惰性氣體參數對瓦斯爆燃火焰傳播抑制效果的研究

胡 洋 ，楊雨欣 ，石云東 ，呂 碩 ，陶 紅

（1.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601；2.爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；3.開灤能源化工股份有限公司 煤炭通風部，河北 唐山 063000）

瓦斯爆炸事故作為我國煤礦事故中最嚴重的事故之一[1-4]，涉及多個學科交叉的學術問題，是爆炸力學和安全科學與工程學科的前沿問題和熱點問題。瓦斯爆燃的波系結構是前方為誘導激波，后面是化學反應區，火焰緊跟在激波后方，并支持激波向前運動，為了使前驅激波強度衰減，降低瓦斯爆炸產生的災害強度，向支持沖擊波的火焰噴射惰性氣體，以火焰參數表征惰性氣體的抑爆效果。對此，國內外學者對瓦斯爆燃過程中火焰傳播特性和惰性氣體抑爆機理開展了大量研究。孫超倫等[5]探究惰性氣體存在抑制甲烷爆炸的臨界體積分數；王燕等[6]研究了利用惰性氣體（CO2、N2）強化 KHCO3冷氣溶膠系統的CH4抑爆機理，分析了惰性氣體增效原因；張江等[7]探究了了C2H4和CO 對N2惰化 CH4爆炸的作用規律；KRISTOFFERSEN K 等[8]、THOMAS G 等[9]對氣體爆炸過程中火焰傳播與爆炸壓力波之間的關系進行了研究，結果表明火焰的傳播與壓力波之間存在耦合作用；楊春麗[10]通過實驗證實了，惰性氣體濃度和爆炸超壓之間存在線性關系；LI 等[11]通過研究發現火焰在CO2或N2/CO2混合氣體的抑制下，前鋒呈現不穩定的“蘑菇狀”火焰結構；陸衛東等[12]從動力學角度出發進行CO2對瓦斯爆炸阻尼效應的數值模擬，得出隨著CO2體積增多，甲烷爆炸的強度降低，從機理分析為CO2降低了甲烷爆炸過程中的關鍵反應步驟感性系數，加強了對有毒有害氣體NO 及鏈式反應自由基的抑制從而達到抑制效果。

目前，選用噴射N2、CO2的方式進行阻燃抑爆的實驗較少，對于實驗測量數據的方法，主要集中在傳統宏觀測量上。因此，改變N2、CO2參與瓦斯爆燃反應的方式，選用激光紋影技術對N2、CO2抑制瓦斯爆燃的流場進行微觀分析。

1 實驗設計

1.1 系統介紹

惰性氣體抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃的實驗系統圖如圖1。系統由爆炸激波管、高壓點火系統、真空系統、預混系統、數據采集系統、火焰傳感器、同步控制系統、惰性氣體噴射裝置和激光紋影測試系統組成。

圖1 實驗系統圖Fig.1 Experimental system diagram

實驗系統的主體由6 節激波管和1 節實驗段組成，激波管每節2.5 m，截面尺寸為200 mm×200 mm；實驗段長度為1 m，中部開有直徑為300 mm 的圓形可視化窗。為滿足惰性氣體噴射的實驗需求，在試驗段底部設計直徑15 mm 的惰性氣體噴射口。高壓點火系統通過外觸發控制電極產生高壓放電火花，點火能量為100 mJ；真空系統由抽速為90 m3/h、極限真空度0.7 Pa 的旋片泵和抽速為500 m3/h、極限真空度0.4 Pa 的羅茨泵構成；預混系統利用管道外預混原理，將實驗氣體按照預定的體積百分數充入密閉罐中，靜止6～8 h 后充入實驗管道；同步控制系統[13-14]由多通道同步控制器連接，協調點火、噴射N2及數據采集時間；激光紋影系統可獲取微觀流場的紋影圖像，實現對流場的定性觀測和定量測量[15]；惰性氣體噴射裝置由氣瓶、減壓閥、單向閥、電磁閥和進氣閥門組成，可控制氣體噴射壓力，惰性氣體噴射裝置如圖2。

