸線末端羽流區(qū)域及周圍環(huán)境溫度,來(lái)反映噴射火對(duì)環(huán)境的熱危害。熱電偶在距離氫氣噴嘴80 cm的位置開始布置,之后相鄰熱電偶間隔10 cm布置,共計(jì)11根,如圖2所示。使用4個(gè)完全相同的TS-34C輻射熱流計(jì)(光譜響應(yīng)為0.3～50 μm,輸入范圍為±200 kW/m2,靈敏度為優(yōu)于2 μV/(W/m2),來(lái)采集細(xì)水霧施加前后不同位置處的熱輻射數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置位置示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用佳能ESO6D相機(jī)來(lái)記錄細(xì)水霧與噴射火相互作用過(guò)程中火焰的行為變化,由于氫氣火焰亮度相對(duì)較弱,同時(shí)為了減小火焰長(zhǎng)度測(cè)量的誤差,所有測(cè)試均在夜間進(jìn)行,并使用黑色遮光布來(lái)消除背景光。所有的測(cè)試均在長(zhǎng)為30.2 m、寬為8.4 m、高為6.5 m的封閉房間內(nèi)進(jìn)行,有效地避免了環(huán)境條件對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰變化

實(shí)驗(yàn)工況A-2中的火焰形態(tài)隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)工況A-2中火焰形態(tài)隨時(shí)間的變化情況

細(xì)水霧施加前的自由噴射火階段記為t=0 ms,此時(shí)火焰顏色主要為淡黃色,由于浮力的作用,火焰末端略微向上傾斜,火焰整體為水平射流狀態(tài)。在t=20 ms時(shí),細(xì)水霧閥門被打開,此時(shí)極少量的霧滴到達(dá)射流火表面,火焰整體形態(tài)未發(fā)生明顯變化。

在t=60 ms時(shí),霧滴被高溫的氫氣噴射火加熱,霧滴迅速吸熱汽化,體積迅速膨脹,使得火焰受到強(qiáng)烈干擾,火焰形態(tài)發(fā)生劇烈波動(dòng)[10]。此外,具有一定動(dòng)量的細(xì)水霧對(duì)燃燒區(qū)周圍的空氣具有卷吸作用,將氧氣帶入火焰內(nèi)部,從而使火焰燃燒更加充分。在t=80 ms時(shí),細(xì)水霧的流動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定,其流量也幾乎保持不變,此時(shí)火焰的顏色發(fā)生了明顯的改變,變?yōu)槊髁恋狞S色。在t=100 ms時(shí),火焰形態(tài)發(fā)生改變,可以明顯看到火焰水平長(zhǎng)度被細(xì)水霧所抑制。

在t=200 ms時(shí),火焰的形態(tài)開始趨于穩(wěn)定,在細(xì)水霧的巨大沖擊下,火焰被打折,在細(xì)水霧與火焰相互作用的地方開始形成一定的折角。隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移,在t=400 ms時(shí),噴射火火焰偏折的角度幾乎保持不變,同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在其余實(shí)驗(yàn)工況中。

2.2 火焰折角與水平長(zhǎng)度

以細(xì)水霧噴嘴軸線與噴射火軸線垂直正交的點(diǎn)為原點(diǎn),向下偏折的火焰部分與火焰射流軸線所形成的夾角定義為火焰折角。細(xì)水霧在不同施加高度和施加壓力下,火焰折角大小的變化情況如圖4所示。從圖4可以看出,隨著細(xì)水霧壓力的增大,火焰折角逐漸增大,這是由于細(xì)水霧壓力增大,使得細(xì)水霧流量隨之增大,細(xì)水霧的動(dòng)能也隨著增大,進(jìn)而在細(xì)水霧的沖擊作用下,火焰發(fā)生偏折。隨著細(xì)水霧施加高度的增加,火焰折角逐漸變小,這是由于細(xì)水霧施加高度的增大,使得其有效霧通量減小進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)水霧動(dòng)量減小造成的。

圖4 火焰折角變化情況

不同實(shí)驗(yàn)工況下施加細(xì)水霧后噴射火水平火焰長(zhǎng)度的變化情況如圖5所示。

在細(xì)水霧壓力較小時(shí)(0.5 MPa),由于細(xì)水霧施加后而產(chǎn)生的火焰膨脹現(xiàn)象,使得火焰水平長(zhǎng)度反而有所增大,最大變?yōu)樵瓉?lái)的118%,并且隨著細(xì)水霧施加高度的增大而膨脹效果逐漸減小。隨著細(xì)水霧壓力的增大,火焰水平長(zhǎng)度開始逐漸縮短,并且壓力越大長(zhǎng)度越短,在細(xì)水霧壓力為2.0 MPa時(shí),火焰水平長(zhǎng)度最大縮短為原來(lái)的62%,而在細(xì)水霧施加高度為50、70 cm時(shí),火焰水平長(zhǎng)度分別縮短為原來(lái)的66%、69%。

