（化工过程机械专业论文）管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研究.pdf

摘要 可燃气体爆炸事故往往导致惨重的人员伤亡和巨大的财产损失。考虑多数 情况下可燃气体都是在管路中流动的，因此关于管路中爆炸波的传播状况及如 何抑制管中爆炸波传播的研究已成为爆炸研究的重点之一。 本文主要研究压力波和火焰在圆形管道和多层丝网结构内传播时其参数 的变化规律以及参数之间的耦合关系。本文的主要工作和结论如下： ( 1 ) 自行设计、加工、购买、组建了圆形管道内预混可燃气体爆炸及抑爆实 验装置。并以乙炔空气混合气为实验介质进行了关于爆炸波在受约束空间中 传播与抑制的实验研究。实验条件如下：乙炔浓度为化学计量比( 7 7 5 ) ，爆 炸初压为常压，管道内径为8 l m m ，长度为1 4 2 9 m ，点火端密闭，出口端丌 放。多层丝网结构与管道轴线垂直，丝网材质为不锈钢。 ( 2 ) 根据实验结果将超压的变化过程分为四个阶段，将气体燃烧的变化过程 分为三个阶段。得到了前驱冲击波峰值的经验公式、以及前驱冲击波末端与火 焰面的相对时间及相对位置关系的经验公式、最大超压值在时间上的变化规律 的经验公式、燃烧时间与火焰传播速度及测点位置关系的经验公式。前驱冲击 波阶段超压上升曲线比较规则，且压力上升速率逐渐增加，离点火处越远压力 上升速率增加得越快。实验中燃烧反应区的宽度要远大于湍流燃烧理论中的反 应区宽度。测到的管内各处最大超压值和二次反冲压力差值为管道内爆炸的预 防提供了参考。 ( 3 ) 对爆燃转爆轰过程( d d t ) 进行了初步研究，观察到此过程中前驱冲击波 阵面仍然行进在火焰面的前方，但二者的间距在减小。火焰面紧跟在激波前缘 的后面，二者同速传播，超压峰值的位置与火焰面重合。 ( 4 ) 利用理论模型对火焰传播速度进行了计算，并将火焰传播速度的实验值 与计算值进行了对比分析。依据实验值得到了管内火焰传播速度的经验公式。 ( 5 ) 分析了多层丝网结构对管内传播中的火焰的淬熄能力。得到了临界淬熄 速度、临界淬熄压差、临界淬熄量( 临界淬熄速度与临界淬熄压差之积) 与丝 网层数、丝网目数、金属丝径这三个多层丝网结构的几何参数之间关系的经验 公式。介绍了多层丝网结构对压力波的抑制效果。得出了最大超压下降比率与 多层丝网结构的三个几何参数之间的数学关系式。 关键词：抑爆；淬熄；丝网；火焰传播速度；爆炸超压 a b s t r a c t f l a m m a b l eg a s e s e x p l o s i o n s c a nc a u s e g r e a tc a s u a l t ya n de c o n o m i cl o s s s i n c ef l a m m a b l e g a s e su s u a l l y f l o wi n p i p e l i n e s ，t h e i n v e s t i g a t i o n s i n t o p r o p a g a t i o no fe x p l o s i o nw a v e sa n di t ss u p p r e s s i o nt e c h n o l o g yb e c o m eo n eo f k e yp o i n t so fe x p l o s i o nr e s e a r c h e s e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa r ec a r r i e do u tt oa n a l y z ev a r i a t i o nr e g u l a t i o n so f p a r a m e t e r si nf l o wf i e l da n dt h e i rc o u p l er e l a t i o n sa se x p l o s i o nw a v e sa n df l a m e p r o p a g a t i n ga l o n gt u b eo rt h r o u g hm u l t i - l a y e rm e s hc o n s t r u c t i o n t h em a i nw o r k a n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s u s e df o re x p l o s i o na n de x p l o s i o ns u p p r e s s i o no f f l a m m a b l eg a s e si nt u b ea r ed e s i g n e da n ds e tu p w i t hp r e m i x e de t h y n e a i rg a s e s ， e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa b o u te x p l o s i o nw a v e sa n df l a m ep r o p a g a t i n gi nt u b e a r ed e a l tw i t h