管道内障碍物对加氢甲烷爆炸特性的影响

余明高，袁晨樵，郑凯



管道内障碍物对加氢甲烷爆炸特性的影响

余明高1,2，袁晨樵1，郑凯2

（1河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003；2重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044）

在搭建小尺寸爆炸平台的基础上，研究了当量比为1时，氢气体积分数分别为0%、25%、50%、75%和100%时，障碍物条件下添加氢气对管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的影响。实验结果表明：最大爆炸压力、火焰传播速度都会随着氢含量和障碍物数量的增加而增大，并且火焰颜色和火焰形状也会随之发生变化。但是，障碍物对火焰平均传播速度的影响较为微弱，并且障碍物对甲烷和氢气的火焰传播速度的影响效果也有所不同。最大爆炸压力与火焰颜色随氢含量的变化趋势随着障碍物数量的增加越来越明显。氢气与甲烷相比，障碍物对前者爆炸特性的影响更为明显。

氢气；障碍物；甲烷/空气；爆炸特性

引 言

甲烷爆炸是煤矿重大恶性事故之一，给煤矿安全生产带来了极大的威胁。为了有效防止煤矿甲烷事故的发生，许多学者都对甲烷的爆炸机理、爆炸特征及其影响因素进行了研究，如郑立刚等[1]研究了在管道口一端闭口一端开口条件下，点火源位置对甲烷-空气预混气爆燃超压特征的影响。温小萍等[2]基于火焰动态传播和超压信号的高速同步采集，实验研究了不同湍流激励条件下瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合关系。然而，煤矿井下采空区、封闭火区等区域中的瓦斯除了甲烷气体之外，还存在着一定量的氢气[3]。同时，煤体在一定条件下也会产生一定量的氢气。例如，在常温、常压下，自然状态的煤体可以通过脱附、解吸等作用下释放出一定量的氢气。根据前人研究结果[4-7]可知，添加氢气可以显著改变甲烷-空气预混火焰传播特性，如提高火焰传播速度、增加预混火焰温度及爆炸反应活性等。显然，这些特性的改变增加了瓦斯爆炸危险性，因此有必要开展添加氢气对瓦斯爆炸影响的研究。

目前学者们对添加氢气对瓦斯爆炸的影响进行了一系列初步研究。如李增华等[3]研究了添加氢气会降低甲烷的爆炸下限，增强其爆炸危害性。Ma等[8-9]分别通过球形容器和数值模拟研究了添加氢气对甲烷/空气爆炸特性的影响以及在开口和密闭条件下加氢对甲烷/空气爆炸过程的影响，研究结果表明爆炸压力会随着氢含量的增加而增加，并且当量比情况下压力最大，以及在开口条件下加氢对甲烷/空气的影响要强于密闭条件。Yu等[10]利用开口管道研究了加氢对瓦斯爆炸特征的影响，研究结果表明随着氢含量的增加气体爆炸压力和火焰传播速度都会随之提高，并且火焰结构也会随之发生变化。贾宝山等[11]通过数值模拟研究了受限空间内瓦斯爆炸与氢气促进机理，结果表明，随着混合气中氢气含量的增加，瓦斯引爆时间越来越短，其爆炸强度也随之增大，且氢气在一定程度上对有害气体CO、CO2、NO、NO2的生成有很大影响。Porwski等[12]实验研究了在障碍物管道内氢气-甲烷-空气混合气体爆炸火焰的传播、加速和爆轰，以及决定爆燃和爆轰的区域和火焰传播的速度。Salzano等[13]研究了在密闭的柱形容器内不同含量的氢气/甲烷混合气体和初始压力对最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和燃烧速率的影响。Woolley等[14]通过建立密闭和开放的数学模型，研究了氢气/甲烷混合气体的爆炸特性，结果表明加氢对气体的爆炸压力有显著的影响。这些研究主要关注于添加氢气对爆炸压力、温度等参数的影响，而对于预混火焰传播特征的研究较少，因此有必要开展添加氢气对瓦斯爆炸预混火焰传播特征的研究。