1.2 工況設計

實驗目的是對比不同惰性氣體在不同噴射壓力和不同位置條件下抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃的效果，通過火焰傳感器記錄變化過程，在每節激波管道的正中部的同一軸向位置和實驗段的可視化窗口前后，安裝火焰傳感器，共8 組，實驗測點布置如圖3，火焰傳感器距點火端的距離見表1。

表1 火焰傳感器距點火端的位置Table 1 Position of flame sensors from ignition end

圖3 實驗測點布置Fig.3 Layout of experimental measuring points

氣體噴射口共2 個，位于距點火端7.655 m和8.780 m 處底部，分別在傳感器F3～F4 和F4～F5 之間。

實驗設計為2 種惰性氣體（N2與CO2）噴射進入爆炸激波管中抑制瓦斯爆燃的對比實驗，每種惰性氣體在不同噴射壓力、不同噴射位置下，分別進行8 組實驗；基礎實驗工況為9.5%甲烷預混氣體在無惰性氣體噴射的條件下爆燃；為了減少系統誤差引起的數據差異，每組實驗至少重復3 次以上，獲得較為準確的實驗數據。實驗工況設計見表2。

表2 實驗工況設計Table 2 Design of experimental conditions

2 實驗結果

2.1 基礎工況實驗

以9.5%瓦斯/空氣預混氣體爆燃作為基礎實驗工況，以便后續與惰性氣體抑爆實驗作為對照，9.5% 甲烷/空氣預混氣體火焰信號圖如圖4，火焰信號強度在F3、F6 處最強。

圖4 9.5%甲烷/空氣預混氣體火焰信號圖Fig.4 Flame front propagation diagram of 9.5%methane/air premixed gas

2.2 不同位置噴射N2 抑爆燃實驗

2.2.1 不同位置噴射N2抑爆火焰傳感器數據

分別向管道內噴射來自不同噴射口的不同壓力的N2，測量火焰陣面抵達傳感器的時間。近點火端噴射N2火焰陣面傳播過程如圖5，遠點火端噴射N2火焰陣面傳播過程如圖6。由于不同位置的火焰傳感器接收到火焰信號強度不同，因此圖像縱坐標取能夠完整顯示的最優范圍。

圖5 近點火端噴射N2 火焰陣面傳播過程Fig.5 Propagation process of N2 flame front near ignition

圖6 遠點火端噴射N2 火焰陣面傳播過程Fig.6 Propagation process of N2 flame front far away from ignition

由圖5（a）、圖5（b）可知：當N2噴射壓力較小時，無法擴散到傳感器F1、F2 附近，因此火焰陣面抵達傳感器的時間與基礎工況相比時間近似；當噴射壓力增強到2.5 MPa 及以上時，火焰速度顯著提升，這是因為N2能夠擴散到傳感器附近并使管道中未反應氣體的靜止狀態收到影響，形成湍流效應。由圖5（c）可知：當噴射壓力達到3.5 MPa后，足夠多的N2開始對預混氣體爆燃產生抑制作用，火焰陣面抵達時間才發生延緩；雖抑爆作用不明顯，但與基礎工況相比，火焰信號強度明顯變弱，說明N2對預混氣體進行了一定的稀釋。由圖5（d）可知：當噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰陣面抵達傳感器F4 的時間初步延緩，噴射壓力變大，延緩更明顯；當瓦斯/空氣預混氣體發生爆燃后，其產物膨脹壓縮未燃氣體，形成前驅沖擊波向未燃區域傳播，其過程卷吸了更多從噴射口噴入的N2，因此火焰傳感器F4 的延緩效果變得更明顯。由圖5（d）～圖5（e）可知：傳感器F4 與傳感器F5的時間波動趨勢相同，但其火焰信號更強，分析認為，前驅沖擊波卷吸著從噴射口噴入的N2向未燃區域傳播的同時，同樣卷吸更多的未燃氣體在傳感器F5 附近發生強烈的爆燃反應，但當噴射壓力大于2.5 MPa，N2足夠多，依舊能夠起到抑制爆燃的效果；火焰傳感器F6、F7、F8 的火焰陣面到達時間波動趨勢與之前一致。

