氣固射流擴散火焰形態研究

聶璇，周魁斌，吳月瓊，黃夢源，蔣軍成

（南京工業大學安全科學與工程學院，江蘇南京211816）

引 言

中俄天然氣管道、中亞天然氣管道、中緬天然氣管道、西氣東輸管道等長輸運管道的大量建設，以及大量的輸氣主干線和支干線遍布全國各地城鎮[1]，滿足了我國快速發展的能源需求，同時也帶來了嚴重的泄漏火災爆炸問題。對于長輸運管網，管道往往會經過林地或者一些含沙地區；對于城鎮管網，天然氣管道大多采用埋地敷設，管道在運行過程中由于材料缺陷、腐蝕、人為破壞等原因可能發生泄漏，泄漏的可燃氣體點燃形成的噴射火在實際場景中會卷吸周圍大量砂土，從而形成氣固混合物下的射流擴散火焰（氣固噴射火）[2-3]。因此，開展氣固噴射火火焰行為特征實驗研究，對林地防火隔離帶、城市管網安全間距的設置具有一定的參考價值。

石油化工生產過程中的事故性噴射火和安全處置有害氣體的工業火炬（氣態噴射火），一直受到燃燒和火災安全領域研究人員們的重點關注。國內外學者主要對不同場景下氣態噴射火的火焰高度、推舉高度方面進行理論分析和實驗研究，如Wang等[4]針對兩個不同海拔高度的火焰形態特征進行研究，發現火焰推舉高度與壓力存在冪律關系，并通過引入卷吸系數，建立了一套適用于不同壓力情況下的火焰高度公式；Zhou等[5]組建一套渦旋發生裝置，從自由噴射火和旋轉流場下噴射火的動力學差異方面，解釋了兩者在火焰形態上的區別；還有學者針對不同的泄漏口形狀[6-8]和不同距離火源融合情況[9]來進行研究。雖然氣態噴射火的研究非常深入全面，但相關理論公式直接用于預測氣固噴射火有待考究，因為固體顆粒對火焰溫度、形態、輻射及穩定性產生一定影響[10-13]。

事實上，煤礦工業中頻發的爆炸事故也是一種氣固混合火焰，它是以預混火焰傳播形式將煤塵卷吸入火焰中[14]，學者們主要從火焰傳播或粉塵自身可燃性的角度研究可燃性粉塵與火焰的相互作用。Xie等[15]使用紋影技術獲取了煤塵在層流預混火焰下的火焰錐角，用3個不同濃度、粒徑的粉塵在貧燃料情況下，測量甲烷-煤塵-空氣的層流火焰速度，建立了火焰溫度與層流火焰速度的模型。Rockwell等[16]根據電動推桿運料原理建立了本生燈型預混粉塵火焰的裝置，通過紋影技術研究不同湍流強度下的燃燒特性，考察了不同濃度比、湍流強度和煤塵對混合火焰湍流燃燒速度的影響。Ranganathan等[17]搭建了與Rockwell類似的本生燈型預混火焰裝置，研究了惰性粉塵和預熱氣體對火焰燃燒速度的影響，結果表明，隨著惰性粉塵濃度增加，層流火焰燃燒速度降低，隨著預熱氣體溫度升高，層流火焰燃燒速度增加。關于預混合下的氣固火焰[18-22]，研究已較為成熟，但對氣固混合物下的擴散火焰現象的研究還相對較少。

本文自行設計一套新的簡易氣固噴射裝置，對現實場景中不同粒徑砂土以不同卷吸速率一起進入火焰中的情況進行理想化分析，實驗中采用兩種粒徑均勻不變的純凈白色石英砂（主要成分SiO2）以近似恒定不變的卷吸速率分別進入火焰中進行對比分析。考慮氣固噴射火是一種特殊的燃燒現象，其形態由多種因素共同確定，因此，本文從傳熱的角度，結合氣固預混火焰速度傳播模型和氣態噴射火火焰高度、推舉高度公式，來解釋固體顆粒對火焰形態的影響，并與氣態噴射火的燃燒特性進行對比分析和物理解釋。

