MgH2粉塵火焰?zhèn)鞑ミ^程與熱輻射特性

張 云，賈 月，楊振欣，趙懿明，趙鳳起，裴 慶，徐司雨，焦楓媛，吳星亮，徐 森，曹衛(wèi)國

(1.西安近代化學研究所 燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中北大學 環(huán)境與安全工程學院，山西 太原 030051；3.北京航天試驗技術研究所，北京 100048；4.南京理工大學 化學與化工學院，江蘇 南京 210094)

引 言

含能材料作為武器系統(tǒng)的毀傷源和動力源，是實現(xiàn)武器高能和安全的重要保證，而添加高能燃燒劑是提高含能材料作功能力的有效手段[1-3]。隨著對復合含能材料性能要求的逐步提高，儲氫金屬由于其優(yōu)異的燃燒性能逐漸引起了兵器、航空、航天等工業(yè)領域研究人員的關注[4-7]。但儲氫金屬在生產(chǎn)和運輸過程中由于不穩(wěn)定而存在著安全風險。發(fā)生燃燒爆炸時，常伴有火焰和沖擊波[8-10]，因此有必要對其爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程進行進一步研究。

張洋等[11]采用激光點火結合高速攝影，研究了MgH2對典型含能材料的燃燒性能影響，結果表明，隨著MgH2含量的增加，火焰形貌變得更加規(guī)則、亮度更高、火焰速度更快。董卓超等[12]采用1.2L哈特曼管和20L球形裝置對Al、MgH2和CM(鎂基復合儲氫材料)火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了研究，結果表明火焰高度排序大小為CM>MgH2>Al；火焰?zhèn)鞑ニ俾蕿镸gH2>CM>Al。火焰產(chǎn)生的熱輻射會對人員和設備造成進一步的損傷[13-14]，研究人員針對火焰的熱輻射特性開展了大量研究。Dorofeevto等[15]通過大型試驗對不同類型燃料空氣混合物的爆燃、爆轟的熱效應進行了相應的研究。結合實驗結果給出了火球的最大輻射量、熱效應持續(xù)時間和總的發(fā)射能量與燃料質(zhì)量之間的相對關系。王秋紅等[16]通過自建的粉塵爆炸實驗裝置，對圓柱形火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律和不同位置處的熱輻射進行了研究，結果表明距火焰較近的熱輻射通量較大，不同位置處熱輻射通量隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加而增加。

基于此，在前人研究的基礎上，為了獲取儲氫金屬燃爆過程中的火焰?zhèn)鞑ヅc熱輻射特性，本研究以MgH2為對象，采用改進后的哈特曼管對其燃燒過程進行研究，比較了不同質(zhì)量濃度的MgH2粉塵火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕@取了不同位置處的熱輻射通量和紅外溫度場數(shù)據(jù)，以期為儲氫材料添加到含能材料中的生產(chǎn)及使用安全提供基礎數(shù)據(jù)。

1 實 驗

1.1 測試裝置

實驗在改進后的哈特曼管裝置上進行，如圖1所示，實驗裝置由石英燃燒管、點火系統(tǒng)、分散系統(tǒng)、高速攝像機、紅外熱成像儀、熱輻射儀及同步控制系統(tǒng)組成。燃燒管為直徑68mm、長300mm的石英玻璃管；點火電極位于距燃燒管底部上方100mm處；分散系統(tǒng)由傘狀噴嘴和外部高壓射流構成，射流壓力設置為0.7MPa；高速攝像機(FASTCAM Mini UX 100)與紅外熱成像儀(Telops)均置于哈特曼管前方5m處，分別用以記錄燃燒過程中火焰形貌和管口外部火焰表面溫度場域的動態(tài)變化過程；3組熱輻射儀(Vatell Heat Flux Microsensors)分別位于燃燒管右側30cm處、燃燒管左側20cm處、燃燒管上方100cm處來測試不同位置的熱輻射通量變化。熱輻射通量由下式計算[17]：

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

(1)

式中：q為熱輻射通量(W/cm2)；VHFS為傳感器的瞬時放大電壓信號(μV)；GHFS為傳感器通道的放大器增益；g、h為靈敏度和溫度之間關系的系數(shù)；ΔT為反應前后熱輻射測點處的溫度差(℃)，由傳感器測得。

1.2 測試流程

實驗開始時，首先將MgH2粉塵均勻地鋪撒在哈特曼管底，隨后通過同步控制系統(tǒng)將粉塵吹揚到燃燒管中，為使粉體充分分散且確保點火成功，經(jīng)過60ms的點火延時后，使用1J的點火能量點火，同時通過高速攝像機、紅外熱成像儀和熱輻射儀同步記錄粉塵火焰?zhèn)鞑ァ囟茸兓蜔彷椛渫孔兓^程。

