球形罐中丙烷—空气混合气火焰传播特性分析

倪文婧

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

液化石油燃料的供需矛盾是各国面临的重要问题之一，石油替代燃料是发动机和燃料领域的热点问题。丙烷是液化石油气的主要成分，其沸点低而且燃烧生成的辛烷值高且易于和空气混合，被认为是最有潜力的替代燃料。但是丙烷是易燃气体，其火焰在传播过程中，伴随火焰加速以及压力温度的急剧增加引起的非理想爆炸是工业生产中爆炸灾害的主要形式。而对早期火焰的结构以及加速传播的内在机制研究则可以有效抑制该类爆炸事故的发生。

纵观国内外研究现状，目前较为关注的是丙烷—空气不同比例下的混合物爆炸参数研究[1-5]，而对火焰传播过程微观结构受外界条件影响规律方面的研究则相对较少。其中，在方形长管实验中发现Tulip火焰结构，即在特定的实验条件下，球面阵面的曲率发生变化，火焰阵面即火焰结构由凸面向凹面转变。同时，伴随半球面火焰向前传播的过程中，球面曲率半径降低并最终形成平面，火焰面开始向易燃区传播，形成小尺度的湍流燃烧，这种火焰被称为Tulip火焰结构[6]。对此现象，有以下几种理论解释：火焰阵面和压力波的相互作用、火焰的不稳定性、在火焰前锋有大尺度的涡流、壁面淬熄效应和黏性影响以及D-L不稳定性。而且以往对Tulip的研究仅仅局限于方形长管中，球形爆炸罐内的研究则相对较少。

本文介绍了借助高速纹影系统了解球形爆炸罐内丙烷—空气预混体燃烧的过程，探究了丙烷浓度对火焰传播特性的影响，重点关注Tulip火焰结构的形成过程，并分析及对比了火焰半径、火焰传播速度、浮力传播速度随时间的变化规律。

1 实验装置

1.16 m3的球形多相爆炸罐体如图1所示。实验系统由点火系统、纹影系统、高速摄像系统以及控制系统构成。8套喷粉扬尘系统对称安装，测试孔均匀分布在罐体四周，其中测试装置、点火装置利用测试孔来进行安装。点火装置安装有电极，卤钨灯用作纹影系统的光源，设有凹面镜、凸透镜、平面镜。

图1 多相燃烧爆炸罐实验系统Fig.1 Experimental system of the multiphase combustion explosion tank

2 实验结果及讨论

2.1 纹影实验

为了考察丙烷浓度对丙烷燃烧过程的影响，分别采用了当量比φ为1.8、2.0 及2.1的浓度进行实验。当量比φ为1.8和2.0时，点火能量为120 pF，15.9 kV；而φ为2.1时，点火能量为1 200 pF，15.9 kV。三种浓度的丙烷—空气混合气燃烧过程的纹影如图2所示。

图2 丙烷—空气混合物的纹影Fig.2 Flame schlieren images of propane-air mixture

从图2可以看出，在三种工况下火焰的传播过程都不同程度的受到浮力影响。

当φ=1.8时，火焰在传播过程的同时受到浮力与热扩散不稳定性的干扰。当t=176 ms时，球形火焰阵面下半球形火焰中心发生弯曲，即从未燃区转移至已燃区，此时逐渐形成Tulip结构；当t=467.2 ms时，整个火焰阵面漂移出可视窗口；当t=478.4 ms时，火焰阵面再次传播到可视窗口且火焰阵面不是球形传播，而是沿着电极向未燃区凸起的方式传播。初始的火焰阵面是光滑的阵面，随着火焰的向前传播，火焰阵面迅速布满褶皱，形成胞格结构，促进燃烧加速。

当φ=2.0且t=154.3 ms时，球形火焰阵面下半个球火焰阵面中心由未燃区弯曲逐步向已燃区弯曲，形成Tulip结构，并逐步扩大；t=445 ms时，整个火焰阵面漂移出可视窗口。由于设置的纹影记录时间太短，未能记录燃烧混合物的二次燃烧，火焰阵面再次出现在可视窗口的情况。

当φ=2.1且t=138.5 ms时，球形火焰阵面下半个球火焰阵面中心由未燃区弯曲逐步向已燃区弯曲，形成Tulip结构；t=463 ms时，整个火焰阵面漂移出可视窗口，t=3 294 ms时，火焰阵面再次传播到可视窗口，但是火焰阵面不规则。

综上所述，在此种实验条件下，随着当量比的增加，Tulip结构出现的时间越早。而且随着当量比的增加，火焰阵面从漂移出可视阵面到再次出现在阵面的时间大大增加。这说明火焰阵面碰到容器壁，火焰阵面反向传播，φ为1.8时，火焰传播速度最大。

