中尺度激波管甲烷燃燒現象研究

王帆

（華北科技學院 安全工程學院，河北 廊坊065000）

1 概述

礦井瓦斯爆炸事故是礦井生產過程中最為嚴重的事故類型之一。瓦斯爆炸引起的高溫火焰和高速沖擊波對作業面工作人員及礦用生產設備都有嚴重的損害。認清礦井瓦斯爆炸這類受限空間內瓦斯爆炸的規律對進行礦井瓦斯爆炸防治有重要意義。

煤科院重慶分院建造了多種大尺度激波爆轟管用于對可燃氣體及粉塵的爆炸實驗。梁運濤、王連聰[3]等人利用CHEMKIN 4.1 軟件中的NormalIncident Shock 反應器結合數值分析及數學物理學方程推導方式建立了激波誘導瓦斯爆炸反應動力學計算模型。林伯泉、景國勛[1]等對瓦斯爆燃產生的火焰波和壓力波傳播機理進行了研究，根據爆炸巷道的幾何特性對爆炸傳播的影響做出了實驗研究。史曉亮[4]等人對中尺度管道內壓力火焰傳播特性進行了初步研究。徐景德[2]等人對強火源條件下瓦斯點火化學熱力學特征進行了研究。

數值模擬方法具有參考性但不具有確定性。真實礦井條件下進行瓦斯爆炸模擬實驗無法保證氣密性，以至于實驗結果也比較粗糙，采用激波管對礦井瓦斯爆炸模擬是一種有效可靠的實驗方法。中尺度激波管內壓力火焰傳播規律已經有了一定的研究基礎，但是對壓力火焰傳播僅是在單獨一個平面內進行研究，認識具有局限性，結合光學流場測量可以完整準確地描述出甲烷燃燒爆炸現象并對找出影響因素有更直觀的幫助。

2 實驗設備及方法

實驗采用華北科技學院瓦斯爆炸實驗室（200mm×200mm）方形中尺度激波管進行實驗，結合充配氣系統，壓力、火焰傳感器及其數據采集系統，電點火系統和光學流場顯示系統及同步控制系統對甲烷預混氣體進行試驗。

實驗采用的壓力傳感器為M111A22 型PCB 公司生產的傳感器。數據采集系統采為東華數采系統：配備采樣頻率為20Hz的16 通道數采通道和DHDAS 動態信號測試分析系統。將壓電傳感器的數據線分別連接到動態信號測試分析系統相應的通道上，測試系統的輸出端連接到計算機，計算機中安裝東華DHDAS 動態信號采集分析系統軟件，將采集到的信號采集壓電傳感器的數據，繪制壓力圖線，計算壓縮波速度和壓力數值。

超高速相機通過高頻采樣進行瞬態捕捉，其中實驗所選用的超高速相機是日產的高速相機，設備可以進行每秒1 萬幀幅的拍攝，完全可以滿足實驗需求。

實驗使用的光學系統是布置在光學平臺上的紋影系統，通過擴束和兩次凹球反射鏡的反射，可以獲得一束質量較好，分布均勻的平行光，532nm 激光，激光器的能量為6w。

3 實驗步驟

檢查氣密性氣密性檢查采用正壓檢漏：打開主操作臺開關；打開主操作臺管體、空壓機、壓力表的旋鈕；打開副操作臺；打開主操作臺壓力表的開關；打開空壓機開關，并觀察主操作臺壓力表的讀數；當主操作臺壓力表的讀數達到所需壓力值PA 時，將空壓的旋鈕關閉，并且將空壓機開關關閉；觀察主操作臺壓力表讀數是否發生變化，如果發生變化，說明漏氣，用泡沫水對各連接處進行漏氣檢測。當主操作臺壓力表讀數在一段時間不發生變化時，證明此時氣密性完好。

檢查氣密性后對中尺管進行抽真空操作。將真空泵電閘合上，并打開真空泵紅色電源按鈕；將真空泵的閘門打開，然后按下真空泵紅色電源按鈕下方的開按鈕，開始抽真空，并觀察真空泵上的簡易壓力表；當簡易壓力表讀數接近一個大氣壓（0.101325MP）時，注意觀察主操作臺上壓力表的讀數；當主操作臺壓力表讀數小于一個大氣壓時，迅速將壓力表的旋鈕關閉；打開真空計的旋鈕，并將真空計的開關打開，注意觀察真空計的讀數；當真空計讀數不再變化時，將真空計的讀數P1 記錄下；按下真空泵紅色的關按鈕，將真空泵電源斷開。

進行抽真空操作后開始對系統充入預混氣體，實驗采用體積分數9.5%的甲烷預混氣體。打開儲氣罐的閥門，再打開主操作臺的儲氣罐旋鈕；注意觀察真空計的讀數，當真空計的讀數接近一個大氣壓時，將主操作臺真空計旋鈕關閉，觀察真空泵上的簡易壓力表，當壓力表讀數大于一個大氣壓時，再旋開主操作臺壓力表的旋鈕，觀察主操作臺壓力表的讀數；當主操作臺壓力表的讀數達到預定充氣氣壓時，迅速將主操作臺的儲氣罐旋鈕關閉；并且將主副操作臺的所有旋鈕關閉，關閉主操作臺壓力表的開關；將儲氣罐的閥門關閉。

