中尺度管道内瓦斯爆燃压力火焰传播特性初步研究

史晓亮，徐胜利，徐景德

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.清华大学 航空航天学院，北京 10080;3华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

中尺度管道内瓦斯爆燃压力火焰传播特性初步研究

史晓亮1，徐胜利2，徐景德3

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.清华大学 航空航天学院，北京 10080;3华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

以华北科技学院瓦斯爆炸实验室为实验平台，自行研制了一套火焰信号采集系统，对瓦斯爆燃过程中的前驱冲击波和火焰传播特性进行了研究。在相同的初始条件下分别进行了破膜和固壁反射两种工况下的压力火焰传播特性实验。结果表明：爆炸激波管反射端不同的边界约束，较弱的膜片(类似于泄爆膜片)和固壁(强约束)对冲击波和火焰的反射作用效果不同，根据超压大小，可判断膜片泄爆可更好地减小冲击波峰值和持续时间。火焰面宽度和速度有不可重复性特征，说明了中尺度管道爆燃火焰呈现了湍流不稳定性，也验证了DDT过程是非定常的。

瓦斯爆炸；火焰；冲击波；实验研究

0 引言

化学反应(包括点火)和冲击波传播是强烈非线性现象，非线性导致不同尺度管道爆燃现象存在差异。小尺度研究结果不能直接推广到大尺度管道，爆炸现象不具有简单的几何相似性。

本文主要研究中尺度管道(200mm×200mm)的瓦斯爆炸传播现象，分析压力和火焰传播速度的实验数据，认识中尺度管道瓦斯爆炸传播的现象，获得尺寸效应的初步认识，为下一步纹影和光谱测量奠定较坚实的设备基础。已有瓦斯/空气混合物爆炸实验研究主要是在小尺寸的管道中进行的，测量结果包括指定点的压力、火焰信号随时间变化曲线和激光纹影等。对于尺度效应研究文献不多，也未对瓦斯爆炸进行实验。大尺寸管道特别是实际尺度(废弃巷道)也做了大量的瓦斯爆炸及其阻燃抑爆实验，但测量结果偏粗糙。

1 火焰信号测量系统

火焰信号测量系统基本思想是采用分体式，利用光纤收集光信号，然后传送到光电传感器中，转换出电信号。图1给出了分体式传感器示意图。瓦斯爆燃火焰光信号通过光纤传入光电二极管(GT101)，经过信号处理和转化变成电压信号输出到示波器或者数采卡上。

在瓦斯爆燃和惰性气体阻燃的过程中，激波和跟随其后的化学反应区是表征其过程的重要因素，而火焰的速度、宽度以及变化情况主要是通过光电传感器来采集参数，基于瓦斯与空气预混器爆燃火焰光的波长范围，研制了一种高效的清晰的光电传感器数据采集系统。该传感器原理就是利用瓦斯爆燃参数的火焰光通过光电二级管转化成电子信号输出到示波器或者Topview2008系统上。以下就是光电传感器的组成部分。

1.1 火焰光信号传输部分

瓦斯爆燃火焰发出的光通过光纤传入机箱中，图2给出了其设计图和安装后的照片。

1.激波管 2.传感器座 3.光纤 4.光电二极管GT101 5电源 6.电阻 7.电压信号 8.数据采集卡 9.PC机 10.示波器 11.机箱 12.光信号图1 分体式传感器示意图

图2 传感器座设计图和照片

该端口采用铝制材料，内部采用直径2.5 mm长度13 mm的长孔，外部连接SMA905，螺纹采用M20×1.5，当爆燃火焰到达传感器座部位时，光信号则从传感器孔中位置传入光纤中，通过光纤再导入二极管中。

2 实验结果分析

本文实验过程中激波管内发生的即为瓦斯爆燃，本节实验中未点火能量和点火电压的，其点火电压均为5000 kV，实际点火能量为1.88J，初始压力为0.1 MPa，初始温度为293.8 K。

