氣流特征對水平長管內石松子粉塵爆炸火焰結構的影響*

高 偉,阿部俊太郎,榮建忠,土橋律

(1.大 連理工大學 化工機械學 院,遼寧 大連 116024; 2.東京大學工學院化學系統工程專攻,東京 113-8656; 3.公安部四川消防研究所,四川 成都610036)

氣流特征對水平長管內石松子粉塵爆炸火焰結構的影響*

高 偉1,2,阿部俊太郎2,榮建忠3,土橋律2

(1.大 連理工大學 化工機械學 院,遼寧 大連 116024; 2.東京大學工學院化學系統工程專攻,東京 113-8656; 3.公安部四川消防研究所,四川 成都610036)

為探索氣流特征對水平長管內粉塵爆炸火焰結構的影響,對采用加壓送氣傳輸方式形成的石松子粉塵云經靜電引燃后其火焰在水平長管內的傳播特性進行實驗。利用熱線風速儀測量不同氣流條件下沿管徑方向的速度分布和湍流強度分布,采用高速攝像系統記錄了火焰在水平管道內的傳播過程。實驗觀察到,即使管內石松子粉塵質量分數相同,仍然會出現2種不同類型的火焰結構:一種類型火焰輪廓規則、清晰,火焰中心為連續的黃色發光區并由紅色邊緣火焰包裹;另一種類型火焰空間離散,火焰發光區局部存在,散亂地呈現不規則狀態。詳細分析不同氣流條件對火焰結構的影響。

爆炸力學;粉塵爆炸;氣動傳輸;氣流特征;火焰結構;火焰傳播速度

由于在垂直管道內形成懸浮的粉塵云比在水平管道內要容易得多,因此不少粉塵火焰的研究工作是在垂直管道 內進行 的[1-6]。 在實驗 室條件 下,要 實現 粉 塵 火 焰 在 水 平 長 管 中 的 傳 播 與 加 速,困 難 主 要在于,因地引力作用很難維持粉塵云在燃燒過程中仍能均勻地懸浮在L/D?10的水平管內。T.Matsuda[7-8]在內徑 4.2 cm、長13 m 的水平長管內對采 用 弱 點 火 能 點 火 的 軟 木 和 ABC 樹 脂 粉 塵 的 火 焰 傳播特性及氣流速度對其最小點火能的影響開 展 了 實 驗研究。J.H.Pickles[9]提出 了 包 含 湍流混合效 應的理論模 型,對 水 平 長 管 內 粉 塵 火 焰 傳 播 的 機 理 進 行 了 討 論 與 分 析。 劉 曉 利 等[10-11]設 計 了 內 徑158 mm、長23 m 的水平粉塵爆轟管,但在其實驗研究中只運行了其中的10 m,其長徑比L/D僅為63。陳志華等[12-13]在內 徑140 mm,長 為12 m 的水平 粉塵 火 焰 加 速 管 內,對 鋁 粉 懸 浮 云 中 火 焰 加 速 誘 導 激波現象進行了實驗研究。白春華等[14]在內徑300 mm,長71 m 的水平管道內,對 玉米淀 粉、小麥粉等有機糧食粉塵“二 次爆炸”過程 進行了 實驗研 究,得到 了“二 次爆炸”發 展 過 程 及 爆 轟 波 特 性。 鐘 圣 俊 等[15]采用算子分裂法和 FCT 格式 ,數值 模 擬 了 水 平 長 管 道 中 的 煤 粉 爆 炸 。 薄 濤[16]在 水 平 長 管 內 對 粉 塵 的爆炸進行了分析,確定了影響粉塵爆炸的因素,這些因素包括粉塵粒度、粉塵質量分數、粉塵濕度、揮發物含量、惰性粉塵含量以及延遲點火時間等。對于水平管道內粉塵爆炸火焰傳播機理的實驗數據較少,且較為分散,缺乏系統研究。本文中利用熱線風速儀對水平管道內的氣流速度及分布進行測量,采用高速攝影系統記錄火焰在水平長管內的傳播過程,詳細分析了不同氣流條件對火焰傳播速度、渦旋結構、出現條件和相對燃燒速度的影響,可為相關研究提供參考。

