管道內(nèi)瓦斯非均勻預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫?shí)驗(yàn)研究

余明高，陳傳東，王雪燕，韓世新，馬梓茂

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)

礦井瓦斯爆炸事故時有發(fā)生[1-2]，其中非均勻預(yù)混瓦斯爆炸占絕大部分事故類型[3-5]。非均勻預(yù)混瓦斯爆炸事故中，涌出的瓦斯在巷道內(nèi)擴(kuò)散時間不足，形成體積分?jǐn)?shù)梯度場是區(qū)別于均勻預(yù)混爆炸事故的主要原因[6]，且極大影響了爆炸反應(yīng)速率及最大爆炸超壓[7-8]。故研究非均勻預(yù)混瓦斯爆炸對控制礦井瓦斯爆炸事故人員傷亡、減少事故危害等具有重要意義[9]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對均勻及非均勻預(yù)混的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院妥畲蟊ǔ瑝哼M(jìn)行了大量研究。CLANET和SEARBY[10]對管道內(nèi)甲烷空氣均勻預(yù)混爆炸的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究表明，預(yù)混火焰在管道內(nèi)傳播經(jīng)歷球形—指形—火焰接觸壁面—郁金香火焰4個階段。與此同時，BYCHKOV等[11]在此基礎(chǔ)上提出了初期階段火焰加速和郁金香火焰形成的理論模型，并認(rèn)為郁金香火焰的形成與火焰雷諾數(shù)相關(guān)。GONZALEA[12]通過數(shù)值模擬方法研究了封閉管道中火焰與聲波的相互作用，他認(rèn)為火焰后期的形狀變化與周期性振蕩現(xiàn)象是火焰前鋒與壓力波相互作用的結(jié)果，其作用機(jī)理可以解釋為Taylor不穩(wěn)定性。然而，管道內(nèi)均勻預(yù)混火焰與非均勻預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)有很大差別。PHILLIPS[13]通過實(shí)驗(yàn)研究首次提出了大空間下甲烷空氣非均勻預(yù)混三重火焰的存在，并詳細(xì)解釋了三重火焰下濃預(yù)混分支、稀預(yù)混分支、擴(kuò)散火焰分支的構(gòu)成。研究得出三重火焰分支重合點(diǎn)稱為三重點(diǎn)，三重點(diǎn)為化學(xué)當(dāng)量比點(diǎn)[14]，其火焰?zhèn)鞑ニ俣冉朴趯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萚15]。除三重火焰外，HAN等[16]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了甲烷空氣非均勻預(yù)混下出現(xiàn)的火焰拉伸結(jié)構(gòu)。非均勻預(yù)混除對火焰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響外，其對火焰?zhèn)鞑ヌ匦酝瑯赢a(chǎn)生改變。通過AL-MALKI等[17]對燃料空氣部分預(yù)混建立有限元分析的研究可以得到，預(yù)混程度增加會顯著提高混合物燃燒反應(yīng)性，使火焰向邊界移動，進(jìn)而破壞邊界層。ZHANG等[18]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計算，研究了氫氣和空氣在垂直通道中非均勻預(yù)混形成體積分?jǐn)?shù)梯度下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。研究得出，正體積分?jǐn)?shù)梯度的混合物相較于均勻混合物或負(fù)體積分?jǐn)?shù)梯度的混合物，火焰加速度更高，爆炸超壓上升速率更快。

盡管前人在燃料空氣均勻預(yù)混燃燒、部分預(yù)混燃燒方面已做出了部分研究[4,19-22]。但從已有論文看，管道內(nèi)甲烷氣體爆炸研究主要集中在均勻預(yù)混方面，而針對非均勻預(yù)混研究僅僅集中在管道外大尺寸平臺的甲烷擴(kuò)散火焰[23-26]及具有體積分?jǐn)?shù)梯度的氫氣/空氣混合物上[27-29]，目前關(guān)于管道內(nèi)非均勻預(yù)混瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯?、非均勻預(yù)混下三重火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究以及由自由擴(kuò)散引起的燃料空氣不同體積分?jǐn)?shù)梯度對火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒆畲蟊ǔ瑝河绊懷芯咳允謪T乏。從安全的角度考慮，進(jìn)行管道內(nèi)非均勻預(yù)混瓦斯空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)特性、爆炸超壓方面的研究具有重大意義[30-32]。

