弱封閉管道向抑爆裝置內(nèi)泄爆對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h1>
2020-01-03 01:46:52常偉達(dá)李志敏徐小猛馬宏昊
火工品 2019年5期
常偉達(dá), 汪 泉, 李志敏, 徐小猛, 馬宏昊
弱封閉管道向抑爆裝置內(nèi)泄爆對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/p>
常偉達(dá)1,2, 汪 泉1,2, 李志敏1,2, 徐小猛1,2, 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. 安徽省爆破器材與技術(shù)工程實驗室, 安徽 淮南, 232001；3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥, 230027)
為了探究弱封閉管道向抑爆裝置內(nèi)泄爆對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，在?nèi)徑120mm、長5.5m不銹鋼管道受薄膜約束的開口端放置消爆倉，采集甲烷-空氣預(yù)混氣體的火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅級毫Φ葏?shù)。實驗結(jié)果表明：甲烷-空氣預(yù)混火焰出現(xiàn)了Tulip火焰結(jié)構(gòu)；消爆倉內(nèi)放置的抑爆環(huán)可以減弱管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r的湍流程度，有效降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?；實驗工況下氣體爆燃壓力時程曲線均有相似變化趨勢，且相同條件下布設(shè)消爆倉可以明顯衰減“外部爆炸”和“火焰振蕩加劇湍流”產(chǎn)生的壓力峰值。
甲烷-空氣預(yù)混氣體；消爆倉；爆燃壓力；高速攝像；火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
隨著甲烷等可燃性氣體在現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，預(yù)防和控制可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害已成為亟待解決的工程技術(shù)問題，而泄爆是一種有效的減輕災(zāi)害手段。GUO等[1]在2個柱形容器上開設(shè)對稱泄爆口，開展了氫-空氣預(yù)混氣爆炸的泄爆實驗；張偉等[2]探究了甲烷-空氣預(yù)混氣在通過管道連接的2個球形容器中泄爆過程的壓力變化；王超強(qiáng)等[3]探究了有泄爆口時點火位置對爆炸超壓和火焰形態(tài)的影響；孫松等[4]在2m×1.2m×0.6m的腔體中研究了大尺寸泄爆構(gòu)件對不同濃度的乙烯-空氣預(yù)混氣泄爆壓力的影響；胡俊等[5]在體積為0.025m3的柱形容器中對多種預(yù)混氣體開展頂端開口泄爆實驗。
現(xiàn)有研究大多集中于在容器上開設(shè)泄爆口、泄爆窗等向開敞的環(huán)境中泄放爆炸壓力，而向抑爆裝置內(nèi)泄爆的相關(guān)研究較少。因此，本文開展了弱封閉管道向自制消爆倉內(nèi)泄爆的研究工作，旨在探究消爆倉對爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种谱饔脵C(jī)理，研究有無消爆倉條件下火焰運動圖像、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈級毫Φ忍匦詤?shù)情況。
1 實驗設(shè)計
如圖1所示，實驗系統(tǒng)由不銹鋼火焰加速管道、配氣系統(tǒng)、消爆倉、高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成?；鹧婕铀俟艿朗莾?nèi)徑為120mm、長為5.5m的圓柱形管道，在距離管道點火端約130cm處開設(shè)尺寸為40cm×7cm的可視觀察窗。管道點火端封閉，開口端用2層厚度為0.02 mm的聚乙烯（PE）薄膜封閉。點火電極與KTGD-B型可調(diào)式點火器（生產(chǎn)廠家：西安科匯熱工技術(shù)設(shè)計研究院）相連，實驗所用點火電壓為90V，廠家標(biāo)注該點火電壓對應(yīng)點火能為3J。實驗時先將管道抽至真空，再充入配置好的甲烷-空氣預(yù)混氣體，使管道壓力回到1.013 25Pa（1atm）進(jìn)行實驗，甲烷-空氣化學(xué)計量關(guān)系為：
CH4+2（O2+3.76N2）→CO2+2H2O+7.52N2（1）
根據(jù)可燃?xì)怏w當(dāng)量比（）計算公式[6]和Dalton分壓定律配置實驗所需氣體，如表1所示，將按比例配好的混合氣在混氣罐中預(yù)混3~5h，確保氣體混合均勻。