1實 驗

1.1 實驗裝置設計

氣固噴射火裝置由噴射火裝置、進料器、質量測量裝置、砂子收集盤構成。噴射火裝置由丙烷氣瓶、流量計、火焰阻火器、燃燒噴嘴組成，其結構如圖1(a)所示。

進料系統由進料器和燃燒噴嘴共同組成，砂子卷吸過程如圖1(b)所示。本實驗利用文丘里效應，當氣流經過截面驟縮的孔板時，孔板背部會產生低于大氣壓的“負壓”，從而使堆積在進料器內的砂子自動卷吸進入燃燒噴嘴內，并隨著氣流一起向上噴出。燃燒噴嘴內徑10 mm，其內部有一個孔徑為1 mm，厚為1 mm的孔板（使其產生文丘里效應）。孔板上部4 mm處，燃燒噴嘴周圍有三個軸對稱矩形開口（砂子進入燃燒噴嘴的入口），其尺寸為7.5 mm×9 mm，對于給定的管徑和孔徑，Xie等[23]詳細分析了進料口大小的確定方法。燃燒噴嘴和進料器固定在支架上，并將整個支架放在電子秤上進行稱重，通過讀取實時抽料質量來監測砂子的卷吸速率，該稱重設備的稱重量程為10 kg，靈敏度為0.1 g。進料器高13 cm，錐角等于60°，針對實驗裝置中砂子粒徑的臨界休止角而確定[24]。向上噴出的砂子用收集盤收集，以防影響下部稱重設備。

圖1 氣固噴射火裝置示意圖(a)和砂子卷吸過程示意圖(b)Fig.1 Schematic diagramof the gas-solid jet diffusion flame(a)and sand entrainment process(b)

將純度為99%的丙烷氣體作為燃料，Alicat流量計用于監測丙烷的質量流量，測量范圍0～50 L/min。本研究采用粒徑分別為147μm(80目)和178 μm(100目)的白色石英砂，以及6個不同氣體流量來分析砂子對火焰行為的影響，特別地，通過關閉側面的三個進砂口所形成的氣態噴射火與之相比較。實驗過程中采用兩臺DV(Sony FDR-AXP55)分別記錄火焰高度和底部推舉高度。進料器中填滿砂子，砂子保持干燥且無雜質。表1列出了氣態噴射火和氣固噴射火在不同丙烷質量流量(mc)下，砂子卷吸速率(ms)、火焰Froude數(Frf)、火焰高度(H)和推舉高度(h)的變化。

表1 實驗測試工況和數據匯總Table 1 Test conditions and experimental data summary

1.2 實驗的可行性、重復性和數據的預處理

氣體以一定流速流經孔板，會產生一定程度的“負壓”，使側面砂子自動進入燃燒噴嘴內，即氣體流量以及砂子粒徑大小決定了砂子的卷吸速率，圖2是丙烷和二氧化碳氣體在不同流量下147μm和178μm砂子所對應的卷吸速率。在低流量下，由于砂子與燃燒噴嘴側孔和內壁之間的摩擦無法將砂子順利噴出，砂子卷吸率幾乎為0，隨著氣體流量的增加，砂子卷吸率與氣體流量呈線性關系，若流量繼續增加，孔板背部將會出現塞流。對于粒徑較大的砂子，由于裝置尺寸的設計，低流量下無法產生氣固噴射，對于粒徑更小的125μm(120目)砂子，高流量下，過量的砂子進入火焰中會將其熄滅，因此本文采用6組不同的氣體質量流量和兩組不同粒徑砂子，作為本裝置研究氣固噴射火火焰形態特征的實驗變量。

浮力和動量共同控制的噴射火，火焰會存在一定范圍的脈動，相較于氣態噴射火而言，由于砂子的影響，氣固噴射火會產生更為明顯的脈動，從而影響火焰高度及推舉高度的測量。為減少砂子堆積高度對砂子卷吸速率及火焰高度、推舉高度的影響，實驗中數據采集時間控制在1 min。圖3給出了丙烷質量流量為0.372 g/s時，147μm砂子在1 min內所對應的丙烷質量流量、砂子卷吸速率、氣固噴射火推舉高度及氣固噴射火火焰高度的3次重復性測試，從圖中可以看出這些物性參數隨著時間的變化保持在一個相對穩定的階段，在3次重復性測試中砂子卷吸量的平均值和標準偏差為(4.15±0.19)g/s、(4.19±0.21)g/s、(4.27±0.23)g/s，推舉高度為(0.32±0.03)m、(0.33±0.03)m、(0.31±0.03)m，火焰高度為(1.14±0.10)m、(1.07±0.10)m、(1.06±0.12)m，從時間變化范圍和誤差分析中可以得出砂子對火焰的影響是連續的，并且該裝置具有較好的重復性。