筆者通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M了小尺寸巷道內(nèi)瓦斯涌出實(shí)際場景，揭露了由甲烷自由擴(kuò)散時間不同引起的甲烷空氣非均勻體積分?jǐn)?shù)梯度的變化對火焰結(jié)構(gòu)特性、三重火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓等帶來的影響，對?shí)際生產(chǎn)生活中出現(xiàn)的瓦斯泄漏爆炸事故具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究管道內(nèi)瓦斯/空氣不同預(yù)混程度下爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀F(xiàn)自主設(shè)計搭建了“管道瓦斯/空氣非均勻預(yù)混爆炸測試系統(tǒng)”。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、體積分?jǐn)?shù)測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置、實(shí)驗(yàn)管道5部分構(gòu)成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Illustration of experimental setup

實(shí)驗(yàn)管道長1 000 mm，采用20 mm厚透明亞克力板材制成，以便高速攝像機(jī)采集火焰圖像。管道截面為方形，尺寸100 mm×100 mm。管道左右兩側(cè)壁面均采用7 mm厚不銹鋼板制成，鋼板與管道連接處加入密封墊以保證管內(nèi)氣體密封性。左側(cè)鋼板開有4孔，用于安裝點(diǎn)火電極、進(jìn)氣閥門、壓力傳感器。為保證實(shí)驗(yàn)安全性，在管道正上方右側(cè)距管口100 mm處開設(shè)內(nèi)徑為31.8 mm的泄爆口。管道內(nèi)非均勻甲烷空氣混合物爆炸產(chǎn)生的超壓經(jīng)泄爆口排出，避免來回往復(fù)的沖擊波對實(shí)驗(yàn)管道及儀器造成損壞[33-34]。進(jìn)氣系統(tǒng)由2只高精度的體積流量控制計及進(jìn)氣管道、電磁閥組成，流量控制計采用美國Alicat品牌MC21型號，精度達(dá)到0.2%FS。利用流量控制計精確控制進(jìn)氣體積。通入甲烷后進(jìn)行一定時間自由擴(kuò)散，受浮力及擴(kuò)散作用甲烷沿管道形成橫向及縱向的體積分?jǐn)?shù)梯度場[35]。點(diǎn)火頭位于管道左側(cè)中軸線上，點(diǎn)火采用高壓脈沖點(diǎn)火，通過6 V的穩(wěn)壓電源給高壓變送器供電，變送器輸出的高壓電流擊穿空氣形成電火花點(diǎn)燃管內(nèi)氣體，經(jīng)計算，點(diǎn)火能量為30 mJ。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速攝像系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、甲烷檢測裝置組成。高速攝像系統(tǒng)由Vision Research Phantom 高速攝像機(jī)、筆記本電腦、數(shù)據(jù)存儲器、攝像機(jī)支架等構(gòu)成，相機(jī)拍攝幀率采用1 000 幀/s，該幀率下所拍攝照片分辨率為1 280×960。壓力采集系統(tǒng)由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成，壓力數(shù)據(jù)采樣頻率為15 kHz。壓力傳感器為上海銘控公司Meokon-MDHF型號產(chǎn)品，量程-0.1～0.1 MPa，綜合精度可達(dá)±0.25%FS。TOPVIEW數(shù)據(jù)采集裝置具有完善的時域分析及頻域分析，多種類型的數(shù)據(jù)輸出，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量精確性及分析可靠性。甲烷體積分?jǐn)?shù)依據(jù)道爾頓分壓定律對氧氣體積分?jǐn)?shù)推算得出，氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器采用MOX20型號工業(yè)用氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器，測量精度可達(dá)0.1%。4只氧氣傳感器(Sen1～4)通過3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)分別測量位于管道頂部、中部、底部相應(yīng)位置的氧氣體積分?jǐn)?shù)，氧氣傳感器布置位置如圖2所示。