煤矿井下不可避免地存在各种障碍物，研究表明，障碍物的存在能够诱导火焰由层流向湍流转变，从而提高爆炸反应速度，增加爆炸危险性。潘鹏飞等[15]通过密闭管道研究了条形障碍物对瓦斯爆炸的影响，研究表明随着障碍物数量的增加，爆炸压力、火焰传播速度、爆炸压力上升速率以及爆炸指数都会随之增加。何学秋等[16]研究了障碍物对瓦斯爆炸火焰结构及火焰传播的影响，结果表明障碍物会使火焰锋面褶皱度增大，促进了火焰加速。Alharbi等[17]研究了在障碍物管道内氢气的火焰传播，实验表明障碍物阻塞率增大随之气体的峰值压力以及变化率也会增大。除此之外，根据Ibrhaim等[18]的研究可知障碍物会对爆炸波的诱导、叠加、反射规律以及引起爆轰产生很大的影响。王海宾等[19]研究了水平管道内障碍物对爆炸压力的影响，结果表明随着障碍物阻塞率的增加爆炸压力会相应增大，而改变障碍物的间距则对爆炸过程并无太大影响。余明高等[20]分别研究了交错障碍物对瓦斯爆炸特征的影响，认为交错障碍物明显增强了火焰的形变以及提高了火焰传播速度和爆炸压力。林柏泉等[21]研究了障碍物对爆炸火焰以及爆炸波的影响，认为障碍物增强了火焰传播的湍流现象以及爆炸波的变化幅度。尉存娟等[22]和Hall等[23]研究了管道内障碍物数量对瓦斯爆炸过程的影响，前者研究表明爆炸压力及其上升速率都随障碍物数量增加呈先增大后减小的变化规律，而火焰传播速度则随障碍物数量增加单调递增，但其增幅较小；后者则认为在一定范围内，障碍物数量越多爆炸压力越大。Gubba等[24]综合研究了障碍物距离点火位置、障碍物数量以及障碍物间距对预混气体爆炸的影响。Park等[25]在开放的燃烧室内研究了不同长径比和阻塞率条件下，多组障碍物对气体最大爆炸压力和火焰传播速度的影响。郭丹彤等[26]运用流体力学软件AutoRea Gas建立不同阻塞率和不同结构的障碍物爆炸模型，模拟分析不同布置情况对气体爆炸压力场的影响程度和规律，研究表明同种障碍物结构下，随着阻塞率的增加，气体爆炸压力的增加程度在一定范围内呈现出先增大后减小的变化情况；相同阻塞率下，立体障碍物对气体爆炸压力场产生的影响明显大于平面障碍物。

然而，以上研究中还存在着一些缺陷，其研究对象主要还局限于甲烷/空气等单一气体，却忽略了瓦斯中氢气的存在。因此，本研究搭建了相关的实验平台，就障碍物管道内添加氢气对瓦斯爆炸特性的影响进行了实验研究，研究对象主要为爆炸预混火焰传播特征、预混火焰传播速度及爆炸压力等，以期对瓦斯爆炸的防治起到一定的理论帮助。

1 实验装置和实验方法

1.1 实验装置

为了研究障碍物管道内加氢对甲烷爆炸特性的影响，搭建了有关在障碍物管道内测试当量比为1时不同体积分数混合气体爆炸特性的实验系统。系统主要由水平管道、配气系统、压力测量系统、点火装置、光电测量系统组成。其中，管道是实验的主体部分，所有实验都在此管道内进行。管道由截面为100 mm×100 mm，高为500 mm，管壁厚度为20 mm的有机玻璃制成，抗压2 MPa以上。管道底部由不透钢钢板封闭，并且在钢板上开了3个小孔，这是为了安置进气阀门、压力传感器和点火器。管道顶部由保鲜薄膜封闭，起到泄爆作用；配气系统由空气压缩机、甲烷气体瓶、氢气气体瓶、流量控制器以及三通管道构成；压力传感器采用的是上海铭动的高频压力传感器，测试范围为-0.1～0.1 MPa，然后通过数据采集卡采集，采集速率为15 kHz；点火装置由电子点火器、稳压电源和点火控制器组成，电子点火器工作电压为6 V；为了便于观测，光电传感器安置在管道侧壁的下方。除此之外，为了确保实验的安全性，本实验是在室外进行的。同时，为了确保火焰图像的准确性和清晰度，实验一般在晚上进行。火焰传播过程由分辨率为1024×1024的德国LaVision高速摄像仪以5000 frame·s-1的速度进行高速拍摄，以捕捉瓦斯爆炸过程中的火焰颜色和火焰形状。