圖2 砂子卷吸速率隨氣體質量流量變化Fig.2 Variation of sand entrainment rate with gas mass flow rate

實驗中火焰高度、推舉高度的確定通過圖像處理技術進行數據預處理。本文采用圖像分析處理方法，對實驗過程中的火焰視頻進行處理，并提取出火焰的特征形態，通過OTSU算法[25]對圖像閾值進行動態判定，然后根據一段時間內火焰位置出現的次數，得到火焰概率云圖。平均火焰高度取50%出現概率的火焰頂部到噴嘴位置，平均推舉高度取50%出現概率的火焰底部到噴嘴位置，推舉高度測量示意圖如圖4所示。當氣固噴射火出現推舉現象時，火焰底部到燃燒噴嘴之間的距離（推舉高度）均無火焰，所以砂子對火焰溫度的影響主要取決于砂子在火焰中的質量，也就是說砂子噴射高度L與推舉高度h的差值即為砂子在火焰中的高度。圖5是砂子在不同二氧化碳氣體質量流量下噴射瞬時圖。當氣體流量達到穩定狀態時，砂子是以近似圓柱形式向上噴出，即在上升達到最大高度時都處于圓柱狀（圖5矩形），當達到最高點時從兩側落下。在氣固噴射火焰中由于火焰影響無法準確測量出砂子噴射高度，考慮到丙烷為易燃氣體，實驗中用具有相同分子量的二氧化碳代替丙烷量取砂子的噴射高度，圖2展示了丙烷產生的氣固噴射火和二氧化碳產生的氣固噴射流，147μm和178μm砂子在不同流量下所對應的卷吸速率。從誤差分析可知，在有焰和無焰情況下，此裝置對砂子卷吸速率影響較小。先用視頻記錄不同流量下砂子噴射高度，再通過視頻圖像量取一定時間內砂子所達到的最大高度(L)，然后通過視頻處理獲取推舉高度h，最后以Lh與L的比值來確定進入火焰中砂子的質量比例，如式（1）所示。

圖3 砂子粒徑為147μm時相關參數隨時間變化的三次可重復性實驗對比Fig.3 The test repeatability justified by the comparisons of parameters while size of sand is 147μm

圖4 推舉高度測量Fig.4 Schematic of the lift-off height appearance probability contour

圖5 粒徑為178μm砂子噴射瞬時圖Fig.5 Instantaneous images showing sand injection with a size of 178μm

2 實驗結果與討論

2.1 現象觀察

圖6(a)和(b)為粒徑為147μm和178μm的氣固噴射火在不同流量下的火焰特征圖。其中，上半圖是DV1從正面拍攝的火焰全景圖；下半圖是DV2從側面拍攝的火焰根部局部圖。圖7展示了關閉側面進砂口所形成的氣態噴射火。實驗中，氣固噴射火火焰高度隨著丙烷質量流量的增加先緩慢增加再迅速增加，對于147μm砂子，當丙烷流量為0.12 g/s和0.19 g/s時，由于砂子與燃燒噴嘴內壁之間的摩擦，進入火焰中的砂子較少，火焰行為類似于氣態噴射火，由圖2可知，砂子進入火焰的質量幾乎為零。當氣體質量流量從0.25 g/s增加到0.4 g/s時，火焰出現推舉現象，并在噴嘴底部偶爾出現藍色火焰，在下游藍色火焰消失，隨后是亮黃色火焰。對于粒徑為178μm的氣固噴射火，隨著質量流量的增加，火焰高度的變化趨勢與147μm相似，但在相同質量流量下，147μm的氣固噴射火火焰高度高于178μm，并且出現更大的推舉距離，且在高質量流量下變得明顯。與無推舉現象的氣態噴射火（圖7）相比，氣固噴射火出現完全不同的火焰形態，火焰行為的演變可能是由火焰溫度的變化引起的，后面將進行重點討論。