圖2 氧氣傳感器位置示意Fig.2 Illustration of oxygen sensor location

氧氣傳感器測量出相應(yīng)位置氧氣體積分?jǐn)?shù)φ(O2)，依據(jù)道爾頓分壓定律，計算出該點(diǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)φ(CH4)。甲烷體積分?jǐn)?shù)計算公式為

(1)

式中，φ(CH4)為甲烷體積分?jǐn)?shù)，%；φ(O2)為氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；20.9%為空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文主要研究了管道內(nèi)非均勻甲烷-空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。因此在管道?nèi)甲烷總體積分?jǐn)?shù)10%下，分別設(shè)置5個實(shí)驗(yàn)工況，即分別靜置自由擴(kuò)散10，20，30，60及600 s。為保證實(shí)驗(yàn)重復(fù)性，單個工況實(shí)驗(yàn)3～5次，當(dāng)有3組數(shù)據(jù)誤差小于1/1 000時，認(rèn)為該數(shù)據(jù)有效，且每組實(shí)驗(yàn)完成后，用壓縮空氣沖刷管道10 min，沖刷完成后用可燃?xì)怏w探測儀對管內(nèi)氣體進(jìn)行探測，確保管道內(nèi)無甲烷非均勻燃燒殘留物后，開展下一次實(shí)驗(yàn)。通氣方式為沿管道進(jìn)氣口通入99.9%高濃度純甲烷，此時管道內(nèi)甲烷總體積受流量控制計和通氣時間共同控制，并且通氣過程中在200，400，600，800 mm處進(jìn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)檢測，以此推算管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取誤差小于0.1%的3組實(shí)驗(yàn)平均值，以確保所測得管內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)有效可靠。

實(shí)驗(yàn)方案為設(shè)置甲烷流量控制計為1.0 L/min，根據(jù)伯努利公式計算可得，進(jìn)氣口相對壓力約為2.15 Pa，進(jìn)氣1 min后關(guān)閉管道進(jìn)出口電磁閥。在此基礎(chǔ)上分別靜置自由擴(kuò)散10，20，30，60，600 s，使甲烷靜置自由擴(kuò)散不同時間，分3組不同氧氣傳感器位置測量其管內(nèi)各點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)后推算出甲烷體積分?jǐn)?shù)分布。隨后打開脈沖點(diǎn)火器點(diǎn)火，用高速攝像機(jī)及壓力采集系統(tǒng)采集其點(diǎn)火后爆炸火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)及壓力動態(tài)變化。以達(dá)到實(shí)驗(yàn)對非均勻預(yù)混甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯俊?/p>

伯努利公式為

(2)

式中，P1，P2為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；V1，V2為流體該點(diǎn)的流速，m/s；g為重力加速度，9.80 m/s2；h1，h2為該點(diǎn)所在高度，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度分布

