多孔材料下氣體爆炸轉擴散燃燒的特性研究*

段玉龍，王 碩，賀 森，萬 琳

（1. 重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331；2. 重慶科技學院油氣化工過程安全多尺度研究中心，重慶 401331）

現階段燃氣管網四通八達，一旦發生燃氣泄漏爆炸，在沒有防護措施或防護措施失效情形下，爆炸產生的高溫高壓會造成巨大的人員傷亡和財產損失。因此，相應的隔爆抑爆技術措施亟待提高。

阻隔抑制氣體爆炸一直受到眾多學者關注。多孔材料由于其特有的孔隙結構，對爆炸火焰具有淬熄的抑制效果，并且其自身具有環保、硬度大、耐高溫和抗燒結能力強等優點[1]，被廣泛應用于抑爆領域。Pramod 等[2]研究發現，隨著多孔材料孔隙度的增大，壓力峰值逐漸減小。Olim 等[3]發現沖擊波在可壓縮的多孔材料中相互作用時，氣固兩相之間的動量傳遞至關重要，而多孔材料的彈性也至關重要。Kitagawa 等[4]研究發現了氮或氧濃度的增大會導致多孔材料中火焰傳播速度明顯變化。邵繼偉等[5]將多孔材料分層放置于管道中觀察對爆炸的影響，結果表明，雙層多孔材料的抑爆效果相比于單層和三層具有更好的穩定性。梁滔等[6]發現當把泡沫鎳鋪設在管道中間位置時其對爆炸超壓的抑制效果最好。陳鵬等[7-8]揭示了多孔材料對火焰的淬熄作用與微孔通道和火焰的相互作用有關。魏春榮等[9-10]和孫建華等[11]對比分析發現多孔材料的厚度、孔徑、相對密度是影響火焰溫度衰減效果的重要因素。聶百勝等[12-13]研究了泡沫陶瓷在管道內可導致火焰傳播速度和結構不穩定，同時可抑制火焰的傳播，起到淬熄火焰的作用。蔣新生等[14]發現網狀高分子材料能使油氣爆炸最大超壓降低94%、平均升壓速率下降98%、湍流發展和振蕩加強過程明顯削弱。由于細水霧的響應時間延后，溫小萍等[15]、余明高等[16]將細水霧和多孔材料結合協同抑制甲烷爆炸，發現兩者協同抑制優于單一抑制效果。

上述研究表明，多孔材料對氣體爆炸火焰和超壓均具有一定的抑制和衰減作用，根據材料屬性和規格的不同，抑制效果存在差別，甚至會存在促進爆炸發展的可能。然而，對于火焰在傳播過程中的不同階段，多孔材料對其產生的影響行為也有顯著的區別。以往的研究主要分析了多孔材料對爆炸火焰的瞬間淬熄效應。而火焰淬熄后，已爆區域和未爆區域內的后續現象研究相對缺乏。有鑒于此，本文中主要研究了多孔材料位于甲烷/空氣爆炸火焰加速傳播位置處，火焰形態、傳播狀態、淬熄效率和超壓的變化規律，并對火焰淬熄后爆炸區域內的變化現象進行持續監測，分析爆炸初始階段、火焰淬熄瞬間和火焰淬熄后一段時間內的爆炸參數變化。

1 實驗方法

1.1 實驗平臺

本實驗平臺是自主搭建的，系統集成如圖1所示，主要由配氣與集氣模塊、壓力采集模塊、高速攝像模塊和點火模塊組成。配氣與集氣系統包括甲烷氣瓶、空氣瓶（避免不同濕度的空氣對爆炸反應產生的影響）、氣體流量計和爆炸激波管道。爆炸管道由PMMA 制成，尺寸為1 000 mm×100 mm×100 mm。壓力采集模塊包括N U X I-1 0 0 4 壓力采集系統和壓力傳感器（?0.1～0.2 MPa），可對高頻信號進行有效收集與處理。高速攝像模塊由Phantom710 L 高速攝像機和PCC 圖形處理軟件組成。點火模塊采用自制電火花發生器和直流控制系統組成，在點火器處通過金屬鉑絲產生高溫電火花觸發甲烷/空氣預混氣體爆炸反應。

