有机玻璃方管内可燃气体爆燃压力分布研究

汪 泉，郭子如，沈兆武，马宏昊,3

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001；2.中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥，230027；3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230027)

管道内预混可燃气体爆燃过程涉及气体流动与化学反应耦合、火焰与管壁作用、火焰与声波振荡作用等复杂问题，国内外不少学者开展了此方面研究工作[1-4]。表征管内爆燃火焰传播特性的参数主要有火焰传播速度、爆燃压力、爆燃温度等，其中爆燃压力直接反映可燃气体爆燃波强度、破坏效果等情况。爆燃压力的大小与气体种类和浓度、点火能量、有无障碍物、泄放封口状况、管道材料等诸多因素有关，实际研究中往往从单个因素分别考虑其影响情况。本文通过在水平放置的有机玻璃方管上布置 6支压力传感器，测试得到不同甲烷浓度、不同重复障碍片以及不同封口材料约束等条件下管内气体爆燃压力分布规律。为化工容器泄爆、可燃气体管道输送、矿井巷道瓦斯抑爆等方面的研究提供参考。

1 实验设计

火焰加速管为长1.5m、截面0.10m×0.10m的有机玻璃材质方管，点火端封闭，开口端封口材料选用厚度约0.06mm聚乙烯（PE）薄膜和厚度约0.17mm牛皮纸(后面若无特别说明封口材料均为单层 PE薄膜)。点火采用简易电容储能放电方式，点火能量在250～500mJ。配气[5]时，预先将管道抽成真空，再充入配置好的甲烷/空气预混气体(甲烷体积浓度有8.31%、9.35%、9.47%、10.70%几种)，使管内气体压力回到常压进行实验，甲烷浓度用CJG-10型甲烷测定器测量。为了得到爆燃火焰压力分布情况，在管道上布置6支CY-YD-203型压力传感器，其距点火端水平距离分别为51mm、319mm、589mm、862mm、1 130 mm、1 405 mm，配接YE5853A型电荷放大器和 HIOKI8841储存记录仪进行信号放大和采集。同时选用4种重复障碍片型障碍物[6]，以获得有障碍物时管内气体爆燃压力分布情况。实验测试系统如图1所示。

图1 实验测试系统Fig.1 Schematic of experimental set-up

2 结果与分析

2.1 不同甲烷浓度下爆燃压力分布

预混气体燃烧速度和放热量与甲烷浓度有很大关系，当甲烷与空气发生完全氧化反应时，根据其总反应方程式：

可计算出甲烷的化学计量浓度值为9.48%，理论上此数值为燃烧反应最剧烈点，然而实际过程由于反应不完全性和燃烧产物的离解和二次反应等原因，存在气体基本燃烧速度极值的最佳浓度，该浓度为化学计量浓度的1.1～1.5倍[8]。

CH4浓度分别为8.31%、9.35%和10.7%时管道内预混气体爆燃压力分布情况见图2，为了方便比较，各测点压力均采用峰值爆燃压力表示。由图2很容易看出，管内各测点峰值压力数值大小关系为Pmax(10.7%CH4)>Pmax(9.35%CH4)>Pmax(8.31 %CH4)，很显然 10.7%、9.35%数值分别接近于最佳浓度和化学计量比浓度，而且10.7%为1.13倍化学计量比浓度，符合1.1～1.5倍范围，即甲烷浓度在最佳浓度附近时燃烧反应最剧烈、爆燃压力最大。根据图2还可看出，3种浓度下各测点峰值压力从点火端开始增加，至方管中段位置有压力脉动现象，在传播到约管长2/3处爆燃压力出现最大值，而后靠近开口端压力迅速下降。

图2 不同甲烷浓度下管内气体爆燃压力分布Fig.2 Deflagration pressure distribution under different methane concentration condition

2.2 不同障碍物下爆燃压力分布

选用A、B、C、D共4种类型障碍物，以研究置障条件下管内气体爆燃压力分布情况。障碍物A(C)为5片、间距30cm、高1cm(2cm)的重复障碍片，障碍物B(D)为7片、间距20cm、高1cm(2cm)的重复障碍片。各类型障碍片均由1mm厚铜片制成，首障碍片距点火端距离均为15cm。图3(a)、3(b)分别为8.31%CH4和9.35%CH4浓度下4种类型障碍物条件管内气体爆燃压力分布情况。

图3 不同障碍物下管内气体爆燃压力分布Fig.3 Deflagration pressure distribution under different repeat baffles condition

由图3可知，各类型障碍物均引起管内气体爆燃压力不同程度的增加，约为无障碍物情形的1～3倍，数值之间的关系为Pmax(D)>Pmax(C) >Pmax(B) >Pmax(A)>Pmax(无障碍物)，说明增加障碍片个数和阻塞比对火焰爆燃压力均有贡献，同时也表明阻塞比的激励程度要优于障碍片个数(这一点可以从B、C类型障碍物条件爆燃压力数值比较上反映出来)。