從圖5可以看出,在相同的細(xì)水霧壓力下,細(xì)水霧的施加高度越低,水平火焰長(zhǎng)度縮短得越顯著。綜上所述,細(xì)水霧的施加會(huì)導(dǎo)致火焰發(fā)生偏折,進(jìn)而會(huì)對(duì)火焰下方區(qū)域造成潛在的危害,此外,不當(dāng)?shù)厥┘蛹?xì)水霧還可能會(huì)導(dǎo)致火焰出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象,使得火焰長(zhǎng)度有所增大,帶來(lái)更為嚴(yán)重的危害。因此,為了有效縮短火焰長(zhǎng)度,細(xì)水霧的釋放位置應(yīng)盡可能靠近火焰,除此之外,還應(yīng)增大細(xì)水霧的施加壓力。

2.3 溫度

不同實(shí)驗(yàn)工況下的溫度變化曲線如圖6所示。從圖6a可以看出,實(shí)驗(yàn)工況A-1的細(xì)水霧施加前后溫度的變化情況。在自由噴射火階段,沿軸線方向上的溫度隨著遠(yuǎn)離氫氣泄露噴嘴距離的增加而降低。細(xì)水霧施加后,距離氫氣噴嘴較近的熱電偶T1～T8所測(cè)量到的溫度開始降低,而后方的熱電偶T9～T11所測(cè)量到的溫度反而略有升高。在熱電偶T11處,測(cè)量溫度顯著升高,最高約210 ℃(比原來(lái)的溫度高出近110 ℃)。從圖6b、圖6c可以看出,在細(xì)水霧壓力為0.5 MPa的其他實(shí)驗(yàn)工況B-1、C-1中,也出現(xiàn)了溫度升高的現(xiàn)象。一方面,低壓細(xì)水霧的施加導(dǎo)致射流火火焰燃燒強(qiáng)化和膨脹現(xiàn)象的出現(xiàn)[11];另一方面,由于此時(shí)的細(xì)水霧流量相對(duì)較小,冷卻效果相對(duì)較弱。因此,在這2個(gè)因素的共同作用下導(dǎo)致溫度升高。

圖6 不同實(shí)驗(yàn)工況下溫度變化情況

隨著細(xì)水霧施加高度的增加,細(xì)水霧的冷卻效果逐漸降低,這是由于細(xì)水霧施加高度增加導(dǎo)致其平均有效霧通量開始逐漸減少,細(xì)水霧分布得更加分散進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)水霧的冷卻效果逐漸減弱。從圖6d可以看出,隨著細(xì)水霧壓力的增大,在細(xì)水霧壓力為1 MPa時(shí),細(xì)水霧施加后,火焰軸線后方溫度快速下降,在較短的時(shí)間內(nèi),溫度不再趨于穩(wěn)定,而是隨著時(shí)間推移在不斷降低,可以發(fā)現(xiàn)距離火焰越近的熱電偶,溫度降低的速率越快。這主要是細(xì)水霧的沖擊作用使得火焰發(fā)生偏折,進(jìn)而導(dǎo)致火焰遠(yuǎn)離熱電偶。此外,由于細(xì)水霧壓力的增大,使得其流量增大,細(xì)水霧的冷卻效果也起著重要影響。當(dāng)細(xì)水霧的壓力大于等于1 MPa時(shí),將不再出現(xiàn)溫度升高的情況,并且還可以發(fā)現(xiàn),溫度的降低與細(xì)水霧的流量成正相關(guān),類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在其他的實(shí)驗(yàn)工況B、實(shí)驗(yàn)工況C中。

2.4 輻射

細(xì)水霧施加前后,不同工況下輻射強(qiáng)度變化情況如圖7所示。從圖7a可以看出,細(xì)水霧壓力為2 MPa時(shí),施加細(xì)水霧后輻射熱流計(jì)R1出現(xiàn)了輻射增大情況,細(xì)水霧施加高度為70 cm時(shí),R1的輻射密度從原來(lái)的1.83 kW/m2增加到約2.52 kW/m2,并且隨著細(xì)水霧施加高度的降低,輻射密度增大的幅度越來(lái)越大。施加高度為50 、30 cm時(shí),R1的輻射密度分別增大到約2.84 kW/m2和3.15 kW/m2。 在高壓細(xì)水霧的沖擊作用下,使得火焰發(fā)生偏折,而且隨著施加高度的降低,在相同的細(xì)水霧壓力下,火焰偏折的角度更大,使得火焰越發(fā)靠近輻射熱流計(jì)R1,進(jìn)而采集到的輻射密度就越大。