圖3為甲烷在管道內(nèi)部、中部、底部的體積分?jǐn)?shù)分布。圖3中縱軸表示甲烷體積分?jǐn)?shù)，橫軸總擴(kuò)散時間表示甲烷泄漏時間(60 s)加上靜置自由擴(kuò)散時間(0～600 s)。由圖3可知，甲烷在管道泄漏過程中，受浮力作用首先在管道頂部積聚，頂部甲烷體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，頂部所測得甲烷體積分?jǐn)?shù)迅速達(dá)到峰值，隨后沿管道橫向傳播，4個位置的甲烷體積分?jǐn)?shù)按距離泄漏點(diǎn)由近及遠(yuǎn)在100 s左右時分別達(dá)到峰值，峰值體積分?jǐn)?shù)分別為29.6%，18.9%，16.9%，14.2%。對比圖3管道內(nèi)頂部(TOP)中部(MID)底部(BOT)甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，甲烷在管道泄漏后，受浮力作用首先在管道頂部積聚，此時管道內(nèi)頂部甲烷體積分?jǐn)?shù)較高，甲烷所受的浮力作用大于甲烷分子間作用力，甲烷體積分?jǐn)?shù)沿管道橫向傳播，頂部處的甲烷體積分?jǐn)?shù)率先達(dá)到峰值。隨后在體積分?jǐn)?shù)差及分子間作用力影響下，逆浮力作用沿管道縱向從頂部向中部及底部傳播。管道中部及管道底部處的甲烷體積分?jǐn)?shù)分別在200 s和250 s時達(dá)到峰值。同時，隨著總擴(kuò)散時間不斷增加，管道內(nèi)縱向甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度呈先增大后減小的趨勢，在總擴(kuò)散時間為70 s時，Sen1 TOP-Sen1 MID-Sen1 BOT處的甲烷縱向體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，為29.6%—3.9%—0.3%。分析圖3后半段可知，隨著擴(kuò)散時間的不斷增加，管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布將逐漸趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定的情況下，管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)由管道頂部向底部略帶梯度的甲烷體積分?jǐn)?shù)分布，Sen1～4處自頂部-中部-底部的體積分?jǐn)?shù)梯度分別為12.1%—11.2%—8.8%，11.7%—10.8%—8.2%，11.4%—10.4%—7.8%，11.1%—10.1%—7.5%，而非理想條件下的甲烷-空氣管道內(nèi)均勻預(yù)混。

圖3 甲烷體積分?jǐn)?shù)分布示意Fig.3 Schematic diagram of methane concentration distribution

不同點(diǎn)火時刻時管道內(nèi)不同位置處甲烷體積分?jǐn)?shù)見表1。由表1可知，靜置自由擴(kuò)散時間越短，點(diǎn)火時刻管道內(nèi)甲烷沿橫向及縱向體積分?jǐn)?shù)梯度越大。且隨著靜置自由擴(kuò)散時間不斷增加，管道內(nèi)甲烷橫向及縱向體積分?jǐn)?shù)梯度先增大后減小。

表1 管道內(nèi)不同位置處甲烷體積分?jǐn)?shù)Table 1 Methane concentration tables at different locations in the pipeline

2.2 火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)分析

圖4顯示了管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)為10%時，不同靜置自由擴(kuò)散時間(Diffusion Time，簡寫tDT)下火焰鋒面隨時間變化的特征。由圖4可知，不同靜置自由擴(kuò)散時間所導(dǎo)致的管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度分布對火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)有顯著影響。

圖4 不同擴(kuò)散時間下火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)Fig.4 Diagram of flame propagation structure under different diffusion time

當(dāng)tDT=10,20,30,60 s時，火焰形狀變化如圖4所示。tDT=10,20,30 s 時，火焰形態(tài)變化經(jīng)歷了4個階段:球形火焰、指型火焰、三重火焰、拉伸三重火焰，這與均勻預(yù)混狀態(tài)下，火焰在管道內(nèi)傳播所經(jīng)歷球形火焰、指型火焰、平板形火焰、郁金香火焰、扭曲郁金香火焰具有明顯不同[10]。

以tDT=10 s時火焰形狀變化為例，如圖4(a)所示。點(diǎn)火后t=0～15 ms時，甲烷處于點(diǎn)燃初期，以球形火焰自由發(fā)展;t=15～34 ms時，受到上下兩側(cè)甲烷體積分?jǐn)?shù)影響，管道內(nèi)上側(cè)甲烷體積分?jǐn)?shù)過高，下側(cè)甲烷體積分?jǐn)?shù)過低均無法形成明亮的預(yù)混燃燒，火焰上下兩側(cè)變暗，呈類似指型火焰狀繼續(xù)沿管道向前傳播;t=34 ms時，火焰約傳播至管道200 mm處，此時管道內(nèi)從頂部—中部—底部形成甲烷體積分?jǐn)?shù)為30.0%—5.2%—0.3%遞減的梯度分布，即管道中軸線上方存在甲烷燃燒的最佳體積分?jǐn)?shù)9.5%?；鹧媲颁h形狀出現(xiàn)明顯變形，表現(xiàn)為火焰鋒面尖端向上突起，曲率半徑減小，該火焰現(xiàn)象被Phillips定義為三重火焰[13]。此時，火焰反應(yīng)速率降低，部分預(yù)混燃燒占主導(dǎo)地位。

