管道截面对氢气／空气预混爆炸影响的实验研究

路 长，李 毅，潘荣锟

（1.河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地，焦作，454003；2.河南理工大学煤炭安全生产河南省协同创新中心，焦作，454003）

0 引言

近些年由于可燃气体引发的爆炸灾害事故不断发生，包括现代工矿业中很多事故也都起因于可燃气体的爆炸，导致生活、生产设施及建筑结构的严重破坏，同时造成重大的人员伤亡。在众多的可燃气体中，氢气作为最重要的工业气体和特种气体其应用越来越多。由于其具有较低的点火能量、较宽的爆炸极限以及较大的层流燃烧速度及扩散速度，其爆炸威力及危害较碳氢和其它气体燃料更大，因此研究氢气燃烧爆炸特性具有很重要的现实意义。

国内外学者对氢气／空气预混气体爆炸也给予了很大的关注。关于火焰动力学与压力变化的各种影响因素的研究有很多，已有研究集中在当量比、初始温度压力、点火能量、开口率、障碍物等因素对爆炸特征的影响研究，然而有关氢气爆炸的尺寸效应研究较少。Dunn－Rankin［1］通过实验得出尺寸效应对火焰传播有很大影响，郁金香火焰形成时间由当量比（或层流火焰速度）和管道截面尺寸决定，郁金香火焰在较长管道中才能形成。Xiao［2］研究得出在同一个半开口管道中，氢气体积分数为4%～33%和63%～75%时不能形成经典的郁金香火焰，在33%～63%之间时形成郁金香火焰。Pareja［3］研究了低压、室温下的氢气／空气火焰层流燃烧速度，得出当大气压力降低时可以减弱氢气／空气火焰的内在不稳定性。点火能量对火焰传播的影响仅限于火焰半径小于6mm时［4］。程［5］等通过实验研究了障碍物管道中氢气／空气预混火焰传播的物理机理，分析得出火焰加速初始阶段的主要物理机理是火焰表面积增加、燃烧产物膨胀和障碍物间的延迟燃烧。徐［6］研究了矿井瓦斯爆炸传播的尺寸效应，得出小断面巷道的爆炸压力的衰减速度大于大断面，燃烧波传播速度快于大断面巷道。Zhang［7］通过数值模拟研究了尺寸对空气中甲烷爆炸及冲击波的影响，结果表明巷道长度与高度或宽度的比值小于80时传播不符合几何相似定律，比值大于80时符合。崔［8］等通过对球形容器与管道内甲烷／空气爆炸强度的尺寸效应的研究，揭示了尺寸效应对气体爆炸强度的影响规律。

本文拟采用三个长度相同、截面尺寸不同的管道进行对比实验，以便更好地认识氢气爆炸火焰的传播规律和特征。这种不同截面尺寸管道对氢气／空气预混爆炸特征的影响在已有文献中还未能检索到。本文以氢气体积分数为20%、25%、30%、40%的氢气／空气预混气体为研究对象，观测它们在三种管道中爆炸后的不同发展规律，为更好地实现氢能安全利用做一些有益的探索。

1 实验装置

实验装置如图1所示，主要包括三个透明方形有机玻璃管道（长度都为1米，截面尺寸分别为80mm×80mm，100mm×100mm，150mm×150mm）配气系统、点火系统、高速摄像系统、数据采集系统等。配气系统主要包括高压高纯氢气瓶、空气压缩机、质量流量控制器（MFC）等；点火系统由高频脉冲点火器、6V直流电源和开关组成；高速摄像系统由高速摄像机、控制器及计算机组成；数据采集系统包括压力传感器、光电传感器、数据采集卡、计算机。

图1 氢气爆炸实验系统Fig.1 Experimental system of hydrogen explosion

2 实验条件与方法

实验管道水平放置，充气口、点火器、压力传感器安装在管道右端，点火器位于此端中心，光电传感器位于此端管道上方正对点火位置用以标记点火起始时刻。管道左端用PVC薄膜封闭。实验过程基本步骤为：安装薄膜、配气、点火、采集压力及光电信号、采集火焰图片。本实验预混气体中氢气体积分数为20%，25%，30%，40%，在三个不同尺寸的管道中分别进行爆炸实验。压力及光电信号及火焰图片的采集：压力及光电信号采集频率均为15kHz；由高速摄像仪以2000帧／秒的速度进行高速拍摄，以捕捉爆炸火焰结构及火焰锋面位置。

氢气的浓度实验中难以直接测量，因此采用排空气法进行配气，即在管道右端充入氢／空预混气的同时在左端上方排气。设置质量流量控制器的流量，通入4倍管道体积的预混气以确保管道中的氢气浓度的准确性［9］。排空气法可行性的分析如下，假定管道体积V（m3）充入预混气体流量L（m3／s），所充入预混气体氢气浓度B%，充气总量是管道体积的n倍，管道内氢气浓度为y%由初始的0变为最终的Y%。假定管道内的氢气分布总是均匀的，压力保持稳定，多余气体被排出。t时刻充入dt时间段的预混气，则管道内氢气浓度由y（t）%变为y（t＋dt）%，建立方程即：