圖6 氣固噴射火的實驗圖片Fig.6 Typical experimental photos of gas-solid jet diffusion flame

圖7 氣態噴射火火焰的實驗圖片Fig.7 Typical experimental photos of gas jet diffusion flame

2.2 理論分析砂子對絕熱火焰溫度的影響

在化學燃燒反應中，假設丙烷與空氣以化學計量比混合且完全燃燒沒有離解，產物中只有二氧化碳、水和氮氣；所有釋放的熱量都用于提高氣固混合物的溫度，并且砂粒的最終溫度與氣體溫度相同。當砂粒進入火焰時，它吸收火焰區域的熱量，從而降低火焰溫度。基于能量守恒，便可估算出帶有砂的絕熱火焰溫度，如下所示：

2.3 火焰推舉

對湍流射流火焰而言，當燃料出口流速足夠大時，射流火焰會從噴嘴處抬起，這種現象稱為火焰的推舉行為。圖6和圖7為氣固噴射火和氣態噴射火火焰形態特征圖。與氣態噴射火相比，在測量范圍內，隨著氣體燃料增加，氣固噴射火更容易產生推舉現象。值得強調的是，對于氣固噴射火，氣體燃料的增加伴隨著更多的砂子卷吸進入火焰中，從而降低絕熱火焰溫度。在氣固預混火焰中，層流火焰速度與絕熱火焰溫度的理論模型在實驗中得到較好的驗證[15-18]，而以層流火焰傳播速度為特征速度的“預混火焰湍流強度理論”[27-28]通常用于解釋射流擴散火焰的推舉現象，即推舉火焰的底部的局部氣流速度恰好與湍流預混火焰的燃燒速率相等。再者，火焰推舉區域為燃氣、空氣和砂子的混合物。因此，本文結合氣固預混火焰模型及“預混火焰湍流強度理論”來解釋氣固噴射火推舉現象。溫度對層流燃燒速度SL的影響由式（4）進行計算[26]

表2 混合物特性［26］Table 2 Characteristics of mixture［26］

式中，n是總包反應級數，丙烷反應級數大約是2；EA是表觀活化能，近似為30 kcal/mol[29]；Tu是未燃氣體溫度，K；P是大氣壓力，Pa；Ru是氣體常數，J/(kmol·K);Tˉ=0.5(Tu+Tad,gs)是 反 應 區 的 平 均 火 焰 溫度，K。

將式(5)、式(6)代入式(4)，可得到層流燃燒速度與絕熱火焰溫度有很強的依賴性：

根據式（7）可以推斷出氣固情況下的絕熱火焰溫度從2267 K降低到1700 K會使SL從原來的1降為減小0.22（表3），即層流燃燒速度隨著絕熱火焰溫度的降低而減小。Kalghatgi等[27]基于前人的湍流強度理論提出層流燃燒速度與推舉高度的數學公式：

表3 用式（7）計算絕熱火焰溫度與層流火焰傳播速度關系Table 3 The influence of adiabatic flame temperature onlaminar flame velocity calculated by Eq.（7）

式中，h是火焰推舉高度，m；SL是層流燃燒速度，m/s；ρe是燃料密度，kg/m3；ρ∞是空氣密度，kg/m3；μe是動力黏度，N·s/m2。

從式(8)中可以看出，層流燃燒速度與推舉高度成反比關系，絕熱火焰溫度的降低伴隨著層流燃燒速度的減小，而火焰推舉高度隨層流燃燒速度降低而增加，此外砂子進入火焰又會降低火焰溫度，因此，對比氣態噴射火，氣固噴射火更容易產生推舉現象。圖8是粒徑為147μm和178μm的氣固噴射火和氣態噴射火推舉高度隨丙烷質量流量變化情況，在相同氣體流量下，氣態噴射火無推舉現象。對于不同粒徑的氣固噴射火，從1.2節實驗預處理中可知，粒徑為147μm的氣固噴射火，有更多的砂子進入火焰中，從而導致更低的火焰溫度以及更低的層流燃燒速度，從而產生更大的推舉高度。