由圖6 可知：遠點火端噴射N2時，與近點火端噴射相比，從傳感器F3 開始，火焰陣面的抵達時間開始發生輕微波動，隨噴射壓力的增強，時間提前，至3.5 MPa 時，到達時間才輕微延緩。因為噴射壓力足夠大，即使遠離噴射口，依舊有少量N2擴散到附近，稀釋了未燃氣體；遠點火端噴射口位于傳感器F4 與F5 中間，未反應氣體受到的擾動最明顯，火焰信號強度顯著增強；并且當噴射N2壓力達到2.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間相比于壓力較小時更為延緩，但仍比基礎工況提前；噴射壓力增強到3.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間明顯延緩。

噴射壓力為3.5 MPa N2的火焰信號如圖7。

圖7 噴射壓力為3.5 MPa N2 的火焰信號Fig.7 Flame signal with nitrogen injection pressure of 3.5 MPa

由圖7 可知：當火焰達到傳感器F6 時，火焰被N2分割成a、b 2 部分，前段小火團a 先于較大火團b 經過傳感器F6，火團b 帶有鮮明的三維凹陷特質，且經N2分割的火焰陣面，速度明顯降低；火焰陣面抵達火焰傳感器F7 與F8 的時間波動趨向，與近點火端噴射時一致，且因位于激波管道的末端，火焰信號相對較弱。

可以發現，與基礎工況相比，隨著噴射N2的壓力增大，火焰陣面抵達各個火焰傳感器的時間先提前后延緩。且近點火端噴射時的火焰陣面抵達各傳感器的時間，比遠離點火端噴射產生的波動要早。通過抵達傳感器的時間計算得到不同噴射位置的火焰傳播速度，不同位置噴射N2的火焰傳播速度如圖8。

圖8 不同位置噴射N2 的火焰傳播速度Fig.8 Flame propagation velocity of N2 injection at different positions

由圖8 分析可得：不同位置噴射時，火焰傳播速度都在噴射壓力為1.5 MPa 時達到最大，2.5 MPa的時候傳播速度開始降低；但不同的是，最高火焰傳播速度在靠近點火端噴射時發生在3 號傳感器，為189.873 m/s，遠離點火端噴射時發生在F4，并隨著噴射口靠近點火端而提前；靠近點火端噴射時的最高火焰傳播速度，相比于遠火端噴射時的238.095 m/s 大幅度降低且降低速度更快；近點火端噴射口的火焰傳播速度最低為4.181 m/s，遠點火端噴射時為4.798 m/s，同樣是靠近點火端噴射口的火焰傳播速度降得更低；近點火端噴射壓力為1.5 MPa 時，火焰傳感器F8 的火焰傳播速度已經比基礎工況略低；噴射壓力為2.5 MPa時，F3 到F4 傳感器之間的火焰傳播速度降至6.944 m/s，低于基礎工況。因此，靠近點火端噴射口與遠離點火端噴射口噴射同一壓力的N2時，靠近點火端噴射的效果更好，對瓦斯/空氣預混氣體爆燃的抑制效果更明顯。

2.2.2 不同位置噴射N2抑爆激光紋影圖像

噴射0 MPa N2的紋影圖像（無N2）如圖9。

圖9 噴射0 MPa N2 的紋影圖像（無N2）Fig.9 Schlieren images of nitrogen at injection pressure of 0 MPa (no nitrogen)

圖9 即瓦斯/空氣預混氣體爆燃基礎工況的紋影圖像。根據圖像可以發現，由于火焰是三維立體結構，因此各點的火焰信號強度各不相同，不斷變化。火焰陣面因軸向力的拉伸發生變形，中間部分速度較快，使火焰發生變性，形成類指尖形，隨即擴散至整個管道。

靠近點火端噴射0.5、1.5、2.5、3.5 MPa N2的紋影圖像如圖10～圖13。由于N2噴射口位置在可視窗之前，所以近點火端紋影圖像的火焰已經經過N2的作用。

