不同湍流状态对乙醇蒸气近爆炸下限火焰传播过程的影响

谭迎新， 谢溢月， 霍雨江， 韩 意

(1. 中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051； 2. 中国人民解放军63961部队， 北京 100012)

0 引 言

乙醇作为一种常温常压下易燃、 易挥发的可燃液体燃料， 在国防化工、 食品工业、 医疗卫生、 工农业生产中被广泛使用. 但其在给工业制造提供便捷的同时， 也带来了巨大的安全隐患[1-3]. 目前国内外主要开展的是相对静止条件下乙醇蒸气的燃爆特性， 而许多情况下乙醇蒸气的燃爆是在流动状态下发生的. 流动状态的乙醇蒸气产生的湍流会对其爆炸传播过程产生一定影响[4-5]， 因此探究湍流对乙醇蒸气火焰传播过程的影响有重要的现实意义.

国内外有一些关于湍流状态下可燃气体(蒸气)火焰传播的研究， 但是对于可燃液体蒸气的相关研究几乎没有. Kim等[6]采用Leye[7]肥皂泡膜的方法， 研究了无约束空间H2/空气混合气云、 CH4/空气混合气云等火焰传播过程. Pforter等[8]进行了H2/空气半球形气云爆炸实验， 发现湍流对气体爆炸的火焰速度是有影响的. 菅从光等[9]研究了湍流对瓦斯爆炸的诱导及火焰的影响， 研究结果表明管道面积突变对瓦斯爆炸过程的湍流影响显著. Zhang X Y等[10]研究了湍流对纳米铝粉火焰传播过程的影响， 发现由于湍流的存在形成了火焰前锋阵面无规律的褶皱. 鉴于此， 本文采用FRTA爆炸极限测试仪和高速摄影仪对湍流状态下乙醇蒸气近爆炸下限的火焰传播进行测试研究. 通过调节仪器内置搅拌转子的转速来改变气体流动的状态， 并依据可燃气体的燃烧、 爆炸机理和流体力学的相关知识， 对测试结果进行比较分析， 得出湍流对可燃液体蒸气火焰传播过程的影响规律， 为评估乙醇的安全性提供参考依据.

1 试验研究

1.1 测试装置

测试装置包括FRTA爆炸极限测试仪和高速摄影仪， 试验系统如图 1 所示.

图 1 试验系统说明图Fig.1 Test system diagram

FRTA爆炸极限测试仪由体积为5 L的玻璃爆炸容器和不锈钢加热炉组成， 爆炸容器位于加热炉之上， 容器内设置有测试温度和压力的传感器. 仪器内设15 kV/30 mA的高压点火电源， 点火钨电极位于爆炸容器中下部， 通过调节计时器精确控制火花的持续时间， 按照相关标准设置为40 ms. 通过两个针型阀对容器抽真空、 输入空气和样品. 磁力搅拌器位于容器底部， 其搅拌速度可设置范围为0～1 200 rad/s， 本试验通过调整搅拌速度达到控制湍流状态的目的.

为了对比研究乙醇蒸气在宏观静止状态下和湍流状态下火焰传播的变化规律， 本试验采用了Hotshot Mega SC高速摄影仪， 其拍摄速度可达到20 000 fps.

本次试验设置的拍摄速度为800 fps. 试验前利用秒表对乙醇蒸气的火焰燃烧时间进行了预采集， 燃烧持续时间大约0.6 s， 可采集到0.6 s×800 fps=480幅图片， 数据量满足试验要求.

1.2 测试方法

1.2.1 火焰前锋阵面高度测量

以点火电极为原点， 建立如图 2 所示的坐标系. 调整磁力搅拌器转速， 产生湍流. 由于火焰是向上传播的， 而且火焰前锋阵面产生的褶皱会随着转速增大而明显， 所以某时刻火焰前锋阵面的高度为以原点为基准， 沿Y轴正方向火焰前锋阵面达到的最高点， 如图 2 所示， 此刻的H值即为该时刻火焰前锋阵面的高度， 利用Photoshop软件能够测量出H值.

