障礙物對甲烷/氫氣爆炸特性的影響*

余明高，陽旭峰，鄭 凱，萬少杰

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

摻氫碳氫燃料是未來能源發展的趨勢，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]通過實驗與數值計算的方法研究發現最大爆炸壓力和爆炸溫度隨氫氣體積分數增大呈線性升高。Yu等[3]對不同氫氣體積分數條件下的甲烷/氫氣預混火焰傳播特性進行詳細的研究。Salzano等[4]、Faghih等[5]的研究表明：當氫氣體積分數小于70%時，預混氣體爆炸特性受氫氣影響較小，此時爆燃指數隨氣體體積分數增加緩慢；而氫氣體積分數大于70%時，預混氣體爆炸特性主要受氫氣主導，此時爆燃指數呈指數增長。

可燃氣體爆炸會受環境中障礙物的影響，障礙物的存在會加劇火焰傳播過程中的湍流現象，而火焰/湍流的耦合作用對火焰傳播速度有巨大的促進作用[6-7]。管道內障礙物阻塞率和障礙物數量的不同會對管道內預混火焰傳播特性造成巨大影響。大量研究發現：在一定范圍內，預混火焰傳播速度與峰值超壓均隨著障礙物阻塞率以及障礙物數量的增加而上升[8-11]，而上升速率與障礙物的幾何形態有關。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傳播速度和爆炸超壓的影響，發現平板障礙物對火焰傳播影響較大。Wen等[14]通過研究交錯障礙物對甲烷/空氣爆燃火焰傳播特征的影響，發現當障礙物位于中間位置的爆炸超壓與火焰傳播速度要遠遠大于障礙物位于兩側時。Na’inna等[15-16]研究了障礙物間距對爆炸超壓與火焰傳播速度的影響，發現兩障礙物之間存在一個最佳距離，使得爆炸超壓與火焰傳播速度達到最大值。

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數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/氫氣預混火焰傳播結構、火焰傳播速度和爆炸超壓等數據，探索管道內障礙物阻塞率及形狀對甲烷/氫氣爆炸特性的影響規律，以期為后續研究提供參考。

1 實 驗

為研究管道內障礙物阻塞率及形狀對甲烷/氫氣預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預混火焰傳播行為。平臺由實驗管道、配氣系統、點火系統和數據采集系統組成。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混火焰傳播行為。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。配氣系統主要使用3個高靈敏度質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，用于標定火焰傳播時間。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；利用數據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混火焰傳播圖像，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量比為1時，甲烷/氫氣預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。預混氣體中氫氣體積分數分別為0%、25%、50%、75%和100%。

預混氣體中氫氣體積分數可按下式計算：

(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量比。Φ<1為貧燃；Φ=1為化學計量濃度；Φ>1為富燃。

2 實驗結果分析

2.1 對預混火焰傳播結構的影響

對高速攝像機采集到的爆炸預混火焰傳播圖像進行處理，得到火焰鋒面結構隨時間變化圖像。圖2所示為各工況在氫氣體積分數為50%時的預混火焰傳播圖像。從圖中可以看出，點火初期各工況火焰傳播結構基本相同[17-18]。火焰傳播遇障礙物后，由于障礙物阻塞率與形狀的變化，其傳播結構出現明顯差異。在圖2(a)～(c)中，在火焰經過第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，這一現象變得更加明顯。經過拉伸的火焰由第1組障礙物中間的空隙噴出，形成“蘑菇狀”火焰結構。通過障礙物后的火焰在高壓氣流的作用下向兩側不斷產生卷吸和褶皺，導致火焰傳播結構變得扭曲，從而使得大量未燃燒氣體與高溫燃燒氣體混合[14]，進而導致預混火焰傳播由層流向湍流轉變。障礙物的阻塞率越大，經過障礙物時火焰鋒面拉伸越長，形成的火焰通道越窄，加速效應愈明顯。在圖2(d)中，障礙物位于管道中央位置，當火焰傳播到第1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物的壓縮作用與障礙物的阻擋作用，火焰由障礙物兩側空隙向下游噴出，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，重新結合在一起，在這一過程中，預混火焰完成由層流向湍流的轉變[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構會經歷相似的變化過程。但經過的障礙物數量越多，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數分別為φ=0,25%,75%和100%時預混火焰傳播過程中的結構變化，φ=50%的結果則在圖2(c)中給出。從圖3中可以看出，隨著氫氣體積分數的增加，火焰顏色發生明顯變化。當氫氣體積分數為零時，在點火后，火焰傳播初期呈淡藍色，隨著氫氣體積分數的增加，火焰顏色逐漸出現黃色、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]。隨著氫氣體積分數的增大，火焰變得更加明亮，這表明火焰溫度隨著氫氣體積分數的增大而升高[21]。相同工況條件下預混火焰傳播結構變化趨勢基本相同，但是隨著預混氣體中氫氣體積分數的增加，預混火焰穩定性逐漸減弱，使得火焰鋒面變得更加扭曲。

