丙烷/空气拉伸火焰传播稳定性实验研究*

张云明

(中国人民武装警察部队学院灭火救援技术公安部重点实验室，河北 廊坊 065000)

数字出版日期： 2017-07-19

0 引言

丙烷作为传统的燃料和化工原料，在能源、化工、航天领域应用广泛。近年来由于丙烷及其作为主要成分的燃气泄漏事故时有发生，燃气爆炸和火灾事故损失惨重，社会影响极大。如何高效安全利用可燃气体，预防或减轻事故伤害成为能源行业研究的重要课题。目前有关丙烷燃烧的研究一方面是燃烧速度、点火能量、爆炸极限等基础参数与破坏威力的测定[1-6]，另一方面主要是火焰加速、燃烧波形态、火焰结构等火焰发展详细过程的研究[7-11]。丙烷作为高扩散性和低点火能的甲类易燃气体，其火焰传播稳定性是决定气体燃爆过程的内在因素。研究气体火焰传播稳定性及其致灾机理是可燃气体安全应用和事故防治的基础和重点，本课题忽略点火能量和约束条件等因素的影响，以火焰表面微观特征为基础，对常温常压下空气中丙烷球形扩展火焰传播规律和失稳机理开展研究。

1 实验装置与测试方法

实验装置由定容弹、配气罐、点火装置、纹影系统和数据采集系统构成，装置布置如图1所示。圆柱形定容弹两端为对称布置的观测窗，罐体内径302 mm，长度392 mm。电测设备和点火装置均布于罐体周身测试孔，其中定容弹压力由奇石乐1 000 PSI量程的压力传感器进行测试，点火装置采用自行开发的静电点火装置[12]实现中心点火。火焰传播过程由纹影系统和高速运动分析系统通过观测窗进行光学观测，图像采样率8 400 fps。为了稳定点火并减轻点火能量与未燃气体初始状态对火焰传播过程的干扰，实验采用10 mJ小能量点火，并按照Huzayyin等[13]提出的等压条件量化指标和本实验装置实测统计结果，火焰图像有效采集半径取8～75 mm。实验初始环境条件固定为20 ℃和1 atm，实验燃料为纯度为99.999%丙烷，助燃空气由21%O2和79%N2混合而成。试验前通过配气系统向抽真空的爆炸罐中缓慢充入燃料和助燃气体，静止15 min后，通过同步器触发点火并记录电测和光测数据。

图1 实验系统示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

2 火焰传播稳定性理论

火焰传播理想观测条件为压力恒定、火焰平直、无重力影响等，而实际火焰发展过程会受到点火方式、初始状态、约束条件等因素的影响。对于常见的点源中心扩展火焰，火焰传播存在明显的拉伸现象，通常采用拉伸率来表征火焰表面的受拉伸程度：

(1)

式中：α为火焰拉伸率，1/s；A为火焰面积，m2；vs为拉伸状态的火焰传播速度，m/s。

根据马克斯坦理论[14]，近似等压绝热条件下球形扩展火焰传播速度与拉伸率呈如下线性关系：

vs=-Lb·α+vu

(2)

式中：vu为无拉伸火焰传播速度，m/s；Lb为马克斯坦长度，mm，其值可以通过求解vs-α曲线负斜率来确定。

对于预混拉伸火焰，体积力不稳定性、热扩散不稳定性和流体力学不稳定性是造成火焰失稳的主导因素[8-10]。体积力不稳定性是重力环境下流体密度不均而引发的火焰失稳。中心点火火焰由于燃烧放热必然引起着火区域向上漂浮。在重力环境下浮力对火焰的影响一直存在。

热扩散不稳定性是火焰锋面传质与传热差异引起的火焰失稳。火焰前后传热与传质通常采用刘易斯数[15-17]量化：

(3)

式中：Le为刘易斯数；αT为热扩散系数，m2/s；Dm为质量扩散系数，m2/s；k为导热系数，W/(m·K)；ρu为密度，kg/m3；CP为定压比热，J/(kg·K)。

流体力学不稳定性是火焰锋面流体相对流动状态变化引起的火焰不稳定[18]，可以用火焰热扩散厚度来表征[19]。根据Law[10]的描述，火焰热扩散厚度定义为：

(4)

