氢化锆卷扬成雾及其爆炸火焰传播研究*

2022-04-18黄勇张红伟唐双凌

工业安全与环保 2022年4期

黄勇张红伟唐双凌

(1.常州大学环境与安全工程学院江苏常州 213164； 2.南京理工大学环境与生物工程学院南京 210094)

0 引言

氢化锆是一种灰黑色粉末，能平稳燃烧，被用作引燃剂，广泛应用于民用工业、核工业、军事工业等领域。细小粉尘在气流等作用下会发生卷扬、分散，并在空气中悬浮，受限空间内的粉尘累积到一定的浓度后，遇到明火或高温即会发生爆炸。为了减少原子能工业生产过程中的氢化锆粉尘卷扬、悬浮以及由弱点火引起的爆炸事故，需弄清楚它的反应机理，而目前激波条件下氢化锆扬起规律以及氢化锆爆炸火焰特性的研究还非常鲜见，因此开展氢化锆卷扬成雾及火焰传播研究可以为粉尘空间的粉尘控制提供参考，为原子能工业安全生产提供科学理论依据。

付士根等[1]自行搭建自带光源的浓度测试机，并经验证后满足检测粉尘浓度。在粉尘爆炸实验研究中，通常采用空气射流式扬尘装置分散实验所需的悬浮粉尘云[2]，如赵一姝等[3]以球罐内的粉尘为模拟对象，表述了粉尘运动流场与火焰的关系。TATEUKI S等[4]得出激波速度大于粉尘扬起的速度，且速度差与粒径有关。BORISOV A等[5]研究了激波作用后气固两相的相互作用过程，发现粉尘颗粒物很难单个被抛散在空气中，从而提出了粉尘颗粒物之间存在相互的凝聚力。KLEMENS R等[6]建立了扬尘实验管道，发现了冲击波达到时间和粉尘扬起之间存在时间差。并且以测得的粉尘浓度数据为基础，计算了粉尘云的纵向速度，并给出了这些参数间的定量关系。刘龙等[7]在透明的爆炸球中采集粉尘运动过程的照片，得出粉尘运动、悬浮及沉降过程，确定粉尘分散的最佳状态。

综上分析，对管道条件下激波卷扬沉积粉尘形成爆炸规律，尤其是在弱激波条件下粉尘扬起规律的研究非常少，前人研究内容大多集中在钢管爆炸压力及速度的表征参数的测试，缺少对卷扬过程及爆炸火焰发展过程的同步研究。本文在自行搭设的氢化锆卷扬及火焰传播综合研究平台结合高速摄像技术及管道测压技术得出卷扬及火焰过程。

1 实验部分

1.1 实验样品

采用的样品为氢化锆粉尘。氢化锆外观为金属状，粉末为黑色。氢化锆在空气中能持续稳定燃烧，加热至500～700 ℃几乎完全分解。氢化锆的粒径分布如图1所示，根据图1可得粒径为2～5 μm的氢化锆占比为97.4%。

图1 氢化锆粒径分布

1.2 实验系统和测试仪器

实验平台见图2。

1—实验管道；2—甲烷供气；3—点火按钮；4—空压机；5—进气阀；6—压力表；7—压力测试；8—高速摄像机。

制作长2 001 mm、内径124 mm的管道，其中距离右侧401 mm处设置爆破片隔断，通过法兰盘和螺栓连接，在距离右侧端板440、470、620、1 120 mm处安装压力传感器。可燃气体预混系统通过质量流量计控制甲烷气罐向触发段通入一定量的甲烷气体和空气，使其达到一定的浓度。压力测试技术有传感器、压电转换器、测试主机，通过Phantom V1212型高速摄像机拍摄。

1.3 实验方法

(1)激波卷扬氢化锆实验方法。先将0.5 g粉尘样品放入被驱动段距膜片150 mm处，粉尘平铺100 mm长、20 mm宽，然后在管道法兰处加装膜片(即一张复印纸)，再向驱动段通入0.9 MPa空气。开启驱动段入口处电磁阀，高压气体瞬间破膜产生的激波及其高速气流卷扬氢化锆，同时测试系统记录激波压力和卷扬过程，高速摄像机拍摄帧率为1 000帧/s。