2.2 對預混火焰傳播速度的影響

對高速攝像機拍攝到的火焰傳播圖像進行計算處理，得到火焰前鋒速度隨位置變化曲線。圖4所示為氫氣體積分數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，相同氫氣體積分數條件下，各工況在火焰傳播初期的火焰傳播速度變化曲線基本保持重合。經第1組障礙物作用后，各工況火焰傳播速度變化趨勢基本相似，即火焰傳播速度經過障礙物時經歷先加速后減速然后再次加速的過程，這是由于經過障礙物時火焰被拉伸使得火焰加速，經過障礙物后火焰會向兩側或中央卷吸使得速度下降；火焰傳播速度大小出現明顯的差別，這是由障礙物阻塞率變化而致使預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/湍流耦合效應對火焰傳播速度的加速效應愈發明顯。火焰傳播速度會隨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，障礙物形狀對火焰傳播速度具有較大的影響。工況4的火焰傳播速度明顯大于工況3，且工況4的火焰傳播速度變化更加劇烈。這主要因為障礙物位于管道中間位置時，經過障礙物后火焰鋒面面積變化幅度較大，產生的火焰/湍流耦合效應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，當混合氣體中氫氣體積分數較低(φ≤50%)時，火焰傳播速度均呈現出先增加后下降再增加的變化趨勢；而氫氣分數為75%和100%時，火焰傳播速度在經過第1組障礙物后呈近似直線增長。火焰傳播經第1組障礙物作用后會由層流轉變為湍流，且實驗過程中含有3組障礙物，而障礙物的數量能夠明顯增加火焰傳播過程中的湍流強度[22]。當混合氣體中氫氣體積分數φ≤50%時，氫氣對火焰傳播速度的增加效果較弱，火焰傳播速度較慢，增加預混火焰湍流強度能夠明顯增加預混火焰傳播速度；在氫氣體積分數較大(φ>50%)情況下，預混火焰傳播速度非常大，當預混火焰為湍流傳播時，火焰/湍流耦合效應對火焰傳播速度的加速效果并不明顯[23]，此時燃料自身燃燒特性對火焰傳播速度的影響占據主導性作用，而湍流效應影響甚微。

表1給出各工況預混火焰傳播至管道出口所需時間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傳播至出口所需時間縮短。對于工況1，在氫氣體積分數從零增大到100%的過程中t相應地從34.30 ms縮短到5.45 ms，減少了84.11%。對于氫氣體積分數為零阻塞率由0.3增大到0.5時，t相應地從34.30 ms縮短到30.45 ms，縮短11.22%。而氫氣體積分數為零時障礙物位于兩側與中間的t分別為30.45 ms和28.75 ms，縮短5.58%。對數據對比分析可以看出，障礙物阻塞率與形狀對預混火焰傳播至出口所需時間明顯影響要小于增加氫氣體積分數對預混火焰傳播至出口所需時間的影響。

表1 預混火焰傳播至出口所需時間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數φ=0和φ=50%時的壓力隨時間變化規律曲線。對比圖5可以發現，當預混氣體中氫氣體積分數在一定范圍內(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數的增大而消失；達到最大超壓的時間會隨著障礙物阻塞率及氫氣體積分數的增大而減小；當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時的時間。根據Ibrahim等[24]的定義，管道內出現的第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)中可以發現，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均出現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數的增大而消失。這與Ibrahim等人結果出現明顯差異。Ibrahim等[24]的實驗過程中管道內僅含有1組障礙物，而本文中實驗管道內含有3組障礙物。可以認為，此現象是由管道內障礙物數量變化而引起的。

圖6所示為不同工況在不同氫氣體積分數條件下的最大超壓曲線，從圖中可以看出，預混氣體最大爆炸超壓隨著障礙物阻塞率和氫氣體積分數的增大而增大。可以將圖中最大爆炸超壓隨體積分數的增長分為2個部分。當混合氣體中氫氣體積分數φ≤50%時，此時各工況最大爆炸超壓隨氫氣體積分數的增大而緩慢上升。當混合氣體中氫氣體積分數為零時工況1中的爆炸最大超壓為12.55 kPa，而氫氣體積分數為50%時達到23.29 kPa，最大超壓升高約85.6%；當氫氣體積分數為零時，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%。可以看出，最大爆炸超壓受障礙物阻塞率與預混氣體中氫氣體積分數的共同影響，但此時障礙物阻塞率對最大差壓的影響明顯占據主要地位。當混合氣體中氫氣體積分數較大(φ>50%)時，最大爆炸超壓隨著氫氣體積分數的加而急劇增長，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主導地位。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，當氫氣體積分數小于50%時，兩者最大爆炸超壓基本相同；當體積分數大于50%時，兩者最大爆炸差壓出現明顯差異，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時的。

3 結 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論：

(1)相同工況下的火焰傳播經障礙物作用后會經歷相似的變化過程。障礙物阻塞率越大，火焰前鋒拉伸越長，火焰加速效應越明顯。增大預混氣體中氫氣積分數能夠明顯提高火焰不穩定程度。

(2)預混火焰傳播速度隨著混合氣體中氫氣體積分數的增大而上升，而增加障礙物阻塞率能夠進一步提高預混火焰傳播速度，減少火焰傳播至管道出口所需時間。阻塞率一定時，障礙物位于管道中間時的預混火焰傳播速度及預混火焰傳播速度變化趨勢均大于障礙物位于兩側時的情況。

(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數的增大而增大，但最大爆炸超壓出現時間會隨障礙物阻塞率和混合氣體中氫氣體積分數的增大顯著減小，泄爆壓力會隨著混合氣體中氫氣體積分數的增大而消失。

(4)管道內甲烷/氫氣爆炸特性可根據氫氣體積分數的不同劃分為兩個部分。當氫氣體積分數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共同影響；而在氫氣體積分數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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