1 實驗裝置及條件

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示,主要由水平燃燒長管、送風機、時間控制器、粉塵供給裝置、多孔板、點火裝置及高速攝影系統組成。水平燃燒長管為末端開口直徑60 mm、長4 000 mm 的透明亞克力圓柱形管道,實驗中主要選取點火電極上游1 m至下游2 m段作為主要的觀測范圍。在水平長管內形成粉塵氣流的方法通常有2種,即加壓送氣法和加壓抽吸法。在本文中采用加壓送氣法在長管內形成均勻的粉塵云,為防止火焰的逆流在送風機出口處設置金屬網。實驗中使用200 V三相電源的送風機,通過調節輸出頻率控制電機的轉速進而控制長管內的空氣流速;在點火電極上游不同位置安置多孔板進行整流并營造出不同的湍流環境。粉塵供給系統位于點火電極上游1 m 處,由粉塵罐、振動篩和空氣壓縮機組成,電磁閥的開啟持續時間由罐內的空氣壓力值和粉塵量共同決定,同時采用直角彎管釋放儲罐內的粉塵粒子,從而使粒子完全釋放并在管道中均勻分散。實驗中采用歐姆龍石英計時器 H5CN控制各個單元的啟動和關閉時間,由PLC語言編譯實現。實驗中的粉塵的粒徑分布由馬爾文公司的粒徑分析儀進行檢測;并采用Phantom 公司高速攝影記錄不同時刻管道中的火焰結構特征。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental apparatus

1.2 實驗材料

1.2.1 材料特性

實驗中采用日本粉體工業技術協會規定的粉塵爆炸標準粒子——石松子為材料進行測試。石松子為石 松 科 植 物 石 松 的 孢 子 ,淡 黃 色 、質 輕 、無 吸 濕 性 。 石 松 子 C5.7H9.6O1.3N0.09含 脂 肪 油 約 50%,含 纖 維素10%~15%、含木聚糖10%及精蛋白,密度為0.367~0.477 g/m3,最小點火能10~40 mJ,粉塵云最低點火溫度310 ℃,粉 塵云爆 炸的質 量分數 下 限 為 105~125 g/m3[17]。SEM 掃 描 圖 像 顯 示,燃 燒 前 的石松子粒子形狀規則,球狀表面有網狀 的 凹 凸結構[3]。 實 驗 中石松子粒 子 的 質 量分數約為400 g/m3。石松子粒子掃描電鏡圖像如圖2所示。

圖2 石松子粒子掃描電鏡圖像Fig.2 SEM photographs of unburned and burned lycopodium particles

1.2.2粒徑分布

實驗前利用馬爾文公司的粒徑分析儀對石松子粒子的粒徑分布進行測量,圖3所示為測量的粒徑分布曲線,D 為 粒 子 粒 徑,φ為 相 應 粒 徑 的 體 積 分 布 分 數,F為 相 應 粒 徑 的 累 計 分 布 分 數。 當 量 比 表 面直徑和體積平均粒徑分別為13.99和30.64μm。

圖3 石松子粒子粒徑分布曲線Fig.3 Diameter distribution of the lycopodium particles

1.3 水平長管內的氣流速度及湍流強度

根據湍流的定義[18],某 一 瞬 態 流 動 在 流 場 給 定位置第i次所測得的t0時刻的瞬時速度為u(t0),可以分解為2個部分:

式 中 :u(t0)為 瞬 時 速 度為 平 均 速 度為脈動速度。

根據系 綜 平 均 法 定 義[19],在t0時 刻 由 N 次 相同測量而獲得的該時刻的系綜平均速度與均方根速度為:

在內徑為60 mm 的水平長管中,雷諾數都超過10 000,所以在本文中取Re=104~105,長管內的流場為湍流狀態。實驗中通過調節變頻控制器來調節電機的轉速進而控制長管內空氣的流速,并利用日本加野會社的熱線風速儀測量長管內不同位置的瞬時速度,測量結果如圖4所示,定義v0為空氣進入管 內 的 初 始 速 度 ,va為 氣 流 速 度 ,u′為 湍 流 強 度 ,H 為 距 離 管 中 心 線 的 垂 直 距 離 。

圖4 不同初始氣流速度下沿管徑方向的氣流速度分布和湍流強度分布Fig.4 Distributions of airflow velocities and turbulent intensities along the diameter under different initial velocities

從圖4可以看出,在不同初始速度的條件下,實驗中水平長管中的氣流特征如下:氣流速度在水平長管內以長管中心為中心沿管徑方向呈凸拋物線型分布;隨著管內氣流速度的增大,長管中心處的氣流速度與管壁處的氣流速度差逐漸變大;隨著長管內氣流速度的變大,湍流強度也逐漸變大;湍流強度在水平長管內以長管中心為中心沿管徑方向呈凹拋物線型分布;隨著氣流速度的增大,長管中心與管壁的湍流強度差也逐漸變大;氣流速度非常大的情況下,管壁處的湍流強度非常強,最高可達到2 m/s。通常在粉塵爆炸 過程中 ,湍流對 爆炸過 程的影 響主要 包括3 個方面[20]:增 加 熱 解、氣 化 氣 體 組 分 的 燃 燒 速度;增加氧氣的傳輸速度;增加粒子間的熱量傳遞速率。