表1 實驗配氣方案
Tab.1 Components of mixed gas
為了采集管道中的爆燃壓力，在管道上布置1支PCB壓力傳感器（響應(yīng)時間小于1μs），其距離點火端水平距離為141cm。同時還在管道上布置了6支火焰?zhèn)鞲衅饔糜诓杉蓟鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋鼈兙嚯x點火端水平距離為226~476 cm（間隔50cm），采集得到的數(shù)據(jù)均保存在HIOKI8841存儲記錄儀中。高速攝像機(jī)正對管道觀察窗拍攝，用于采集爆燃火焰圖像，其拍攝速率為2 000fps，并將拍攝的爆燃圖像保存在計算機(jī)中。
圖1 實驗測試系統(tǒng)
實驗中使用的消爆倉是1個體積為1.53m3罐狀的爆炸抑制裝置，罐體內(nèi)部等距離裝有3個抑爆環(huán)，抑爆環(huán)為一種環(huán)形多孔聲學(xué)吸收材料，其主要成分為聚酯纖維棉，消爆倉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 消爆倉結(jié)構(gòu)圖
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 爆燃火焰高速攝像照片分析
圖3為實驗中各工況下爆燃火焰穿過觀察窗時的高速攝像照片，假定火焰前鋒進(jìn)入觀察窗的前1幅照片為=0ms時刻?；鹧姘l(fā)展初期階段為層流預(yù)混火焰，如圖3（a）所示，火焰波陣面進(jìn)入觀察窗的初期時火焰運動速度較小，其火焰波陣面為球面向前傳播，隨著預(yù)混火焰的繼續(xù)傳播火焰波陣面的曲率逐漸變小，在=5ms時變?yōu)槠矫妫藭r的火焰表面積最?。坏?10ms時，火焰波陣面已經(jīng)開始出現(xiàn)拉伸變形，再繼續(xù)傳播開始形成內(nèi)凹狀火焰，即形成Tulip火焰[7]（為了凸顯Tulip火焰特征，部分火焰照片采取圖像增強(qiáng)處理）。
從圖3（c）中可以看到，火焰在=2ms時波陣面已經(jīng)形成了內(nèi)凹狀，到=8ms時形成了較為典型的Tulip火焰；到=9.5 ms時，火焰波陣面進(jìn)一步發(fā)生明顯的拉伸，顯著地增大了火焰表面積，加劇了燃燒反應(yīng)過程，并且誘導(dǎo)了層流火焰向湍流火焰的轉(zhuǎn)變[8]。
圖3 各工況下典型火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)高速攝像照片
根據(jù)Markstein[9]的模型：
式（2）中：為褶皺鋒面火焰的局部傳播速度，m/s；v為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s；為特征長度，m；flame為火焰陣面處的曲率半徑，m；flow為流場曲率半徑，m。
可知當(dāng)flow與flame相同時，火焰整體以層流速度傳播；但是當(dāng)flow與flame不同時，局部火焰速度就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致火焰面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此認(rèn)為流場的流動變化與火焰波陣面之間的相互作用是形成Tulip火焰的重要原因[10]。圖3中其它工況下的火焰波陣面在進(jìn)入觀察窗時就已經(jīng)發(fā)生了較大程度的火焰拉伸扭曲，并且火焰褶皺已經(jīng)變得極其不規(guī)則，這可能是由于不同當(dāng)量比條件和管壁的不光滑等因素，最終造成火焰?zhèn)鞑ミ^程中外部特征的差異化[11]。消爆倉主要是作用于破膜后的管道外部火焰爆炸過程，所以并不會對初期火焰結(jié)構(gòu)造成到明顯影響。
2.2 消爆倉對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
圖4為各工況下爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€，其趨勢都是逐漸增大，這是因為隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行管道內(nèi)越來越多的可燃?xì)鈪⑴c化學(xué)反應(yīng)，并且火焰湍流程度加劇，這些都導(dǎo)致燃燒反應(yīng)變得更加劇烈，而且布設(shè)消爆倉的速度曲線都位于未布設(shè)消爆倉的曲線下方。
圖4 各工況下爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€
圖5為各工況下在距點火端226~476cm段內(nèi)的爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣绕骄登€。
圖5 各工況下爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣绕骄登€