e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r es e ta sf o l l o w s ：s t o i c h i o m e t r i cr a t ea n d a t m o s p h e r i cp r e s s u r e a r eu s e df o ri n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fe t h y n ea n di n i t i a l p r e s s u r e ；t h ei n s i d ed i a m e t e ra n dl e n g t ho ft u b e ，w h i c hi sc l o s e da ti g n i t i o ne n d a n do p e na tt h eo t h e r ，a r e8 l m ma n d1 4 - 2 9 m r e s p e c t i v e l y ；m u l t i l a y e rm e s h c o n s t r u c t i o nm a d eo fs t a i n l e s ss t e e l ，i sv e r t i c a lt ot u b ea x l e ( 2 ) a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ev a r i a t i o n so fo v e r p r e s s u r ea n df l a m e c a nb ed e s c r i b e da sf o u ra n dt h r e ep h a s e sr e s p e c t i v e l y s o m ee m p i r i c a lf o r m u l a e a b o u t ，s u c ha sp e a kv a l u eo fp r e c u r s o r ys h o c kw a v e s ，r e l a t i v et i m ea n dr e l a t i v e p o s i t i o n o ft h eo fp r e c u r s o r ys h o c kw a v e sa n df l a m ef r o n t ，t h ev a r i a t i o n so f o v e r p r e s s u r e w i t ht i m e ，t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nc o m b u s t i o nt i m ea n df l a m e p r o p a g a t i o nv e l o c i t y a n dm e a s u r i n gp o i n t s ，a r eo b t a i n e d a tp r e c u r s o r ys h o c k w a v es e g m e n t ，o v e r p r e s s u r e i n c r e a s i n gc u r v e sa r e r e g u l a r w i t ha c c e l e r a t i o no f p r e s s u r ei n c r e a s i n gr a t e ，t h ef a r t h e rm e a s u r i n gp o i n ti sa p a r tf r o mi g n i t i o np o i n t ， t h ef a s t e r p r e s s u r e i n c r e a s i n g r a t ei s t h ew i d t ho fc o m b u s t i o nr e g i o ni sf a r b i g g e rt h a nt h e o r e t i c a lv a l u ei nt u r b u l e n tc o m b u s t i o nt h e o r y d i f f e r e n c ev a l u eo f p e a ko v e r p r e s s u r e a n dr e a c t i v e p r e s s u r e f o rt h es e c o n dt i m ec a n p r o v i d e r e f e r e n c e sf o re x p l o s i o np r e v e n t i o ni nt u b e s ， ( 3 ) p r e l i m i n a r ys t u d yo nd e f l a g r a t i o nt od e t o n a t i o n ( d d t ) p r o c e s s i sm a d e i ti s f o u n dt h a t p r e c u r s o r ys h o c kw a v e ss t i l l t r a v e ib e f o r et h ef l a m ef r o n t 。