为了对比分析不同数量的障碍物管道内加氢对爆炸特性的影响，本实验分别在4个工况下进行。其中，工况1为空管，工况2为1组障碍物管道，工况3为2组障碍物管道，工况4为3组障碍物管道，如图1所示。

图1 实验工况

1.2 实验方法

分别对4个工况进行实验对比，其中障碍物的阻塞率为0.3。实验过程中，先对气体进行配气，其中燃气中氢气体积分数分别为0、25%、50%、75%和100%。通过流量控制器调配气体的流量，经三通阀将气体预混通入管道内，在管道侧壁上方靠近顶口处设有排气口。依据文献[11]，调节好通气流量，通气总量大约为4倍的容器体积，通气时间持续约为6～7 min，以保证排尽管道内原有的气体以及管道内的气体均匀混合。通气完毕后，关闭流量控制器的电源以及管道进出口阀门。待气体静止大约30 s后，点火引爆，对数据进行采集。

氢气的体积分数表示为

燃气当量比表示为

式中，/为实际通入的燃气与空气体积比；(/)stoic表示为燃气与空气的化学计量比。当量比小于1为贫燃，当量比为1是化学当量比，当量比大于1为富燃。

2 结果与分析

2.1 对爆炸压力的影响

图2表示在不同工况下不同氢含量与最大爆炸压力的变化曲线。从图中可以看出，无论是空管还是障碍物管道，加氢对气体的最大爆炸压力有着很明显的影响，随着氢含量的增加而增大，并且上升趋势也越来越明显。例如，在工况3下，氢含量为0时，最大爆炸压力为7.02 kPa。氢含量为25%时，最大爆炸压力为10.65 kPa，比纯甲烷提高了51.7%。氢含量为50%时，最大爆炸压力为16.75 kPa，比纯甲烷提高了137%。氢含量为75%时，最大爆炸压力为32.3 kPa，比纯甲烷提高了360.1%。氢含量为100%时，最大爆炸压力为66.23 kPa，比纯甲烷提高了843%。这是由于加氢可以提高反应中自由基的浓度[11]，加快了预混火焰的燃烧反应速率并增加了反应中产生的热量，从而促进了气体爆炸。

图2 不同工况下氢含量与最大爆炸压力的变化曲线

从图2中也可以看出，同一情况下，最大爆炸压力随着障碍物数量的增加而增加。例如，氢含量为0时，工况1的最大爆炸压力为5.01 kPa。然而，在障碍物的干扰作用下，火焰湍流强度增强，爆炸压力随之增大[14]。工况2的最大爆炸压力比工况1提高了22%，为6.11 kPa。工况3比工况1提高了40%，最大爆炸压力为7.02 kPa。工况4比工况1提高了60%，最大爆炸压力为8 kPa。同理，氢含量为25%、50%、75%和100%时，其余3个工况的最大爆炸压力相比于工况1都会有所提高。然而不同的是，氢含量为75%和100%时，最大爆炸压力随障碍物数量的增长幅度要明显大于其余3种体积分数。由此说明，氢含量小于50%时，最大爆炸压力随障碍物数量的上升趋势较为微弱，而氢含量大于50%时，最大爆炸压力随障碍物数量的上升则较为明显。换言之，障碍物对氢气爆炸压力的影响要强于它对甲烷的影响。

分析上述原因：由于管道内障碍物的存在，火焰波阵面会发生湍流现象，增大了火焰与气体的接触面积，前驱冲击波对未燃混合物的加热和压缩的正反馈机理越显著，使爆炸反应速度和能量释放速度随之加快，气体爆炸压力和爆炸指数会随之增大。障碍物数量的增加，湍流效应增强，随之爆炸压力和爆炸指数也会增大[14]。其中，根据文献[27]可知，爆炸指数为工艺单元危险系数和物质系数的乘积。爆炸指数与危险程度呈正比，爆炸指数越大，危险程度越高。另外，随着氢含量的增加火焰燃烧反应速率增强[10]。同时在障碍物的扰动作用下火焰锋面褶皱现象加强，从而极大促进了火焰燃烧反应速率，爆炸压力也就随之明显增大。因此障碍物对氢气爆炸压力的影响更为突出。