當(dāng)=0.9、=1.0、=1.1時，爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣仍跓o消爆倉的工況下平均值分別為64.16m/s、131.59m/s和64.15m/s。在布設(shè)消爆倉的情況下平均值分別為60.51m/s、114.92m/s和40.39m/s，相較于無消爆倉工況下分別降低了5.7%、12.7%和37.0%，說明布設(shè)消爆倉可以顯著衰減火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由于消爆倉的內(nèi)部設(shè)有3個抑爆環(huán)（環(huán)形聲學(xué)吸收材料），對于管道內(nèi)的氣體泄放有一定吸能和緩沖作用[12]，減弱了管道內(nèi)流場的擾動，進(jìn)而減弱了管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r的湍流程度，并最終降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣萚10]。在=1.0時爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅@是因為在理論當(dāng)量比條件下，其化學(xué)反應(yīng)最充分，燃燒反應(yīng)最劇烈。
2.3 消爆倉對爆燃壓力的影響
實驗中各工況下管道均由2層PE薄膜作為管道開口端的約束材料，其破裂壓力與材料強(qiáng)度等參數(shù)滿足以下關(guān)系[13]：
式（3）中：△為膜片兩邊壓力差，Pa；為膜片厚度，mm；為抗拉強(qiáng)度，Pa；為泄壓口直徑，mm。實驗所用PE薄膜為0.02 mm，其出廠標(biāo)識的抗拉強(qiáng)度約為20 MPa，根據(jù)式（3）可以估算出其1層破膜壓力為3.3 kPa，2層破膜壓力為6.6 kPa。
圖6為各工況下爆燃壓力時程曲線圖。
圖6 各工況下爆燃壓力時程曲線圖
圖6中，各工況下爆燃壓力時程曲線的發(fā)展趨勢基本相同，均出現(xiàn)3個壓力峰值，不同的是在布設(shè)消爆倉后爆燃壓力時程曲線的第2、第3壓力峰值發(fā)生了明顯的下降。如圖6（a）所示，從未布設(shè)消爆倉時的爆燃壓力曲線中可知，管內(nèi)預(yù)混氣體被點燃，使得管內(nèi)壓力逐漸升高，直到破膜使管內(nèi)一部分未燃的預(yù)混氣體沖出管道導(dǎo)致壓力下降，出現(xiàn)了第1個壓力峰值P1=6.9 kPa，即破膜壓力；由于破膜引起管內(nèi)預(yù)混氣的流場變化，促使火焰湍流程度增加，導(dǎo)致爆燃壓力開始回升，當(dāng)管內(nèi)火焰波陣面到達(dá)管口時，將破膜時沖出管道的未燃預(yù)混氣點燃形成“外部爆炸”，阻礙了管道內(nèi)已燃?xì)獾男狗牛a(chǎn)生反向壓力波，促使爆燃壓力快速上升[4]，產(chǎn)生了第2個壓力峰值（P2=13.6 kPa）；當(dāng)“外部爆炸”結(jié)束后，已燃?xì)怏w向管外快速泄放，造成管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，并引發(fā)管內(nèi)可燃?xì)獾恼袷嶽14]，而這種振蕩又會引起Taylor不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得管內(nèi)火焰的湍流程度進(jìn)一步大幅加劇[15]，最終導(dǎo)致第3個壓力峰值P3（13.7kPa）的出現(xiàn)；而后隨著燃燒反應(yīng)的結(jié)束管內(nèi)壓力最終回到常壓。然而，布設(shè)消爆倉的第2壓力峰值P2（9.3kPa）和第3壓力峰值P3（5.3kPa）相較于前者P2（13.6kPa）、P3（13.7kPa）都發(fā)生了明顯的下降，這是由于消爆倉內(nèi)部的抑爆環(huán)（環(huán)形聲學(xué)吸收材料）上的多孔結(jié)構(gòu)在一定程度上可以淬息管口處的爆燃火焰[16]；并且環(huán)形聲學(xué)吸收材料具有明顯降低爆燃火焰壓力的作用[12]，使得“外部爆炸”產(chǎn)生的壓力波在消爆倉中的3個抑爆環(huán)之間多次反射衰減，同時也降低了管內(nèi)火焰因振蕩而加劇的湍流程度，最終使得第2、第3壓力峰值分別降低約10%~30%和50%~90%。
2.4 破膜壓力分析
圖7為各工況下破膜壓力曲線圖。
從圖7中可以看出，在有無消爆倉條件下各工況的破膜壓力均大于理論破膜壓力（6.6kPa）。這是由于甲烷-空氣的預(yù)混氣體爆燃過程的化學(xué)反應(yīng)較為劇烈，爆炸過程壓力上升速率極快，爆炸動載迅速作用于PE薄膜，造成PE薄膜來不及開啟去泄放管內(nèi)壓力[6]，進(jìn)而使實際破膜壓力大于理論計算值，因此在實際泄爆設(shè)計中不可忽略爆炸動載造成的破膜壓力升高現(xiàn)象。
3 結(jié)論
