泡沫金属对甲烷/空气爆燃火焰的淬熄实验研究*

陈 鹏，孙永夺

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院,北京 100083； 2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)

数字出版日期： 2017-07-14

0 引言

可燃性气体的爆炸事故在各类煤矿井下、气体管道输运、存储等场所造成了严重的财产和人员损失，关于如何抑制、阻隔爆炸的传播一直是一个热门的研究课题。然而,由于爆炸火焰传播速度快、压力瞬间提升较高，对其抑制控制存在一定难度。

针对可燃性气体爆炸事故的预防控制，相关学者进行过一系列研究。喻健良等[1]通过添加惰性气体研究其对爆炸火焰的抑制作用，发现不同种类惰性气体其热扩散率越大，则惰性气体的淬熄性能越好；顾涛等[2]研究不同安装距离网状金属材料对爆炸火焰波的阻隔作用，实验发现金属阻隔物距点火源越近对垂直火焰波的阻隔作用越明显；贺洪文等[3]在爆炸实验管道内安装铝合金网状材料后，结果发现爆炸压力相比于空管道明显降低。同时，铝合金材料也可吸收燃烧释放出的热量并散热，从而达到抑爆效果。许多针对金属丝网抑制爆炸的实验研究[4-7]发现金属丝网能够用于减压吸波，当层数达到一定时可以使火焰发生淬熄，并且抑制效果还与金属丝的直径、目数等参数有关；郭长铭等[8]实验研究发现，金属丝网类材料对横波有一定的吸收作用，同时又能加强流动的湍流程度；Chen等[9]实验研究了管道壁面铺设泡沫金属材料对爆炸火焰特性的影响，结果发现管道壁面铺设泡沫金属材料后能够显著地降低爆炸压力，泡沫金属孔目数越大其吸波减压效果越好，最大减压达到40%；聂百胜等[10]研究比较了不同泡沫陶瓷对瓦斯爆炸过程的影响规律，发现泡沫陶瓷的微观三维连通网络结构对淬熄瓦斯爆炸火焰,抑制爆炸应力峰值和爆炸声波起主要作用；魏春荣等[11-12]研究了泡沫金属、泡沫陶瓷以及金属丝网材料的抑爆特性，并建立了基于熄爆参数的多孔材料阻隔爆效果综合定量评估数学模型，用于阻隔爆效果评估；周凯元等[13]研究了丙烷空气预混气体爆燃火焰在狭缝中的传播，实验发现火焰发生淬熄与狭缝直径以及火焰速度等参量有关，并对火焰在狭缝中的淬熄机理进行了理论分析。

许多研究者已经对管道内如何抑制爆炸降低压力的技术手段进行了充分地实验研究，但是对有效阻隔淬熄爆炸火焰的研究较少。本文选用不用孔目数的金属多孔材料板，研究其对爆炸火焰的阻隔淬熄作用和规律，以期能够为防隔爆研究和设计提供依据。

1 实验系统

图1为自主设计的甲烷/空气预混气体爆燃实验系统示意图。该系统由定容燃烧管道、高速摄影系统、混气系统、点火系统和同步控制系统等组成。实验管道由15 mm厚的TP304钢制作而成，内部尺寸为500 mm×110 mm×80 mm。为提供高速摄影所需光路，管道前后两侧由石英玻璃板制成，以使高速相机记录下管道内爆燃火焰传播过程，高速摄像机的拍摄速度设置为960帧/s。实验中的点火系统、数据采集系统和高速摄像系统由同步控制器进行同步控制。实验气体中甲烷体积分数为9.5%，管道的初始温度和压力分别为298 K和0.1 MPa。可燃气被高能点火器点燃之前，静置60 s，点火电极安装在管道左端的法兰上，点火器点火能量是通过电容器充放电实施的，调节充电电压来控制点火能量，在实验中选用3J点火能量。实验中使用的多孔材料，材质为金属泡沫镍，共4种孔目数(20，40，60，80 PPI)，图2中所示为60 PPI的多孔材料结构。多孔材料厚度为3 mm，面积110 mm×80 mm，多孔材料板的上下侧固定在2个小钢片卡槽里，卡槽通过螺丝与实验管道固定，沿管道横截面安装在距点火点210 mm处。