2.4 火焰高度

圖8 氣固混合物噴射火推舉高度隨丙烷質量流量變化Fig.8 Variation of lift-off height with propane mass flow rate for gas-solid jet diffusion flame

火焰高度是從燃燒噴嘴出口到火焰尖端的垂直距離。對于恒定噴嘴直徑的氣態噴射火焰，火焰高度由噴嘴出口速度決定，但是，對于氣固噴射火，加入砂子會影響火焰溫度和出口速度，因此，使用火焰Froude數Frf對其火焰高度進行解釋[30]。

式中，ugs是氣固混合下氣體燃料出口速度，m/s；d是燃燒噴嘴直徑，m。ρe是丙烷密度（1.854 kg/m3）；ρ∞是空氣密度（1.161 kg/m3）；T0是大氣溫度（298 K）；fs是空燃比0.06035，d燃燒噴嘴直徑0.01 m。

圖9是氣態噴射火和氣固噴射火火焰高度隨丙烷質量流量變化情況。在低流量下(0.12 g/s、0.19 g/s)，兩者之間的火焰高度增長趨勢幾乎相同，但是高流量下(0.25～0.40 g/s)存在很大差異。隨著丙烷質量流量的增加，砂子卷吸量也增加，被卷吸入的砂子與燃燒噴嘴內壁的摩擦會削弱噴嘴的出口速度，從而導致火焰高度降低，但是，噴出的砂子會降低火焰溫度，從而通過增加火焰Froude數來增加火焰高度。也就是說，裝置產生的氣固噴射火火焰高度存在兩種競爭效應，加入砂子削弱出口速度使火焰Froude數減小是負面效應，而降低火焰溫度使火焰Froude數增加是正面效應，而在高流量下，正面效應強于負面效應。

此外，對于不同粒徑的砂，在氣體流量較低情況下，178μm砂子的火焰高度比147μm稍大，但對于高流量，結果卻相反。因為在低流量下負面效應強于正面效應，而在高流量下正面效應占主導。從火焰Froude數的表達式[式（10）]中可以看出，噴嘴出口速度和絕熱火焰溫度共同影響Froude數大小，對于高流量下產生的氣固噴射火，通過理想化的能量守恒方程2gL=u2gs，將砂子噴出最大平均高度L轉化為噴嘴出口速度ugs，再通過式（2）計算氣固噴射火絕熱火焰溫度，最后將兩者數值代入火焰Froude表達式中，從表4可以看出，147μm氣固噴射火在高流量下具有更大的火焰Froude數，從而擁有更大的火焰高度。

圖9 氣固噴射火與氣態噴射火火焰高度隨丙烷質量流量變化Fig.9 Variation of flame height with propane flow rate for gassolid jet diffusion flame and jet diffusion flame

表4 氣固噴射火物性參數計算值Table 4 The calculated physicochemical parameters of gas-solid jet diffusion flame

3結 論

本文對氣固噴射火進行了實驗研究，對比分析和物理解釋了砂子質量對氣固噴射火火焰高度和推舉高度的影響，以及氣固噴射火與氣體噴射火的燃燒差異性。結論如下。

（1）當氣體流量足夠大時，本文中的實驗裝置能夠產生氣固噴射火，并具有良好的重復性。

（2）與氣體噴射火相比，氣固噴射火更容易產生推舉現象，并且小粒徑氣固噴射火推舉高度大于大粒徑氣固噴射火。原因是對于本實驗裝置，小粒徑砂粒在相同情況下進入火焰的質量更多，使得具有更低的火焰溫度，從而減小火焰傳播速度，最終增加火焰推舉高度。

（3）當丙烷流量足夠大時，氣固噴射火火焰高度大于氣態噴射火，原因是砂粒的卷入使得火焰溫度降低，從而增加火焰Froude數，最終增加火焰高度。小粒徑氣固噴射火火焰高度高于大粒徑氣固噴射火，原因是小粒徑砂粒進入火焰體的質量更多。