氣體非均勻燃爆實驗裝置的研制及其教學(xué)應(yīng)用

張 蘇，王金貴，郭 進(jìn)，施永乾

（福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116）

甲烷是天然氣的主要成分，也是化學(xué)工業(yè)中的重要原料，其在密閉空間中的泄漏有引起爆炸的危險。當(dāng)甲烷意外泄漏時，通常先在局部聚集，然后逐漸擴散到整個密閉空間，由于在擴散期間甲烷在空氣中并非均勻分布，而是存在濃度梯度，此時若出現(xiàn)點火源則有可能發(fā)生爆炸[1-4]。掌握甲烷泄漏過程中濃度梯度演化規(guī)律及該條件下的燃爆（燃燒與爆炸）特性（包括火焰行為和壓力積累等），并設(shè)計合適的保護(hù)和緩解措施具有重要現(xiàn)實意義。

前述內(nèi)容是安全工程專業(yè)本科課程“燃燒學(xué)”中的重要知識點，也是師生普遍反映的“教”與“學(xué)”的難點[5-6]。由于在課堂教學(xué)中缺乏對氣體擴散分層、預(yù)混火焰、擴散火焰、對流火焰和郁金香火焰等現(xiàn)象的直觀展示方法，使得在該知識點教學(xué)中長期存在不足；同時受限于課時、經(jīng)費及設(shè)備不足等問題，對于此知識點單獨設(shè)置實驗課也存在困難。因此，如何在現(xiàn)有條件下，提高“燃燒學(xué)”課程的課堂教學(xué)質(zhì)量，一直是相關(guān)專業(yè)教師長期探索的問題[6-10]。在“科教并重，全面育人”的要求下，大學(xué)既要積極推進(jìn)科研，還應(yīng)將科研成果以案例形式融入課堂教學(xué)，更好地向?qū)W生傳授新知識、新技能[11-12]。高校教師將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容，而且可以充分發(fā)揮教師科研對教學(xué)的促進(jìn)作用，提高學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力，更好地滿足高校培養(yǎng)全面發(fā)展高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需要。

本文通過構(gòu)建甲烷泄漏非均勻分布及燃爆特性本科教學(xué)實驗裝置，將甲烷泄漏過程中的濃度梯度變化規(guī)律、在不同濃度梯度下甲烷燃爆火焰演化及超壓特征等內(nèi)容融入課程教學(xué)中，旨在提升安全工程專業(yè)“燃燒學(xué)”課程中的氣體非均相燃爆相關(guān)知識點的教學(xué)效果。

1 實驗裝置及流程設(shè)計

1.1 實驗裝置的設(shè)計

為了幫助學(xué)生理解“燃燒學(xué)”中氣體非均勻燃爆（燃燒與爆炸）的相關(guān)抽象知識點，設(shè)計了可燃?xì)怏w泄漏擴散過程中非均勻分布及燃爆特性實驗系統(tǒng)。如圖1 所示，實驗系統(tǒng)為一個封閉的矩形管道，總長度為2 m（由兩節(jié)各1 m 組成），橫截面積為0.3 m×0.3 m；每節(jié)矩形管道側(cè)面中心位置均有一個0.75 m（長度）×0.30 m（寬度）的觀察窗，該窗口用透明亞力克板封堵，實驗過程中可使用高速攝像機記錄燃爆火焰的演化過程。點火電極位于距離管道左側(cè)盲板175 mm 處的中心位置，單次點火能量約為1 J。在管道的右側(cè)盲板上等間距布置有5 個氧氣傳感器（OS1—OS5），安裝點距離管道底部分別為25、87.5、150、212.5 和275 mm。在距點火電極 1325 mm 處安裝了測量范圍為-100～+1 000 kPa（PS）的壓阻壓力傳感器，以測量內(nèi)部超壓，并使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄其產(chǎn)生的信號。