通過在管道開口端放置自制消爆倉作為抑爆裝置，研究了消爆倉對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈級毫Φ忍匦詤?shù)的影響，得到以下主要結(jié)論：（1）通過Markstein模型對甲烷-空氣預(yù)混火焰出現(xiàn)Tulip火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，認(rèn)為流場的流動變化與火焰波陣面之間的相互作用是形成Tulip火焰的重要原因。（2）布設(shè)消爆倉使得管道測速段測得火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低，消爆倉內(nèi)的抑爆環(huán)對管道內(nèi)的氣體泄放具有緩沖作用，在一定程度減弱了管道內(nèi)流場的擾動，進(jìn)而減弱了管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r的湍流程度，并最終降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣取＃?）各工況下的爆燃壓力曲線都因“破膜”、“外部爆炸”和“火焰振蕩加劇湍流”而產(chǎn)生3個壓力峰值，但消爆倉內(nèi)部的抑爆環(huán)上的多孔結(jié)構(gòu)可以淬熄一部分管口處的爆燃火焰，并且“外部爆炸”產(chǎn)生的壓力波在消爆倉中的3個抑爆環(huán)之間多次反射并衰減，進(jìn)而降低了管內(nèi)火焰因振蕩而加劇的湍流程度，使得相同條件下“外部爆炸”和“火焰振蕩加劇湍流”產(chǎn)生的壓力峰值分別降低了10%~30%和50%~90%。
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The Effect of the Weak Closed-Pipe Venting into Explosion Suppression Device on the Flame Propagation Characteristics
CHANG Wei-da1,2, WANG Quan1,2, LI Zhi-min1,2, XU Xiao-meng1,2, MA Hong-hao3
(1. School of Chemical Engineering, Anhui University of Science & Technology, Huainan, 232001；2. Engineering Laboratory of Explosive Materials and Technology of Anhui Province, Huainan, 232001；3. School of Engineering Science, University of Science and Technology of China, Heifei, 230027)
In order to explore the effect of the weak closed-pipe venting into explosion suppression device on the flame propagation characteristics, the explosion suppression chamber was placed at the open end of the stainless steel pipe with 120mm inner diameter and 5.5mm length, which was subjected to thin film. And flame structure of methane-air premixed gas, flame propagation speed and deflagration pressure were tested. The experimental results show that Tulip flame structure appears in methane-air premixed flame, the explosion suppression ring placed in the chamber can reduce the turbulence flow when the flame is propagated in the pipe, and effectively reduce the speed of flame propagation. Under the experimental conditions, all of the time-history curves of gas deflagration have a similar trend, the laying of the explosion suppression chamber can significantly attenuate the "external explosion" and pressure peak caused by "flame oscillation increases turbulence".