由图2还可以看出，就整体而言，随着障碍物数量的增加曲线斜率越来越大。由此表明，最大爆炸压力随氢含量的上升趋势会随着障碍物数量增加越来越明显。在工况1下，氢含量从0逐渐变化到100%，最大爆炸压力的平均增长率为62.2%。由于障碍物的激励作用[28]，在工况2下，氢含量从0逐渐变化到100%，最大爆炸压力的平均增长率比工况1提高了6.23%，为68.43%。同理，在工况3和工况4下，氢含量从0逐渐变化到100%，最大爆炸压力的平均增长率相比于工况1也都有所提高，分别提高了13.8%和20.6%，为76%和82.8%。

图3为空管和两组障碍物管道内不同氢含量的时间-爆炸压力关系。由图中可以看出，无论是在空管还是障碍物管道内，氢含量小于50%时会出两次压力峰值，分别是泄爆压力和最大爆炸压力。而氢含量大于50%时则只出现了一次压力峰值，也就是最大爆炸压力。这是由于爆炸过程中薄膜破裂，部分未燃气体从泄口排出，这就导致了压力降低[9]，从而出现了第1次压力峰值，也就是泄爆压力。随着火焰的传播，燃烧反应速率渐渐超过了泄爆速率，压力开始上升，直到燃烧反应速率等于泄爆速率时，第2次压力峰值出现，也就是最大爆炸压力。然而，随着氢含量的增加，层流火焰传播速度增大，从而导致燃烧反应与泄爆之间的速率差增大[11]。从图中也可以看出，随着氢含量的增加，到达最大压力峰值的时间缩短。但是，最大压力峰值出现时刻并不完全与障碍物数量有关。图4为氢含量为50%时不同工况下时间-爆炸压力曲线关系。从图中可以发现，工况4时到达最大压力峰值时刻最晚，1组障碍物管道时到达最大压力峰值时刻最早。这就说明最大压力峰值出现时刻也与火焰-湍流耦合效应发生时刻有关。

图3 工况1与工况3下不同氢含量的时间-爆炸压力关系

图4 氢含量为50%时不同障碍物管道内时间-爆炸压力关系

2.2 对火焰颜色和火焰形状的影响

图5为不同工况下不同氢含量的爆炸火焰图像。从图中可以看出，无论是空管还是障碍物管道，随着氢含量的增加火焰变得越来越明亮且颜色也发生了变化。这主要是由于随着氢含量的增加反应气体中自由基的浓度随之增加，以及不同体积分数的氢气的光谱不同所导致的。除此之外，在空管和1组障碍物管道内，氢含量为50%时火焰颜色发生显著变化变为红色。在2组和3组障碍物管道内，氢含量为25%时火焰颜色就变为了红色，氢含量为100%时火焰亮度变得十分耀眼。同时在障碍物管道内火焰绕过障碍物后，火焰颜色会慢慢发生变化[29]。以上现象说明了由于障碍物的存在，火焰湍流强度增强，火焰锋面表面积增大，火焰内部流场各反应物质热运动能增大，从而引起燃烧反应速率加快和热释放速率加快。因此随着障碍物数量的增加火焰颜色也随之变化，并且火焰颜色随氢含量的变化趋势也越明显。同时，由于甲烷和氢气发生燃烧反应时自由基浓度以及其光谱不同导致纯甲烷和纯氢在不同工况时火焰颜色的变化有明显的区别，纯甲烷时火焰颜色随障碍物数量的增加由黄变红，纯氢气时火焰颜色随障碍物数量的增加由红变得十分明亮耀眼。从图中还可以发现，燃气为纯甲烷时随着障碍物数量的增加，火焰颜色的变化较为微弱，但随着氢含量的增加障碍物对火焰颜色的影响则较为明显。这就表明了对于火焰颜色的影响，障碍物对氢气的作用更为突出。这是由于随着氢含量的增加火焰锋面会出现褶皱现象，在障碍物作用下褶皱现象更为明显，大大增加了火焰锋面传与氧气的接触面积，从而加快了火焰反应速率和热释放速率，火焰颜色变化明显。