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

1.2 實驗步驟與工況

實驗開始前預先調試高速攝像機和壓力采集系統。高速攝像機采樣率為2 000 Hz，曝光時間為499.96 μs，為了提高圖像亮度和清晰度，二次曝光時間設置為200 μs。壓力采集系統設置采樣率為60 kHz[16]。管道泄壓口采用塑料膜進行封閉，以保證管道安全泄壓。預混氣體通過氣體流量計預混后充入管道，采用四倍體積排氣法排出管道中的多余雜質氣體。點火前關閉進氣口與排氣口閥門，啟動點火控制器，觸發甲烷/空氣預混氣體爆炸。高速攝像機和壓力采集系統采用自動觸發方式，當空間內圖像和壓力發生變化時，采集系統自動觸發并儲存數據。

多孔材料采用碳化硅泡沫陶瓷，如圖2 所示。多孔材料每英寸長度孔數δ=10，20，30，厚度分別為2、4、6 cm。具體實驗工況組合如表1 所示。

圖3 所示為高速攝像機測得火焰鋒面在全管道沿程的瞬時速度，與以往的研究相比，火焰鋒面在管道內的傳播速度規律相似[17-18]。通過圖像可以看出，火焰鋒面傳播到管道軸向距離30 cm 時速度最大，因此將多孔材料置于距離點火源30 cm 處，觀察與分析不同孔隙度、不同厚度多孔材料對火焰加速傳播時的淬熄行為及對超壓傳播特性的影響。為減小實驗誤差，每組實驗工況重復5 次。

圖2 多孔材料Fig.2 The porous materials

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

圖3 火焰鋒面速度均值Fig.3 Mean speed of flame front

2 結果與分析

2.1 多孔材料對預混爆炸火焰的影響

當量比為1 的甲烷/空氣預混氣體爆炸過程如圖4 所示，火焰由球形（t=8 ms）發展為指形（t=30.5 ms），之后火焰鋒面變平（t=50 ms）并逐漸發展為郁金香形（t=59 ms），直到傳播過程結束。當多孔材料放置于距離點火點30 cm 時（火焰加速發展階段），其對爆炸火焰的傳播狀態具有顯著影響。多孔材料孔隙度和厚度不同，其影響效果存在較大差異。圖5 所示為δ=10 的多孔材料影響下，爆炸火焰在管道中的傳播狀態。由圖5 中可以看出，指形火焰沖擊多孔材料后，在材料后部噴射而出，此時火焰鋒面與未燃氣體之間無明顯分界，火焰由之前的層流燃燒瞬間轉變為不規則的湍流燃燒，產生爆燃現象。比較圖5（a）、圖5（b）與圖5（c）可以看出，隨著材料厚度的增大，火焰鋒面褶皺程度增強，導致火焰與未燃氣體的接觸面積增大。但隨著材料厚度增大，火焰穿過多孔材料后其傳播速度依次遞減，且火焰穿透材料的過程產生延時的時間越長。分析認為，δ=10 的多孔材料因其孔徑較大，孔隙的占比大于固相結構的占比，參與燃燒爆炸反應的預混氣體經過孔隙結構時，由于傳播路徑的截面積突然減少導致火焰加速，由于固相結構在空間內的占比較低，因而無法及時銷毀鏈式反應中的自由基基團[19-20]，從而爆炸火焰以更劇烈的湍流狀態繼續傳播。當多孔材料厚為2 cm且δ=10 時對爆炸具有明顯地促進作用，層流火焰穿過材料后傳播速度大大提高，與體積分數9.5% 的甲烷常規爆炸相比，傳播時間減少約30 ms。此時多孔材料加速了火焰由層流向湍流狀態的轉變，對爆炸區域可產生更大的危害。當材料厚度為4 cm 時，δ=10 的多孔材料對火焰傳播有一定的延時作用，約為40.5 ms。6 cm 厚的材料對火焰產生了約110.0 ms 的延時，材料上游火焰淬熄，隨后爆炸火焰繼續向未燃氣體傳播。原因為當火焰經過δ=10 且厚度較大的多孔材料時，火焰無法立即穿過多孔材料繼續傳播，但在多孔材料孔隙空間中存在可燃氣體，經過火焰的沖擊，在材料內部進行了短暫的燃燒反應，由于材料的吸熱作用，材料內部熱量傳遞相對緩慢。當材料內部燃燒反應透過多孔材料的孔隙結構時，材料下游的可燃氣體被點燃，厚度越大，燃燒反應穿過材料所需的時間越長。