Methane-air premixed gases；Explosion suppression chamber；Deflagration pressure；High-speed camera；Flame propagation speed
TQ560.7
A
10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.014
1003-1480（2019）05-0052-05
2019-08-05
常偉達(dá)（1990 -），男，在讀碩士研究生，主要從事氣體燃爆安全研究工作。
國家自然科學(xué)基金項目（11872002, 11502001）。
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常偉達(dá), 汪 泉, 李志敏, 徐小猛, 馬宏昊
弱封閉管道向抑爆裝置內(nèi)泄爆對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/p>
常偉達(dá)1,2, 汪 泉1,2, 李志敏1,2, 徐小猛1,2, 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. 安徽省爆破器材與技術(shù)工程實驗室, 安徽 淮南, 232001；3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥, 230027)
為了探究弱封閉管道向抑爆裝置內(nèi)泄爆對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，在?nèi)徑120mm、長5.5m不銹鋼管道受薄膜約束的開口端放置消爆倉，采集甲烷-空氣預(yù)混氣體的火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅級毫Φ葏?shù)。實驗結(jié)果表明：甲烷-空氣預(yù)混火焰出現(xiàn)了Tulip火焰結(jié)構(gòu)；消爆倉內(nèi)放置的抑爆環(huán)可以減弱管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r的湍流程度，有效降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?；實驗工況下氣體爆燃壓力時程曲線均有相似變化趨勢，且相同條件下布設(shè)消爆倉可以明顯衰減“外部爆炸”和“火焰振蕩加劇湍流”產(chǎn)生的壓力峰值。
甲烷-空氣預(yù)混氣體；消爆倉；爆燃壓力；高速攝像；火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
隨著甲烷等可燃性氣體在現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，預(yù)防和控制可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害已成為亟待解決的工程技術(shù)問題，而泄爆是一種有效的減輕災(zāi)害手段。GUO等[1]在2個柱形容器上開設(shè)對稱泄爆口，開展了氫-空氣預(yù)混氣爆炸的泄爆實驗；張偉等[2]探究了甲烷-空氣預(yù)混氣在通過管道連接的2個球形容器中泄爆過程的壓力變化；王超強(qiáng)等[3]探究了有泄爆口時點火位置對爆炸超壓和火焰形態(tài)的影響；孫松等[4]在2m×1.2m×0.6m的腔體中研究了大尺寸泄爆構(gòu)件對不同濃度的乙烯-空氣預(yù)混氣泄爆壓力的影響；胡俊等[5]在體積為0.025m3的柱形容器中對多種預(yù)混氣體開展頂端開口泄爆實驗。
現(xiàn)有研究大多集中于在容器上開設(shè)泄爆口、泄爆窗等向開敞的環(huán)境中泄放爆炸壓力，而向抑爆裝置內(nèi)泄爆的相關(guān)研究較少。因此，本文開展了弱封閉管道向自制消爆倉內(nèi)泄爆的研究工作，旨在探究消爆倉對爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种谱饔脵C(jī)理，研究有無消爆倉條件下火焰運動圖像、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈級毫Φ忍匦詤?shù)情況。
1 實驗設(shè)計
如圖1所示，實驗系統(tǒng)由不銹鋼火焰加速管道、配氣系統(tǒng)、消爆倉、高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成?；鹧婕铀俟艿朗莾?nèi)徑為120mm、長為5.5m的圓柱形管道，在距離管道點火端約130cm處開設(shè)尺寸為40cm×7cm的可視觀察窗。管道點火端封閉，開口端用2層厚度為0.02 mm的聚乙烯（PE）薄膜封閉。點火電極與KTGD-B型可調(diào)式點火器（生產(chǎn)廠家：西安科匯熱工技術(shù)設(shè)計研究院）相連，實驗所用點火電壓為90V，廠家標(biāo)注該點火電壓對應(yīng)點火能為3J。實驗時先將管道抽至真空，再充入配置好的甲烷-空氣預(yù)混氣體，使管道壓力回到1.013 25Pa（1atm）進(jìn)行實驗，甲烷-空氣化學(xué)計量關(guān)系為：
CH4+2（O2+3.76N2）→CO2+2H2O+7.52N2（1）