a n dt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h e m d e c r e a s e s g r a d u a l l y f l a m e f r o n t c l o s e l y f o l l o w s s h o c k w a v e sa tt h es a m es p e e d ，a n dl o c a t i o no fp e a ko v e r p r e s s u r ei sc o i n c i d e n t w i t hf l a m ef r o n t ( 4 ) b a s e do nt h e o r e t i c a lm o d e l ，f l a m ep r o p a g a t i o ns p e e di sc o m p u t e da n d c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lv a l u e e m p i r i c a l f o r m u l aa b o u tf l a m ep r o p a g a t i o n s p e e d i nt u b ei so b t a i n e d ( 5 ) t h ee f f e c t so fm u l t i l a y e rm e s hc o n s t r u c t i o no nf l a m ep r o p a g a t i o ni nt u b e a r e a n a l y z e d e m p i r i c a l f o r m u l a sa b o u t r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc r i t i c a l v a l u e s ， i n c l u d eo f q u e n c h i n gs p e e d ，q u e n c h i n gp r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dq u e n c h i n ga m o u n t ( t h e p r o d u c t o f q u e n c h i n gs p e e d a n d q u e n c h i n gp r e s s u r ed i f f e r e n c e ) ，a n d g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ，s u c h a s l a y e r ，s c r e e n m e s ha n dw i r ed i a m e t e r a r e o b t a i n e d s u p p r e s s i o n e f f e c t so f m u l t i l a y e r m e s hc o n s t r u c t i o no n e x p l o s i o n w a v e sa r ei n t r o d u c e d ，a n dm a t h e m a t i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nd e c r e a s i n gr a t eo f t h e m a x i m u m o v e r p r e s s u r ea n dt h r e eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d k e yw or d s ：e x p lo s i o ns u p pr e s s i o n ；o u e n c h in g ；w ir e ；f ia l l l e pr o p a g a t io n s p e e d ：e x p 10 sio no v e r pr e s s l i r e 管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研究 0 前言 随着我国工业现代化的高速发展，特别是近年来石油化工、天然气工业的快速发展， 重大的燃烧爆炸事故屡有发生。燃料在生产、运输与存放过程中因意外泄漏引起的燃烧 爆炸事故逐年上升“1 。而爆炸时爆炸波的传播会造成邻近设备的二次爆炸，这将造成更为 严重的人员及财产损失。基于可燃气体爆炸的巨大破坏性，研究其引发破坏的模式，提 出防灾减灾的措施对于国家财产和人民生命来说意义重大。为此，许多学者致力于爆炸 波传播及抑制规律的研究。因为工业设备之间多为管道连接，因此爆炸波在管道内的传 播与抑制规律成为爆炸研究的重点之一。 在可燃气体燃烧和爆炸过程中，总是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆 炸造成的灾害损失都与燃烧及冲击波有关。爆炸的实质就是可燃气体的高速燃烧。压力 波的力学破坏和爆炸火焰引起的可燃物燃烧是可燃气体爆炸时的两种主要破坏手段。压 力波和燃烧火焰构成了爆炸波。在爆炸过程中压力波和燃烧火焰又是相互影响相互依存 的。