2.1 固壁反射和BOPP塑料膜片破膜情况下瓦斯爆燃压力变化测量

一段为封闭的点火端，另一端为刚性壁面(钢材料法兰)和塑料薄膜，用压力传感器测得壁面附近的压力变化信号，图3给出了不同壁面反射下实验系统示意图。

图3 不同壁面反射下实验系统示意图

针对压力为0.1 MPa、温度为293 K、9.5%的甲烷空气预混气，激波管长度为35 m,点火电压5000 kV、实际点火能量为1.88J，图4给出了压力信号随时间的变化曲线。从图(a)中可知，第一个峰值代表前驱冲击波，超压为0.5 MPa，随后出现第二个峰值，压力二次上升，是因为经过固壁，前驱冲击波发生了反射，超压为0.61 MPa，随后跟稀疏波通过PCB传感器，可以看到图中稀疏波也出现了多个波峰，这是因为靠近壁面处，由于形成的稀疏波速度较低，与之前到达壁面的化学反应区(火焰区)气体膨胀脉动作用导致管道内的压力震荡的综合作用。图(b)中可知，第一个峰值代表前驱冲击波，超压为0.5 MPa，然而并没有出现二次超压，这就说明前驱冲击波将膜片击破，紧接着是化学反应区(火焰)和稀疏波通过PCB传感器到图中稀疏波也出现了多个波峰，这是因为靠近壁面处，由于形成的稀疏波速度较低，与之前到达壁面的化学反应区(火焰区)气体膨胀脉动作用导致管道内的压力震荡的综合作用。

图5给出了不同情况下激波管内的x-t图，前驱冲击波将化学反应区压缩为2区状态，使未反应气体由原来的初始状态的压力和温度升高，经过固壁反射后的前驱冲击波又与火焰相互作用，又形成了一次超压，随后3区和4区的膨胀波一次经过。

根据两种情况的实验结果分析可知，刚性壁面产生对前驱冲击波反射作用很强，而产生的反射激波又作为入射激波干扰随后的化学反应区，使压力和温度进一步上升，而采用破膜泄爆的方式很好得抑制了反射激波的产生，对随后的化学反应区影响很小，并且没有形成二次超压。

前驱冲击波将化学反应区压缩为2区状态，使未反应气体由原来的初始状态的压力和温度升高，随后火焰经过膜片，最后稀疏波进入泄爆仓。

图4 时间压力曲线图

图5 不同工况下的X-T图

针对压力为0.1 MPa、温度为293 K、9.5%的CH4/空气预混气，激波管长度为35 m,点火电压5000 kV、实际点火能量为1.88 J。 图6给出了膜片破损示意图，可以看出先是压力使之破开，然后再经过火焰的灼烧，由于速度很快，磨边边缘处还有很多未烧灼的痕迹。

老年人常见的疾病包括糖尿病、关节炎、眼疾（老花眼、白内障、青光眼）、失禁、冠心病、脑血管病（中风）、老年人痴呆症、帕金森症等，简单了解这些疾病的基本特征及注意事项，以避免在护理时犯不必要的错误。随时注意老年人的细节变化，如冷、热、咳嗽、口渴、方便等问题，以便及时给予服务。

图6 膜片破损示意图

2.3 中尺度管道瓦斯爆燃火焰传播特性实验研究

对瓦斯爆燃的火焰传播规律的研究是认识瓦斯爆炸的关键.火焰传播的规律直接影响着前驱冲击波的强度和传播规律,决定着瓦斯爆炸的破坏强度。

图7给出了瓦斯爆燃过程中火焰信号采集的位置和实验系统示意图，实验中分布置了五个火焰传感器，离点火端的距离分别为20 m、22.5 m、25 m、27.5 m、30 m。采用BOPP膜泄爆的方式进行实验。

图7 焰信号采集示意图

针对压力为0.1 MPa、温度为293K、9.5%的CH4/空气预混气，激波管长度为35 m,点火电压5000 kV、实际点火能量为1.88J，图8给出了示波器采集的火焰信号随时间的变化曲线。从图中可以明显看出，火焰宽度逐渐变窄，说明火焰厚度在逐渐变小，火焰速度也越来越快，说明火焰在加速，并且化学反应区在逐渐变薄，追赶着前面的前驱冲击波，即在发生着DDT过程。