1.高能点火器；2.高速摄像机；3.泄压口；4.数据采集仪； 5.点火电极；6.压力传感器；7.同步控制器；8.计算机； 9.真空泵；10.混气罐。图1 实验系统示意Fig.1 Sketch of experimental apparatus

图2 多孔材料及其局部放大Fig.2 Porous materials and its partial enlargement

2 结果与讨论

2.1 火焰传播过程

图3是实验中甲烷/空气爆燃火焰穿过4种孔目数多孔材料所得到的高速摄影图片，实验重复了3次以上保证实验结果的可靠性。

图3 高速摄影机拍摄的火焰发展Fig.3 High speed images of flame evolutions

实验结果显示，只有80 PPI的多孔材料板成功阻隔爆炸火焰向前传播。在火焰穿过多孔材料板之前，4组工况下的火焰形态都经历了相同的变化阶段。0～12 ms, 半球型阶段[14]，管道内未燃气体被点燃后，受左侧壁面限制火焰以半球形向右传播，火焰面光滑以近似层流燃烧状态传播。12～19 ms, 指形火焰阶段[14]，火焰受四周壁面限制呈指形向前传播，传播速度相对增加。在半球型阶段和指形火焰阶段，不同孔目数的多孔材料对火焰发展影响很小；之后，当指形火焰尖端到达多孔材料板时，各组火焰形态出现差异，不同孔目数的多孔材料对火焰的阻隔效果出现不同的结果。在20 PPI工况下，指形火焰尖端到达多孔材料板后直接穿过，且火焰穿过之后湍流程度明显增强，多孔材料板对爆燃火焰几乎没有阻隔作用；在40 PPI工况下，指形火焰尖端到达多孔材料板后不能完全穿过，在多孔材料板后方出现非常微弱的火焰，然后逐渐点燃后方未燃气体；在60 PPI工况下，指形火焰尖端到达多孔材料板后，受多孔材料板限制不能立即穿过，左侧火焰呈平面形充满左侧管道，之后右侧出现微弱火焰，并最终点燃右侧未燃气体；在80 PPI工况下，指形火焰尖端到达多孔材料板后发生淬熄，火焰只在多孔材料板左侧发展，右侧未燃气体未被点燃，成功起到防隔爆作用。综上可知，多孔材料板的孔目数越大对爆燃火焰的阻隔效果越好，能够实现火焰淬熄。

2.2 火焰传播速度

图4是4种孔目数多孔材料下的火焰传播速度，使用CAD软件测量高速图片中火焰前锋到管道左端点火处的距离，得到火焰前锋到达位置随时间变化的关系，然后对火焰前锋到达位置对时间求一阶导数得到火焰传播速度。

图4 火焰传播速度Fig.4 Flame tip speed versus time

由图可知，在火焰传播早期阶段，对应于半球型阶段和指形阶段，不同孔目数工况下爆燃火焰传播速度近似一致，火焰传播速度增加较为缓慢，在这个阶段4种孔目数的多孔材料板对火焰的传播速度影响并不明显。当爆燃火焰传播到多孔材料板时，由于受到多孔材料板的阻隔作用，火焰传播速度开始出现下降。不同PPI的多孔材料对火焰的减速程度不同，20，40，60 PPI的多孔材料板，孔目数越大使火焰降速越多。当火焰传播速度下降到最低速度后再次上升，此时对应于多孔材料板后方的未燃气体被点燃向后传播。而在80 PPI的多孔材料板下，火焰不能穿过，实现阻隔作用。

