小尺度管道中CH4-O2爆炸火焰传播规律实验研究

王成， 胡斌斌

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)



小尺度管道中CH4-O2爆炸火焰传播规律实验研究

王成， 胡斌斌

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

为研究小尺度管道中CH4-O2爆炸火焰传播规律，设计并建立了小尺度管道实验系统，由小尺度管道、配气系统、点火系统、爆炸压力数据采集系统、高速摄影系统以及数据处理系统等组成. 利用小尺度管道实验系统，研究了不同初始压力、不同初始浓度条件下CH4-O2混合气体爆炸火焰传播的规律. 爆炸火焰传播速度由高速摄影系统采集的图像利用Matlab程序进行处理并计算得到. 结果表明：同一初始浓度条件下，随着初始压力的增加，爆炸火焰在管道中传播的最大速度随之增大；管道中爆炸火焰最大速度与初始压力的倒数近似呈线性关系；对于不同初始浓度下的混合气体，都存在使混合气体形成加速火焰的最低初始压力；以化学当量浓度(CH4+2O2)为界限，当初始浓度越接近化学当量浓度时，混合气体形成加速火焰所需的最低初始压力越小.

小尺度管道；初始压力；初始浓度；火焰速度

煤炭是中国的主要能源，瓦斯爆炸是煤矿井下安全生产威胁最大的灾害事故之一，如何有效抑制和防治瓦斯爆炸的发生是安全生产领域重要的课题[1]. 多年来，众多学者对管道中可燃气体爆炸火焰的传播进行了深入研究[2-3]，Zhu等[4]在截面为80 mm×80 mm、长12 m的管道中布置火焰传感器，研究了管道中瓦斯浓度变化对火焰传播速度的影响；喻健良等[5]利用内径12.7 mm，管长3.5 m的圆形截面管道，研究了初始压力对管道中CH4-O2混合气体爆炸火焰的传播速度，结果证明初始压力不同时，会出现不同的火焰传播模式；王成等[6-8]利用直径350 mm、长72 m的长直管道研究了体积分数以及不同障碍物条件对瓦斯爆炸火焰传播速度以及爆炸超压的影响，结果表明特定形状的障碍物对火焰有一定的加速作用，并且得出了在CH4体积分数为8%时，瓦斯爆炸火焰传播速度最快，并且在一定条件下会发生爆燃转爆轰的结论；Ming-Hsu Wu等[9]在毫米级微尺度管道中研究了不同初始条件下可燃气体爆炸火焰传播的规律，以及管道尺度的变化对火焰传播的影响；J. H. S. Lee等[10]利用烟熏技术实验研究了不同管径对管道中可燃气体爆轰波胞格结构产生的影响. 然而，目前采用管道全可视的方法研究可燃气体在管道中爆炸火焰的实验较少，本文开创性地使用了自主设计并搭建的全可视小尺度管道实验系统，研究了初始条件对CH4-O2气体在小尺度管道中爆炸火焰传播的影响，更进一步认识了可燃气体爆炸火焰的传播机理.

1 实验装置及方案

1.1 实验装置

小尺度管道爆炸实验系统如图1所示，小尺度管道由背板、微通道板、防爆玻璃以及前板用螺栓压合组成，微通道板上有镂空的方形截面细长管道，如图2所示. 管道耐压10 MPa，管道截面尺寸为20 mm×20 mm，管道长1 500 mm. 背板上放置有压力传感器、火花塞和配气口. 整个管道的一面为完全透明，可以方便地使用高速摄影系统拍摄整个管道中火焰传播情况. 本实验采用外触发装置同时触发点火系统、高速摄影仪以及压力数据采集系统，这样既可以保证触发的高精度，又能保证压力数据与火焰传播图像采集的同步性. 混合气体的配制采用分压法，并且静置12 h以上，保证可预混气体的混合质量.

1.2 实验方案

实验所用混合气体为CH4-O2，其中CH4的浓度可用当量比Φ来表示. 式(1)为当量比Φ的计算方法，当Φ<1.0时为富氧，当Φ>1.0时为富燃，当Φ=1.0时CH4与O2恰好完全反应.

(1)

由式(1)可推算得到Φ与CH4的体积分数φ之间的关系为

(2)

实验中CH4浓度的改变方式见表1，对于同一浓度的CH4-O2预混气体，为保证实验安全进行，本实验选择在负压状态下，逐一降低初始压力来研究压力对管道中预混气体爆炸火焰传播的影响机理.

表1 CH4浓度方案

2 火焰速度计算方法

高速摄影仪拍摄的图像的像素尺寸为1 024×16，拍摄速度设置为10 000 帧/s，即每两帧图像之间的时间间隔为0.1 ms. 以Φ=1.0，初始压力p0=40 kPa的工况为例，爆炸火焰从点火开始传播至管道尾端共采集到22张图像，将22张像素尺寸为1 024×16的图像拼接起来，便得到了如图3所示的像素尺寸为1 024×352的爆炸火焰原始图像. 从图像中可以清晰地看出每一时刻爆炸火焰在管道中的位置. 利用Matlab程序对高速摄影仪采集的火焰图像进行处理，并计算得到爆炸火焰的传播速度.

首先对图3所示的图像进行简单处理，去除图像中的黑边，得到如图4所示的火焰图片.

在此步骤中可以发现，实际1 500 mm长的管道在图像中占用的像素为971个，因此图像中每一像素与实际距离的对应关系为

(3)

接着利用Matlab函数库中im2bw函数并设置亮度阈值对图4进行火焰区域的提取，在不同的阈值条件下提取出的火焰区域与实际火焰区域会存在出入，经过调试发现，当阈值为120/255的时候提取出的火焰区域与实际情况最为相符，如图5中白色部分所示.