由式（3）和式（2）积分求解得到：

在本文中，充气倍数n＝4，因此最终管道内氢气浓度Y和充气氢气浓度B间的关系为：

管道内最终氢气浓度与预设计浓度间的误差为1.83%。这种配气方式的有效性在实验中也得到验证，火焰速度及爆炸压力误差较小，具有较高的可重复性。

3 实验结果与分析

为方便说明，将长度都为1米而截面尺寸由小到大分别为80mm×80mm，100mm×100mm，150mm×150mm的三个管道进行编号，分别为管道a、管道b、管道c。

3.1 爆炸火焰特征

本实验由高速摄像仪拍摄火焰传播照片，每次实验都选出10幅照片组合在一起，表达预混火焰由右侧传播到左端管口的过程，如图2所示。图2中的三个图分别为管道a，b，c中的火焰图，每个图的第一行是氢气体积分数为20%、25%的预混火焰，第二行是氢气体积分数为30%、40%的预混火焰。

对于管道内预混气体爆炸火焰锋面，最主要有两种形状，指尖形和郁金香形。对于预混火焰传播动力学以及郁金香火焰特性，Clanet［10］提出的四个火焰动力学阶段被广为接受：

1）半球形火焰阶段，此阶段由于不受壁面限制而火焰自由膨胀；

2）指尖形火焰阶段，此阶段火焰前锋类似于指尖形，火焰面积急剧增加而使得火焰成指数形式加速；

3）接触壁面火焰，此阶段火焰裙边接触壁面致使壁面附近火焰熄灭，使得火焰面积快速损失最终导致火焰急剧减速；

4）形成郁金香形火焰阶段，此阶段火焰锋面发生反转而形成向未燃区凹陷的火焰形状。与文献中提出的预混火焰四阶段比较，此管道内的火焰经历的过程与其顺序一致，但有的经历了前两个阶段，有的经历了前三个阶段，有的经历了同样的四个阶段。

实验中可观测到，当管道截面相同时，氢气体积分数不同，火焰的颜色与亮度不同，火焰前锋形状不同。随着氢气体积分数的增大火焰变得更加明亮，火焰前锋颜色由蓝色变为黄色再变为红色，直观表明反应在加剧以及火焰温度在不断升高，这是由于氢气体积分数越接近化学当量比下的数值，反应越激烈，爆炸产生的能量越大，火焰区域也越明亮。

图2 不同管道中的预混火焰传播图片Fig.2 Photos of premixed flame propagation in different ducts

当氢气体积分数相同时，不同管道截面尺寸的火焰传播特征不同：氢气体积分数为20% 时，管道c的火焰较亮，三个管道都出现了郁金香火焰且管道截面越大，出现位置越靠后，郁金香火焰分别在的管道的1／2、2／3、5／7附近处开始形成，对应的时刻分别为16.5ms，17.5ms和25.0ms。截面对郁金香火焰形成的影响可以用Clanet发现的关于火焰传播特征时间的经验模型［10］来解释，模型中郁金香火焰时间为ttulip＝0.33（R／SL）±0.02（R／SL），其中R为管道高度的一半，本文中管道a、b、c分别为40mm，50mm和75mm，SL是氢气的层流火焰传播速度。值得注意的是，影响郁金香火焰形成的相关参数有管道高度的半数和层流火焰速度，层流火焰速度是氢气燃烧的一个重要的性质，因此郁金香火焰的形成只由管道截面和可燃气体的成分决定。然而还没有办法去测量氢气的层流火焰速度，因此本文采用的层流火焰速度是Dahoc［11］在对比不同文献报道的数据基础上得到的数据SL为0.996m／s。经计算得到管道a、b、c的郁金香形成时间分别为13.3±0.8ms，16.6±1.0ms和24.8±1.5ms，与实验获得的数据16.5ms，17.5ms和25.0ms基本一致。氢气体积分数为25%、30%、40%时，只有在最细的管道a中出现了郁金香火焰，而管道b与c都是以指形火焰传播至管道端口。结果表明，管道截面及氢气含量对管道中氢气／空气预混爆炸火焰传播特征，尤其是对郁金香火焰的形成有着直接影响。

3.2 爆炸火焰传播速度

由高速摄像仪拍摄的火焰图片经处理后取不同时刻火焰长度，计算出不同管道不同氢气体积分数下预混火焰从管道一端传至另一端口过程中的速度，如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示，分别为管道a、b、c中火焰传播速度。

