丙烷/空氣拉伸火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性實驗研究*

張云明

(中國人民武裝警察部隊學院滅火救援技術公安部重點實驗室，河北 廊坊 065000)

數字出版日期： 2017-07-19

0 引言

丙烷作為傳統(tǒng)的燃料和化工原料，在能源、化工、航天領域應用廣泛。近年來由于丙烷及其作為主要成分的燃氣泄漏事故時有發(fā)生，燃氣爆炸和火災事故損失慘重，社會影響極大。如何高效安全利用可燃氣體，預防或減輕事故傷害成為能源行業(yè)研究的重要課題。目前有關丙烷燃燒的研究一方面是燃燒速度、點火能量、爆炸極限等基礎參數與破壞威力的測定[1-6]，另一方面主要是火焰加速、燃燒波形態(tài)、火焰結構等火焰發(fā)展詳細過程的研究[7-11]。丙烷作為高擴散性和低點火能的甲類易燃氣體，其火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性是決定氣體燃爆過程的內在因素。研究氣體火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性及其致災機理是可燃氣體安全應用和事故防治的基礎和重點，本課題忽略點火能量和約束條件等因素的影響，以火焰表面微觀特征為基礎，對常溫常壓下空氣中丙烷球形擴展火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和失穩(wěn)機理開展研究。

1 實驗裝置與測試方法

實驗裝置由定容彈、配氣罐、點火裝置、紋影系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)構成，裝置布置如圖1所示。圓柱形定容彈兩端為對稱布置的觀測窗，罐體內徑302 mm，長度392 mm。電測設備和點火裝置均布于罐體周身測試孔，其中定容彈壓力由奇石樂1 000 PSI量程的壓力傳感器進行測試，點火裝置采用自行開發(fā)的靜電點火裝置[12]實現中心點火?；鹧?zhèn)鞑ミ^程由紋影系統(tǒng)和高速運動分析系統(tǒng)通過觀測窗進行光學觀測，圖像采樣率8 400 fps。為了穩(wěn)定點火并減輕點火能量與未燃氣體初始狀態(tài)對火焰?zhèn)鞑ミ^程的干擾，實驗采用10 mJ小能量點火，并按照Huzayyin等[13]提出的等壓條件量化指標和本實驗裝置實測統(tǒng)計結果，火焰圖像有效采集半徑取8～75 mm。實驗初始環(huán)境條件固定為20 ℃和1 atm，實驗燃料為純度為99.999%丙烷，助燃空氣由21%O2和79%N2混合而成。試驗前通過配氣系統(tǒng)向抽真空的爆炸罐中緩慢充入燃料和助燃氣體，靜止15 min后，通過同步器觸發(fā)點火并記錄電測和光測數據。

圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

2 火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性理論

火焰?zhèn)鞑ダ硐胗^測條件為壓力恒定、火焰平直、無重力影響等，而實際火焰發(fā)展過程會受到點火方式、初始狀態(tài)、約束條件等因素的影響。對于常見的點源中心擴展火焰，火焰?zhèn)鞑ゴ嬖诿黠@的拉伸現象，通常采用拉伸率來表征火焰表面的受拉伸程度：

(1)

式中：α為火焰拉伸率，1/s；A為火焰面積，m2；vs為拉伸狀態(tài)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，m/s。

根據馬克斯坦理論[14]，近似等壓絕熱條件下球形擴展火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c拉伸率呈如下線性關系：

vs=-Lb·α+vu

(2)

式中：vu為無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s；Lb為馬克斯坦長度，mm，其值可以通過求解vs-α曲線負斜率來確定。

對于預混拉伸火焰，體積力不穩(wěn)定性、熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學不穩(wěn)定性是造成火焰失穩(wěn)的主導因素[8-10]。體積力不穩(wěn)定性是重力環(huán)境下流體密度不均而引發(fā)的火焰失穩(wěn)。中心點火火焰由于燃燒放熱必然引起著火區(qū)域向上漂浮。在重力環(huán)境下浮力對火焰的影響一直存在。