(2)氢化锆点火实验方法。法兰处加装膜片后抽真空，然后通过质量流量计通入质量分数9.5%的甲烷-空气混合气，再用BWGD-12高能点火器引燃混合气体，产生的燃烧波破膜，燃烧波将氢化锆卷扬并引燃，同时测试系统记录激波压力和卷扬过程。

2 氢化锆颗粒卷扬特性

2.1 卷扬运动过程

根据高速摄像技术能够发现，氢化锆运动过程与实验前假设的恒方向运动不一致，而是出现了运动方向发生持续改变的现象。图3是第59、69、90 ms时刻的氢化锆卷扬帧图，氢化锆位移分别为249.7、219.1、329 mm位置。

图3 卷扬过程不同时刻粉尘前沿位置

同时在压力-时间分布图可以发现类似的现象。图4是距离右侧端板440 mm处压力传感器参数。压缩空气破膜后产生激波，在1 ms时压力剧烈上升并达到峰值16 kPa。由于原压缩空气的体积迅速膨胀，此时波头的内部空气密度迅速减小，此为稀疏波。根据冲击波理论，遇到固壁稀疏波必然反射一个方向相反的稀疏波，形成向左稀疏波，在向左传播的过程中使得传感器位置的压力开始下降至-14.65 kPa。根据冲击波理论，遇到大气压面，稀疏波必然反射一个方向相反的压缩波。右行压缩波再向右传播的过程中会持续增大管内压强，随后右侧端板反射左行压缩波，管内压力持续增强至13.78 kPa。压缩波遇到大气压面会发射一个方向相反的稀疏波，即右行稀疏波，使传感器位置的压力降低，直至在右侧端板反射。如此反复，这样的压力波动规律与高速帧图的往复运动规律一致。

图4 0.5 g氢化锆卷扬实验40 mm处压力数据

探究管道中不同位置的压力分布，见图5，可以发现，管内压力集中在中部，达到19.99 kPa。可以得出，将粉尘布置在距膜片70 mm附近能够将更多粉尘参与卷扬，使得高速摄像技术的观测结果更直观。

图5 0.5 g氢化锆卷扬过程各位置的最大压力

2.2 悬浮过程

通过测算，打开电磁阀通入压缩空气后，产生的激波速度为380.2 m/s。破膜后第329 ms压力振幅开始溃缩，同时与高速帧图上显示粉尘开始降速一致。根据粉尘受力分析可知，氢化锆粒子受到浮力作用导致悬浮1 800 ms，随后开始时长120 ms的沉降。

3 氢化锆点火特性

3.1 火焰传播过程

称量0.012 5 g氢化锆进行点火过程实验。图6为在高速摄像技术下捕捉到的画面。在按下点火按钮后，迅速点燃右端点火段的甲烷气体为0时刻。第24 ms甲烷火焰破膜，产生的前驱冲击波卷扬沉积的氢化锆，第28 ms后驱燃烧波到达并部分引燃已被扬起的氢化锆，氢化锆受热气解并参与燃烧，并在2 ms内火焰传递至整个氢化锆粉尘云团内部，火焰开始形成发展，受到管壁限制及燃烧放热影响使得更多粒子参与反应，导致火焰开始由69 m/s加速至最终199 m/s。

图6 氢化锆火焰传播过程

同时，压力测试数据见图7。可以发现，压力随时间并不是线性的上升或下降，而是发生了压力的脉动，这是由于前驱激波与燃烧波的互相作用及粒子燃烧反应的影响。

图7 点火过程不同位置的压力随时间变化

3.2 点火特性影响因素分析

铺设不等质量的氢化锆粉尘，探究浓度对点火特性的影响，其管道内的质量浓度达到0.510、1.019、2.037、4.074 g/m3，图8分别高数摄像机采集到的上述4种浓度下的氢化锆火焰锋面，其火焰锋面前期都是离散型，但是后期火焰锋面受浓度的增大会而越平滑。

图8 不同浓度的氢化锆在后期的火焰锋面

将4种浓度的氢化锆火焰传播速度及火焰前锋位置记录在图9中，能够得出火焰前锋近似均匀地前进，而火焰速度大小却发生波动，这是因为受到管道内激波与燃烧波叠加产生湍流及粒子间能量传递的不均匀。同时，火焰的速度随浓度增大而增大，在管道内的火焰传播平均速度分别为88.4、93.1、93.4、101.3 m/s。