由图5也可以看出，障碍物和氢气都会对火焰的形状产生很大的影响。随着氢含量的增加火焰锋面会出现褶皱现象。例如在空管内，氢含量小于50%时火焰锋面较为平滑，当氢含量大于50%时火焰锋面开始有褶皱出现。在障碍物管道内，同一条件下，刚刚开始时火焰形状与空管内的火焰形状一致。但当火焰传播到障碍物到附近时，由于障碍物的存在，迫使火焰向中心发展，火焰开始发生形变。然后火焰锋面从两个障碍物之间的间隙喷出。当火焰穿过障碍物后，火焰向两侧发展，火焰锋面变宽，锋面表面积增大[30]。当火焰大约传至管道中部时，火焰锋面开始出现褶皱现象。以上现象说明了随着障碍物数量的增加火焰锋面会出现明显的褶皱现象，并且火焰形变也会越来越明显。文献[31]中表示火焰锋面受到干扰后会改变其稳定状态，从而使火焰锋面产生褶皱。燃烧学认为光滑的层流火焰表面表现出来任何变化都认为是火焰湍流现象[26]。因此火焰锋面因障碍物干扰或其他因素影响所导致的火焰锋面褶皱现象就是火焰湍流化的表现。

图5 不同工况下不同氢含量的爆炸火焰图像

2.3 对火焰速度的影响

已知管道长度为500 mm，根据高速摄像机记录到的火焰从点火到管口所用的时间，由此可以计算得到火焰平均传播速度。火焰平均传播速度可以展现出在不同工况下以及不同氢含量条件下火焰整体的速度变化。图6所示的是不同工况下不同氢含量与火焰平均传播速度的变化曲线。从图中可以看出，在同一条件下，随着障碍物数量的增加火焰平均传播速度越来越快。例如，当氢含量为0时，工况1的火焰平均传播速度为11.63 m·s-1。然而，在障碍物的干扰下，火焰锋面出现褶皱，增大了火焰锋面的表面积，火焰的传播速度随之增大。工况2的火焰平均传播速度就比工况1提高了17.8%，为13.70 m·s-1。工况3比工况1提高了21.1%，为14.08 m·s-1。工况4比工况1高了36.5%，为15.87 m·s-1。同理，当氢含量为25%、50%、75%和100%时，相较于工况1，其余3个工况的火焰平均都会有所提高，并且随着障碍物数量的增加火焰平均传播速度越来越大。除此之外，在同一工况下，随着氢含量的增加火焰平均传播速度也越来越快。例如，在工况3下，氢含量为0时，火焰平均传播速度为14.08 m·s-1。然而，随着氢含量的增加火焰燃烧反应速率和热释放速率加快，火焰传播速度也就随之增大。氢含量为0.25时，火焰平均传播速度为17.54 m·s-1，比纯甲烷提高了24.6%。氢含量为50%时，火焰平均传播速度为23.26 m·s-1，比纯甲烷提高了65.2%。氢含量为75%时，火焰平均传播速度为41.67 m·s-1，比纯甲烷提高了196%。氢含量为100%时，火焰平均传播速度为83.33 m·s-1，比纯甲烷提高了492%。同理，其余3个工况下，火焰传播速度也会随着氢含量的增加而增大。

对比图6和图2还可以发现，相较于障碍物对最大爆炸压力的影响，火焰平均传播速度随障碍物数量的增长趋势较为微弱。这就表明障碍物对火焰平均传播速度的影响较小。这是由于火焰在穿越障碍物时会有部分能量损失[22]，从而导致了部分速度的损失。另一方面火焰在穿过障碍物之后，会向两边拉伸，使其纵向速度减小[32]。