根據(jù)可燃?xì)怏w當(dāng)量比（）計算公式[6]和Dalton分壓定律配置實驗所需氣體，如表1所示，將按比例配好的混合氣在混氣罐中預(yù)混3~5h，確保氣體混合均勻。
表1 實驗配氣方案
Tab.1 Components of mixed gas
為了采集管道中的爆燃壓力，在管道上布置1支PCB壓力傳感器（響應(yīng)時間小于1μs），其距離點火端水平距離為141cm。同時還在管道上布置了6支火焰?zhèn)鞲衅饔糜诓杉蓟鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋鼈兙嚯x點火端水平距離為226~476 cm（間隔50cm），采集得到的數(shù)據(jù)均保存在HIOKI8841存儲記錄儀中。高速攝像機(jī)正對管道觀察窗拍攝，用于采集爆燃火焰圖像，其拍攝速率為2 000fps，并將拍攝的爆燃圖像保存在計算機(jī)中。
圖1 實驗測試系統(tǒng)
實驗中使用的消爆倉是1個體積為1.53m3罐狀的爆炸抑制裝置，罐體內(nèi)部等距離裝有3個抑爆環(huán)，抑爆環(huán)為一種環(huán)形多孔聲學(xué)吸收材料，其主要成分為聚酯纖維棉，消爆倉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 消爆倉結(jié)構(gòu)圖
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 爆燃火焰高速攝像照片分析
圖3為實驗中各工況下爆燃火焰穿過觀察窗時的高速攝像照片，假定火焰前鋒進(jìn)入觀察窗的前1幅照片為=0ms時刻?；鹧姘l(fā)展初期階段為層流預(yù)混火焰，如圖3（a）所示，火焰波陣面進(jìn)入觀察窗的初期時火焰運動速度較小，其火焰波陣面為球面向前傳播，隨著預(yù)混火焰的繼續(xù)傳播火焰波陣面的曲率逐漸變小，在=5ms時變?yōu)槠矫妫藭r的火焰表面積最?。坏?10ms時，火焰波陣面已經(jīng)開始出現(xiàn)拉伸變形，再繼續(xù)傳播開始形成內(nèi)凹狀火焰，即形成Tulip火焰[7]（為了凸顯Tulip火焰特征，部分火焰照片采取圖像增強(qiáng)處理）。
從圖3（c）中可以看到，火焰在=2ms時波陣面已經(jīng)形成了內(nèi)凹狀，到=8ms時形成了較為典型的Tulip火焰；到=9.5 ms時，火焰波陣面進(jìn)一步發(fā)生明顯的拉伸，顯著地增大了火焰表面積，加劇了燃燒反應(yīng)過程，并且誘導(dǎo)了層流火焰向湍流火焰的轉(zhuǎn)變[8]。
圖3 各工況下典型火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)高速攝像照片
根據(jù)Markstein[9]的模型：
式（2）中：為褶皺鋒面火焰的局部傳播速度，m/s；v為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s；為特征長度，m；flame為火焰陣面處的曲率半徑，m；flow為流場曲率半徑，m。
可知當(dāng)flow與flame相同時，火焰整體以層流速度傳播；但是當(dāng)flow與flame不同時，局部火焰速度就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致火焰面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此認(rèn)為流場的流動變化與火焰波陣面之間的相互作用是形成Tulip火焰的重要原因[10]。圖3中其它工況下的火焰波陣面在進(jìn)入觀察窗時就已經(jīng)發(fā)生了較大程度的火焰拉伸扭曲，并且火焰褶皺已經(jīng)變得極其不規(guī)則，這可能是由于不同當(dāng)量比條件和管壁的不光滑等因素，最終造成火焰?zhèn)鞑ミ^程中外部特征的差異化[11]。消爆倉主要是作用于破膜后的管道外部火焰爆炸過程，所以并不會對初期火焰結(jié)構(gòu)造成到明顯影響。
2.2 消爆倉對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>
圖4為各工況下爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€，其趨勢都是逐漸增大，這是因為隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行管道內(nèi)越來越多的可燃?xì)鈪⑴c化學(xué)反應(yīng)，并且火焰湍流程度加劇，這些都導(dǎo)致燃燒反應(yīng)變得更加劇烈，而且布設(shè)消爆倉的速度曲線都位于未布設(shè)消爆倉的曲線下方。
圖4 各工況下爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€
圖5為各工況下在距點火端226~476cm段內(nèi)的爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣绕骄登€。
圖5 各工況下爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣绕骄登€