圖1 實驗艙及其測試系統(tǒng)示意圖

1.2 實驗流程

本實驗裝置可用于“燃燒學(xué)”課程中的可燃?xì)怏w分層特征和氣體燃爆特性等科研類教學(xué)案例。

（1）對于可燃?xì)怏w泄漏時的分層特征測試，首先利用真空泵將90 L 的配氣室抽成真空，再將甲烷填充至所需壓力。然后打開電磁閥，配氣室的甲烷氣體將通過管道上端的36 個各自帶有12 個孔（孔徑0.8 mm）的噴嘴（如圖 2(a)所示）緩慢水平進(jìn)入管道中，進(jìn)氣時間持續(xù)30 s。在進(jìn)氣過程中，打開管道底部的兩個球閥，管道內(nèi)原有的部分空氣將被上方甲烷從底部擠替出；在配氣完成后，同時關(guān)閉電磁閥和球閥。利用5 個氧氣傳感器OS1—OS5 測量（采樣率為1 Hz）管道不同高度處的氧氣濃度，計算甲烷濃度的空間分布。在每組實驗進(jìn)行前，均需使用干燥空氣徹底清潔管道。

圖2 甲烷注入及擴散示意圖

（2）在分層甲烷-空氣混合物燃爆特性測試中，通過控制點火延遲時間tig設(shè)置甲烷氣體不同的擴散時間，如圖 2(b)所示，以得到不同濃度分層空間分布下的實驗工況。實驗中，點火單元、高速攝像機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號同步發(fā)生器同時觸發(fā)。

2 實驗結(jié)果及其教學(xué)應(yīng)用

為了讓學(xué)生直觀理解可燃?xì)怏w在泄漏初期存在的分層分布特征，以及在該條件下發(fā)生氣體燃爆時伴隨的火焰演化及爆炸壓力等知識點，可以利用前述實驗的結(jié)果為“燃燒學(xué)”課程的相關(guān)知識點提供科研教學(xué)案例支持。

2.1 甲烷濃度分層規(guī)律

甲烷氣體擴散速度較慢，其在泄漏初期在泄漏點周邊存在濃度梯度，而在非均勻情況下發(fā)生的燃爆特性與均勻預(yù)混燃爆有較大不同，讓學(xué)生直觀理解甲烷氣體在泄漏初期的分層現(xiàn)象對于其掌握后續(xù)知識點具有重要意義。在1.2 中所述的案例（1）中，假設(shè)管道中僅有空氣和甲烷，則根據(jù)道爾頓分壓定律可根據(jù)氧氣濃度確定甲烷濃度的空間分布為 CCH4=(1-CO2/20.9%)×100%，其中 CCH4和 CO2分別是甲烷和氧氣的體積濃度，20.9%是干燥空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

圖3 為管道內(nèi)不同高度位置的甲烷濃度分布隨擴散時間的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，在不同管道高度位置的甲烷濃度時程分布特征有較大差異。甲烷-空氣混合物的爆炸下限（LFL）和爆炸上限（UFL）分別假定為5%和15%，則在H=212.5 mm 和275 mm 的管道上部，甲烷濃度首先快速增加進(jìn)入爆炸極限濃度范圍，然后超過爆炸上限，再達(dá)到最大值，隨后逐漸降低并再次進(jìn)入爆炸極限濃度范圍。在H=25 mm 和87.5 mm的管道下部，甲烷注入后的25 min 內(nèi)，甲烷濃度幾乎單調(diào)增加，最終達(dá)到10%的平均體積分?jǐn)?shù)。管道中部位置（H=150 mm）的甲烷濃度值先較快增加，然后穩(wěn)定在10%的平均體積分?jǐn)?shù)上。在本裝置尺寸條件下，管道內(nèi)甲烷經(jīng)過25 min 后才基本均勻。