2 結果與討論

2.1 MgH2粉塵的形貌和結構

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對實驗采用的MgH2粉塵的形貌結構進行了表征，結果如圖2所示。

圖2 MgH2粉塵的掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron microscope image of MgH2 dust

由圖2可知，MgH2粉塵分散較好，基本呈球狀，顆粒大小較為規(guī)律，其粒徑分布大致在10～30μm。

2.2 MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

對質(zhì)量濃度為150、250、500、750和1000g/m3下的MgH2粉塵分別進行了點火實驗，圖3為高速攝像機捕捉到的質(zhì)量濃度750g/m3下MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程。計點火時刻為0時刻，電火花點燃粉塵后，火焰從電極位置向管兩側傳播，形成了明亮的白色火焰，火焰輪廓較為光滑。火焰前鋒陣面到達管口后掙脫燃燒管的束縛持續(xù)向上傳播，并向周圍擴散形成蘑菇云狀火焰。隨著燃燒的進行，火焰開始衰減，頂端出現(xiàn)了燃燒的白色火星，上部連續(xù)的燃燒區(qū)域逐漸轉變?yōu)殡x散狀火焰。隨著燃燒反應的進一步進行，火焰的寬度變窄，亮度明顯減弱，離散火焰區(qū)域逐漸增大，最終火焰逐漸熄滅。

圖3 典型的MgH2粉塵爆炸火焰高速攝影Fig.3 Typical MgH2 dust explosion flame captured by a high-speed camera

為了更好地分析MgH2粉塵的火焰?zhèn)鞑ミ^程，對其火焰前鋒陣面高度進行了測量，計燃燒管底部平面為0mm，圖4(a)為不同質(zhì)量濃度下火焰前鋒陣面高度和時間的關系。各個質(zhì)量濃度下，火焰前鋒陣面高度均呈現(xiàn)先增高后平緩的趨勢。在質(zhì)量濃度150、250、500、750和1000g/m3下分別在62、60、50、52和46ms時達到最大值，為595、683、894、1138和1116mm。

圖4 不同質(zhì)量濃度下MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ジ叨群蛡鞑ニ俣扰c時間的關系曲線Fig.4 Relation curves of flame propagation height and velocity of MgH2 dust explosion vs.time under different mass concentrations

對圖4(a)中的數(shù)據(jù)進一步處理得到圖4(b)所示的MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€。各個質(zhì)量濃度下火焰?zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先增大后波動下降的趨勢，在質(zhì)量濃度150、250、500、750和1000g/m3下火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯捣謩e在16、18、14、8和6ms時達到最大值，為15、19、29、45和35m/s。

不同質(zhì)量濃度下的火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛡鞑ジ叨鹊淖畲笾等鐖D5所示。

圖5 不同質(zhì)量濃度下MgH2粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦訤ig.5 Flame propagation characteristics of MgH2 dust under different mass concentrations

由圖5可知，隨著MgH2粉塵質(zhì)量濃度的增加，MgH2粉塵火焰?zhèn)鞑ジ叨群退俣确逯稻尸F(xiàn)先增大后減小趨勢。在粉塵質(zhì)量濃度低于750g/m3時，燃燒管道內(nèi)空氣充足，火焰高度和速度主要取決于粉塵粒子的數(shù)目，質(zhì)量濃度越高，發(fā)生反應的粉塵粒子數(shù)越多，火焰?zhèn)鞑ピ礁撸俣仍娇欤?50g/m3時最大，分別達到1138mm和45m/s。當質(zhì)量濃度繼續(xù)上升時，燃燒管內(nèi)粉塵濃度過高，空氣相對較少，反應的粒子數(shù)降低，致使火焰在噴出管口時的速度減小，在1000g/m3時火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著下降，但由于濃度上升噴出管口的粉塵粒子數(shù)增多，隨著管道外部空間的空氣參與到反應中來，在管外發(fā)生燃燒的粒子數(shù)目增大，使得火焰高度下降幅度較小。