當(dāng)=0.9、=1.0、=1.1時，爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣仍跓o消爆倉的工況下平均值分別為64.16m/s、131.59m/s和64.15m/s。在布設(shè)消爆倉的情況下平均值分別為60.51m/s、114.92m/s和40.39m/s，相較于無消爆倉工況下分別降低了5.7%、12.7%和37.0%，說明布設(shè)消爆倉可以顯著衰減火焰?zhèn)鞑ニ俣?。由于消爆倉的內(nèi)部設(shè)有3個抑爆環(huán)（環(huán)形聲學(xué)吸收材料），對于管道內(nèi)的氣體泄放有一定吸能和緩沖作用[12]，減弱了管道內(nèi)流場的擾動，進(jìn)而減弱了管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r的湍流程度，并最終降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣萚10]。在=1.0時爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅@是因為在理論當(dāng)量比條件下，其化學(xué)反應(yīng)最充分，燃燒反應(yīng)最劇烈。
2.3 消爆倉對爆燃壓力的影響
實驗中各工況下管道均由2層PE薄膜作為管道開口端的約束材料，其破裂壓力與材料強(qiáng)度等參數(shù)滿足以下關(guān)系[13]：
式（3）中：△為膜片兩邊壓力差，Pa；為膜片厚度，mm；為抗拉強(qiáng)度，Pa；為泄壓口直徑，mm。實驗所用PE薄膜為0.02 mm，其出廠標(biāo)識的抗拉強(qiáng)度約為20 MPa，根據(jù)式（3）可以估算出其1層破膜壓力為3.3 kPa，2層破膜壓力為6.6 kPa。
圖6為各工況下爆燃壓力時程曲線圖。
圖6 各工況下爆燃壓力時程曲線圖
圖6中，各工況下爆燃壓力時程曲線的發(fā)展趨勢基本相同，均出現(xiàn)3個壓力峰值，不同的是在布設(shè)消爆倉后爆燃壓力時程曲線的第2、第3壓力峰值發(fā)生了明顯的下降。如圖6（a）所示，從未布設(shè)消爆倉時的爆燃壓力曲線中可知，管內(nèi)預(yù)混氣體被點燃，使得管內(nèi)壓力逐漸升高，直到破膜使管內(nèi)一部分未燃的預(yù)混氣體沖出管道導(dǎo)致壓力下降，出現(xiàn)了第1個壓力峰值P1=6.9 kPa，即破膜壓力；由于破膜引起管內(nèi)預(yù)混氣的流場變化，促使火焰湍流程度增加，導(dǎo)致爆燃壓力開始回升，當(dāng)管內(nèi)火焰波陣面到達(dá)管口時，將破膜時沖出管道的未燃預(yù)混氣點燃形成“外部爆炸”，阻礙了管道內(nèi)已燃?xì)獾男狗牛a(chǎn)生反向壓力波，促使爆燃壓力快速上升[4]，產(chǎn)生了第2個壓力峰值（P2=13.6 kPa）；當(dāng)“外部爆炸”結(jié)束后，已燃?xì)怏w向管外快速泄放，造成管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，并引發(fā)管內(nèi)可燃?xì)獾恼袷嶽14]，而這種振蕩又會引起Taylor不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得管內(nèi)火焰的湍流程度進(jìn)一步大幅加劇[15]，最終導(dǎo)致第3個壓力峰值P3（13.7kPa）的出現(xiàn)；而后隨著燃燒反應(yīng)的結(jié)束管內(nèi)壓力最終回到常壓。然而，布設(shè)消爆倉的第2壓力峰值P2（9.3kPa）和第3壓力峰值P3（5.3kPa）相較于前者P2（13.6kPa）、P3（13.7kPa）都發(fā)生了明顯的下降，這是由于消爆倉內(nèi)部的抑爆環(huán)（環(huán)形聲學(xué)吸收材料）上的多孔結(jié)構(gòu)在一定程度上可以淬息管口處的爆燃火焰[16]；并且環(huán)形聲學(xué)吸收材料具有明顯降低爆燃火焰壓力的作用[12]，使得“外部爆炸”產(chǎn)生的壓力波在消爆倉中的3個抑爆環(huán)之間多次反射衰減，同時也降低了管內(nèi)火焰因振蕩而加劇的湍流程度，最終使得第2、第3壓力峰值分別降低約10%~30%和50%~90%。
2.4 破膜壓力分析
圖7為各工況下破膜壓力曲線圖。
從圖7中可以看出，在有無消爆倉條件下各工況的破膜壓力均大于理論破膜壓力（6.6kPa）。這是由于甲烷-空氣的預(yù)混氣體爆燃過程的化學(xué)反應(yīng)較為劇烈，爆炸過程壓力上升速率極快，爆炸動載迅速作用于PE薄膜，造成PE薄膜來不及開啟去泄放管內(nèi)壓力[6]，進(jìn)而使實際破膜壓力大于理論計算值，因此在實際泄爆設(shè)計中不可忽略爆炸動載造成的破膜壓力升高現(xiàn)象。
3 結(jié)論