表1是爆燃火焰传播到多孔材料板之前的最大传播速度和穿过多孔材料板被阻隔时的最小速度，可以看出，在到达多孔材料板之前孔目数越小所达到的火焰最大速度越大。当火焰穿过多孔材料板时，受到其阻隔作用，20 PPI的多孔材料板使爆燃火焰传播速度下降45%，40 PPI工况下火焰速度下降75%，60 PPI工况时下降了96%，对火焰传播阻隔效果最好的是80 PPI的多孔材料板，使火焰速度下降的最多，达到100%，完全淬熄。由此可知，多孔材料的孔目数越大，能够使爆燃火焰在穿过多孔材料时速度降低越多，甚至达到使火焰淬熄的效果。管道内的火焰传播是一个复杂过程受多种作用机制共同影响的现象，火焰和冲击波相互作用相互影响。火焰阵面燃烧强度的提高会增强压力波，压力波又会作用于火焰面使其失稳[15-16]，改变湍流燃烧强度。障碍物的存在能够显著提高管道内爆燃压力，在此实验中多孔材料的存在不仅有障碍物的作用，而且其内部的微孔通道对爆燃火焰有很大的影响。由实验结果可以看出，爆燃火焰传播特性主要在接近和穿过多孔材料时表现出明显的差异，因为多孔材料不同的孔密度对火焰抑制淬熄作用不同。

表1 各组实验下火焰速度下降量

基于以上分析可见，多孔材料对爆燃火焰的抑制作用与多孔材料的孔密度有关，多孔材料板孔数目越大其微孔通道越多直径越细，火焰与多孔材料之间的接触越充分。温小萍等[5]通过狭缝实验发现，火焰在微孔通道内的淬熄距离与初始速度以及孔隙直径有关，初始速度和孔隙直径越小，淬熄距离越短则越易于使火焰发生淬熄。多孔材料的孔目数越大，其孔隙直径就越小，其对爆燃火焰的淬熄效果则越强。另一方面，多孔材料对火焰的淬熄影响还与火焰在多孔材料内的停留时间有关[17]，在进入多孔材料前火焰初速度越大其在多孔材料内的停留时间越短，则火焰与多孔材料相互作用越弱，火焰更难以发生淬熄。

通过不同PPI的多孔材料板对爆燃火焰传播速度的影响可以得知，PPI越大对火焰的阻隔作用越强，火焰越难以穿过多孔材料。由图2中展示的多孔材料板的内部结构，可以发现，多孔材料板是由很多细小的网状孔隙通道组成，PPI越大其结构内部的通道越细密，相邻通道间的距离很小。当火焰传播到多孔材料板后，火焰会分开为无数个细小的射流火焰进入到多孔材料的孔隙通道内。此时火焰就会和多孔材料发生相互作用，主要有器壁效应和散热效应[18]。一方面，火焰进入微孔通道内，发生反应的自由基与金属材料发生碰撞几率增多，使得参加反应的自由基减少化学反应被削弱；另一方面，燃烧释放的热量相当一部分被金属材料吸收，使得火焰温度降低反应强度下降。同时火焰传播引起孔隙中的空气振动造成部分声能被转变为热能。火焰在管道内传播过程中，管道壁面对火焰也存在器壁效应和和散热效应，在一定程度上对燃烧反应有所抑制，但由于管壁在径向上对火焰的传播限制，相比于多孔材料在轴向火焰传播上的抑制以及多孔材料内部更为复杂的微孔结构，可以把不同工况下火焰传播速度的降低主要归结于多孔材料的抑制作用，且各实验下只改变多孔材料的孔密度。因此多孔材料内部微孔的密度越大，使得器壁效应和冷壁效应的作用越强，可以推断，多孔材料孔目数越大其对爆燃火焰的阻隔抑制作用越好，当火焰与多孔材料内微孔相互作用造成对燃烧反应的抑制作用大于自维持作用，就会发生淬熄。

3 结论

1)在火焰传播早期阶段，不同孔目数的多孔材料对火焰的影响很小，爆燃火焰都经历了半球形和指形火焰阶段。

2)爆燃火焰穿过多孔材料板时，不同孔目数的多孔材料对火焰的影响作用不同，PPI越大火焰越难以穿过，80 PPI下火焰完全淬熄。

3)爆燃火焰进入多孔材料微孔内与其相互作用，主要机制为器壁效应和散热效应，其对燃烧的抑制作用大于自维持作用就会发生淬熄。

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