若是没有压力波，爆炸也就蜕化成定压燃烧，火焰的传播速度很慢，容易抑制，不 具有大的破坏性。若是没有了气体的燃烧，压力波就失去了能量供给，其能量会随着传 播而不断衰减，最后消失。因此研究爆炸波在管道内的传播与抑制也就归结为研究压力 波和燃烧火焰在管道内和各种抑爆结构中传播时的变化规律以及它们之间的耦合关系。 对于管道内可燃气体的爆炸，前人已经做了不少研究工作，中科院力学所。1 、中国科 技大学”1 、中国矿业大学“1 、大连理工大学“1 等单位都开展了这方面的实验研究工作。但从 发表的文献来看，研究的内容要么侧重于压力波的变化，要么侧重于火焰传播速度的变 化，对压力波与燃烧火焰之间的相互影响关系没有给予足够的重视，没有把压力波和燃 烧火焰作为一个整体来研究。 目前对火焰的抑制方法很多，抑制技术也在逐渐成熟。经过多年的实验研究，多层 丝网结构因其性能优异逐渐被人们所关注，日本的北条英光、国内的王振成等对多层丝 网结构的阻火性能进行了实验研究”i 。但前人的研究都局限于考察多层丝网结构对低速 传播的燃烧火焰( 火焰传播速度为每秒几米) 的抑制作用，对高速传播火焰的抑制作用 研究较少。 近年来一些学者试图用多孔或可压缩材料来抑制压力波，并出现了两种抑制压力波 的理论，即抑制声动不稳定燃烧压力峰理论和横波抑制理论。但这只是对抑制压力波的 研究进行的初步探讨。 为了完善和发展管道内可燃预混合气体的爆炸与抑制的学术研究，本文以实验研究 为主要手段，通过对实验数据的详细分析，得出了圆形管道内可燃预混和气体爆炸时爆 炸波传播状况以及多层丝网结构对爆炸波抑制状况的若干规律。 在爆炸波传播状况的实验中，介绍了管道内的爆炸过程的各个阶段，前驱冲击波特 点及其与火焰面间的位置关系，最大超压及二次反冲过程的特点，管道内火焰传播速度 的变化情况，可燃气体的燃烧时间，压力波与燃烧火焰位置关系等方面的研究结果。 建立了管道内火焰传播速度的计算模型，并将火焰传播速度的计算值与实验值进行 了对比分析。 篁望堕塑望里燮墨堡堡生兰塑堡塑! 塑 在爆炸波抑制状况的实验中，介绍了多层丝网结构对管内火焰传播速度的影响，临 界淬熄速度、临界淬熄压差、临界淬熄量与丝网层数、丝网目数、金属丝径这三个多层 丝网结构的几何参数之间的关系，多层丝网结构对压力波抑制作用等方面的研究结果。 以上研究内容能够为管道内预混气体爆炸的预防与防护提供理论基础，研究预混气 体爆炸波在受约束空间中的传播与抑制不仅可以进一步认识包括燃烧、爆炸、化学反应 在内的流体流动的复杂现象的本质，有很高的学术价值，而且还能够为工业上抑爆、隔 爆和熄爆等安全技术提供理论依据，有深远的实际应用背景。 2 管道内预混可爆气体爆炸与抑爆的研究 1 文献综述 随着工业的高速发展，预混和可燃气体的爆炸已成为工业事故中最具有破坏性的灾 害之一。我国2 0 0 2 年7 1 0 月国内爆炸事故为5 9 起，其中可燃气体爆炸事故为1 5 起， 死伤人数达9 2 人。2 0 0 3 年7 1 0 月国内特大工矿事故为1 8 起，死亡人数为2 5 0 人，其 中爆炸事故就达7 起，死亡人数达1 8 4 人，占总死亡人数的7 3 6 。大量的事故原因分 析表明，可燃气体的爆炸事故占了事故总数的较大比例。 在可燃气体燃烧和爆炸过程中，总是伴随压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸 造成的灾害损失都与燃烧及冲击波有关。爆炸的实质就是可燃气体的高速燃烧。燃烧波 ( 燃烧火焰) 和高速燃烧时产生的冲击波是爆炸产生破坏作用的两种主要手段，因此找 出火焰和冲击波之间的耦合关系，对火焰和冲击波同时进行抑制是减小爆炸灾害的有效 方法。多数情况下气体都是在管路中流动的，因此关于管路中预混气体的燃烧状况及如 何抑制管中爆炸波传播的研究一直是国内外科研工作者关心的课题。目前爆炸与火灾的 科学防治已经成为社会安全保障的重要组成部分。 网孔结构因其体积小、重量轻、淬熄性能好，已成为管线中常用的阻火结构。目前， 关于网孔结构在抑制燃烧方面的研究已取得了初步进展，但基本上还处于通过实验来进 行经验总结的阶段，而网孔结构在抑制压力波方面的研究还较少。因此，针对爆炸波在 管道内传播的特点，研究网孔结构对燃烧波和压力波的抑制效果，并提出相应的防范措 施，不仅具有很高的学术价值，也具有重要的社会经济价值。 本章介绍了国内外有关预混气体爆炸及抑爆研究的最新进展。对非理想爆源爆炸特 点及影响气云爆炸的因素进行了评述，介绍了火焰的加速机理和气体湍流燃烧的研究现 状。对多层丝网结构对管内爆燃火焰的淬熄作用进行了评价，简要介绍了网孔结构对压 力波的抑制理论。通过上述文献评述，确定了本文的研究方向。 管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研究 1 1 可燃气体的爆炸 1 1 1 非理想爆源爆炸形式及特点 爆炸场的特征与形态是由爆源的状况和传播的状况共同决定的。按爆源状况的不同， 可将爆炸场划分为理想爆源爆炸场和非理想爆源爆炸场。理想爆源通常指核装药或高能 炸药等，爆源具有两个显著特点：一是忽略爆源体积；二是假设能量是瞬时释放的。 非理想爆源的两个特点：一是有限的能量释放速率；二是爆炸场参数与爆源的能量 密度有关。f a i s a l 。1 用实验方研究了能量释放速率与时间相关的爆源爆炸所产生的冲击 波。结果证明：近场，非理想爆源与理想爆源的爆炸场差别较大；远场两者结果相近。 