當(dāng)t=62 ms時，形成明顯三重火焰結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在非均勻預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中，管道軸線上方形成濃預(yù)混火焰，軸線下方形成稀預(yù)混火焰。經(jīng)濃預(yù)混燃燒富余的可燃物與經(jīng)稀預(yù)混燃燒富余的氧化劑在管道軸線處再次燃燒形成擴(kuò)散火焰[13]。3種火焰共同作用形成三重火焰，相交點(diǎn)稱為三重點(diǎn)。且同時可以發(fā)現(xiàn)，三重點(diǎn)位置略高于管道中軸線。分析甲烷體積分?jǐn)?shù)測量結(jié)果可得:三重火焰穩(wěn)定傳播段(400 mm處)甲烷自上而下體積分?jǐn)?shù)為17.0%—4.8%—0%，甲烷均勻預(yù)混燃燒體積分?jǐn)?shù)9.5%存在于管道中軸線上方，三重點(diǎn)為濃預(yù)混火焰、稀預(yù)混火焰交界處且位于管道中軸線上方，故三重點(diǎn)處為甲烷均勻預(yù)混燃燒。三重火焰在向前傳播的過程中，擴(kuò)散火焰不斷被拉長，形成一個較長的尾部。三重火焰的形成是由于管道內(nèi)甲烷縱向的體積分?jǐn)?shù)梯度，甲烷在較短擴(kuò)散時間內(nèi)更多積聚于管道上方，形成沿管道縱向的由上向下的體積分?jǐn)?shù)梯度遞減場[35]。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ猎搮^(qū)域，由上至下形成濃預(yù)混火焰、擴(kuò)散火焰、稀預(yù)混火焰3種形式，3種火焰形式共同構(gòu)成了三重火焰。

圖5 三重火焰結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Triple flame structure

圖4(a)中t=62～125 ms時，火焰以三重火焰形態(tài)平穩(wěn)向前傳播，速率保持穩(wěn)定。值得注意的是，火焰裙邊在此階段逐漸遠(yuǎn)離管道壁面，火焰前鋒面積以不斷擴(kuò)大的月牙狀增長。t=125 ms時，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿兰s3/5處，火焰前鋒厚度明顯增加。此時管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)較低，約為3.6%，氧化劑空氣含量較高，由于火焰前沿邊界層傳熱與傳質(zhì)的不均勻性，在充足的氧化劑作用下，三重火焰點(diǎn)(均勻預(yù)混燃燒)化學(xué)反應(yīng)速率及熱釋放速率高于上下兩側(cè)濃預(yù)混火焰及稀預(yù)混火焰，使火焰前鋒速度產(chǎn)生較強(qiáng)的速度梯度變化。三重火焰前端被拉伸，反應(yīng)區(qū)變寬，藍(lán)色火焰厚度增加，反應(yīng)速率加快，出現(xiàn)拉伸三重火焰[36]。t=125～189 ms時，拉伸三重火焰繼續(xù)向前傳播，在氧氣充足的情況下，淡藍(lán)色火焰區(qū)不斷拉伸。t=189 ms時，火焰?zhèn)鞑ブ列贡谂懦觥?/p>

在擴(kuò)散較短時間內(nèi)即10，20，30 s時，火焰形狀變化均出現(xiàn)球形火焰、指型火焰、三重火焰、拉伸三重火焰4個階段，但對應(yīng)火焰階段轉(zhuǎn)變位置卻不盡相同。球形火焰階段內(nèi)，球形火焰持續(xù)時間較短，發(fā)展區(qū)域有限，火焰持續(xù)時間及火焰形狀大小基本保持一致。但從實(shí)驗(yàn)圖像及管道體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)對比可明顯觀察出，隨擴(kuò)散時間的增加，管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度不斷減小，中軸線上甲烷體積分?jǐn)?shù)更趨于最佳燃燒體積分?jǐn)?shù)，火焰顏色與輪廓更加清晰。指型火焰階段內(nèi)，隨擴(kuò)散時間增長，指型火焰持續(xù)長度隨擴(kuò)散時間呈線性增長，如圖6(a)所示。這是由于靠近進(jìn)氣口，管道前段甲烷與空氣混合相對均勻。三重火焰階段，三重火焰起始點(diǎn)位置隨擴(kuò)散時間呈現(xiàn)線性增長，如圖6(b)所示。

