管道內瓦斯爆炸火焰傳播壓力與溫度特性

王秋紅，王二飛，陳曉坤，蔣軍成，張明廣

(1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安，710054；2.南京工業大學安全科學與工程學院，江蘇南京，210009)

礦井瓦斯爆炸事故是煤礦生產最嚴重的災害之一，傷亡人數眾多，設備破壞嚴重，經濟損失嚴重[1-3]。研究瓦斯爆炸特性可對煤礦安全生產和防爆控爆提供依據。國內外專家學者對于瓦斯爆炸特性及其規律進行了諸多實驗研究。GIERAS等[4]采用40 dm3爆炸罐研究了甲烷爆炸實驗，得出初始溫度升高，甲烷/空氣混合物的爆炸壓力降低，爆炸極限增加。ZHU等[5]利用平行長管道進行了預混甲烷/空氣爆炸實驗，發現爆炸超壓在2 個相等長度的分支管道中相接近，在交匯點處爆炸超壓明顯增強，在2 個長度不等的分支管道中傳播時，當火焰相遇時超壓峰值更高。HISKEN 等[6]在管道中進行了丙烷氣體爆炸實驗，并與FLACS 數值模擬結果相比較，發現在標準FLACS 燃燒速度模型中，當量比小于1.4時模擬的最大超壓與實驗值相類似；當量比大于1.4時模擬最大超壓值遠小于實驗值，加入Markstein 模型后超壓值與實驗值相對誤差在±10%以內。SALZANO 等[7]在5 L 的封閉容器中進行氫氣與甲烷在空氣中的混合爆炸實驗研究，發現氫氣與甲烷在空氣中的配比爆炸過程中，氫氣含量對最大壓力、最大壓力上升速率和燃燒速度有顯著的影響。MITTAL[8]對比了甲烷空氣混合氣體在20 L球形、27 L立方體、0.8 m3矩形管道和25.6 m3球形裝置中的爆炸結果，得到了在一定范圍內，爆燃指數隨著試驗容器尺寸的增加而增加。李潤之等[9-11]在20 L近球形中研究了瓦斯爆炸最大爆炸壓力、最大壓力上升速率等特征參數。尉存娟等[12-13]利用水平管道研究了不同體積分數甲烷爆炸最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率，其中蔚存娟等[12]采用內徑為140 mm、長度為3.1 m的水平管道，張迎新等[13]采用爆炸管內徑×長度為300 mm×1 500 mm 的水平管道。牛芳等[14]用10 m3圓角圓柱體爆炸罐進行甲烷/空氣預混氣的爆炸實驗，分析了爆炸罐中壓力的成長過程及火焰傳播特性。陳東梁等[15]利用高速紋影技術對密閉管道(長×寬×高為500 mm×80 mm×80 mm)內的甲烷/空氣預混氣體火焰傳播特征進行了研究，分析了火焰陣面由向未燃區彎曲到已燃區彎曲轉折，由層流燃燒向湍流燃燒轉變并形成“Tulip”火焰的過程。李鵬等[16]用瓦斯管網(長度為2 m、直徑為159 mm抗爆管道)分析了體積分數對瓦斯爆炸的溫度峰值和壓力峰值的影響及溫度峰值和壓力峰值隨管道距離的變化規律(采用C2-1-K 型溫度傳感器測量溫度)。綜上分析，研究瓦斯爆炸的實驗裝置大多為球形或管道型，研究內容多數集中在爆炸壓力方面。因探測爆炸瞬間火焰溫度對溫度傳感器快速響應時間有極高的要求，研究瓦斯爆炸火焰溫度方面非常少，李鵬等[16]采用C2-1-K型溫度傳感器測量的瓦斯爆炸火焰溫度也偏低。本文作者采用高頻壓力傳感器和直徑為25μm的R型微細熱電偶探測瓦斯爆炸瞬間過程的壓力和溫度變化規律，并且結合高速攝像儀采集的火焰傳播瞬態圖像進行分析，綜合得到管道中瓦斯爆炸火焰傳播壓力與溫度特性。