圖10 靠近點火端噴射0.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.10 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end

由圖10 可知：仍可以看出火焰陣面因受N2影響而發生拉伸變形，且火焰陣面中間部分突出程度比無N2時顯著減小。

由圖11 可知：N2對火焰陣面的影響逐步增強，火焰因拉伸變形而不再保持原先的指尖形，且中部不僅突出程度減小，甚至火焰表面發生凹陷，變得凹凸不平。

圖11 靠近點火端噴射1.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.11 Schlieren images of 1.5 MPa N2 injection near ignition end

由圖12 可知：隨著N2噴射壓力的增大，火焰陣面發生的拉伸變形更加嚴重，指尖形逐漸趨向變平。火焰陣面中部突出逐漸消失，向圓弧形靠攏。

圖12 靠近點火端噴射2.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.12 Schlieren image of 2.5 MPa N2 injection near ignition end

由圖13 可知：當N2噴射壓力達到3.5 MPa 時，火焰陣面因N2的影響而拉伸變形，不再呈現指尖形，而是呈圓弧形，同時火焰厚度變薄。但火焰變形不明顯，分析原因認為，火焰陣面經過噴射口時變形最明顯，但可視窗離噴射口有一定距離，經此距離，火焰陣面發生了逆向變形。

圖13 靠近點火端噴射3.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.13 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end

遠離點火端噴射3.5 MPa N2的紋影圖像如圖14。

圖14 遠離點火端噴射3.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.14 Schlieren images of nitrogen injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end

由圖14 可知：當遠離點火端噴射壓力達到3.5 MPa 時，火焰陣面因N2的阻擋發生形變，呈凹凸不平的近平面形態，減少火焰表面積，爆燃強度降低。同時，N2噴射入管道，隨著火焰的傳播向管道下游分散，對未燃氣體發揮稀釋、窒息作用，而當火焰傳播到管道下游時，因氧氣供應不足而抑制火焰傳播。

2.3 不同位置噴射CO2 抑爆燃實驗

2.3.1 不同位置噴射CO2抑爆火焰傳感器數據

選擇不同位置的2 個噴射口分別噴射壓力為0.5、1.5、2.5、3.5 MPa 的CO2，近 點 火 端 噴 射CO2火焰陣面傳播過程如圖15，遠點火端噴射CO2火焰陣面傳播過程如圖16。

圖15 近點火端噴射CO2 火焰陣面傳播過程Fig.15 Propagation process of CO2 flame front near ignition

圖16 遠點火端噴射CO2 火焰陣面傳播過程Fig.16 Propagation process of CO2 flame front far away from ignition

由圖15 可知：當噴射壓力達3.5 MPa 后，火焰陣面抵達時間開始延緩；當噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰陣面抵達傳感器F4 的時間初步延緩；當噴射壓力為3.5 MPa 時，延緩更明顯；火焰傳感器F5 與F4 相比波動趨勢相同，但火焰信號更強；火焰傳感器F6～F8 的火焰陣面到達時間，發現其波動趨勢與之前一致。

由圖16 可知：火焰抵達傳感器F3 后，時間開始發生輕微波動，且隨著噴射壓力的增大而輕微提前，直到噴射壓力達到3.5 MPa 時，到達時間才輕微延緩。火焰傳感器F4 與F5 位于端噴射口兩端，未燃氣體受到的擾動最大，火焰信號強度明顯增強，在噴射壓力為0.5、1.5 MPa 時，時間有明顯的提前；當噴射壓力為2.5 MPa 時，相較于1.5 MPa 時的時間略有延緩，但與基礎工況相比時間仍然有所提前；直到噴射壓力達到3.5 MPa，火焰陣面抵達時間才有明顯延緩。由圖16（f）可知：當噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰到達傳感器F6 的時間與基礎工況相比已經有延緩跡象；噴射壓力增加到3.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間明顯延緩。