圖6 火焰結(jié)構(gòu)演變示意Fig.6 Schematic diagram of flame structure evolution

當(dāng)tDT=60 s及600 s時，此時管道內(nèi)甲烷空氣預(yù)混程度相較tDT=10，20，30 s時預(yù)混程度更高，橫向及縱向體積分?jǐn)?shù)梯度變小，火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)發(fā)生較大變化，tDT=600 s火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。觀察圖4(d)、圖7火焰?zhèn)鞑D像，相較擴(kuò)散10，20，30 s工況，火焰顏色呈淡藍(lán)色，更加明亮、輪廓更加清晰、球形和指形火焰階段火焰形態(tài)更加飽滿[37]。這是因?yàn)樵跀U(kuò)散60 s及600 s工況下，管道前甲烷與空氣混合程度較高，中軸線處甲烷體積分?jǐn)?shù)均接近甲烷當(dāng)量比燃燒水平。tDT=60 s時中軸線上體積分?jǐn)?shù)依次為9.0%—8.2%—8.0%—7.3%，其火焰在中軸線上前半段呈預(yù)混狀態(tài)下的球形、指型火焰向前傳播[38]。傳播至后2/5段時，管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)差異較大，tDT=60 s時管道600 mm處甲烷體積分?jǐn)?shù)自上而下為16.0%—8.0%—3.2%，縱向梯度較大，火焰向三重火焰扭曲變形，火焰尖端呈現(xiàn)出類似三重火焰結(jié)構(gòu)，如圖4(d)61 ms時刻圖像所示，隨后火焰?zhèn)鞑ブ列贡凇DT=600 s時，管道內(nèi)甲烷橫向及縱向體積分?jǐn)?shù)均處于相對穩(wěn)定水平，中軸線上體積分?jǐn)?shù)依次為11.2%—10.9%—10.4%—10.1%，管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)均處于甲烷爆炸極限范圍內(nèi)(5%～15%)?？梢园l(fā)現(xiàn)，tDT=600 s，甲烷體積分?jǐn)?shù)差異更小，火焰顏色更加明亮，基本呈預(yù)混火焰向前傳播，出現(xiàn)平板形火焰、郁金香火焰及扭曲郁金香火焰，隨后傳播至泄爆口[39]。

2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?/h3>

如圖8所示，本實(shí)驗(yàn)通過將拍攝到的火焰圖像進(jìn)行像素測量，得到火焰前鋒在管道內(nèi)位置以及與點(diǎn)火后時間一一對應(yīng)關(guān)系。

由圖8可知，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒诵贡诘臅r間隨著擴(kuò)散時間的增加而減小。這是由于隨擴(kuò)散時間增加，管內(nèi)甲烷與空氣混合更加均勻，管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度越小，化學(xué)反應(yīng)速率加快，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兛?，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒藭r間變短。且可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散60 s時傳播至泄爆口所需時間與擴(kuò)散600 s時十分接近，擴(kuò)散600 s工況下所需傳播時間最短。