1 實驗

1.1 實驗系統組成

實驗系統由電磁閥、爆炸管道、同步控制器、高壓脈沖發生器、數據采集儀、高速攝像儀和計算機等組成。爆炸管道是1 個長方體容器，內部長×寬×高為80 mm×80 mm×600 mm，如圖1所示。為了便于觀測爆炸過程，管道的2個側面分別是厚度為20 mm 的不銹鋼板，在不銹鋼板的一側距離管道底部550 mm 處有直徑為40 mm 的圓形泄爆口，其余2 個側面分別是厚度為10 mm 石英玻璃。在距離管道底部上面250 mm 和400 mm 處分別裝有微細熱電偶，熱電偶采用直徑為25 μm 的Pt/Rh13-Pt絲制作。在裝有熱電偶一側并且距離管道頂部60 mm 處裝有壓力傳感器(輸出電壓為0～5 V，輸入電壓為24 V，量程為0～2 MPa)。點火電極為2 根直徑為0.4 mm 的鎢絲，其間距為2 mm，點火電極距離燃燒管道底部50 mm。同步控制器可以對電磁閥、高壓脈沖發生器、數據采集儀和高速攝像儀精確控制。

圖1 實驗系統圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 實驗過程與參數設置

實驗過程：用真空泵抽取配氣罐里的氣體，真空度抽至為0.05 MPa，根據分壓配比法向配氣罐充入所需瓦斯量，然后用壓縮機向配氣罐打入空氣使瓦斯/空氣混合氣體壓力達到0.1 MPa，配氣罐內氣體進入爆炸管道后，剛好使真空度為0.09 MPa 的爆炸管道內達到常壓。啟動觸發開關，電磁閥、高壓脈沖發生器、數據采集儀、高速攝像儀依次被觸發，點火電極引燃瓦斯燃燒，實現爆炸過程。單組實驗結束后，對燃燒產物進行排放并記錄保存數據，準備下一組實驗。

參數設置：數據采集儀設置采集時間為1 s，采樣速度設置為10μs/采集一個數據點。高速攝像儀的拍攝速率為2 000 幀/s，高速攝像儀分辨率為1 280×800，曝光時間為30μs。泄爆膜為4 層油面紙、2層復印紙疊加制作，總厚度為0.3 mm，經過反復實驗，此種安裝方式可使爆炸管道內真空度達到0.09 MPa。高壓脈沖發生器采用電容儲能放電原理，通過交流電對電容充電，電容放電后，按1:50 的變壓器升壓，最后由電極放電點火，電極放電時的點火能可用公式E=CU2計算得到。實驗中所用電容C為200μF，電壓U為600 V，點火能E為36 J。

2 實驗結果與分析

2.1 管道內瓦斯爆炸壓力分析

對體積分數為6%，7%，8%，9%，10%，11%，12%和13%的瓦斯可燃氣爆炸壓力進行分析，爆炸壓力隨時間的變化如圖2所示。在點火發生后，壓力不是迅速上升，而是有一段極短的感應時間，這段時間就是瓦斯爆炸點火延遲時間(即爆炸緩慢氧化階段)。從圖2可知：不同體積分數的瓦斯爆炸感應時間不同，文獻[9-10]中也反映了這一點。爆炸管道內不同體積分數的瓦斯爆炸時，壓力上升時間、上升速率與最大爆炸壓力pmax均不同。當瓦斯體積分數為6%和7%時，壓力上升較緩慢，到達最大爆炸壓力的時間tmax較長；當瓦斯體積分數為8%～13%時則相反。這也表明在有限爆炸空間中，并不是瓦斯體積分數越大，產生的爆炸壓力就越大，每個瓦斯體積分數都有對應1個最大壓力的點，超過這個點壓力就會減小。當瓦斯體積分數為10%時，爆炸壓力上升速率最快。當瓦斯體積分數為6%和7%時，瓦斯爆炸產生的壓力較小并且上升緩慢，未能擊穿泄爆膜。由于能量積聚在管道內，燃燒反應又在密閉的受限空間內進行，只能通過管壁和泄爆膜的冷卻效應和熄火作用來消耗能量，所以，壓力下降到外界環境壓力需要較長時間。