图8 示波器采集的火焰信号

对示波器采集数据进行分析，可以利用传感器间的位置ΔL，以及采集数据间的时间差Δt，可以算出在两个传感器间火焰面的速度v，即v=ΔL/Δt,可得出四个火焰速度分别为61 m/s、68 m/s、79 m/s、101 m/s，图9给出的数据中可以得出，随着瓦斯爆燃波的传播。火焰速度越来越快，厚度越来越薄。形成了明显的爆燃转爆轰的过程。

图9 瓦斯爆燃火焰时间曲线

2.4 中尺度管道瓦斯爆燃前驱冲击波传播特性实验研究

图10给出了瓦斯爆燃过程中火焰信号采集的位置和实验系统示意图，实验中分布置了五个PCB压力传感器，离点火端的距离分别为20 m、22.5 m、25 m、27.5 m、30 m。采用BOPP膜泄爆的方式进行实验。

图10 瓦斯爆燃压力信号采集的位置和实验系统示意图

针对压力为0.1 MPa、温度为293 K、9.5%的CH4/空气预混气，激波管长度为35 m,点火电压5000 kV、实际点火能量为1.88 J，图11给出了示波器采集的压力信号随时间的变化曲线。从图中可以看出，压力先是经历冲击波，然后发生一定程度震荡，随后压力变成负压，可以看出整个爆燃波从前驱冲击波到稀疏波依次过PCB传感器，各个传感器点的超压差值却很小，说明前驱冲击波压力变化不大。

图11 瓦斯爆燃压力时间曲线

对示波器采集数据进行分析，可以利用PCB传感器间的位置ΔL，以及采集数据的时间差Δt，可以算出在两个传感器间火焰面的速度v，即v=ΔL/Δt,可得出四个前去冲击波速度分别为81 m/s、84 m/s、92 m/s、116 m/s再根据纵坐标压力变化情况，可以读出电压变化ΔV，而所用SN14475型PCB传感器111A22的标定参数B为146 mv/MPa，这样就可以算出不同位置处的前驱冲击波超压ΔP，分别为0.32 MPa、0.34 MPa、0.46 MPa、0.52 MPa据中可以得出，随着爆燃波的传播，速度越来越快，但是超压较高，冲击波速度比火焰速度快。

瓦斯爆燃波的传播过程中，前驱冲击波的传播和稀疏波的传播决定着整个爆燃波的强度和速度，前驱冲击波可以对未反应区的温度、压力、比容等初始条件进行改变，而稀疏波的反向运动和膨胀效果也为火焰向前加速提供了动力。

2.5 瓦斯爆燃火焰和压力传播特性

针对压力为0.1 MPa、温度为293 K、9.5%的CH4/空气预混气，激波管长度为35 m,点火电压5000 kV、实际点火能量为1.88 J.图2.10给出了瓦斯爆燃过程中压力火焰信号采集的位置和实验系统示意图，实验中分布置了五个火焰传感器和五个PCB压力传感器，离点火端的距离分别为20 m、22.5 m、25 m、27.5 m、30 m。采用BOPP膜泄爆的方式进行实验。

图12 火焰压力信号采集示意图

表2.1给出了瓦斯预混气在压力为0.1 MPa、温度为293 K、9.5%的CH4/空气预混气，激波管长度为35 m,点火电压5000 kV、实际点火能量为1.88 J的条件下，激波管不同位置处瓦斯爆燃波前驱冲击波和化学反应区(火焰区)的传播速度。

表2.1 不同位置处火焰和前驱冲击波速度

图13为0.1 MPa、温度为293 K、9.5%的CH4/空气预混气，激波管长度为35 m,点火电压5000 kV、实际点火能量为1.88 J条件下产生的前驱冲击波和火焰的传播曲线.从图3.3.6中可知,冲击波在火焰前方,先于火焰传播,在离点火端较近的位置,传播统一的距离,冲击波和火焰面间的间隔较大,随着爆炸向前方传播,两波之间的间隔越来越小,有追赶上前驱冲击波的趋势，说明在本实验条件下激波管内瓦斯爆燃有向爆轰。

图13 前驱冲击波和火焰的传播曲线

爆燃波是亚声速的，这使得火焰产生的流动能够前传到未反应物中。从而反过来影响随后的火焰传播。传播中的火焰对其前方的混合物产生的两个重要效应是迁移流动和压缩波。迁移流动是气体跨过火焰面事比容增大的结果。迁移流本身并不引起燃烧速率的增大，但是传播中的火焰还能在其前方产生前驱冲击波，形成的前驱冲击波能够形成一个很强的正反馈来增大火焰燃烧速率，经过这样的正反馈机制，爆燃就会在一定条件下转化为爆轰。