圖4 體積分數9.5%的甲烷爆炸火焰傳播過程Fig.4 Flame propagation of methane explosion with a volume fraction of 9.5%

圖5 每英寸長度孔數為10 的多孔材料對火焰的影響Fig.5 Effect of the porous material with 10 pores per inch in length

圖6 所示為δ=20 的多孔材料，不同厚度時對爆炸火焰的影響，與δ=10 的影響效果不同，爆炸火焰沖擊接觸δ=20 的多孔材料后發生淬熄，火焰無法通過多孔材料繼續向下游傳播。分析原因為，δ=20 的多孔材料固相結構在流體區域內的占比率提高，火焰通過多孔材料所受的阻力增加大，其次，固相結構占比率增加使得對高溫火焰的吸能效率提高，火焰能量快速耗散，無法維持爆炸反應繼續進行，從而導致火焰淬熄。火焰淬熄后，在已爆區域一側的材料表面伴有火焰持續燃燒的現象，燃燒過程中，材料右側可燃氣體不斷供給燃燒，形成邊燃燒邊混合的狀態，火焰在材料表面燃燒時，不再隨時間發展向火焰前鋒方向推移，燃燒狀態發生改變，火焰由之前的預混爆炸轉變為擴散燃燒。如圖6（b）和圖6（c）可以看出，隨著多孔材料厚度的增大，反向擴散燃燒的火焰劇烈程度減弱，圖6（a）中多孔材料厚度為2 cm，此時，擴散燃燒火焰鋒面的距離最遠，幾乎可以到達點火源的位置。圖7 為δ=30 的多孔材料對當量比為1的預混甲烷/空氣爆炸火焰的影響。對比圖6 可以看出，多孔材料對層流火焰的傳播影響效果微弱，火焰在沖擊多孔材料之前，其空間結構不隨多孔材料的孔隙度或厚度的改變而發生變化。火焰接觸δ=30 的多孔材料發生淬熄后，同樣在已爆區域一側的材料表面有持續燃燒的火焰產生，由之前的預混爆炸轉變為擴散燃燒。隨著多孔材料孔隙度的增大，擴散燃燒劇烈程度下降，擴散燃燒火焰長度減小。分析此現象產生的原因為，多孔材料將已爆區域和未爆區域分隔，火焰發生淬熄后，高溫產物沒有立即熄滅，沖擊進入多孔材料內部或被材料固相結構反射，未燃氣體由未爆區域向已爆區域輸運接觸到多孔材料內部和已爆區域內殘留的高溫產物，未燃氣體由高溫產物再次被點燃，在材料表面持續燃燒，可燃氣體是否在材料表面被點燃需進一步研究觀察。δ=30 的多孔材料的厚度越小，預混爆炸火焰淬熄后轉變擴散燃燒越劇烈，即擴散燃燒程度與材料厚度之間所表現的規律為材料厚度越小，擴散燃燒越猛烈。如果在擴散燃燒的時間內，繼續為空間中供給可燃氣體，很有可能再次轉變為預混氣體爆炸，今后需對此現象做進一步研究。

圖6 每英寸長度孔數為20 的多孔材料對火焰的影響Fig.6 Effect of the porous material with 20 pores per inch in length

圖7 每英寸長度孔數為30 的多孔材料對火焰的影響Fig.7 Effect of the porous material with 30 pores per inch in length

2.2 多孔材料對火焰速度和壓力的影響

圖8 所示為爆炸火焰在接觸多孔材料前的平均傳播速度。火焰傳播速度受多孔材料孔隙度和厚度的雙重影響。隨著多孔材料孔隙度和厚度的增大，爆炸火焰的傳播速度減慢，原因為火焰傳播速度與火焰前方未燃氣體密切相關，火焰前鋒速度主要由火焰前方未燃氣體構成，當多孔材料的孔隙度或厚度增大時，材料的固相結構在空間中的占比率提高，多孔材料對火焰前鋒處未燃氣體運動的阻塞率增大，未燃氣體穿過多孔材料的效率降低，進而影響火焰前鋒處未然氣體的流速，爆炸初始階段未燃氣體在已爆區域內被壓縮的速度大于氣體穿過多孔材料的速率。因此，火焰鋒面在向前推移的過程傳播速度隨著多孔材料孔隙度或厚度的增大而降低。