熱擴散不穩(wěn)定性是火焰鋒面?zhèn)髻|與傳熱差異引起的火焰失穩(wěn)。火焰前后傳熱與傳質通常采用劉易斯數[15-17]量化：

(3)

式中：Le為劉易斯數；αT為熱擴散系數，m2/s；Dm為質量擴散系數，m2/s；k為導熱系數，W/(m·K)；ρu為密度，kg/m3；CP為定壓比熱，J/(kg·K)。

流體力學不穩(wěn)定性是火焰鋒面流體相對流動狀態(tài)變化引起的火焰不穩(wěn)定[18]，可以用火焰熱擴散厚度來表征[19]。根據Law[10]的描述，火焰熱擴散厚度定義為：

(4)

式中：δL為層流火焰熱擴散厚度，mm，火焰厚度減小，流體力學不穩(wěn)定性增強[20]；SL為層流燃燒速度，m/s。

3 實驗結果與分析

3.1 火焰發(fā)展過程

丙烷/空氣預混火焰成長與發(fā)展過程與丙烷濃度直接相關，如圖2所示不同配比條件下火焰擴展形狀和表面狀態(tài)明顯不同?；旌衔餄舛瓤拷O限邊界(即當量比φ≤0.4或φ≥1.9)時，混合氣體中心點火后燃燒波逐漸向上飄移和變形，火焰表面保持光滑狀態(tài)，垂直向下的燃燒波由向外凸出轉變?yōu)橄騼劝歼M的Tulip火焰?；旌衔餄舛瓤拷瘜W劑量濃度時，點火后燃燒波成規(guī)則球形向外傳播，火焰呈球形擴展，火焰表面微觀結構隨著當量比的增大按照由光滑向粗糙再向光滑的趨勢變化；當φ=0.7和1時，火焰表面基本保持光滑狀態(tài)，放電擾動引起的初始裂紋不隨火焰的擴展而發(fā)展；當量比φ=1.3和1.6時，燃燒波擴展過程中火焰表面裂紋逐漸增多，但比較而言φ=1.6時新增裂紋比φ=1.3時更少更慢。對于丙烷空氣預混火焰，當量比越靠近理論當量比(略微偏向富燃側)，燃燒波保持球形擴展狀態(tài)的能力越強，火焰表面裂紋越多，微觀結構越復雜。

圖2 丙烷/空氣混合物點火初期火焰發(fā)展過程Fig.2 Development of propane/air flame in the initial ignition

根據火焰發(fā)展的紋影照片，利用火焰前鋒位置可實測獲得丙烷點火初期火焰?zhèn)鞑ニ俾省Ｓ蓤D3可知丙烷濃度直接影響拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾?，利用公?1)可以獲得不同濃度條件下火焰的拉升率。根據圖4不同拉伸率對應的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾士芍?空氣球形擴展火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c火焰拉伸率具有很好的線性相關性，因此實驗條件下丙烷/空氣球形擴展火焰?zhèn)鞑ミ^程符合馬克斯坦理論。經過線性擬合與外推，可以獲得不同當量比條件下丙烷/空氣無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣群婉R克斯坦長度。

圖3 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰半徑的關系Fig.3 Propagation velocity of stretched flame in different radius

圖4 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c拉伸率的關系Fig.4 Propagation velocity of stretched flame in different stretch ratio

3.2 火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性

丙烷/空氣混合物不同當量比條件下，火焰呈現出2種不同的發(fā)展狀態(tài)：混合物靠近兩端的爆炸極限時，燃燒波都會飄移變形并保持表面光滑；當量比靠近理論值時，燃燒波以點火源為中心呈規(guī)則球形向外擴展，火焰表面褶皺程度發(fā)生變化。體積力不穩(wěn)定性、熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學不穩(wěn)定性是影響火焰失穩(wěn)的主導因素，體積力因素主要表現為浮力引起的火焰飄移和變形，熱擴散因素和流體力學因素主要表現為燃燒波表面褶皺形態(tài)的改變。