對火焰前鋒位置時間圖進(jìn)行分析，得到火焰前鋒速度時間圖及火焰前鋒速度位置圖，如圖9所示。不難發(fā)現(xiàn)，在5種不同預(yù)混程度下火焰速度隨時間均保持同樣的變化規(guī)律，即火焰速度先快速上升后下降，再平穩(wěn)發(fā)展至緩慢上升。結(jié)合火焰形狀變化分析，如圖4，9所示，火焰在球形火焰以及球形火焰向指形火焰過渡階段，火焰前鋒速度呈近似直線增長，這是由于在球形火焰和球形火焰向指形火焰過渡階段內(nèi)，火焰鋒面未受到管道壁面影響自由發(fā)展，火焰比表面積逐漸增大，火焰速度增加，火焰速度在指形火焰處達(dá)到峰值[40]。火焰到達(dá)指型火焰后，火焰上下兩鋒面與管道壁面相接觸，導(dǎo)致火焰比表面積減小，且燃燒過程中產(chǎn)生的自由基在與管道壁面碰撞過程中被消耗[41]，火焰與壁面接觸過程中熱傳導(dǎo)擴(kuò)大火焰熱損耗，同時上下側(cè)甲烷體積分?jǐn)?shù)過高或過低導(dǎo)致甲烷燃燒不均勻，多種因素共同作用下表現(xiàn)為火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停感位鹧媲颁h速度沿管道傳播逐漸下降。

圖9 火焰前鋒速度時間圖及速度位置Fig.9 Flame front speed diagram of time and position

tDT=10～30 s時，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏嗤淖兓厔?，即球形、指形火焰階段火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭龃?，在指形火焰階段達(dá)到峰值，隨后火焰向三重火焰過渡的過程中傳播速度迅速下降至谷低，火焰以三重火焰形態(tài)沿管道繼續(xù)向前傳播，且隨著火焰沿管道向前推進(jìn)，管道內(nèi)氧化劑含量愈發(fā)充足，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u提升。泄爆口中心點(diǎn)位于管道900 mm處，隨后火焰?zhèn)鞑ブ凉芡狻?/p>

如圖9所示，tDT=60 s及600 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)高于tDT=10～30 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣?。結(jié)合火焰?zhèn)鞑D像分析，沿管道前2/3段時，tDT=60 s與600 s時火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)保持高度相似，均為球形火焰、指形火焰。這是由于在tDT=60 s及600 s時，管道中軸線上甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度分別為9.0%—8.2%—8.0%—7.3%，11.2%—10.9%—10.4%—10.1%，中軸線上甲烷體積分?jǐn)?shù)均處于甲烷燃燒當(dāng)量比9.5%上下較小范圍內(nèi)，故tDT=60 s及600 s火焰速度保持相似且遠(yuǎn)高于tDT=10～30 s。同時可以發(fā)現(xiàn)，由于tDT=600 s時管內(nèi)縱向體積分?jǐn)?shù)梯度更小，甲烷空氣混合程度更高，故tDT=600 s時火焰?zhèn)鞑ニ俣雀撸鹧嫘螤钶喞黠@?；鹧?zhèn)鞑ブ凉艿兰s600 mm時，tDT=60 s工況下火焰?zhèn)鞑ブ良淄樯舷聝蓚?cè)體積分?jǐn)?shù)差異較大處，此時管道中軸線甲烷體積分?jǐn)?shù)8%已較大偏離于甲烷燃燒當(dāng)量比9.5%，且由頂部到底部甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度為16.0%—8.0%—3.2%，火焰發(fā)生明顯變形，火焰尖端向軸線上方偏移，傳播速度降至谷值6.1 m/s，隨后火焰繼續(xù)向前傳播至泄爆口。tDT=600 s時管道內(nèi)上下部分甲烷體積分?jǐn)?shù)差異較小，管道600 mm處的縱向體積分?jǐn)?shù)梯度為11.4%—10.4%—7.8%，梯度差異較小，且甲烷體積分?jǐn)?shù)均處于爆炸當(dāng)量比9.5%附近，火焰沿管道以球形、指形、平板形、郁金香形火焰向前傳播至泄爆口[42]。