圖8 火焰鋒面接觸多孔材料前的傳播速度Fig.8 Speed of flame front before impacting on porous materials

圖9 每英寸長度孔數為10 的多孔材料下的壓力時程曲線Fig.9 Histories of pressure for porous material with 10 pores per inch in length

氣體爆炸產生的超壓與火焰在傳播過程相互作用。根據多孔材料孔隙度不同，對爆炸反應表現出抑制或促進兩種不同的效果。圖9 所示為δ=10 的多孔材料對爆炸超壓的影響，超壓曲線上升速率和峰值明顯高于無多孔材料時爆炸超壓的發展。對比圖5 可以看出，厚度為2 cm 時，爆炸超壓與體積分數9.5%甲烷爆炸超壓峰值相同時，有短暫的下降趨勢，t=40 ms 時，火焰穿過多孔材料發生爆燃，促進空間內的超壓進一步升高，最終達到最大值0.11 MPa。相比于體積分數為9.5%甲烷爆炸時，超壓峰值提高了107.54%，隨后快速下降。當δ=10 的多孔材料厚度為4 和6 cm 時，超壓峰值為0.050 和0.038 MPa，分別降低了5.6%和28.3%。在放置4 和6 cm 厚多孔材料時，火焰在傳播過程中經過短暫延時后再次發生爆炸反應，因此，多孔材料厚度為4 和6 cm 的情形下，超壓曲線出現2 次峰值，分別在t=103 ms 和t=190 ms時，峰值分別為0.030 和0.031 MPa，但均小于第一次超壓峰值。

圖10 所示為δ=20 的多孔材料對爆炸超壓的影響，超壓上升速率與δ=10 的多孔材料情形時相似，均大于體積分數9.5%的甲烷爆炸超壓上升速率，且多孔材料的厚度越大，超壓上升速率越高，所能達到的峰值越大。厚度為2、4 和6 cm 時超壓峰值分別為0.028、0.034 和0.045 MPa，相比于體積分數9.5%的甲烷爆炸時，分別降低了47.17%、35.85% 和15.09%。達到超壓峰值的時間約為37 ms，時間縮短了21.28%。當δ=20 時，火焰發生淬熄，但超壓上升速率依然大于體積分數9.5%的甲烷爆炸超壓的上升趨勢。分析原因為，爆炸區域內超壓上升速率受多孔材料固相結構的阻礙，因多孔材料內孔隙隨機分布，孔隙度增或厚度加時，多孔材料阻礙氣體流動的能力增加，從而降低了爆炸區域超壓的泄放效率，超壓在有限空間內積累的速率更快。因此，多孔材料提高了超壓上升速率，但降低了超壓所能達到的最大值，縮短了爆炸持續的時間。圖11 為δ=30 的多孔材料對超壓的影響，與圖10 相比，超壓上升速率曲線趨勢相似，但上升速率更快，超壓峰值與圖10 相比有很大地提高。材料厚度為2 和4 cm 情形時，超壓峰值分別達到了0.039、0.052 MPa，與體積分數9.5%的甲烷爆炸超壓峰值相比降低了26.42%和1.89%。材料為6 cm 厚時超壓峰值為0.061 MPa，達到了體積分數9.5%的甲烷爆炸的115%。因此，δ=30 的多孔材料阻礙超壓泄放的影響更顯著，且隨著厚度的增加，爆炸區域內的超壓甚至超過無多孔材料爆炸時產生的超壓峰值。相比于δ=20 的多孔材料超壓積累速率更快。因此，考慮對爆炸超壓的衰減作用，δ=20 的多孔材料對爆炸超壓的衰減效能優于δ=10，30 的多孔材料，且厚度為2 和4 cm 時對超壓的衰減效果更顯著。

圖10 每英寸長度孔數為20 多孔材料的壓力時程曲線Fig.10 Histories of pressure for porous material with 20 pores per inch in length

圖11 每英寸長度孔數為20 多孔材料的壓力時程曲線Fig.11 Histories of pressure for porous material with 30 pores per inch in length