图 2 火焰前锋阵面测量图Fig.2 Measurement for flame front

1.2.2 火焰传播速度测量

本文从着火开始每隔30 ms选取一张火焰传播过程图片， 利用测出的火焰前锋阵面高度H值， 用Origin软件拟合火焰前锋阵面高度随时间变化的曲线， 对模拟曲线进行一阶求导， 就得到了对应时刻火焰传播的瞬时速度.

2 试验结果与分析

2.1 湍流状态下乙醇火焰传播特征

选择0, 400, 1 200 rad/s 3种转速对乙醇蒸气火焰传播过程进行了试验研究， 不同时刻典型的高速摄像图如图 3～图 5 所示.

图 3 是转速为0 rad/s时， 利用高速摄影仪拍摄的乙醇蒸气在球形容器内的火焰传播过程图片， 各图片之间的时间差为30 ms. 0 ms为高压电极放电时刻， 电极附近产生强烈的淡蓝色光团； 乙醇蒸气在37.5 ms时开始着火， 火团逐渐变大， 150 ms时形成较强亮度的蓝色火焰， 在300 ms时火焰形状达到最大. 由于乙醇蒸气浓度随着燃烧反应的进行逐渐降低， 火焰速度逐渐减小， 火焰区域逐渐缩小至电极附近， 并在637.5 ms时完全熄灭.

图 3 0 rad/s火焰传播高速摄影图Fig.3 High-speed photographies of flame propagation with speed of 0 rad/s

图 4 400 rad/s火焰传播高速摄影图Fig.4 High-speed photographies of flame propagation with speed of 400 rad/s

图 5 1 200 rad/s火焰传播高速摄影图Fig.5 High-speed photographies of flame propagation with speed of 1 200 rad/s

图 4 是转速为400 rad/s时乙醇蒸气在球形容器内的火焰传播过程， 着火延迟时间为37.5 ms， 火焰前锋面出现褶皱， 边界稍有不清晰， 火焰在375 ms时完全熄灭， 相较于转速为0 rad/s 时的火焰持续时间较短.

图 5 是转速为1 200 rad/s时乙醇蒸气在球形容器内的火焰传播过程， 着火延迟时间为37.5 ms， 火焰传播过程中前锋阵面出现比转速为400 rad/s时更为明显的褶皱， 边界模糊不清晰； 火焰在381.25 ms时完全熄灭， 火焰持续时间更短.

通过观测乙醇蒸气在同一时刻、 不同转速下火焰传播的图片发现， 球形火焰前锋阵面在宏观静止状态时较为平滑， 当转速增大后， 球形火焰前锋的褶皱加强， 火焰形状逐渐变为椭球形， 火焰持续时间也变短.

2.2 试验结果分析

经过对试验数据的分析， 得到在爆炸浓度为4.4%时， 转速为0, 400, 1 200 rad/s的试验条件下， 乙醇蒸气的火焰前锋阵面和火焰传播速度变化情况曲线图， 如图 6 和图 7 所示. 由图可知， 乙醇蒸气火焰前锋阵面分别在278, 244, 221 ms时达到最大高度； 在点火后150, 125, 148 ms时火焰速度最大， 分别为1.3, 2.3, 2.2 m/s[11].

图 6 火焰前锋阵面高度变化图Fig.6 Hight variation of flame front

图 7 火焰传播速度变化图Fig.7 Speed variation of flame propagation

分析整个试验结果可知， 乙醇蒸气与空气的预混气体被电火花点燃后， 首先形成一个化学反应中心， 即高速摄影图中可见的蓝色火焰中心， 火焰阵面以规则的球状向周围传播， 火焰中心的热量和活化分子通过进一步的反应将能量传递到火焰周围未燃的混合气体薄层， 这个阶段属于燃烧初期， 火焰传播速度较慢. 在火焰燃烧持续到65～140 ms的阶段， 火焰速度迅速增大， 火焰形态发生明显变化， 火焰阵面出现不规则的褶皱面， 而且褶皱随着转速增大越来越明显. 当转速不同时， 气体流动状态不同， 转速增大加强了对火焰传播过程的扰动， 使得火焰阵面变成不规则的齿状结构， 呈现出不同的褶皱面， 火焰传播速度也随着湍流的增强而逐渐增大. 当转速为0 rad/s时， 火焰前锋阵面高度上升速度最慢， 火焰传播的最大速度为1.3 m/s； 当有湍流干扰时， 火焰传播速度增大. 当转速为400 rad/s时， 火焰传播速度达到2.3 m/s[11]， 此时再增加转速， 火焰速度变化不大. 这是由于火焰前锋阵面的褶皱改变、 热传导以及质量扩散现象的综合影响导致的.