该结果说明在非理想爆源爆炸场中，爆源的能量释放与时间相关。 可燃气体爆炸被认为是非理想爆源爆炸，与高能炸药这样的理想爆源相比，非理想 爆源具有爆源体积不能忽略、有限的能量释放速率、爆炸场参数与爆源能量有关三个特 点嘲。 可燃气体的燃烧爆炸可分为四种模式：定压燃烧、定容爆炸、爆燃和爆轰。定压燃 烧是无约束的敞开型燃烧。其燃烧产物能及时向后排放，其压力始终保持与初始环境压 力相平衡，因此系统的压力是恒定的。定压燃烧速度，或叫基本燃烧速度为其特征参量， 它取决于燃料的输运速率和反应速率。对大多数烃类燃料与空气的混合物，在化学计量 浓度下，其典型的基本燃烧速度为0 5 m s 量级。而与氧的混合时，其基本燃烧速度值比 与空气混合要高约一个数量级。 定容爆炸是燃料混合物在给定的刚性容器中均匀地同时点火时所发生的燃烧过程。 此为理想的模型，实际情况是不大可能均匀同时点火的，常见的是局部点火，扩展到整 体。由于爆炸过程进行得很快，密闭容器中局部点火所形成的参数与定容爆炸参数相差 无几，可用定容爆炸模型来处理。在定容爆炸过程中，容器体积保持不变，密度也不变， 而压力随燃烧释放的化学能的增加而增加。对大多数烃类燃料和空气的混合物，在化学 计量浓度下，定容爆炸的压力大约为初始压力的7 8 倍3 。 爆燃和爆轰是两种根本不同的燃烧模式，爆燃相对于波前未反应物来说是亚音速传 播的，其典型的传播速度为每秒几米量级；而爆轰相对于波前未反应物来说是超音速传 播的，其典型速度为每秒几千米量级。开敞空间可燃气云的爆炸过程通常属于爆燃过程， 以亚音速传播的火焰阵面前方有前驱冲击波扰动，即火焰在已被扰动介质中传播，从丽 形成两波三区结构，如图1 1 所示”“。 爆燃是由前驱压力波和后随的燃烧阵面构成的，是一种不稳定状态的燃烧波。它可 以因约束的减弱、排气及时而使压力波减弱，直至压力波消失而沦为定压燃烧。相反如 果爆燃波的边界约束增强，压力波强度增强，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力 波阵面，火焰阵面和压力阵面合二为一，成为一个带化学反应区的冲击波，就是爆轰波。 跨过爆燃波波面，压力和密度都是下降的；而爆轰波与之相反，跨过波阵面压力和密度 是增加的。 爆轰是气体或粉尘燃烧爆炸的最高形式。对大多数碳氢化物和空气的混合物，在化 学计量比的浓度下，典型的爆轰压力为1 5 m p a 量级，而纯氧中爆轰压力可提高一倍左右。 管道内预混可燃气体爆炸与抻爆的研究 z 区 i l 区 1 0 区 吒& 岛，“，p 0 。t 曰，n ，“，粤 怠岛， i 岛，互 i c 1 t ，。 l 岛，机 爆燃波蓐萄前驱冲击波降筒 e 一比内能；u 一粒子速度；c 一音速；y 一等熵指数 0 区一可燃混合气的初始状态； l 区一前驱冲击渡湮过后静状态 2 区一爆燃波阵面( 火焰面) 遁过后的状态 图1 1 爆燃过程的两波三区结构 f i g 1 。1t w o w a v e sa n d t h r e e a r e a o f d e f l a g r a t i o n w a v e 燃烧学中称雨果利奥( h u g o n i o t ) 曲线下支以亚声速传播的燃烧波为爆燃 ( d e f l a g r a t i o n ) 波，上支以超声速传播的为爆轰( d e t o n a t i o n ) 波。慢速爆燃模式很 容易实现，只需用一个很弱的点火源点火即可。例如只要用零点几毫焦( 对气体) 到 几十毫焦( 对粉尘) 的电火花源就可引起火焰或爆燃。而对大多数燃章革空气混合彻，直 接激发爆轰需要大约1 0 3 一1 0 6j 的起爆能量。这两种模式，在适当的条件下可以发生突发 性的转化，即从爆燃模式转变为爆轰模式。此过程一般称为“d d t ”( d e f l a g r a t i o nt o i ) e t o n a t i o nt r a n s i t i o n ) 。在实际情况下，有许多因素可使火焰层流燃烧速度加速到爆 轰状态。例如连续布置在火焰行进通道上的障碍物，能使火焰连续加速，而在足够长 的管道中就可使爆燃转变成爆轰。对敞开蒸气云，只要有局部的密闭条件，或可形成湍 流加速条件，或外加强刺激源，均有可能在大面积区域内，使爆燃转变成爆轰。因此， 在爆炸灾害的防护中应该设法防止火焰加速条件的形成，以避免从爆燃转变成爆轰。 常用的描述火焰速度的物理量有火焰传播速度稻燃烧速度。火焰传播速度是指火焰 前沿在其法线方向上相对于固定坐标系( 地面) 的速度。燃烧速度是指火焰前沿在其法 线方向上进入未燃混合气的速度，即火焰前沿与未燃混合气之间的相对速度。气体质点 相对于固定坐标系( 地面) 的速度称为气体流动速度。三者的量纲均为m s ，其矢量关系 可用下式表示： 火焰传播速度= 燃烧速度+ 气体流动速度 ( 1 1 ) 1 1 2 影响气云爆炸的因素 ( 1 ) 可燃气体种类 已有实验表明，可燃气云的种类、浓度对爆炸威力都有影响。气云爆炸出现的可能 性以及爆炸后产生的后果在很大程度上取决于燃料种类。已进行气体爆炸实验介质种类 5 笪堕堕堡塑里签墨堡整生量塑堡塑塑壅 达数十种，包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、氢气等，且包括一些混合气，如甲烷 与丙烷的混合气，液化石油气( l p g ，8 8 丙烷，1 0 丙烯，2 丁烷) 等，基本上涉及了工 业生产生活中气体爆炸事故的各种危险气体。