当火焰区域取出之后，由于黑白图像中白色部分的灰度值为1，黑色部分灰度值为0，利用程序可以找到每一帧黑白火焰图像中白色部分距离左端最远的位置所在的像素，即火焰前锋所在的位置像素，每一时刻火焰前锋所在的位置像素如图6所示.

在图4中任意取出两帧相邻的图像，如第14帧与第15帧，两帧图像中火焰前锋所在的位置如图6中所示为358像素与389像素，由此可计算出这两帧之间火焰传播的速度为

(4)

根据以上计算方法，可以计算出Φ=1.0，初始压力p0=40 kPa的条件下管道中爆炸火焰传播速度随时间变化曲线如图7所示.

3 实验结果与分析

图8显示了小尺度管道中CH4-O2混合气体在不同Φ条件下，通过逐一改变初始压力所得到的爆炸火焰传播速度曲线. 分析图8可以看出，在同一当量比条件下，随着初始压力的增加，管道中火焰最大传播速度也随之增大，并且从点火开始至加速到最大火焰速度所用的时间也更短，这是因为当初始压力增大的情况下，火焰前端化学反应区中能够参与反应的CH4-O2气体增多，单位时间内所释放的能量也越大，促进了火焰的加速. 对比同一初始压力条件下火焰传播情况可知，在Φ≥1.0时，随着Φ的减小，爆炸火焰的最大速度随之增大；而在Φ≤1.0时，随着Φ的减小，爆炸火焰的最大速度减小，如图9所示为初始压力p0=40 kPa条件下，管道中火焰最大速度随当量比变化曲线.

图8(d)为当量比Φ=1.0时爆炸火焰传播速度曲线，从图中可以看出，当初始压力p0≥8 kPa时，爆炸火焰能够在其传播过程的后半段加速，在初始压力为35 kPa与40 kPa初始压力条件下，爆炸火焰甚至加速到了过驱爆轰状态；而当p0<8 kPa时，爆炸火焰并不能在管道中出现加速现象，如图10所示为初始压力p0=7 kPa时爆炸火焰在管道的前端熄灭的高速摄影图像，则8 kPa为当量比Φ=1.0时的火焰加速最小压力pmin. 当初始压力设置在火焰加速最小压力附近时，混合气体很难形成稳定的加速火焰，如图8(f)，当Φ=1.4，初始压力在14 kPa和15 kPa时，火焰在传播的过程中经历了稳定传播-加速-减速-再加速的过程，其原因在于低初始压力条件下，火焰前端化学反应区无法提供火焰持续加速所需要的化学能，使得火焰加速一段时间后又减速；由于是封闭管道，前导激波到达管道前端后反向传播，与正在减速的火焰反应区相遇，此时反应区压力迅速增加，火焰前端化学反应区反应速率加快，火焰重新进入到加速状态.

综合分析图8，可得如图11所示的不同当量比条件下最大火焰速度与初始压力的关系曲线，图中可以看出，管道中火焰最大速度与初始压力的倒数在数值上呈近似的线性关系.

进一步分析图11可知，随着Φ从0.4～1.8逐渐增大的过程中，每一种当量比条件下都存在爆炸火焰加速最小压力，而且爆炸火焰加速最小压力pmin随着当量比的增加先减小，后增大，在当量比Φ=1.0时为最小，pmin与Φ的关系曲线如图12所示.

4 结 论

通过实验研究了小尺度管道中不同初始条件对CH4-O2混合气体爆炸火焰传播的影响，得出以下结论：

① 在同一当量比条件下，随着初始压力的增加，爆炸火焰在管道中传播所能达到的最大速度随之增大，并且管道中爆炸火焰所能达到的最大速度与初始压力的倒数在数值上呈近似的线性关系.

② 对于不同当量比条件下的混合气体，都存在使混合气体在管道中形成加速火焰的最低初始压力，当初始压力低于火焰加速最小压力时，爆炸火焰在管道的前端就会熄灭，当初始压力高于火焰加速最小压力时，爆炸火焰能在有限长度的管道内加速，部分情况甚至达到过驱爆轰状态；

③ 随着当量比从0.4～1.8变化过程中，爆炸火焰加速最小初始压力先减小后增大，在当量比为1.0的时候最小，初始压力为8 kPa时就能在管道中形成加速火焰.

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(责任编辑：刘雨)

Experimental Study on the Explosive Flame Propagation of CH4-O2in Small Scale Pipeline

WANG Cheng， HU Bin-bin

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

To study on the explosive flame propagation of CH4-O2in small scale pipeline, a small scale pipeline experimental system was designed and built, including a small scale pipeline, gas distribution system, ignition system, explosive pressure data acquisition system, high-speed photography system and data processing system. The law of CH4-O2explosion flame propagation under different initial pressure and initial concentration was studied by using small scale pipeline experiment system. The images collected by high-speed photography system were processed and calculated by the Matlab program to get the speed of explosive flame. The results show that, with the increase of the initial pressure, the maximum velocity of the explosive flame in the pipeline increases. The maximum velocity of the explosion in a pipe is linear with the reciprocal of the initial pressure. For different initial concentrations of mixed gas, there is a minimum initial pressure to form an accelerating flame. The minimum initial pressure to form an accelerating flame is smaller when the initial concentration is close to the equivalent concentration.

small scale pipeline; initial pressure; initial concentrations; velocity of the explosive flame

2016-01-15

国家自然科学基金资助项目(11325209，11272056)

王成(1972—)，男，教授，博士生导师，E-mail：wangcheng@bit.edu.cn.

O 389

A

1001-0645(2016)08-0784-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.08.003