通過在管道開口端放置自制消爆倉作為抑爆裝置，研究了消爆倉對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈級毫Φ忍匦詤?shù)的影響，得到以下主要結(jié)論：（1）通過Markstein模型對甲烷-空氣預(yù)混火焰出現(xiàn)Tulip火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，認(rèn)為流場的流動變化與火焰波陣面之間的相互作用是形成Tulip火焰的重要原因。（2）布設(shè)消爆倉使得管道測速段測得火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低，消爆倉內(nèi)的抑爆環(huán)對管道內(nèi)的氣體泄放具有緩沖作用，在一定程度減弱了管道內(nèi)流場的擾動，進(jìn)而減弱了管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r的湍流程度，并最終降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣取＃?）各工況下的爆燃壓力曲線都因“破膜”、“外部爆炸”和“火焰振蕩加劇湍流”而產(chǎn)生3個壓力峰值，但消爆倉內(nèi)部的抑爆環(huán)上的多孔結(jié)構(gòu)可以淬熄一部分管口處的爆燃火焰，并且“外部爆炸”產(chǎn)生的壓力波在消爆倉中的3個抑爆環(huán)之間多次反射并衰減，進(jìn)而降低了管內(nèi)火焰因振蕩而加劇的湍流程度，使得相同條件下“外部爆炸”和“火焰振蕩加劇湍流”產(chǎn)生的壓力峰值分別降低了10%~30%和50%~90%。
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The Effect of the Weak Closed-Pipe Venting into Explosion Suppression Device on the Flame Propagation Characteristics
CHANG Wei-da1,2, WANG Quan1,2, LI Zhi-min1,2, XU Xiao-meng1,2, MA Hong-hao3
(1. School of Chemical Engineering, Anhui University of Science & Technology, Huainan, 232001；2. Engineering Laboratory of Explosive Materials and Technology of Anhui Province, Huainan, 232001；3. School of Engineering Science, University of Science and Technology of China, Heifei, 230027)
In order to explore the effect of the weak closed-pipe venting into explosion suppression device on the flame propagation characteristics, the explosion suppression chamber was placed at the open end of the stainless steel pipe with 120mm inner diameter and 5.5mm length, which was subjected to thin film. And flame structure of methane-air premixed gas, flame propagation speed and deflagration pressure were tested. The experimental results show that Tulip flame structure appears in methane-air premixed flame, the explosion suppression ring placed in the chamber can reduce the turbulence flow when the flame is propagated in the pipe, and effectively reduce the speed of flame propagation. Under the experimental conditions, all of the time-history curves of gas deflagration have a similar trend, the laying of the explosion suppression chamber can significantly attenuate the "external explosion" and pressure peak caused by "flame oscillation increases turbulence".
Methane-air premixed gases；Explosion suppression chamber；Deflagration pressure；High-speed camera；Flame propagation speed
TQ560.7
A
10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.014
1003-1480（2019）05-0052-05
2019-08-05
常偉達(dá)（1990 -），男，在讀碩士研究生，主要從事氣體燃爆安全研究工作。
國家自然科學(xué)基金項目（11872002, 11502001）。
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