2 實驗結果及討論

2.1 不同氣流條件下的火焰位置及火焰傳播速度

利用高速攝像系統拍攝氣流速度分別為10、15、20、25和30 m/s條件下管內的 火焰傳播過程,圖5所示為不同氣流速度條件下火焰前端、后端的瞬時位置。

在10 m/s氣流速度條件下,石松子粒子流至下游0.3 m 后開始著火。氣流對火焰傳播過程的影響并不明顯,火焰沿管軸向上游和下游以同樣方式加速傳播,且向上游與向下游的傳播速度幾乎相同;向上游傳播時,火焰傳播方向與氣流方向相反。在火焰傳播的過程中,火焰持續伸長,變成頂端細且極長的火焰。氣流速度為15 m/s時,火焰同樣出現在點火電極的下游。點燃后的石松子粒子向上游和下游傳播的狀態與10 m/s時的情況相同,但因被氣流抑制,火焰向上游的傳播速度偏小,且火焰末端沒有變細。氣流速度為20、25和30 m/s時,除一次火焰外,水平長管內均出現二次火焰,且形成的二次火焰比一次火焰更長;同時一次火焰出現時火焰不會發生倒流現象,但二次火焰出現時火焰會發生倒流現象。從圖5(e)中可以看出,當氣流速度為30 m/s時,在一次火焰上游的位置出現二次火焰。通常粉塵爆炸時火焰從點火源開始傳播,因點火源附近只有燃燒生成物所以很難再次著火;但在本文中,火焰在水平長管內傳播的同時,上游未燃的石松子粒子和氧氣會隨氣流再次流下,因此很容易產生二次火焰。45 ms后管內出現的二次火焰由于燃燒產物的熱膨脹效應加速一次火焰在管內的雙向傳播。在70 ms后,火焰的傳播速度與氣流流速相近,火焰分裂成幾個部分并從下游火焰的頂端位置開始逐漸消失。

圖5 不同氣流速度下不同時刻的火焰前端、后端位置Fig.5 Flame front,rear positions with time under different airflow velocities

圖6 所示為氣流速度分別為10、15、20、25和30 m/s條件下測定的火焰前端、中端和后端的平均傳播速度值,vf為火 焰傳播 速度,Lx=1.0,2.0,3.0時,分別表示火焰的前端、中端和 后端。 圖 中 不 同 色 塊僅區別多次實驗中得到的結果,不代表物理狀態的變化。在工業安全設計中通常取最大火焰傳播速度作為參考數值,可以看到在高氣流速度條件下,火焰的最高傳播速度甚至可以為氣流速度的6倍以上,以超過100 m/s的超高速傳播;即使氣流速度為10 m/s的情況下,最高火焰傳播速度也接近10 m/s。在氣流速度為15、20和30 m/s時,火焰前端的傳播速度最快;而在10和25 m/s氣流條件下,火焰中端的傳播速度稍快。

圖6 不同氣流速度下火焰的不同位置傳播速度Fig.6 Flame propagation velocities of different positions under different airflow velocities

2.2 火焰的傳播形態

水平長管內的石松子粉塵質量分數相同時,實驗過程中仍然觀察到2種不同的火焰結構,如圖7所示。A類型火焰輪廓規則、清晰,且頂端大多呈圓弧狀;火焰中心為黃色發光區,發光區在空間連續并由紅色火焰包裹;在火焰傳播的過程中火焰的發光部分會逐漸變弱至消失。B類型火焰空間離散,表現為頂端細中部逐漸斷裂,火焰發光區局部存在,散亂地呈現不規則狀態。

圖7 2種類型火焰的形態特征Fig.7 Characteristics of the two types flames

B類型火焰在著火點附近的火焰形狀變化劇烈,可以確定此類火焰呈螺旋狀旋轉傳播。A類型火焰亮度強,結構很難直接觀察,在實驗中采用帶通濾波片拍攝并利用Image-J軟件對火焰的輪廓進行臨摹,如圖8所示。從圖中可以看出,火焰如漩渦卷動一般,僅僅從圖像來看是上下動作,但是從立體上可以確定仍是呈螺旋狀旋轉傳播。