壓力的這種變化是因為電極點火后，電極周圍的瓦斯氣體燃燒，壓力波面迅速向外擴張，由于受到管壁的限制，火焰橫向傳播受阻，縱向傳播愈明顯，產生大量的高溫高壓氣體，受到管壁的摩擦作用，沖擊波的相互擠壓和疊加，導致火焰加速，超壓增強，并且沿著管道方向傳播，直到擊穿泄爆膜，壓力恢復到與外界環境壓力平衡狀態。當瓦斯體積分數達到10%時，與空氣的混合程度達到了最佳狀態，并且可以完全燃燒。隨著化學反應順利進行，反應過程中能量不斷積累，燃燒最為強烈，超壓明顯增強。當瓦斯體積分數較低時，過量的空氣作為惰性氣體阻礙了瓦斯與氧氣分子的有效碰撞，不利于鏈式反應的進行，反應過程中積累的能量就越少；并且隨著反應的進行，由于瓦斯氣體變得比較稀薄，不能維持后續的反應，所以壓力較低，達到最大值所用時間較長。當瓦斯體積分數過高時，混合氣中的氧氣體積分數減少，處于貧氧狀態，在很短的時間內，氧氣被消耗殆盡，燃燒反應所產生的能量和超壓遠低于體積分數為10%瓦斯下所產生的能量和超壓。

圖2 不同體積分數的瓦斯爆炸壓力-時間曲線Fig.2 Explosion pressure-time curves of gas at different volume fractions

瓦斯爆炸對pmax、最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max和tmax的影響，如圖3所示。

圖3 不同體積分數對瓦斯爆炸pmax，(dp/dt)max和tmax的影響Fig.3 Effect of different volume fractions on pmax，(dp/dt)max and tmax of gas explosion

從圖3可知：pmax與(dp/dt)max隨瓦斯體積分數的增加先增大后減小，但tmax隨瓦斯體積分數的增加先減小后增大；當瓦斯體積分數為10%時，pmax和(dp/dt)max均最大，分別為0.74 MPa 和11.059 MPa/s，tmax最短為0.323 s。

2.2 爆炸火焰溫度分析

對體積分數為6%，7%，%，9%，10%，11%，12%和13%的瓦斯可燃氣進行火焰溫度分析。對于本實驗1號熱電偶和2號熱電偶，分別測量管道下部和上部火焰的溫度，由于熱電偶的熱慣性效應，溫度的測量值與實際值之間有一定的誤差，為了得到準確的溫度，假設熱電偶接點處對流換熱量多與輻射傳熱量，實測的溫度可以通過下列公式進行修正[17-19]：

式中：T為修正的熱電偶接點處的溫度；Tm為熱電偶測量溫度；τ為熱電偶的時間常數；t為時間；ρ和cp分別為Pt/Rh13-Pt 金屬的密度和比定壓熱容；Nu為努塞爾數；kf為熱電偶周圍氣體的熱傳導系數；d為接點直徑；在本實驗條件下，Nu=2；

kf=0.081W/(m ?K)，ρ=2.14 × 104kg/m3，cp=159 J/(kg ?K)，d=50×10-6m，將參數代入式(2)得τ=8.75 ms，所以，修正公式變為

下文中所有熱電偶測得的溫度均用式(3)進行修正。在該實驗狀態下，微細熱電偶的最高瞬態溫度可到1 700°C 左右，當瓦斯體積分數為10%，11%和12%時，2號熱電偶測量的溫度超出了這個界限，故未給出溫度峰值。