因此,在實(shí)際的工程應(yīng)用中,使用較高壓力的細(xì)水霧非但不會(huì)起到保護(hù)泄漏源安全的效果,相反可能會(huì)造成更為嚴(yán)重的二次危害。此外,在正對(duì)火焰軸線方向位置上的輻射密度,在施加細(xì)水霧后也出現(xiàn)了輻射增大的情況(圖7b)。

當(dāng)細(xì)水霧的壓力為0.5 MPa時(shí),細(xì)水霧的施加導(dǎo)致火焰膨脹現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外,在細(xì)水霧壓力較低的情況下,其有效霧通量相對(duì)較低,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)水霧隔絕和衰減輻射的能力也相對(duì)較弱,因此在這2個(gè)因素的共同影響下導(dǎo)致了輻射熱流計(jì)R4位置處的輻射出現(xiàn)增大的情況。這說(shuō)明,當(dāng)施加的細(xì)水霧壓力較低時(shí),會(huì)帶來(lái)更為嚴(yán)重的熱輻射危害,對(duì)火焰軸線下游區(qū)域的設(shè)施設(shè)備以及人員帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。而隨著細(xì)水霧壓力的增大,火焰下游區(qū)域輻射增大的情況開始消失,同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在其他實(shí)驗(yàn)工況中。

比較在細(xì)水霧軸線位置左右各15 cm相同距離處輻射熱流計(jì)R2、R3所測(cè)得的輻射變化情況,如圖8所示。

圖8 不同實(shí)驗(yàn)工況下R2和R3的輻射強(qiáng)度衰減情況

從圖8可以看出,隨著細(xì)水霧壓力的增大,細(xì)水霧對(duì)輻射熱流計(jì)R2、R3處的輻射強(qiáng)度的衰減效果逐漸顯著,當(dāng)細(xì)水霧的壓力從 0.5 MPa提升至2.0 MPa,其對(duì)輻射熱流計(jì)R2、R3位置處的輻射衰減效果分別提升20.0%、32.8%。

此外,在相同的細(xì)水霧壓力下,細(xì)水霧對(duì)輻射熱流計(jì)R3位置處的輻射衰減效果要優(yōu)于輻射熱流計(jì)R2位置處;因?yàn)榍放蛎洑錃鈬娚浠鹪谒椒较蛏暇哂泻艽蟮膭?dòng)量[12],所以使得垂直向下噴灑的細(xì)水霧流場(chǎng)發(fā)生偏移和改變,霧滴在火焰吹掃的作用下開始向R3位置處匯聚,進(jìn)而使得此處的輻射衰減的效果更加顯著。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)細(xì)水霧與欠膨脹氫氣噴射火之間的相互作用進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下:

1) 雖然細(xì)水霧不能熄滅欠膨脹氫氣噴射火,但火焰的折角隨著細(xì)水霧壓力的增加而增加,與自由欠膨脹氫氣噴射火相比,火焰的水平長(zhǎng)度最大縮減為原來(lái)的62%。這意味著細(xì)水霧雖然可以縮短火焰的水平長(zhǎng)度,但會(huì)對(duì)噴射火下方區(qū)域帶來(lái)危害。

2) 細(xì)水霧的施加會(huì)導(dǎo)致輻射出現(xiàn)增大或者減小2種截然不同情況的發(fā)生。如細(xì)水霧壓力為0.5 MPa時(shí),在火焰軸線后方位置,會(huì)出現(xiàn)輻射增大的情況,隨著細(xì)水霧壓力的增大,這種情況開始消失。但是在較高的細(xì)水霧壓力下,氫氣源位置處的輻射強(qiáng)度又會(huì)有所增大,進(jìn)而可能產(chǎn)生意想不到的二次危害。

3) 細(xì)水霧對(duì)欠膨脹氫氣噴射火的影響不僅與細(xì)水霧的壓力有著密切關(guān)系,還與細(xì)水霧的施加高度密不可分。細(xì)水霧壓力較小時(shí)(0.5 MPa),其施加高度越高,火焰膨脹的效果就越弱,就越有利于安全。但在較高的細(xì)水霧壓力下,細(xì)水霧的施加高度越高,對(duì)火焰長(zhǎng)度的縮減效果就越弱,這又是不利的一面。

4) 細(xì)水霧一方面可以降低射流火的溫度場(chǎng)和輻射場(chǎng),另一方面又會(huì)導(dǎo)致射流火燃燒的強(qiáng)化和火焰的膨脹。這2種作用機(jī)理同時(shí)存在、共同作用,并且與細(xì)水霧的壓力和釋放高度密切相關(guān)。