圖12 為δ=20 的多孔材料淬熄火焰后，已爆區域內的壓力變化。由圖12 中可以看出，火焰被多孔材料淬熄后已爆區域內的壓力迅速降低，小于常規大氣壓，且厚度相對較小的多孔材料對已爆區域內壓力下降的影響愈明顯。多孔材料孔徑較大時，壓力穿過多孔材料的效率提高，當火焰被瞬間熄滅后，厚度越小的多孔材料對已爆區域內壓力的泄放效率越高，從而導致一定時間內已爆區域的壓力值小于常規大氣壓力。圖12 中顯示，δ=20 的多孔材料厚度為2、4 和6 cm 時，火焰淬熄后壓力分別降低到?0.008 8、?0.009 2 和?0.006 9 MPa。δ=20 的多孔材料厚度為4 cm 時，壓力下降值最大，結合圖6（b）分析，當爆炸火焰被淬熄后，多孔材料另一端的未燃氣體由于壓力差的作用被抽吸輸運到已爆區域，未燃氣體遇到高溫產物后在多孔材料的表面形成擴散燃燒的現象，以此更充分地解釋了擴散燃燒的產生。當多孔材料兩端壓差越大時，負壓抽吸的作用越強，可燃氣體供給擴散燃燒的效率越高，導致擴散燃燒程度越劇烈。圖13 為δ=30 的多孔材料，不同厚度時火焰淬熄后區域內壓力值的變化。由于孔徑減小，多孔材料固相結構增加，影響壓力變化規律更加明顯。隨著多孔材料厚度的增大，壓力下降到負壓的最大值減小。厚度為2、4 和6 cm 時，負壓值分別為?0.011、?0.008 2 和?0.006 MPa。對比圖7（a）所示可以看出，擴散燃燒的程度最大，因此，說明了負壓抽吸作用對火焰持續擴散燃燒起到了主導作用。從已爆區域負壓角度分析，6 cm 厚多孔材料限制擴散燃燒火焰的程度要優于2、4 cm。根據肖華華[21]對氣體爆炸反應區的分析，激波管內溫度與密度在不同位置處的變化如圖14 所示。爆炸壓力快速釋放導致已燃氣體密度較低，同樣促進了可燃氣體由多孔材料下游向已爆區域擴散。

圖12 每英寸長度孔數為20 的多孔材料下火焰淬熄后壓力變化Fig.12 Pressure change after quenching of flame affected by the porous material with 20 pores per inch in length

圖13 每英寸長度孔數為30 的多孔材料下火焰淬熄后壓力變化Fig.13 Pressure change after quenching of flame affected by the porous material with 30 pores per inch in length

圖14 激波管內溫度與密度變化示意圖Fig.14 Schematic of temperature and density change in duct

3 結 論

（1）管道中放置多孔材料時，爆炸火焰接觸多孔材料前的火焰結構不發生改變，隨著材料孔隙度和厚度的增大，火焰接觸材料之前的傳播過程中，鋒面速度依次降低。δ=10 的多孔材料無法淬熄爆炸火焰，并可加速火焰由層流向湍流的轉變，促進爆炸的傳播。δ=20 和δ=30 的多孔材料可使火焰發生淬熄，但在已爆區域一側的材料表面轉變為擴散燃燒。

（2）多孔材料對爆炸超壓具有促進或抑制作用。與無多孔材料相比，δ=10 的多孔材料厚度為2 cm時，超壓峰值提高了107.54%，4 和6 cm 厚時，分別降低了5.6%和28.3%。δ=20 的多孔材料情形下，超壓峰值分別降低了47.17%、35.85%和15.09%。δ=30 的多孔材料厚度為2 和4 cm 時，超壓峰值分別降低了26.42%和1.89%，厚度為6 cm 時，超壓峰值為無多孔材料時的115%。δ=20 的多孔材料對超壓的衰減效率優于δ=10 和δ=30 情形，且厚度越小，超壓衰減效率越高。

（3）多孔材料對爆炸火焰的抑制行為主要表現為降低層流火焰速度-淬熄-爆炸轉擴散燃燒-熄滅。擴散燃燒程度主要受多孔材料兩端壓力差影響，材料厚度越小，火焰淬熄后，已爆區域內負壓值越大，對未燃氣體的抽吸輸運能力越強，擴散燃燒現象越劇烈。因此，擴散燃燒程度與材料厚度之間呈反比關系。