2.2 变化规律与对比分析

不同当量比火球半径与时间的关系如图3所示。火球半径随着时间的增加均呈增长趋势且当量比为1.8时的火球半径最大，而当量比为2.0时的火球半径最小。由于随着当量比的增加，单位体积内释放的能量越小而且多余丙烷吸热会消耗能量，所以随着当量比的增加，火球半径逐渐减少。但是φ为2.1的火球半径大于当量比为2.0的火球半径(见图3)。这种现象的出现是由于当量比为2.1的点火能量为其他两种工况点火能量的10倍引起的。从上述结果可以得出，点火能量在爆炸极限附近对可燃性混合物的燃烧影响很大。

图3 火球半径随时间的变化规律Fig.3 The fireball radius as a function of time

不同当量比条件下火焰传播速度随时间的变化规律如图4所示。随着时间的推移，火球半径增长速度呈逐渐减小的趋势。在火焰发展初始阶段，即t=0.09 s时，当量比为1.8的火球半径增长速度最快，而当量比为2.0的增长速度最慢。当t>0.09 s时，当量比为2.0的火球增长速度逐步超过当量比为2.1的火球增长速度。这是由于随着火焰向前传播，点火能量对火焰传播的影响消失。当量比为2.0时，随着火焰向前传播，火球半径增长速度呈现先缓慢减小，而后几乎保持不变，最后迅速下降的趋势。当t=0.18 s时，火球半径增长速度迅速减小，对比纹影图片，此时产出明显的Tulip火焰。

图4 混合气火焰传播速度随时间变化规律Fig.4 Evolution of the flame propagation velocity with time

不同当量比条件下浮力传播速度随时间的变化规律如图5所示，随着时间的推移，浮力传播速度呈逐渐增大的趋势。当量比为1.8时浮力传播速度最大，当量比为2.0时，浮力传播速度最小。当量比为2.0且t=0.15 ms时，浮力传播速度逐步减小。从图2中可知，当t=154.3 ms时形成了Tulip火焰结构。由此可知，Tulip火焰结构的产生使浮力传播速度迅速减少。

图5 浮力传播速度随时间的变化规律Fig.5 Evolution of buoyancy propagation speed with the time

图6 浮力传播速度随火球半径变化规律Fig.6 Relationship between buoyancy velocity and the fireball radius

不同当量比浮力传播速度随火焰半径的变化规律如图6所示，浮力传播速度呈逐渐增加的趋势。在火焰发展初始阶段，火球半径小于0.055 m时，当量比为2.0时，浮力传播速度最大，而当量比为1.8时，浮力传播速度最小。当量比为2.0时，受浮力的影响最大，当量比为1.8时，受浮力的影响最小。当火球半径大于0.055 m，当量比为2.0时，浮力传播速度迅速降低，低于当量比为2.1的浮力传播速度。这是由于随着火焰向前传播，点火能对火焰传播的影响消失。当量比为2.0时，随着火焰的向前传播，浮力传播速度呈现先缓慢增加，然后迅速下降的趋势。在火球半径为0.052 m时，浮力传播速度迅速减小，对比纹影图片，此时产出明显的Tulip火焰。

不同当量比火球半径增长速度随火球半径的变化规律如图7所示。随着火焰的传播，火球半径增长速度随着火球半径逐渐降低。在火焰发展初始阶段，火球半径小于0.045 m，当量比为2.0时，火球半径增长速度最小，而当量比为1.8时，火球半径增长速度最大。这说明，当量比为2.0时，能力释放速率最小，当量比为1.8时，能量释放速率最大。当火球半径大于0.045 m，当量比为2.1时，火球半径增长速度迅速降低，和当量比为2.0时的情况基本一致。这是由于随着火焰的向前传播，点火能对火焰传播的影响消失。

图7 火球半径增长速度与火球半径的关系Fig.7 Relationship between fireball radius growth speed and the fireball radius

3 结论

在爆炸罐体内对丙烷—空气预混气的燃烧过程进行研究时，分析了火焰半径、火焰传播速度、浮力传播速度随时间的变化规律，并关注浮力传播速度以及火球半径增长速度随火焰半径的变化关系。研究表明，当丙烷—空气在燃烧极限附近，点火能量对火焰传播影响很大。当量比为2.1的点火能量是当量比为2.0的10倍时，相同时刻当量比为2.1的火焰半径、火焰传播速度大。当丙烷—空气在富燃情形下，即当量比大于1.8时，预混气体火焰传播过程受浮力的影响，火焰阵面向已燃区弯曲，此时形成Tulip火焰结构。此外，实验中还发现，Tulip火焰结构形成于浮力传播速度减小以及火球半径迅速降低的过程中。