2.2 甲烷分層燃爆火焰特性

在不同的濃度分層分布條件下，甲烷的燃爆特性也存在較大差異。圖4 為不同tig下點火26 ms 后的火焰圖像。當(dāng)tig≥15 min 時，由于較低的橫向濃度梯度，火球的直徑幾乎相同且具有相對光滑表面的，如圖4(a)、(b)所示。當(dāng)tig＜8 min 時，火球以稍低的速度膨脹，如圖4(c)所示。當(dāng)tig減小至6 min 和4 min 時，火球膨脹速度明顯變慢，如圖4(d)、(e)所示。結(jié)合2.1中的甲烷濃度分層規(guī)律，火焰氣泡尺寸的減小與點火時電極周圍極大的濃度梯度密切相關(guān)。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)tig≤3 min 時無法點燃分層的甲烷-空氣混合物。

圖3 不同高度位置甲烷濃度隨時間的變化規(guī)律

圖4 不同tig 下點火26 ms 時的火焰圖像

對比圖 5（tig為 25 min）和圖 6（tig為 4 min）發(fā)現(xiàn)，隨著火焰的進(jìn)一步演化，不同濃度梯度下火焰演化的速度及結(jié)構(gòu)特征均存在較大差異。在圖5 中可以明顯觀察到郁金香火焰（圖5(c)、(d)），而在圖6 中未發(fā)現(xiàn)此類火焰，但卻觀察到中間擴散火焰和尾隨對流火焰。如圖6 所示，在火焰的早期傳播過程中，僅觀察到藍(lán)色的預(yù)混火焰，該火焰穿過狹窄的可燃層；由于高濃度甲烷-空氣混合物與含有過量氧氣的高溫產(chǎn)物之間的相互擴散，一些平滑的黃色擴散火焰首先出現(xiàn)在管道的上部，如圖 6(a)所示。在浮力和相對速度變化的影響下，光滑的黃色擴散火焰隨著向下移動而變得卷曲、絮凝和明亮，最終形成了對流火焰，如圖6(b)、(c)所示。

2.3 甲烷分層燃爆超壓

圖7 為不同濃度梯度下甲烷的燃爆超壓時程曲線。由圖可見，在tig為6 min 時，達(dá)到相同的超壓（如50 kPa 和150 kPa）所需的時間、距離明顯大于tig為10 min 時。因為當(dāng)tig較小時，甲烷在管道內(nèi)具有更大的濃度梯度，從而使處于爆炸極限濃度范圍內(nèi)的甲烷-空氣混合物較少，所以火焰必須行進(jìn)更大的水平距離才能產(chǎn)生與更大tig所獲得的相同的熱量。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)4 min≤tig≤15 min 時，最大超壓值隨tig的增加而快速增大；當(dāng)tig＞15 min 后，tig的增加對最大超壓值的影響較小，因為此時甲烷在容器內(nèi)已基本均勻。

圖5 tig 為25 min 時的火焰演化圖像

圖6 tig 為4 min 時的火焰演化圖像

3 結(jié)語

將科研實驗應(yīng)用于課堂教學(xué)案例，不但能豐富和形象化相關(guān)知識點，很好地發(fā)揮科研工作對本科教學(xué)的促進(jìn)作用，而且有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力，符合培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需要。對于“燃燒學(xué)”課程，通過由科研成果轉(zhuǎn)化而來的案例，可以使學(xué)生更好地理解可燃?xì)怏w在泄漏初期時的分層分布特征，以及在該工況下發(fā)生氣體燃爆時伴隨的火焰演化及爆炸壓力等知識點，將理論知識與實際現(xiàn)象相結(jié)合，達(dá)到理論聯(lián)系實際的教學(xué)效果?？蒲邪咐€能夠激發(fā)學(xué)生興趣、拓寬學(xué)生視野，實現(xiàn)以“學(xué)”為“用”的教學(xué)目標(biāo)。通過對比課程考核結(jié)果，應(yīng)用本科研案例后學(xué)生對相關(guān)知識點的掌握程度明顯提升，而且形成了較完整的利用“燃燒學(xué)”理論解決實際問題的思路，鍛煉了科研思維，提升了科研能力。