图6 不同工况下氢含量与火焰平均传播速度的变化曲线

根据高速摄像机记录得到的火焰锋面位置随时间的变化，以及测量出的从点火到火焰锋面位置的距离，由此可以计算得出火焰传播速度。火焰传播速度可以更好展现出随着火焰锋面位置变化，火焰速度的变化情况。障碍物对含不同氢含量的瓦斯爆炸火焰传播速度的影响效果有着明显的不同。图7为氢含量分别为0、50%以及100%时，不同工况下火焰传播距离与火焰传播速度之间的曲线关系。从图中可知，在相同条件下，火焰传播初期4个工况的火焰速度基本一致。氢含量为0和50%时火焰传播速度随着障碍物的添加出现了速度峰值，并且峰值出现的次数与障碍物数量是一致的。速度峰值依次出现在距离管道底部100～150、200～250以及300～350 mm。然而，氢含量为100%时，4个工况的火焰传播速度与火焰传播距离都基本呈线性关系，随着火焰传播距离的增加火焰速度越来越快。分析上述原因：火焰经过障碍物时，火焰的流通面积缩小，导致火焰传播速度增大。当火焰绕过障碍物后被湍流卷吸而发生横向拉伸，致使火焰纵向速度减小[32]。之后，在下一个障碍物的作用下，火焰再次获得加速，如此下去，火焰速度不断提高。但是，纯氢的火焰传播速度非常快，可以极快地通过障碍物。

图7 不同工况下火焰传播距离与火焰传播速度之间的关系

3 结 论

（1）加氢和障碍物对最大爆炸压力、火焰颜色和火焰传播速度都会产生一定的影响，随着氢含量和障碍物数量的增加而增加，并且火焰形状也会随之发生变化。除此之外，纯甲烷和纯氢在不同工况时火焰颜色变化有明显的区别。

（2）当氢含量小于50%，最大爆炸压力随障碍物数量的增长趋势较为微弱；当氢含量大于50%时，最大爆炸压力随障碍物数量的增长趋势较为明显。同样地，当氢含量为0时，火焰颜色随障碍物数量的变化趋势较为微弱，但随着氢含量的增加障碍物对其影响则越来越明显。以上表明障碍物对氢气爆炸特性的影响更为明显。除此之外，就整体而言，随着障碍物数量的增加，最大爆炸压力和火焰颜色随氢含量的变化趋势也越明显。然而，火焰平均传播速度随障碍物数量的上升趋势则较为微弱，这就表明障碍物对火焰平均传播速度的影响较小。

（3）障碍物对甲烷和氢气的火焰传播速度影响效果有很大不同，甲烷在障碍物作用下会出现速度峰值。然而，氢气在障碍物作用下与空管的速度变化趋势基本一致，都随着火焰传播距离不断增大。

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Effects of hydrogen addition on explosion characteristics of gas under condition of obstacles

YU Minggao1,2, YUAN Chenqiao1, ZHENG Kai2

(1School of Safety Science Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, China;2State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The effects of hydrogen addition on explosion characteristics of gas under the condition of obstacles were investigated. The hydrogen fraction in the methane-hydrogen mixture was varied from 0 to 1 at equivalence ratio of 1. The result indicated that the maximum pressure and propagation speed of flame both increased with increasing fraction of hydrogen and obstacle quantity. In addition, the hydrogen addition can also change flame color and flame front. However, the influence of the obstacle quantity on average propagation velocity of flame was slight, and the effects of the obstacle quantity on flame propagation speed of methane as well as hydrogen were different. Increasing trend of the maximum pressure and flame color with the fraction of hydrogen was more and more obvious as the obstacle quantity increased. The influence of the obstacle quantity on explosion characteristics of hydrogen was more obvious than that of methane.

hydrogen; obstacle; methane/air; explosion characteristics

date: 2016-05-11.

Prof. YU Minggao, mg_yu@126.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20160645

TD 712

A

0438—1157（2016）12—5311—09

国家自然科学基金项目（U1361205，51574111）；煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主研究课题重点项目（2011DA 105287*ZD201401）。

supported by the Natural National Science Foundation of China (U1361205, 51574111).

2016-05-11收到初稿，2016-09-05收到修改稿。

联系人及第一作者：余明高（1963—），男，教授。