對照編號連接傳感器和動態信號測試分析系統，試運行動態信號測試分析系統，確認傳感器和測試分析系統正常運行，若不能正常運行，更換傳感器、連接線或實驗通道。

將激光器布置在光學實驗臺上。打開激光器發射直徑為3mm 的激光通過擴束鏡后獲得直徑30mm 的激光，調節高度和角度，使激光器通過擴束鏡后產生一束252mm 的平行光線并使平行光線照射到第一面凹球反射鏡上。

打開高速相機，在第二面凹球反射鏡和實驗段間靠近實驗段觀察窗位置處點燃蠟燭。使蠟燭的火焰處在光束的照射范圍內。調整高速相機的位置使高速相機可以拍到光束照射蠟燭后產生的陰影。調整高速相機的光圈大小和拍攝頻率，使蠟燭火焰陰影顯示清楚。

設置拍攝同步控制。實驗室使用的相機為CCD 相機，CCD相機可以使用TTL 信號控制。實驗室可以采用八通道延時控制器，可以設置當第一道激波通過第一個壓力或火焰傳感器后開始。

調整點火系統使其正常工作，實驗使用5.475J 能量作為點火源，測試點火時間，調整同步控制系統，開始實驗。

4 實驗數據分析

實驗開始，高壓電點火后，將會在點火尖端產生一道激波，激波將沿著管道進行傳播，最終達到泄爆倉。火焰在管道傳播過程中，分別將通過布置在管道壁面上的壓力、火焰傳感器。實驗中，火焰在35 米的管道中傳播了接近兩秒鐘。在激波的加速作用下，火焰的傳播逐漸劇烈。

通過相鄰兩個傳感器捕捉到信號的時間差可以測出火焰傳播速度，可得知火焰在一開始進行加速，這是由于產生激波的作用，對火焰面起來推進作用，其速度已經達到了40m/s,之后火焰開始不停的加速減速，這是由于激波速度遠大于火焰，當激波在管道內壁發生碰撞，產生了復雜的稀疏波，對火焰產生了復雜的相互作用。最終使火焰維持在一個穩定的速度向前傳播。火焰傳播過程中整體是遵循能量守恒定律的。

4.1 質量守恒

質量守恒方程簡化為：

4.2 動量守恒

4.3 能量守恒

4.4 組分守恒

火焰在傳播過程中可以看出，當第一道波到達管道末端時僅僅用了140ms，此時火焰還遠沒有到達，假設激波在管道中以一個平面進行傳播，所以當激波接觸到泄爆倉前的盲板時，應該會產生一道平行的反射波，從而對火焰進行減速。但是實際情況中的巷道情況往往是復雜的，這就導致了在末端測電處捕捉到的波系也很混亂。此時最大壓力達到了350kpa，這樣的壓力可以造成強烈的破壞。

通過測量光信號可以得知，隨著火焰的傳播，光信號逐漸變強，在傳播過程，光信號加強但壓力信號逐漸下降，并在最后達到一個較為穩定的數值，在此變化過程中存在四個過程。

當第一道激波到達時，由于理論上可以認為沖擊波是保持一個駐面進行移動，激波對波前氣體產生了擠壓和加速作用，壓力達到首個峰值；

當沖擊波過后，氣體被壓縮，會導致波后氣體壓力降低，當激波離開此區域，其他區域的氣體會進行回填，此時壓力信號會顯示一段負值；

當火焰接近時，火焰的高溫會使氣體產生膨脹，此時氣體再次壓力升高，波陣面也會發生扭曲；

當火焰陣面到達時，由于火焰的加速推動作用，氣體的壓力會產生突躍，壓力可以達到第二個峰值點。點火后第一道波通過觀察窗，根據拍攝幀頻對波速進行測量，波速測量結果與壓力傳感器測量結果相同，實驗結果有效。

5 結論

5.1 實驗詳細地按照了激波管爆炸實驗步驟進行，經過驗證各項實驗實驗數據有效，通過實驗可以清楚的了解激波管內壓力火焰傳播規律，光學流場也捕捉到了火焰前激波的發展方式，為以后對甲烷氣體爆炸抑制實驗打下了基礎。

5.2 甲烷氣體爆炸過程中，第一道波后是稀疏波區域，波后是火區，但由于沖擊波火焰作用愿意，波后質點得到了加速，趕上了第一道波后就會發生爆轟。

5.3 實驗中沒有達到爆轟，因為管道長度限制不足以讓第一道波后稀疏波加速追上第一道波，下一步實驗為達到爆轟可以增加加膜段使波得到加速。在瓦斯爆炸事故中，并非所有事故都達到了爆轟這一量級，所以實驗仍然具有參考意義。

5.4 實驗使用的是中尺度管道，相比于小尺度管道，波速明顯下降，這是因為大尺度管道邊界約束較低，小尺度管道約束較高，通過觸壁使波速得到了增加。