3 结 论

1) 球形火焰前锋阵面在宏观静止状态时比较平滑. 外加湍流扰动加强了对火焰传播过程的影响， 使得火焰面变成不规则的齿状结构， 呈现出不同的褶皱面.

2) 湍流状态下的火焰传播速度高于静态时的火焰传播速度.

[1]苗金明， 刘倩倩， 张宪金. 乙醇贮罐区事故后果定量模拟分析[J]. 北京劳动保障职业学院学报， 2012， 6(1)： 36-39. Miao Jinming, Liu Qianqian, Zhang Xianjin. The quota simulation analysis in accident consequence of ethanol tank area[J]. Journal of Beijing Vocational College of Labour and Social Security, 2012, 6(1): 36-39. (in Chinese)

[2]王峰， 高金吉， 刘文彬. 化工过程危险与可操作性及爆炸事故分析技术[J]. 化工学报， 2008， 59(12)： 3184-3190. Wang Feng, Gao Jinji, Liu Wenbin. Hazard and operability and explosion accidents analysis technology in chemical processes[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2008, 59(12): 3184-3190. (in Chinese)

[3]王三明， 蒋军成. 重大工艺爆炸事故严重度评价[J]. 南京化工大学学报(自然科学版)， 2001， 23(2)： 16-19. Wang Sanming, Jiang Juncheng. Severity evaluation of major process explosion accident[J]. Journal of Nanjing University of Chemical Technology (Natural Science Edition), 2001, 23(2): 16-19. (in Chinese)

[4]谢溢月， 谭迎新， 孙彦龙. 湍流状态下甲烷爆炸极限的测试研究[J]. 中国安全科学学报， 2016， 26(11)： 65-69. Xie Yiyue, Tan Yingxin, Sun Yanlong. Explosive limits of methane in turbulent flow[J]. China Safety Science Journal, 2016, 26(11): 65-69. (in Chinese)

[5]Amyotte P R， Chippett S， Pegg M J， 等. 湍流对粉尘爆炸的影响[J]. 力学进展， 1990， 4： 538-554. Amyotte P R, Chippett S, Pegg M J, et al. The impact of turbulence on dust explosion[J]. Advances in Mechanics, 1990, 4: 538-554. (in Chinese)

[6]Kim W K， Mogi T， Dobashi R. Effect of propagation behavior of expanding spherical flames on the blast wave generated during unconfined gas explosions[J]. Fuel， 2014， 128(14)： 396-403.

[7]Layer J C， Guerraud C， Manson N. The restrict of soap bubble on vapour cloud explosions[C]. 15th Symposium (International)on Combustion， 1975： 645-653.

[8]Pfortner H， Schnerder H. The experiment research of a blast wave of non-ideal explosions[J]. Progress Astronautics and Aeronautics， 1987， 114: 488-498.

[9]菅从光， 林柏泉， 宋正昶， 等. 湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用[J]. 实验力学， 2004, 19(1)： 39-44. Jian Congguang, Lin Boquan, Song Zhengchang, et al. Induction of turbulent flow and its effects on flame and explosion wave in gas explosion[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2004, 19(1): 39-44. (in Chinese)

[10]Zhang X Y， Yu J L， Sun J H， et al. Effects of turbulent intensity on nano-PMMA flame propagation behaviors[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2016, 44： 119-124.

[11]谢溢月. 湍流对可燃气体(蒸气)爆炸极限及火焰传播过程的影响[D]. 太原： 中北大学， 2017.