通過多次實驗調查了A類型火焰與B類型火焰形成的條件,結果發現管內的氣流速度對2種不同類型火焰的形成有重要影響。在較低流速的氣流條件下,B類型的火焰占據主導地位;當氣流速度超過20 m/s時B類型火焰的主導地位發生逆轉;也就是說,當氣流速度超過20 m/s時容易出現 A 類型的火焰,當氣流速度低于20 m/s時容易出現B類型的火焰。

圖8 A類型火焰的渦旋結構Fig.8 Flame vortex structure of type A

2.3 2種類型火焰的相對燃燒速度

為了消除氣流速度的影響,將2種類型火焰的傳播速度減去氣流速度從而算出相對燃燒速度,計算結果如圖9所示。

這里的燃燒速度限定為一次火焰的相對燃燒速度。由圖中可以看出,限定為一次火焰時,A 類型火焰的相對燃燒速度平均值超過100 m/s;而 B類型火焰的相對燃燒速度平均值均低于80 m/s。實驗結果表明,石松子粉塵火焰在水平長管內傳播時,火焰的相對燃燒速度與氣流速度的變化趨勢相一致,即氣流速度較快時火焰的傳播速度也變快。

圖9 2種類型火焰的相對燃燒速度Fig.9 Relative propagation velocities of the two types flames

3 結 論

利用高速攝影系統記錄了不同氣流條件下石松子粉塵火焰在水平長管內的傳播過程,并詳細分析了管內氣流特征對火焰結構的影響,得到如下結論:

(1)氣流速度為 10m/s時 石 松 子 火 焰 在 水 平 長 管 內 穩 定 傳 播;而 當 氣 流 速 度 為 20、25 和 30 m/s時,除一次火焰外,水平長管內出現二次火焰,且形成的二次火焰比一次火焰長;同時一次火焰出現時火焰不會發生倒流現象,但是二次火焰時火焰會發生倒流現象。

(2)在高氣流速度條件下,火焰的最高傳播速度可以達到氣流速度的6倍以上,以超過100 m/s的超高速傳播;即使氣流速度為10 m/s的情況下,火焰的最高傳播速度也接近10 m/s。

(3)在相同質量分數粉塵的火焰傳播過程中出現兩種截然不同的火焰結構,A 類型火焰輪廓規則、清晰,火焰中心為連續的黃色發光區并由紅色火焰包裹;B類型火焰發光區空間離散并局部存在,散亂地呈現不規則狀態;兩種火焰均呈螺旋狀旋轉傳播。當氣流速度超過20 m/s時容易出現 A 類型的火焰,當氣流速度低于20 m/s時容易出現B類型的火焰。

(4)石松子粉塵火焰在水平長管內傳播時,火焰的相對燃燒速度與氣流速度相一致,即氣流速度較快時火焰的傳播速度也變快。

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Effect of airflow characteristics on flame structure for following lycopodium dust-air mixtures in a long horizontal tube

Gao Wei1,2,Abe Shuntaro2,Rong Jian-zhong3,Dobashi Ritsu2
(1.School of Chemical Machinery,Dalian University of Technology, Dalian 116024,Liaoning,China; 2.Department of Chemical System Engineering School of Engineering, University of Tokyo,Tokyo 113-8656,Japan; 3.Sichuan Fire Research Institute of Ministry of Public Security, Chengdu 610036,Sichuan,China)

Experiments were conducted to investigate the effect of conveying airflow characteristics on flame structure for the electric spark ignition in air flow of lycopodium dust.Hot wire anemometers were used to measure the distributions of velocity and turbulent intensity along the diameter in a 6 cm diameter and 4 m length horizontal acrylic tube of a blow-type pneumatic conveying system.The measured dust-air mixtures flowing velocities ranged between 10 and 30 m/s.A high-speed video camera was utilized to record the flame propagation process and to obtain the direct light emission photographs.Two apparently different types of flames appeared in the flame propagation process under different airflow conditions.Type A flame was characterized by a regular and continuous structure with the yellow light-emitting zone in the center surrounding by the red luminous zone.Type B flame was discrete in the space and the structure of the luminous zone was irregular.Furthermore,the flame propagation velocities,vortex structures,formation conditions and relative burning velocities of the two types flames under different airflow velocities were discussed in detail.

mechanics of explosion;dust explosion;pneumatic transportation;air flow characteristics;flame structure;flame propagation velocity

O383;X932國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0372-08

(責任編輯 王易難)

2013-07-08;

2014-06-03

國家 自然科學基 金項目(51406023);中 國博士后科 學基金項目(2014M560213)

高 偉(1984— ),男,博士,講師,gaowei07@mail.ustc.edu.cn。