2.3 不同开口约束下爆燃压力分布

泄压膜片其破裂压力与材料强度、厚度和直径满足以下关系[8]：

式（1）中：PΔ为膜片两边压力差，Pa；δ为厚度，mm；σ为抗拉强度，Pa；d为泄压口直径，mm。

若假定压力差PΔ等于最大爆燃压力Pb（表压），则式（1）可简化为(适用于方形、圆形和矩形膜片)[8]：

式（2）：Pb为最大爆燃压力，kPa；AV为泄压口面积，m2；Kb为由实验确定的材料常数，kPa·m。

本文选用1层(厚0.06mm)、2层、4层PE薄膜和牛皮纸(厚0.17mm)作为开口端封口材料，测试得出9.35%CH4、不同封口约束下管内气体爆燃火焰压力分布情况，结果如图4所示。

图 4 不同开口约束下管内气体爆燃压力分布(9.35%CH4)Fig.4 Deflagration pressure distribution under different sealing materials at open end condition

单层PE薄膜和牛皮纸出厂标识的抗拉强度分别约为 20MPa、23.5MPa，根据式（1）～（2）可分别估算出它们的破裂压力和材料爆破常数为0.012MPa、1.2kPa·m和0.040MPa、4.0kPa·m，据此可假定2层和4层薄膜破裂压力为0.024MPa、0.048MPa。通过以上计算以及图4的测试结果可看出，在泄放口面积一定条件下，管内气体爆燃压力数值与封口材料的厚度和抗拉强度均有关，材料越厚、抗拉强度越大，管内爆燃压力值越大。管内各测点峰值压力分布规律为：点火端峰值压力较小，而后逐渐增大，在管道中部出现压力脉动，在管道2/3位置出现最大爆燃压力，临近泄放口处峰值压力下降，该数值大于估算的封口材料破裂压力，但随着封口材料约束强度增加，此处峰值压力下降速度减缓。

2.4 不同时刻瞬时爆燃压力分布

管内可燃气体爆燃压力分布除了与位置有关外，还具有时间相关性，图5为9.47%CH4典型时刻的管内气体爆燃压力分布情况。

从图5可看出，点火后约40ms压力波到达首测点，而后依次到达其余测点。各测点压力变化规律都是先增大后减小，在临近开口处压力下降迅速。各测点压力持续时间从约40ms到超过200ms不等，表现为管道两端持续时间较短，管道中部压力持续时间较长且有压力脉动现象。

图5 不同时刻管内气体瞬时爆燃压力分布(9.47% CH4)Fig.5 Deflagration pressure distribution at different time(9.47% CH4)

3 结论

（1）开口泄放管道内可燃气体爆燃压力分布规律基本一致：峰值压力从点火端开始增加，至管道中段位置有压力脉动现象，在传播到约管长2/3处爆燃压力出现最大值，而后靠近开口端压力下降。

（2）甲烷浓度接近化学计量浓度时，管内爆燃压力最大；内置重复障碍物会激励火焰传播过程，使得爆燃压力增加，而障碍物阻塞比的激励程度要优于障碍片个数。

（3）在泄放口面积一定条件下，管内气体爆燃压力数值与封口材料的厚度和抗拉强度均有关，材料越厚、抗拉强度越大，管内爆燃压力值越大。

[1]Thierry Poinsot, Denis Veynante. Theoretical and numerical combustion(Second Edition)[M]. R.T. Edwards, Inc., 2005.

[2]G. Searby, D. Rochwerger. A parametric acoustic instability in premixed flames[J]. Journal of Fluid Mechanics,1991(231): 529-543.

[3]翟成, 林柏泉, 菅从光,等. 壁面粗糙度对瓦斯爆炸火焰波传播的影响[J].中国矿业大学学报, 2006,35(1): 39-43.

[4]胡俊, 浦以康,万士昕,等.柱形容器开口泄爆过程中压力发展特性的实验研究[J].爆炸与冲击, 2001,21(1): 47-52.

[5]GUO Zi-ru, SHEN Zhao-wu, LU Shou-xiang, etc. The experimental of methane-air flame propagation in the tube with quadrate cross section[J]. Journal of Coal Science &Engineering, 2005,11(2): 60-63.

[6]汪泉, 郭子如, 李志敏, 等. 甲烷与空气预混管内爆炸火焰传播特性试验[J]. 煤炭科学技术, 2007,35(11): 95-97.

[7]汪泉. 管道中甲烷-空气预混气爆炸火焰传播的研究[D].淮南: 安徽理工大学, 2006.

[8]赵衡阳. 气体和粉尘爆炸原理[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1996.