式中：δL为层流火焰热扩散厚度，mm，火焰厚度减小，流体力学不稳定性增强[20]；SL为层流燃烧速度，m/s。

3 实验结果与分析

3.1 火焰发展过程

丙烷/空气预混火焰成长与发展过程与丙烷浓度直接相关，如图2所示不同配比条件下火焰扩展形状和表面状态明显不同。混合物浓度靠近爆炸极限边界(即当量比φ≤0.4或φ≥1.9)时，混合气体中心点火后燃烧波逐渐向上飘移和变形，火焰表面保持光滑状态，垂直向下的燃烧波由向外凸出转变为向内凹进的Tulip火焰。混合物浓度靠近化学剂量浓度时，点火后燃烧波成规则球形向外传播，火焰呈球形扩展，火焰表面微观结构随着当量比的增大按照由光滑向粗糙再向光滑的趋势变化；当φ=0.7和1时，火焰表面基本保持光滑状态，放电扰动引起的初始裂纹不随火焰的扩展而发展；当量比φ=1.3和1.6时，燃烧波扩展过程中火焰表面裂纹逐渐增多，但比较而言φ=1.6时新增裂纹比φ=1.3时更少更慢。对于丙烷空气预混火焰，当量比越靠近理论当量比(略微偏向富燃侧)，燃烧波保持球形扩展状态的能力越强，火焰表面裂纹越多，微观结构越复杂。

图2 丙烷/空气混合物点火初期火焰发展过程Fig.2 Development of propane/air flame in the initial ignition

根据火焰发展的纹影照片，利用火焰前锋位置可实测获得丙烷点火初期火焰传播速率。由图3可知丙烷浓度直接影响拉伸火焰传播速率，利用公式(1)可以获得不同浓度条件下火焰的拉升率。根据图4不同拉伸率对应的拉伸火焰传播速率可知，丙烷/空气球形扩展火焰传播速率与火焰拉伸率具有很好的线性相关性，因此实验条件下丙烷/空气球形扩展火焰传播过程符合马克斯坦理论。经过线性拟合与外推，可以获得不同当量比条件下丙烷/空气无拉伸火焰传播速度和马克斯坦长度。

图3 拉伸火焰传播速度与火焰半径的关系Fig.3 Propagation velocity of stretched flame in different radius

图4 拉伸火焰传播速率与拉伸率的关系Fig.4 Propagation velocity of stretched flame in different stretch ratio

3.2 火焰传播稳定性

丙烷/空气混合物不同当量比条件下，火焰呈现出2种不同的发展状态：混合物靠近两端的爆炸极限时，燃烧波都会飘移变形并保持表面光滑；当量比靠近理论值时，燃烧波以点火源为中心呈规则球形向外扩展，火焰表面褶皱程度发生变化。体积力不稳定性、热扩散不稳定性和流体力学不稳定性是影响火焰失稳的主导因素，体积力因素主要表现为浮力引起的火焰飘移和变形，热扩散因素和流体力学因素主要表现为燃烧波表面褶皱形态的改变。

丙烷/空气当量比φ位于0.7～1.6范围以外时，火焰传播特征主要表现为浮力引起的燃烧波变形和飘移，火焰表面保持相对光滑状态无褶皱增长。实测结果表明此范围火焰传播速度整体小于0.5 m/s，此时火焰稳定性主要由体积力因素主导，热扩散因素和流体力学因素忽略不计，火焰最终变成图5所示的上浮火焰。由浮力主导的火焰不稳定性目前没有统一的标准，根据实验结果分析，燃烧波下缘由点火初期的向下传播逐渐过度到火焰锋面驻停再发展到随着整个已燃区域上浮，火焰驻停时刻即为烧波向下传播速率等于浮力引起的燃烧泡上浮速率。为此本研究选取燃烧波停止向下传播时刻ts作为衡量浮力不稳定性的指标。另外，为了标准化丙烷爆炸上下极限量化结果，引入理论当量比偏移量参数Ф=|0.5-φ/(1+φ)|，当量比φ等于1时偏移量φ为零，丙烷浓度越靠近爆炸极限，偏移量越大。由图6中Ф～ts曲线变化趋势可知，当偏移量φ>0.15时，体积力因素的影响明显，而且偏移量越大浮力对火焰稳定性的影响越显著。对于爆炸极限附近的低速燃烧过程，热释放速率低，热损失大，火焰厚度大，火焰表面裂纹难以持续发展，燃烧对火焰发展稳定性影响微弱，浮力对缓慢扩大的泡状燃烧区域影响显著。因此对于低速燃烧过程，体积力即浮力是影响火焰传播稳定性的主导因素。

图5 丙烷燃烧波向上飘移的纹影照片Fig.5 Schlieren photographs of propane combustion wave drift upward