由圖4、圖15 和圖16 可知：噴射CO2與基礎工況相比，火焰陣面抵達各個位置的火焰傳感器的時間，呈現先提前后延緩的趨向；且近點火端噴射時火焰陣面抵達各傳感器的時間，比遠離點火端噴射更早產生波動。

通過數據采集系統測量數據計算得到不同單口位置下的火焰傳播速度，不同噴射壓力下火焰的傳播速度如圖17。

圖17 不同噴射壓力下火焰的傳播速度Fig.17 Flame propagation velocity under different injection pressures

由圖17，2 種噴射距離都是在噴射壓力為1.5 MPa 的時候火焰傳播速度最高，在噴射壓力為2.5 MPa 的時候火焰傳播速度開始降低；在噴射壓力為3.5 MPa 的時候火焰傳播速度達到最低。且靠近點火端噴射口的最高火焰傳播速度，與遠點火端噴射時的速度相比更低；但是都發生在火焰傳感器F3～F4 之間；雖然兩者的最高火焰傳播速度都發生在噴射壓力為1.5 MPa 的時候，但靠近點火端噴射口的最高火焰傳播速度為148.515 m/s 遠低于遠離點火端噴射時的最高火焰傳播速度187.5 m/s，且火焰傳播速度降低得更快，噴射1.5 MPa 時傳感器F8 附近火焰傳播速度已經比基礎工況更低；在噴射壓力為2.5 MPa 時，靠近點火端噴射時的火焰傳播速度低于基礎工況的位置更近，位于傳感器F3～F4 之間。靠近點火端噴射時火焰傳播速度最低為4.105 m/s，同樣低于遠離點火端噴射時的4.545 m/s。因此，靠近點火端噴射比遠離點火端效果更好，對瓦斯/空氣預混氣體爆燃的抑制效果更明顯。

2.3.2 不同位置噴射CO2抑爆激光紋影圖像

選取火焰形態發生形變最明顯的激光紋影圖像，靠近點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2如圖18，遠離點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2如圖19。

圖18 靠近點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2Fig.18 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa near ignition end

圖19 遠離點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2Fig.19 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end

由圖18 可知：火焰陣面嚴重拉伸變形，不再能夠維持指尖形，而是呈凹凸不平的近平面狀，同時火焰明顯變薄。

由圖19 可知：火焰陣面因噴射的CO2呈凹凸不平的近平面狀，甚至使中間部分明顯凹陷，呈現三維凹陷的狀態。

2.4 N2 與CO2 對比

分析圖8、圖17 可知：在不同位置噴射不同壓力的N2與CO2，對火焰傳播速度的影響趨勢基本一致，且CO2在近點火端噴射時，火焰最高速度148.515 m/s，最低速度4.105 m/s；遠點火端噴射時，最高速度187.5 m/s，最低速度4.454 m/s，均低于噴射N2的實驗工況。因此，CO2抑制火焰傳播的效果強于N2，分析原因為作為三體反應的第3 體，N2的碰撞效率低于CO2，使活性支鏈反應中心濃度的降低程度也低于CO2。因此，N2的抑制效果明顯弱于CO2。

3 結 語

1）隨著噴射壓力增大，火焰傳播速度先增大后減小；火焰陣面逐漸被拉伸變形，無法保持指尖狀，呈現近平面狀，火焰變薄甚至出現三維凹陷結構，對未燃氣體產生明顯的吸卷效應。

2）將火焰傳播的最高/最低速度作為抑制爆燃能力的判定標準，對比2 種噴射位置，近點火端噴射CO2比遠離點火端噴射的最高火焰傳播速度低20.79%，而噴射N2時最高火焰傳播速度降低20.25%；近點火端噴射CO2比遠點火端噴射的最低火焰速度降低9.68%，噴射N2時降低12.86%，因此近點火端噴射惰性氣體抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃的效果更好。

3）對比2 種阻燃抑爆氣體，近點火端噴射CO2比噴射N2的最高火焰傳播速度低21.78%，最低速度比N2低1.82%；遠點火端噴射CO2時的最高火焰速度比N2低21.25%，最低火焰速度比N2低5.27%，因此，CO2的效果比N2更好。