以瓦斯體積分數為8%和10%為例，說明熱電偶測得的溫度隨時間變化特征，如圖4所示。

從圖4可知：溫度測量值與修正值隨時間動態變化，1號和2號熱電偶對溫度的響應速率都很快，2 號熱電偶測得的溫度比1 號熱電偶的高，說明管道上部燃燒比下部劇烈。從圖4(a)與4(b)可知：瓦斯體積分數為10%時比8%時對溫度的響應時間要早，并且對于同一位置熱電偶測得的溫度，瓦斯體積分數為10%時比8%時的高。

不同瓦斯體積分數爆炸火焰溫度隨時間動態變化曲線如圖5所示。

從圖5可知：不同瓦斯體積分數的爆炸火焰溫度隨時間的推移先增大后減小；當瓦斯體積分數為10%時，1號和2號熱電偶對火焰溫度的上升速率最快；當瓦斯體積分數為6%時，火焰溫度的上升速率最慢。在2 號熱電偶處，瓦斯體積分數為10%，11%和12%時的溫度曲線頂部出現異常，這是因為在這3個瓦斯體積分數下測得溫度峰值超出了熱電偶的測量范圍，故對應的修正溫度曲線也未獲得修正值。在1號熱電偶處測得的瓦斯體積分數為10%時，火焰溫度修正峰值為1 704.26 °C；當瓦斯體積分數為6%時，火焰溫度修正峰值為653.96°C，其他體積分數下的溫度峰值均在這2個溫度之間。

圖4 火焰傳播過程中熱電偶溫度測量曲線(實線)與溫度修正曲線(虛線)Fig.4 Temperature measuring curves(solid lines)and temperature correction(dotted lines)by thermocouples during flame propagation process

圖5 不同瓦斯體積分數對瓦斯爆炸火焰溫度的影響Fig.5 Effect of different gas volume fractions on flame temperatures of gas explosion

1 號和2 號熱電偶測得的火焰溫度測量峰值與修正峰值如表1所示。

表1 熱電偶測得的火焰溫度峰值Table 1 Flame temperature peaks measured by thermocouples °C

溫度變化特點如下：由于在密閉空間中，瓦斯爆炸產生的火焰在傳播過程中，側向擴展受到抑制，燃燒繼續向上傳播，形成兩波三區結構，已燃區的火焰受到管壁的摩擦和剪切及壓力波的反射作用，擾動火焰峰面，增加了與可燃氣體的接觸面積，未燃氣體被點燃，溫度急劇升高，直到泄爆膜被擊穿，通過熱輻射和熱對流以及管壁的冷卻效應，溫度才緩慢降下來。從圖5(a)可知：當瓦斯體積分數為10%時，溫度上升速率最快，說明反應速率最快，單位時間內產生的熱量越多。

當瓦斯體積分數為8%，10%和12%時，火焰傳播情況如圖6所示。

圖6 不同瓦斯體積分數時的火焰傳播圖Fig.6 Images of flame propagation at different gas volume fractions

從圖6可知：當瓦斯體積分數為8%時，產生的火焰比較暗，在點火的初始階段，管道內的火焰開始向四周擴散，形成球形火焰，這段時間火焰自由膨脹不受限制，后續因管道壁面的限制呈指尖型向上傳播，并且上升速度呈指數形式上升。當瓦斯體積分數為10%和12%時，在燃燒初期也出現相似的現象，之后火焰加速導致壓力波產生，而且已燃區的氣體產物不斷膨脹，這將導致溫度升高。火焰在上升到管道中后段時，速度明顯減慢，火焰峰面發生了變形。由于火焰前方的壓縮波越來越強，導致火焰速度減慢，形成向已燃區凹陷的形狀，這種火焰被稱為“Tulip”火焰[15,17,20]。當瓦斯體積分數為8%時，“Tulip”火焰出現的時間較晚，70～100 ms 仍處于“Tulip”火焰階段，110 ms 時火焰峰面發生了變化。當瓦斯體積分數為12%時，“Tulip”火焰的形成不明顯。當瓦斯體積分數為10%時，在40～60 ms 時有“Tulip”火焰峰面形成，而且形成時間比較早，70 ms時火焰峰面已經變形。在“Tulip”火焰之后，峰面開始發生變化，出現湍流燃燒現象[15]。根據火焰傳播情況，可知火焰在1 號熱電偶處還未充分發展，在2號熱電偶處已經充分發展，大量高溫氣體產物存在于管道中，高溫燃燒產物會在浮力作用下發生對流作用[17]，所以上部火焰溫度高。