研究发现，可燃气体的反应活性不同，产 生的爆炸威力有很大差别，如甲烷和丙烷分属低反应活性和中等反应活性气体，在m e r g e 的系列实验中，实验的其它条件相同时，丙烷气体产生的最大超压是甲烷气体的2 倍3 倍，可见，可燃气体的反应活性也是影响爆炸威力的一个重要因素“。可燃气体可根据 反应活性的定性分类见表1 1 “。气体反应活性越强，分子扩散快，则它爆炸产生的火焰 速度和超压值越大，产生爆轰的可能性也越大。 表1 1 可燃气体反应活性的参照分类 t a b l e1 1c l a s s i f i c a t i o n o f r e a c t i o na c t i v i t y o f c o m b u s t i b l e g a s e s ( 2 ) 可燃气体的浓度 要使气体爆炸，必须有三个基本条件： 1 ) 合适浓度的燃料气体； 2 ) 合适浓度的氧气； 3 ) 足够能量的点火源。 所谓“合适浓度”即指可以发生爆炸的浓度。每种燃料气体在氧气或空气中都有一 个发生爆炸的浓度范围。超出这个范围，即使用很强的点火源也不能激发爆炸，这个浓 度范围即爆炸极限。 可燃剂与氧气发生化学反应时可燃剂恰好被氧化剂全部氧化生成c o ：和h 2 0 时的浓 度称为化学计量浓度。当可燃气与空气以化学计量浓度混合燃烧时，可燃气体和氧化剂 完全反应。 化学计量浓度。可用c o 。h ：o 简化法则计算。对碳、氢、氧的燃料c r h “o c 和空气混 合气体，可以写成如下反应式： c a h b o 。+ 堕竿型( 0 2 + 3 7 7 3 n 2 ) 斗a c 0 2 + i b h 2 0 + 3 7 7 3 ( 盯+ 鲁一( 1 2 ) 据此，化学计量浓度g 可由下式计算： r 一 ! ! 鱼( 1 。3 ) h 1 “7 7 3 ( n + 竿) 对常见烷烃类燃料c h ：。空气混合物， c ： ! ! ! ( 1 4 ) “1 + 4 7 7 3 ( 1 5 n + 0 5 1 管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研戴 燃料和空气或氧气混合物的燃烧速度和放热量均随燃料浓度的变化而变化，当混合 比达到某一值时，其基本燃烧速度达到极值，此时的燃料浓度称为最佳浓度c 卅。厶一 般用体积百分数表示，但最佳浓度不等于化学计量浓度，由于化学反应的不完全性和燃 烧产物的离解和二次反应等原因，最佳浓度总是要高于化学计量浓度。常见的可燃气体 和空气混合物，其最佳浓度为化学计量浓度的1 1 1 5 倍，此时其基本燃烧速度及相应 的爆炸反应热达极大值，从安全角度考虑，最佳浓度为最危险的浓度，在此浓度下，爆 炸威力最大，破坏效应最严重“。 ( 3 ) 点火能量 点火能量对可燃气体的爆炸形式有重要影响。工业气云爆炸的点火源大多是静电、 电火花等，点火能量一般不超过! o m j ，均属于弱点火范围，在这样的条件下，点火能量 对气云爆炸威力的影响很小。研究者【9 j 对2 8 升容器内的9 5 的甲烷一空气混合物进行了 爆炸实验，分别以火花塞、1 0 0 m g 棉花火药、2 5 0 m g 棉花火药和4 0 0 m g 发光粉点火，结 果表明，前三种点火方式对爆炸强度没有显著影响，只是缩短了开始爆炸的时间，只有 很强的第4 种点火方式才使爆炸强度明显升高。当然，若采用更强的点火能量将会使爆 炸强度增强，例如用雷管引爆就会直接产生爆轰波，那己超出工业气云爆炸的范畴【l 引。 关于电火花点火的机理目前主要存在两种看法：一种是着火的热理论，它认为电火 花是一个外加的高温热源，由于它的存在使周围的局部可燃混合气温度升高，达到i 临界 着火状态而被点燃着火，然后再借火焰的传播，使整个容积内的混合气着火燃烧。另一 种是着火的电理论，认为可燃混合气的着火是由于靠近火花部分的气体被电离而形成活 化中心，提供了产生链锁反应的条件，链锁反应的结果，促使可燃混合气着火燃烧。实 验表明，这两种理论在电火花点火过程中都存在“。 以往的实验表明，当电极问隙内的混合比、温度、压力一定时，只有当电火花的放 电能量大于某界限值时，初始火焰才能形成并向外传播。这个必须达到的放电能量称 瓢 b 一 馨l + o 薹 蛾 凯 0 w ld 一毒 j lj l 川厶i |f 1 夕夕 j。幺 l p 1 _ 甲烷；2 一乙烷；3 一丙烷；4 一庚烷 图1 , 2 晟小点火能量与燃料空气混合比之间的关系 f i g i 2 r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m i r t i m u m i g n i t i n g e n e r g y a n d 出e r a t i o o f r u e ! - a i r a m a l g a m 7 竺望查翌望堕堂皇竺堡生皇塑堡竺竺圣 为最小点火能，以点赫表示。燃料的种类、混合气的成分、压力、温度、电火花的性质、 在点火位置处的流动情况以及电极的几何形状与间隙等因素对最小点火能都有影响。图 1 2 给出的电火花放电能量与不同混合气成分的关系曲线表明，不同的可燃混合气有不同 的最小点火能。即使对于同一混合气，随着其混合比的变化，厶。