3 结论

(1) 和小尺度管道相比，中尺度管道超压和火焰速度均较低。主要原因是：大尺寸管道边界的几何约束较弱，火焰或冲击波达到壁面后的反射较弱(到达壁面距离较远)，减弱了DDT过程，因此，对于大尺度实际矿井的瓦斯爆炸，除了巷道局部位置的冲击波汇聚，直管道中不会产生很强的超压，更不会产生爆轰。但达到100m/s火焰及其随后的气流速度也会对巷道的人体或设备产生足够的破坏。即使如此，湍流燃烧火焰的不稳定性及其火焰加速还是很明显的，即存在有明显的DDT过程。点火能越大，爆燃传播加速效应越明显，特别是后期的火焰加速，可达到200m/s量级。因此，在本文条件下，中尺度爆炸激波管内可产生瓦斯爆燃而非爆轰。

(2) 针对爆炸激波管反射端不同的边界约束，较弱的膜片(类似于泄爆膜片)和固壁(强约束)对冲击波和火焰的反射作用效果不同，根据超压大小，可判断膜片泄爆可更好地减小冲击波峰值和持续时间。

(3) 瓦斯爆炸火焰速度测量结果表明：火焰面宽度和速度有不可重复性特征，说明了中尺度管道爆燃火焰呈现了湍流不稳定性，也验证了DDT过程是非定常的，这是在事故后验证实验需要注意的问题。

[1] 俞起香,程远平.矿井瓦斯防治[M].中国矿业出版社,2012.8:325.

[2] 李伟.气体粉尘爆炸过程及其参数研究[D].北京：北京理工大学,2010:43.

[3] 杨宏伟,范宝春.障碍物和管壁导致火焰加速的三维数值模拟[J]．爆炸与冲击，2001,21(4):259-264.

[4] 周世宁,林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术[M].科学出版社,2007:289-290.

[5] 徐景德,赖芳芳,杨鑫等.强火源条件下瓦斯点火化学热力学特征[J].煤矿安全,2015,2:158-160.

[6] 徐景德,杨庚宇.置障条件下的矿井瓦斯爆炸传播过程数值模拟研究[J].煤炭学报,2004,29

[7] 张博,Lee John H S,白春华.高浓度氩气稀释对C2H2-2.5O2气体直接起爆临界能量影响的实验研究[J].高压物理学报,2012,26(1):55-62.

[8] 黄文祥.变点火能作用下瓦斯爆炸火焰传播特征实验研究[D].西安科技大学,2011.

Experimental study on flame propagation characteristics of gas explosion pressure in medium scale pipeline

SHI Xiao-liang1,XU Sheng-li2,XU Jing-de3

(1.SchoolofSafetyEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,101601，China,; 2.CollegeofAeronauticsandAstronautics,TsinghuaUniversity,Beijing， 10080，China;3.GraduateSchool，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing,101601，China)

Based on North China Institute of Science and Technology explosion lab platform,A set of flame signal acquisition system is developed by ourselves.The precursor shock wave and flame propagation characteristics in gas explosion were studied.Under the same initial conditions,the breaking film and the solid wall reflection and flame propagation were carried out.Results show: The different boundary constraints of the reflection end of the shock tube,the weaker diaphragm (similar to the venting diaphragm) and the solid wall (strong constraint) are different from the reflection of the shock wave and flame,According to the overpressure,the peak value and duration of the shock wave can be reduced by using the diaphragm bursting.The flame width and speed are not repeatable features,the mesoscale pipeline deflagration presents turbulence instability,It also verifies that the DDT process is not constant.

gas explosion;flame; shock wave; experimental study

2016-06-03

中央学校基本科研业务费资助(3142015068)

史晓亮(1989-)，男，山西长治人，华北科技学院安全工程学院在读硕士研究生，研究方向：矿井瓦斯、火灾与粉尘安全防治技术。E-mail：270262961@qq.com

TL353.11

A

1672-7169(2016)04-076-07