1 號和2 號熱電偶溫度修正峰值與瓦斯體積分數的關系如圖7所示。進一步對1號位置的火焰溫度修正峰值進行擬合，結果如圖7(a)所示。所得出的擬合曲線方程式為

其中：X為瓦斯體積分數；Y為火焰溫度峰值。

從圖7可知：當瓦斯體積分數為6%～13%時，1號熱電偶所測的溫度峰值隨著體積分數的增加先增加后減小。這些最高溫度點的分布符合圖7中的溫度擬合曲線表達式，表達式呈4 次函數表達式，說明溫度在瓦斯體積分數為10%時達到最高值。表1所示為不同體積分數瓦斯爆炸的溫度測量峰值與修正峰值，這為瓦斯爆炸事故和瓦斯含量評估及防爆控爆提供了基礎數據。

2.3 最大爆炸壓力、火焰溫度峰值與瓦斯體積分數的關系

瓦斯爆炸對最大爆炸壓力、火焰溫度峰值的影響如圖8所示。

從圖8可知：在該實驗裝置下，隨著瓦斯體積分數的增加，火焰溫度峰值與pmax有相同變化的趨勢；當瓦斯體積分數為10%時，1號熱電偶測得的火焰溫度與管內爆炸壓力都取得最大值。結合圖6中體積分數為10%時的瓦斯火焰最亮，說明該狀態下化學反應最劇烈。由于火焰在傳播過程中，已燃區的高溫導致未燃區的溫度升高，瓦斯體積分數越接近10%，未然氣體的點火延滯時間越縮短，新產生的壓力波與前驅壓力波不斷疊加，導致超壓驟然增強，溫度急劇攀升。

圖7 不同瓦斯體積分數對瓦斯爆炸火焰溫度峰值的影響Fig.7 Effect of different gas volume fractions on flame temperature peaks of gas explosion

圖8 不同體積分數的瓦斯對pmax和火焰溫度峰值的影響Fig.8 Effect of different volume fractions on pmax and flame temperature peak of gas

3 結論

1)在瓦斯爆炸極限范圍內，該管道內pmax隨著瓦斯體積分數的增加先增大后減小；到達tmax時，隨瓦斯體積分數增加，pmax先減小后增大。在該管道內體積分數為10%的瓦斯爆炸威力最大，pmax為0.74 MPa，(dp/dt)max為 11.059 MPa/s，tmax為0.323 s。

2)在瓦斯爆炸極限范圍內，管道內火焰溫度峰值隨瓦斯體積分數的增加先增大后減小；2號熱電偶測得的火焰溫度高于1號測得的溫度，說明管道上部燃燒反應比下部劇烈。1號熱電偶測得的火焰溫度符合4次函數表達式，且當瓦斯體積分數為10%時，火焰最明亮，火焰溫度峰值最高，為1 704.26°C。

3)在該管道內瓦斯爆炸火焰傳播過程中，火焰峰面初期發生變化，在短時間內由球形火焰峰面轉變為指尖型火焰。瓦斯體積分數越接近10%，火焰傳播過程中越易形成火焰峰面由未燃區向已燃區凹陷的“Tulip”火焰。

4) 在爆炸管道內，當瓦斯體積分數接近10%時，溫度和壓力都最大，爆炸越猛烈，破壞越強，偏離該濃度時，溫度和壓力都會降低。所以，在煤礦生產過程中一定要控制瓦斯體積分數，避免井下瓦斯爆炸的發生。