值也不同【1 7 】。 1 1 3 火焰加速机理 一团静止的可燃气体混合物被一个弱点火源点燃后，形成一薄层层流火焰。然后其 能量不断输送给邻近的冷混合气层。层流火焰的厚度一般为零点几毫米，由两个区域组 成：反应区和预热区。热量主要是由反应区的化学反应产生的，然后反应区的热量通过 传导和分子扩散而传送到预热区。在预热区，混合物被预热，这是预热区发生化学反应 的先导条件。所以，热传导和扩散的分子传递现象组成了层流火焰前驱的基本传播机理 d s 。图1 3 显示了穿越一层流火焰的温度的变化情况。 温 度 t e t 图1 3 穿越一薄层火焰的温度分布图 f i g 1 3t e m p e r a t u r e a c t o s sal a m i n a rn a m e 在化学反应区，燃烧产物温度很高，于是未燃烧的混合物受到压缩，产生一个前驱 冲击波。随着火焰继续向前延伸，相对于反应的混合物来说( 一直处于运动状态) ，火焰 以层流燃烧速度传播，这样，就形成了爆燃状态下典型的“二波三区”结构。 火焰传播过程中，由于火焰的不稳定传播会使火焰的表面产生褶皱，增大火焰表面 的面积，因此增大了火焰的有效燃烧速度，从而导致火焰传播速度加快。在活性相对较 低的碳氢混合物燃烧过程中，火焰的不稳定对火焰传播的作用会受到冲击波的限制。火 焰传播过程进一步的加速只有在合适的刚性边界条件下才会发生，因为刚性的边界会诱 导膨胀流的内部产生速度梯度和湍流的动机。当燃烧过程接触到膨胀流的内部的时候， 局部燃烧速率会在几个方面增加。在速度梯度里火焰会被延伸，从而增加火焰面积和有 效的燃烧速度。湍流不仅会增加热传递过程，而且会增加有效的火焰面积，即增大未燃 烧的混合物和燃烧产物之间的界面的面积。刚发生湍流时，湍流强度较低，漩涡只会褶 皱火焰表面和增加火焰的有效燃烧速度，当燃烧速度增加后，将会产生一个更强的膨胀 流。强的膨胀流又会导致流速增加，而高的流速又将加大湍流的强度，在高强度的湍流 r 要望塑堡望旦塑墨堡堡鉴兰塑堡塑型塑 的影响下，火焰会逐渐失去它原来光滑的表面，内部也发生变化。于是湍流的漩涡又倾 向于分裂火焰前驱，从而导致一个更高的燃烧速率，高的燃烧速率将又会产生更强的膨 胀流和湍流。这样，就会形成火焰加速的正反馈，其反馈机理如图1 4 所示“。 图l r4 可燃气体爆炸过程的正反馈 f i g 1 4 t h e p o s i t i v ef e e d b a c kc a u s i n g f l a m ea c c e l e r a t i o n 1 。1 4 预混气体的湍流燃烧“7 3 湍流燃烧的基本特点是燃烧强化，化学反应速度大。这可以是下述因素之一或共同 引起的，即： ( 1 ) 湍流使火焰面弯曲皱褶，因此增大了反应面积。 ( 2 ) 湍流增加了热量和活性物质的输运速率，从而增大了燃烧速度。 ( 3 ) 湍流可以加快己燃气体于未燃预混气的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。 由此可以看出，湍流燃烧是由湍流的流场性质和化学反应的动力学因素共同作用的， 其中流动的作用更大。 湍流是一种复杂的不定常的随机流动，湍流理论到目前为止尚未达到成熟阶段，人 们对湍流的物理本质还不很清楚。前人己提出多种物理模型以分析湍流燃烧，下面介绍 具有代表性的两种。 ( 1 ) 皱褶火焰面模型 皱褶火焰面模型的基本思想是：由于湍流的脉动作用，使平面形层流火焰面弯曲变 形，产生许多皱褶，甚至撕裂成大小不等的小岛状的密闭团块而增大了燃烧表面积。但 是这些变形的火焰表面仍保持着层流火焰前沿的基本结构，只是火焰面厚度比层流时有 所增加。由于燃烧表面积扩大，单位时间内可以烧掉更多的可燃混合气，所以湍流燃烧 速度s 比层流燃烧速度s 大得多。 达姆柯勒利用本生灯对丙烷与氧的预混合气燃烧火焰进行了实验研究，测量出了燃 烧速度随雷诺数船的变化情况。实验结果表明，湍流燃烧速度大于层流燃烧速度，且随 着雷诺数的增加，湍流燃烧速度有不同的变化规律。当r e 2 3 0 0 时，为层流火焰，这时 湍流燃烧速度与层流燃烧速度之比s , s ，= 1 。当2 3 0 0 r e 一 6 0 0 0 时，燃烧速度之比s s 。c r e 。 9 管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研究 ( 2 ) 容积燃烧模型 在讨论层流火焰时，因其反应区很薄而被看作几何面，而在湍流燃烧中，因湍流火 焰反应区比层流火焰反应区厚，不能再近似地看作几何面，所以在讨论湍流火焰传播时 把在湍流火焰中开始发生燃烧反应的几何面称为湍流火焰前沿，它把未燃气体与正在燃 烧的气体区分开。在某些强湍流的情况下，燃烧反应并不像层流火焰传播那样集中在很 薄的火焰前沿内，而在弥散在一个宽广的区域内，这个区域称为反应区，其厚度通常为 层流火焰前沿厚度的1 0 1 0 0 倍。因此萨默菲尔德和谢琴科夫等人提出了容积燃烧模型。 容积燃烧模型认为：在强湍流的情况下，由于湍流扩散极其迅速，以致在微团中不 可能维持层流火焰结构。每个微团中的温度和浓度在其存在时间内是均匀的，但不同的 微团中温度和浓度不相同。有的达到着火条件就整体一起发生剧烈反应，有的还未达到 着火条件就不断地向周围脉动扩散而消失并形成新微团。 由于微团的湍流混合速度影响着燃烧速度，因此容积燃烧模型又称为微扩散模型。 