图6 火焰驻停时刻与理论当量比偏移量的关系Fig.6 Relations between ts and Φ

丙烷/空气混合物当量比φ位于0.7～1.6范围内时，燃烧波以点火源为中心呈规则球形向外传播，浮力因素对此范围的火焰传播无明显影响。从图7所示的半径40 mm时火焰表面微观结构来看，混合物由贫燃向富燃转变过程中，火焰表面褶皱逐渐增多，然而φ大于1.3时，火焰表面褶皱程度又相对减小，火灾稳定性在当量比等于1.3附近出现反转。对于球形扩展火焰，稳定性可以用马克斯坦长度来衡量，根据图8所示的Lb计算结果可知，球形扩展丙烷/空气混合物Lb随φ的增大先减小后增大，通过马克斯坦长度表征出来的火焰稳定性结论与燃烧波表面结构状态非常吻合，说明球形扩展燃烧波稳定性随丙烷浓度的增大呈现先降低后增加的趋势变化。

图7 半径40 mm时火焰表面微观结构Fig.7 Microstructure of flame surface at radius 40 mm

图8 不同当量比下的马克斯坦长度Fig.8 Markstein lengths under different equivalence ratios

根据火焰传播特征可知，火焰受浮力不稳定性影响小，热扩散不稳定性和流体力学不稳定性主导火焰传播过程。根据图9给出的丙烷/空气混合物Le计算结果可知，Le与φ呈反比关系变化，并且φ在1.3附近时，Le由大于1变为小于1。表明热扩散因素对火焰稳定性的影响逐渐减弱。当量比φ小于1.3范围内火焰稳定性特征与Le变化趋势相符，但是继续增大丙烷浓度发现火焰稳定性又逐渐增强，热扩散因素对稳定性的影响与实测结果不相符。经过计算火焰热扩散厚度，如图10所示，发现球形扩展范围内，丙烷/空气火焰热扩散厚度呈马鞍形趋势变化，并且在当量比φ位于1.3附近时最小。由于火焰不稳定性随火焰厚度增大而减弱，因此流体力学不稳定性随混合物浓度的增大先逐渐减弱后快速增强，其转折点位于φ等于1.3附近。综合2种不稳定性因素，可以发现丙烷/空气球形扩展火焰传播不稳定性是流体力学因素和热扩散因素共同作用的结果。低浓度条件下，热扩散因素是维持火焰稳定性的主要因素，随着丙烷浓度的增大，热扩散因素逐渐减弱，同时流体力学不稳定性影响则逐渐增强，并逐渐成为主导火焰不稳定性的主要因素，在当量比φ位于1.3附近时，火焰稳定性达到最弱。继续增大丙烷浓度，流体力学因素对火焰不稳定性的影响快速减弱，因此当量比φ等于1.6时，火焰稳定性整体上强于φ等于1.3时的情况。

图9 不同当量比下混合物刘易斯数Fig.9 Lewis number under different equivalence ratios

图10 不同当量比下的火焰厚度Fig.10 Flame thickness under different equivalence ratio

燃烧波形状和火焰表面微观结构是火焰稳定性的直观表现，体积力因素、热扩散因素和流体力学因素是影响火焰稳定性的内在因素，对于不同浓度条件下的丙烷/空气混合物，3种因素共同作用但影响权重各存差异，最终形成丙烷/空气混合物独特的火焰稳定特性。在排除初始条件和边界条件干扰的情况下，预混气体火焰传播稳定性特征反映出气体燃烧的本质特征，气体物质自身因素引起的火焰失稳越严重，火焰湍流自加速效应越强，单位时间质量燃烧率越大，燃烧释放能量的效率越高，对于小尺寸燃烧过程，层流火焰自身失稳和加速机理对燃烧和爆炸后果其决定性作用。

4 结论

1)丙烷/空气混合物拉伸火焰随浓度的变化呈2种不同发展状态，靠近爆炸极限(φ≤0.4或φ≥1.9)时，燃烧波逐渐上浮和变形，靠近理论当量比(0.7≤φ≤1.6)时，燃烧波以火源为中心呈球形扩展。

2)爆炸极限附近丙烷/空气燃烧波向上飘移和变形过程中火焰表面保持光滑状态，拉伸火焰传播速度小于0.5 m/s；在此范围内火焰稳定性的主要控制因素为体积力不稳定性，量化结果表明偏离理论当量比越远，火焰出现驻停的时刻越小，火焰受浮力影响越显著。

3)理论当量比附近时，燃烧波呈球形扩展，随着丙烷浓度增大，火焰表面裂纹数量按照先逐渐增多后相对减少的趋势变化,当量比等于1.3时火焰表面褶皱发展最快；火焰表面微观结构变化规律与马克斯坦长度实测结果相吻合，火焰稳定性随当量比增加呈现马鞍形趋势变化，热-质扩散因素和流体力学因素的共存与竞争结果是球形扩展火焰稳定性的主导因素。

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