丙烷/空氣當量比φ位于0.7～1.6范圍以外時，火焰?zhèn)鞑ヌ卣髦饕憩F為浮力引起的燃燒波變形和飄移，火焰表面保持相對光滑狀態(tài)無褶皺增長。實測結果表明此范圍火焰?zhèn)鞑ニ俣日w小于0.5 m/s，此時火焰穩(wěn)定性主要由體積力因素主導，熱擴散因素和流體力學因素忽略不計，火焰最終變成圖5所示的上浮火焰。由浮力主導的火焰不穩(wěn)定性目前沒有統(tǒng)一的標準，根據實驗結果分析，燃燒波下緣由點火初期的向下傳播逐漸過度到火焰鋒面駐停再發(fā)展到隨著整個已燃區(qū)域上浮，火焰駐停時刻即為燒波向下傳播速率等于浮力引起的燃燒泡上浮速率。為此本研究選取燃燒波停止向下傳播時刻ts作為衡量浮力不穩(wěn)定性的指標。另外，為了標準化丙烷爆炸上下極限量化結果，引入理論當量比偏移量參數Ф=|0.5-φ/(1+φ)|，當量比φ等于1時偏移量φ為零，丙烷濃度越靠近爆炸極限，偏移量越大。由圖6中Ф～ts曲線變化趨勢可知，當偏移量φ>0.15時，體積力因素的影響明顯，而且偏移量越大浮力對火焰穩(wěn)定性的影響越顯著。對于爆炸極限附近的低速燃燒過程，熱釋放速率低，熱損失大，火焰厚度大，火焰表面裂紋難以持續(xù)發(fā)展，燃燒對火焰發(fā)展穩(wěn)定性影響微弱，浮力對緩慢擴大的泡狀燃燒區(qū)域影響顯著。因此對于低速燃燒過程，體積力即浮力是影響火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性的主導因素。

圖5 丙烷燃燒波向上飄移的紋影照片Fig.5 Schlieren photographs of propane combustion wave drift upward

圖6 火焰駐停時刻與理論當量比偏移量的關系Fig.6 Relations between ts and Φ

丙烷/空氣混合物當量比φ位于0.7～1.6范圍內時，燃燒波以點火源為中心呈規(guī)則球形向外傳播，浮力因素對此范圍的火焰?zhèn)鞑o明顯影響。從圖7所示的半徑40 mm時火焰表面微觀結構來看，混合物由貧燃向富燃轉變過程中，火焰表面褶皺逐漸增多，然而φ大于1.3時，火焰表面褶皺程度又相對減小，火災穩(wěn)定性在當量比等于1.3附近出現反轉。對于球形擴展火焰，穩(wěn)定性可以用馬克斯坦長度來衡量，根據圖8所示的Lb計算結果可知，球形擴展丙烷/空氣混合物Lb隨φ的增大先減小后增大，通過馬克斯坦長度表征出來的火焰穩(wěn)定性結論與燃燒波表面結構狀態(tài)非常吻合，說明球形擴展燃燒波穩(wěn)定性隨丙烷濃度的增大呈現先降低后增加的趨勢變化。