皱褶火焰模型和容积燃烧模型的假设前提都是比较极端的，实际情况可能是介于两 者之间。由于湍流燃烧的理论研究目前还不成熟，所以实用上往往根据实验结果整理出 一些经验公式来进行计算。 ( 3 ) 常用的湍流燃烧速度的经验公式 博林杰和威廉姆斯使用本生灯对丙烷一空气、乙烯一空气、乙炔一空气3 种可燃混合气 产生的湍流火焰进行了实验测定。并将实验结果整理成如下的经验公式 = 0 1 8 s , d “r e “ 【1 5 ) 式中d 一本生灯管直径，c m 。从式中可以看出湍流燃烧速度不仅与s 和r e 成正比，而且 还与本生灯管径成正比。 乌海对丙烷一空气组成的混合气得到下式 墨- l + 2 6 2 生“4 ”2 ( i6 ) sl 2 4 而对丁烷一空气得到的经验公式为 s _ t = 1 + 0 0 2 u o 卜+ 霉 n ， 塔兰托夫对煤油一空气组成的混合气得到 s 1 5 3 f 厅r ( 1 8 ) 哥登堡和佩莱文在实验中发现，如果保持嘶不变，且维持兰 = 4 5 ，则s 随p 的增 1 0 管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研究 加而增加，即 为主流速度，乒为湍流脉动速度均方根值。 3 0 2 5 亩2 0 暑 奶1 5 o 5 夕 i 妒) 怎 尹 零 。荔 备 曩忑 蘩( b 蝣啊z 勘 l 誊瓣f 啕铀s ) 已烯 p l _ o 簪噶鬈 雪4 一 丙靛 缓粼 r 旷 管径 警酗 守。一 宜6 2 8 m 期 、 。钆娼 插z 9 s 丙烷 0 4 5r n 如， 42 8 t 3 ( 1 9 ) 0 1 02 0 3 0 柏1 0 3 r o 图i 5 湍流火焰燃烧速度随气流向数的变化 f i g 1 5 r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i n t h ec o n d i t i o n o f t u r b u l e n t c o m b u s t i o n v e l o c i t ya n d r e o f a i r f l o w 1 。1 5 爆炸终态压力的计算 很多学者对管道内预混可燃气体的爆炸状况进行过研究，文献 1 2 中给出了无约束 泄压容器爆炸终态压力的计算公式。这里对公式推导加以简单的介绍。 图1 6 无约束泄压容器一般情况 f i g 1 6 c o m m o n c o n d i t i o n i nu n r e s l r a i n e d l y p r e s s u r ev e n t i n g v e s s e l 管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研究 设爆炸容器的体积为k 内装燃料一空气混合物，其初始压力为大气压力只，初始温 度为乃。容器壁上有一泄压1 ：3 ，为便于说明，用图1 6 中圆管容器一端开口泄压来表示， 这不影响推广到球形、方形、及其它所有的情况。点火后，火焰燃烧体积坛，温度乃。 如容器封闭，则容器内最大绝对压力为只，而在泄压容器中，此压力用p ( 泄压容器中的 瞬时压力或最大压力) 表示。容器中开始时质量为n o ，燃烧掉质量为1 7 b ，未燃烧掉的质 量为风，在时刻f 时通过泄压口泄放的质量为仇，由质量守恒可知： p k = r 瓦 ( 1 1 1 ) p k = e ( v 一圪) = 心r l ( 1 1 2 ) p o v = n o r l ( 1 1 3 ) 爆炸终了的气体状态方程( 不考虑泄出气体，即n 产0 ) 为 只v = n o r t h ( 1 1 4 ) 将( 1 1 0 ) 中的仉和( 1 1 1 ) 中的e 代入( 1 1 2 ) 得： 肌尸v b = r t , ”警啦k ( 11 5 ) 上式中腮和腮项可分别用式( 1 1 3 ) 、式( 1 1 4 ) 消去，整理后得到燃烧体积k 的计算 秽掣1 p o 当火焰充满容器时，v b = v ，式( 1 1 6 ) 变为 p = ( “n o - n ) 只 ( 1 1 7 ) 闭容器中爆炸最大压力只乘以容器中剩余物质量塑二笠。当然，此值是近似的，因为这 里假设泄压容器中的爆炸温度与密闭容器中的爆炸温度相同，均为 2 管道内预混可燃气体爆炸与抑爆的研究 1 2 多层丝网结构对管内爆燃波的：j ：r p 韦l j 作用 1 2 1 爆燃波自n ：l p n 思路 当一个理想的火焰阵面从点火源向外扩展时，由于火焰阵面两侧状态发生突变，形 成一个比火焰速度侠的压缩波，此压缩波阵面称为前驱冲击波阵面。这样，一个爆燃波 在行进过程中形成两波三区结构，即未燃区、前驱冲击波阵面、扰动区、燃烧波阵面( 火 焰面) 、已燃区“”。 在预混气的爆炸中总是伴随温度和压力的急剧上升，压力波和燃烧波是其产生破坏 作用的两种主要手段，所以对火焰和压力的同时抑制是减小爆炸灾害最有效的方法。目 前对火焰的抑制方法很多，抑制技术也在逐渐成熟。经过多年的实验研究，网孔结构因 其性能优异逐渐被人们所关注，现在己初步总结出其淬熄性能的实验规律，但却鲜见关 于多层丝网结构对压力波抑制作用的文献。研究多层丝网结构对火焰和压力波的抑制规 律不仅具有很高的学术价值，而且也会对实用抑爆技术产生积极的推进作用。