2.3 MgH2粉塵爆炸火焰熱輻射特性

圖6為各個質(zhì)量濃度下不同位置處的熱輻射通量最大值，在本研究的MgH2粉塵質(zhì)量濃度的范圍內(nèi)，各個位置處的熱輻射通量均隨著質(zhì)量濃度的增大而增大，在1000g/m3時達到最大值，分別為0.86、4.92、31.74kW/m2。1號傳感器熱輻射通量最大值小于2號傳感器，這是由于，一方面隨著距離的增加，燃燒產(chǎn)物的溫度急劇降低，熱效應也相應減弱；另一方面，傳感器與火球的距離增大，熱輻射能量在傳輸過程中，空氣中的二氧化碳和水蒸汽的吸收作用以及空氣中的塵埃和其他懸浮粒子的散射作用，導致火焰的熱輻射強度衰減。而3號傳感器的熱輻射通量峰值明顯大于其他傳感器，這是由于MgH2在燃燒過程中受到玻璃管長時間的約束作用，使得火焰在正上方傳播高度遠大于側面寬度，位于燃燒管正上方的3號傳感器接收到的熱輻射相對兩側的傳感器更加強烈，同時隨著火焰高度持續(xù)增長，火焰距離3號傳感器更近，熱輻射通量增長明顯更大。此外，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖罴奄|(zhì)量濃度和熱輻射通量的最佳質(zhì)量濃度并不一致，這主要是因為隨著質(zhì)量濃度的增加，在750g/m3達到火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖罴奄|(zhì)量濃度，但濃度繼續(xù)增加造成粉塵燃燒總質(zhì)量增大，在管外發(fā)生燃燒持續(xù)時間長，使得熱輻射通量在質(zhì)量濃度為1000g/m3時達到最大。

圖6 不同位置處MgH2粉塵熱輻射通量測試值Fig.6 Heat radiation test value of MgH2 dust at different positions

圖7為1000g/m3的MgH2粉塵爆炸不同位置處的熱輻射通量變化曲線，可以看出熱輻射通量隨著時間的增長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，1號和2號傳感器增大到最大值后熱輻射通量的變化值不大，而3號傳感器變化明顯。這是因為MgH2粉塵爆炸火焰的運動趨勢整體向上，向兩側運動的趨勢較小，火焰相對于1號和2號傳感器的距離幾乎不變，而與3號傳感器的距離變化較大，致使其熱輻射通量隨火焰的上升衰減發(fā)生劇烈變化。

圖7 不同位置處MgH2粉塵熱輻射通量變化Fig.7 Heat radiation changes of MgH2 dust at different positions

2.4 MgH2粉塵爆炸火焰紅外溫度場域

通過紅外熱成像儀對噴出管口后的火焰表面溫度進行紀錄，隨著燃燒的進行，火焰溫度不斷升高，圖8為質(zhì)量濃度1000g/m3時火焰表面最高溫度隨時間的變化曲線，火焰最高溫度隨時間先增大后減小，從點火到峰值是一個瞬態(tài)過程，溫度峰值為1057℃。

圖8 不同時刻火焰最高溫度圖Fig.8 Maximum temperature diagram of flame at different times

圖9為最高溫度時的紅外熱成像圖，從拍攝角度來看，火焰到達燃燒管外部后，正面形成了一個類似橢圓的溫度區(qū)域，火焰溫度明顯大于環(huán)境溫度，火焰中心溫度最高，并向周圍逐漸衰減。

圖9 最高溫度紅外熱成像圖Fig.9 Infrared thermogram diagram of maximum temperature flame

為了進一步探究火焰溫度與位置的關系，以圖9中火焰的幾何中心建立橢圓，圖10為豎直方向的橢圓長軸與水平方向的橢圓短軸的溫度隨距離的變化圖。

圖10 長短軸火焰最高溫度圖Fig.10 Long and short axis diagram of flame maximum temperature

計火焰頂部為長軸起始點，長軸上的溫度隨著距離的增大而呈現(xiàn)先波動上升后迅速減小的趨勢，在長軸位置處達到最大值1037℃，高溫主要集中在火焰上部和長軸的中心附近，這是由于粉塵被氣流裹挾至管外后燃燒反應區(qū)主要集中在火焰上部，而管口處及火焰底部粉塵濃度較低，反應相對不劇烈。

計火焰右側為短軸起始點，短軸上的火焰溫度隨著距離增大先增大后減小，相對于火焰中心呈現(xiàn)對稱分布，短軸上溫度達到最大值884℃。

3 結 論

(1)MgH2粉塵在質(zhì)量濃度150～1000g/m3范圍內(nèi)，爆炸火焰前鋒陣面高度和火焰?zhèn)鞑ニ俣染S著質(zhì)量濃度的增加而先增加后減小，在750g/m3時達到最大值，分別為1138mm和45m/s。

(2)MgH2粉塵在質(zhì)量濃度150～1000g/m3范圍內(nèi)，爆炸火焰的熱輻射通量峰值隨質(zhì)量濃度的增大持續(xù)增大，在1000g/m3時達到最大值，分別為0.86、4.92、31.74kW/m2；熱輻射通量隨傳感器與火焰的距離變化明顯，正上方熱輻射通量峰值遠高于兩側。

(3)管口外火焰表面中心溫度最高，并向周圍逐漸衰減；豎直方向上，高溫區(qū)集中在火焰上部及中心區(qū)域；水平方向上，火焰表面溫度相對于火焰中心呈現(xiàn)對稱分布。