2.4 爆炸超壓分析

圖10顯示了管道內(nèi)甲烷在擴(kuò)散10，20，30，60及600 s時爆炸超壓隨時間變化曲線，壓力記錄起始時刻約為點(diǎn)火前0.1 s。分析圖10中數(shù)據(jù)可知，擴(kuò)散時間為10，20，30 s時，管道內(nèi)甲烷空氣預(yù)混程度逐步增加，甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度逐漸減小，最大爆炸超壓逐漸增加且呈現(xiàn)一前一后2個波峰，后波峰壓力峰值約為前波峰1/2。結(jié)合火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)及火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?，tDT=10～30 s時，點(diǎn)火后火焰由球形火焰逐漸發(fā)展為指形火焰，火焰速度在指形火焰階段達(dá)到第1個速度峰值，受指形火焰階段快速的燃燒反應(yīng)以及較高的熱釋放速率帶來的壓升影響，爆炸超壓達(dá)到第1個峰值。隨后指形火焰轉(zhuǎn)變?yōu)槿鼗鹧鏁r火焰速度迅速下降，壓力表現(xiàn)為迅速下降至波谷，隨后爆炸超壓隨著三重火焰速度的提升到達(dá)第2個峰值，三重火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝汉蟛ǚ寰s為前峰值的1/2?？梢园l(fā)現(xiàn)，爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂幸灰粚?yīng)關(guān)系。隨后壓力經(jīng)泄爆口迅速排出，管道內(nèi)壓力恢復(fù)正常水平。擴(kuò)散時間為60 s時，此時管內(nèi)最大爆炸超壓顯著增加，壓力迅速上升形成1個波峰，對比tDT=30 s時，峰值壓力增加約2/3。隨后壓力迅速下降，以略高于常壓水平產(chǎn)生波動，形成2個較小的波峰，壓力波動過后形成負(fù)壓，隨后壓力恢復(fù)正常水平。tDT=600 s時，管內(nèi)最大爆炸超壓顯著上升，峰值對比tDT=60 s時增長約1/3，后波峰峰值減小、出現(xiàn)時間顯著縮短，隨后壓力恢復(fù)正常水平。

圖10 甲烷爆炸超壓示意Fig.10 Schematic of methane explosion overpressure

對上述數(shù)據(jù)分析可得，甲烷-空氣預(yù)混程度的增加即管道內(nèi)甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度的減小會顯著影響甲烷爆炸超壓峰值。擴(kuò)散時間越長，甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度越小，超壓峰值越大。在自由擴(kuò)散時間較短的工況下，爆炸超壓呈現(xiàn)2個峰值，且爆炸超壓曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€呈相對應(yīng)關(guān)系。10%管道體積的甲烷經(jīng)過足夠長的時間泄漏與擴(kuò)散后，會在管道內(nèi)形成相對穩(wěn)定的自上而下的體積分?jǐn)?shù)梯度分布，為12.0%—11.2%—8.8%。甲烷體積分?jǐn)?shù)均處于爆炸極限內(nèi)，且接近于甲烷化學(xué)計量比9.5%，此時管道內(nèi)甲烷爆炸超壓達(dá)到峰值35 kPa。

3 結(jié) 論

(1)甲烷在管道內(nèi)泄漏擴(kuò)散后，先受到浮力作用在管道頂部積聚，隨后在分子間作用力及體積分?jǐn)?shù)差的引導(dǎo)下，沿管道橫向及縱向傳播，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后形成橫向及縱向甲烷體積分?jǐn)?shù)梯度場，而非傳統(tǒng)研究中的管道內(nèi)甲烷與空氣完全均勻預(yù)混。巷道內(nèi)瓦斯泄漏后體積分?jǐn)?shù)分布當(dāng)遵循此規(guī)律。

(2)當(dāng)非均勻甲烷-空氣在甲烷縱向體積分?jǐn)?shù)梯度場中被引燃時，會呈現(xiàn)出三重火焰結(jié)構(gòu)，且梯度越大，三重火焰結(jié)構(gòu)愈發(fā)明顯;三重火焰形態(tài)出現(xiàn)后，火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝貉杆傧陆担S三重火焰繼續(xù)傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝郝杂猩仙厔荨?/p>

(3)管道內(nèi)甲烷空氣非均勻預(yù)混時爆炸超壓呈現(xiàn)2個峰值，爆炸超壓曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏鄬?yīng)關(guān)系。壓力峰值間隔時間隨體積分?jǐn)?shù)梯度減小而減小，且在不同梯度下，中軸線處甲烷體積分?jǐn)?shù)越接近當(dāng)量比時火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇欤ǔ瑝涸礁摺?/p>