圖7 半徑40 mm時火焰表面微觀結構Fig.7 Microstructure of flame surface at radius 40 mm

圖8 不同當量比下的馬克斯坦長度Fig.8 Markstein lengths under different equivalence ratios

根據火焰?zhèn)鞑ヌ卣骺芍鹧媸芨×Σ环€(wěn)定性影響小，熱擴散不穩(wěn)定性和流體力學不穩(wěn)定性主導火焰?zhèn)鞑ミ^程。根據圖9給出的丙烷/空氣混合物Le計算結果可知，Le與φ呈反比關系變化，并且φ在1.3附近時，Le由大于1變?yōu)樾∮?。表明熱擴散因素對火焰穩(wěn)定性的影響逐漸減弱。當量比φ小于1.3范圍內火焰穩(wěn)定性特征與Le變化趨勢相符，但是繼續(xù)增大丙烷濃度發(fā)現火焰穩(wěn)定性又逐漸增強，熱擴散因素對穩(wěn)定性的影響與實測結果不相符。經過計算火焰熱擴散厚度，如圖10所示，發(fā)現球形擴展范圍內，丙烷/空氣火焰熱擴散厚度呈馬鞍形趨勢變化，并且在當量比φ位于1.3附近時最小。由于火焰不穩(wěn)定性隨火焰厚度增大而減弱，因此流體力學不穩(wěn)定性隨混合物濃度的增大先逐漸減弱后快速增強，其轉折點位于φ等于1.3附近。綜合2種不穩(wěn)定性因素，可以發(fā)現丙烷/空氣球形擴展火焰?zhèn)鞑ゲ环€(wěn)定性是流體力學因素和熱擴散因素共同作用的結果。低濃度條件下，熱擴散因素是維持火焰穩(wěn)定性的主要因素，隨著丙烷濃度的增大，熱擴散因素逐漸減弱，同時流體力學不穩(wěn)定性影響則逐漸增強，并逐漸成為主導火焰不穩(wěn)定性的主要因素，在當量比φ位于1.3附近時，火焰穩(wěn)定性達到最弱。繼續(xù)增大丙烷濃度，流體力學因素對火焰不穩(wěn)定性的影響快速減弱，因此當量比φ等于1.6時，火焰穩(wěn)定性整體上強于φ等于1.3時的情況。

圖9 不同當量比下混合物劉易斯數Fig.9 Lewis number under different equivalence ratios

圖10 不同當量比下的火焰厚度Fig.10 Flame thickness under different equivalence ratio

燃燒波形狀和火焰表面微觀結構是火焰穩(wěn)定性的直觀表現，體積力因素、熱擴散因素和流體力學因素是影響火焰穩(wěn)定性的內在因素，對于不同濃度條件下的丙烷/空氣混合物，3種因素共同作用但影響權重各存差異，最終形成丙烷/空氣混合物獨特的火焰穩(wěn)定特性。在排除初始條件和邊界條件干擾的情況下，預混氣體火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定性特征反映出氣體燃燒的本質特征，氣體物質自身因素引起的火焰失穩(wěn)越嚴重，火焰湍流自加速效應越強，單位時間質量燃燒率越大，燃燒釋放能量的效率越高，對于小尺寸燃燒過程，層流火焰自身失穩(wěn)和加速機理對燃燒和爆炸后果其決定性作用。

4 結論

1)丙烷/空氣混合物拉伸火焰隨濃度的變化呈2種不同發(fā)展狀態(tài)，靠近爆炸極限(φ≤0.4或φ≥1.9)時，燃燒波逐漸上浮和變形，靠近理論當量比(0.7≤φ≤1.6)時，燃燒波以火源為中心呈球形擴展。

2)爆炸極限附近丙烷/空氣燃燒波向上飄移和變形過程中火焰表面保持光滑狀態(tài)，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮?.5 m/s；在此范圍內火焰穩(wěn)定性的主要控制因素為體積力不穩(wěn)定性，量化結果表明偏離理論當量比越遠，火焰出現駐停的時刻越小，火焰受浮力影響越顯著。

3)理論當量比附近時，燃燒波呈球形擴展，隨著丙烷濃度增大，火焰表面裂紋數量按照先逐漸增多后相對減少的趨勢變化,當量比等于1.3時火焰表面褶皺發(fā)展最快；火焰表面微觀結構變化規(guī)律與馬克斯坦長度實測結果相吻合，火焰穩(wěn)定性隨當量比增加呈現馬鞍形趨勢變化，熱-質擴散因素和流體力學因素的共存與競爭結果是球形擴展火焰穩(wěn)定性的主導因素。

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