图3 三个管道中的火焰传播速度Fig.3 Flame propagation speed in three ducts

由图3可得：氢气含量对预混火焰传播速度值有很大影响。当氢气体积分数由20% 增大到30%火焰传播速度峰值成倍增长，30% 与40% 的速度相差不大。将图3的火焰速度与图2的火焰形状对照，不难发现，在出现郁金香火焰的工况其火焰速度都有下降阶段，未出现郁金香火焰的工况火焰速度都为持续上升。如图2所示，管道a中所有工况及管道b、c中氢气体积分数为20% 的工况都出现了郁金香火焰，对应图3中的火焰速度变化趋势相同，都为上升到峰值后下降到很小，然后又上升；管道b、c中25%、30%、40% 的工况都未出现郁金香火焰，对应图3中的火焰速度变化趋势相同，都为持续上升。这是由于管道中的氢气／空气预混爆炸火焰的传播速度与火焰形状密切相关：火焰由半球形过渡到指尖形的过程中由于火焰锋面面积剧增，因此火焰传播速度迅速增加；由于壁面的限制以及指尖形火焰末端接触壁面的部分熄灭使得火焰面积损失，火焰速度下降；随着火焰裙边不断接触壁面致使壁面附近出现小型局部湍流，使得锋面反转而形成郁金香火焰，湍流的出现和发展使得火焰又一次加速。

图3中各工况下的火焰传播的平均速度和速度曲线的最大值见表1所示。由于氢气与空气当量比时对应的氢气体积浓度为29.6%，因此氢气浓度小于29.6%时是富氧反应，大于29.6时是富燃料反应。对于富氧反应，三个管道中都体现出很好的规律性，即平均火焰传播速度都是30%的＞25%的＞20%的。但对于富燃料反应，则情况变得复杂，对于平均火焰传播速度a管道是30%的＞40%的，b管道是30%的＝40%的，c管道却是30%的＜40%的。实际上，火焰传播速度变化是很复杂的，不同浓度会不同，不同管道会不同，即使是单一实验过程中火焰传播速度也是变化的既可能是不断加快，也可能是先加快后减慢。火焰传播速度取决于的重要因素很多，包括温度（涉及反应放热与散热）、压力（既有上升也有下降）、化学动力学参数（浓度、氮气的抑制等）、流体力学作用（壁面摩擦、湍流阻滞等）、相变（反应水的变化）等等。因此对于富燃料反应，氢气浓度不再是最关键的因素，火焰传播规律还有待更深入的研究。但对于管道截面大小的影响而言，氢气含量相同时，管道b中的火焰传播速度大于管道a与c，并非管道越细或越粗火焰传播越快。

表1 三个管道内火焰传播速度Table 1 The flame propagation speed in three ducts

3.3 爆炸压力特征

本实验的压力测点在管道的点火端，通过压力传感器分别测得三个不同管道中氢气体积分数为20%、25%、30%、40% 时的氢气／空气预混气体爆炸压力，压力变化趋势及大小如图4所示。

不同管道不同氢气含量的预混气体爆炸压力波的第一波峰值见表2。由表2可得：除了管道c的工况，在其余两个管道中压力曲线峰值大小为30%的＞40%的＞25%的＞20%的。除了氢气体积分数为20%的工况，在相同的氢气体积分数下，爆炸压力出现了与火焰传播速度一致的规律，即与管道a与c比较，最大爆炸压力在管道b中出现，而非管道越细或越粗爆炸压力越大，与前文火焰速度最大值也出现在管道b中一致，这可能与泄爆比有关，对于这一现象需要进一步研究。由此说明，管道爆炸压力与火焰特征密切相关，且氢气体积分数与管道截面尺寸对爆炸压力有很大影响。

表2 三个管道内的爆炸压力第一波峰值Table 2 The first peak value of explosion pressure in three ducts

4 结论

1）相同氢气体积分数下，管道截面尺寸不同，预混火焰传播形状不同、传播速度变化趋势及速度值不同，在最细的管道80mm×80mm中最容易形成郁金香火焰，且郁金香火焰出现位置最靠前。

2）不论氢气体积分数的大小或管道的粗细，管道中的火焰传播速度与火焰传播过程的火焰形态密切相关，形成郁金香火焰的工况其火焰速度会出现上升和下降的波动，一直以指形火焰传播的工况其速度会持续增加地冲出管口，会持续上升无下降阶段。

3）相同氢气体积分数下，与最粗和最细的管道截面相比，横截面面积适中的管道即长径比居中的管道内平均火焰传播速度最快、爆炸压力的波峰值最大。

4）管道内压力的持续震荡源于管道内剩余预混气体不断反应使压力升高，水蒸气冷凝使压力下降，同时伴随气体的流入流出这样的交替变化效应。

图4 三个管道中的爆炸压力Fig.4 Explosion pressure in three ducts

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