（安全技术及工程专业论文）预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究.pdf

预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 t h es t u d yo fp r e m i x e df l a m ep r o p a g a t i n ga n dq u e n c h i n gi nn a r r o w c h a n n e l a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o n si n t op r e m i x e dn 锄ep m p a g a t i n gmn a m e 姗s t e re l e m e n t sa r eq u i t e i m p o n a l l tf o rd e s i g na n da p p l i c a t i o no fn 啪e 黜s t e r ss i n c en 锄ea r r e s t e r sa r ew i d e l yu s e d i nc o m b u s t i b l eg a st r a i l s p o r tp i p en e t w o r ki 1 1i n d u s 蚵t oa v o i dd i s a s t e re x p l o s i o n a i l l l i n gt 0 p r o v i d ct h e o r e t i c a lr e f b r c 】e sf o rd c n a g r a t i o ns u p p r e s s i o na i l dn l ed e s i g no fn 锄ea h e s t e r s ， p r e m i x e dn a m ep r o p a g a t i l l ga n dq u e n c m n gi nn a r r o wl 】i l d e rd i 疏r e mc o n d m o f l sa r es t i l d i e d i nm i s p a p e ri ne x p e r i m e n ta l l dn u l t l e r i c a ls i m l l l a t i o n s p r o p a n e a i rp r e r n i x c dn 锄ep r o p a g 撕n ga n dq u e n c l l i n gi nn a m w c h a n n e la r es t l l d i e di n e x p e r i m e n t ，a n dt h er e l a t i o n s h j p sb e t 、v e e nt h eq u c n c l l i n gd i s t a n c c 研血t h en 锄ev e l o c 蚵a i l d c h a n n e lg 印a r eo b t a i n e d m e a r l w h i l e ，t h e s er c s u l t sc a ng i v em o r er e f b r e n c et ot h ew o r ko f n u r n e r i c a ls i m u l a t i o n s t 、一d i m e n s i o n a l 也e o r e t i c a lm o d e lf o r1 l n s t e a d yp r e l n i x e dn 锄ep r o p a g a t i n gi np a r a l l e l p l a n ei sb l l i h a f t e rg r i ds i z cs e n s m v i t ys i m u l a t i o n sa r ep e r f o m l e di nf l u e m ，ag e n e r a l p r o p o s ec f dc o d e ，p r o p a i l e 协ra n dm e m a n e a i rp r e i i l i x e dn 锄ew i md i 脑r e n tv e l o c i t y p r o p a g a t i n gi nn a r r o wc h a n n e lu n d e rd i f r e r e mc h a n n e lg a pa n dw a l lt e m p e r a t u r ep a m l l e l p l a n ea r es i m u l a t e d ，a n dt b eq u e n c h i n gd i s t a n c e su n d e rd i 脏r e mc o n d i t i o n sa r co b t a i n e d 1 m e n u m e r i c a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n ti nm i sp 印e ra n dt 1 1 el i t e r a t i l r e 1 1 l ed a t a a r ec o n s i s t e 呲w i t l le a c ho l e r ，w h i c hi n d i c a t et h a tm en u m 耐c a lm e t h o di n 也i sp 印e ri s f e a s i b l e a c c o r d m gt ot h ea n a l y s i so ft h em a s sn 哪e r i c a ld a t a s ，t h em l e so fp r e m i x e dn a m e p r o p a g a t i n ga n dq u e n c h i n g i nn a r r o wc h 8 n n e la r eo b t a i n e d t h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ea 1 1 ds p e c i e sc o n c e n t r a t i o ni ss h o w ni nd e t a i l ，趾dt h eu n s t a b l e p h e n o m e n o ni sf o u n dw h e np r e m i x e dn a r n ep r o p a g a t e si nn a r r o wc h a m l c l s p e c i a la 他r l t i o ni sd e v o t e dt ot h ei n 丑u e n c eo fn 锄ev e l o c i t y ，c h a n n e lg a pa n dw a l i t e m p e r a t u r et oq 咖c h i n gd i s t a n c e q u e n c h i n gd i s t a n c e su r l d e rd i f f b r e mc o n d i t i o n sa r eg o t f o ra 王1 ys p e c i 行cn 锄e ，w h e n 吐1 ef 1 蛐ev e l o c 时i ss m a u 趾dt h ec h 锄e l i sn a r r o w ，t h e q u e n c h i n gl e n g t hb e c o m e ss m a l l e rc o i n p a r e dw i t ht l l ec a s eo f h i g hi n n o wv e l o c 时a n db r o a d c h a n n e l t h eq u e n c h i n gl e n g mi sl a r g e rf o r 血el l i g h e rt e m p e r a l = i l r eo fw a l la tn l es a m en 蛐e v e l o c 岭a n dc h a 衄e lg a p t h cl a r g e r 廿l en a m ev e l o c 埘a n dc h 籼e 1g a p ，l em o r ed i s t i c tt h e i n f l u e n c eo f 廿1 ew a l lt e m p e r a t l l r eo nq u e n c h i n gl e n g t h 大连理工大学硕士学位论文 t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eq u e n c h j n gd i s t a i l c ea n dn 锄ev e l o c i 哆，c l l a n n e lg 印，w a l l t e m p e r a t u r ea r ea sf o l l o w s ， 幻圪 n g矿l d i m e n s i o n l e s sc o n s 劬tco f 也e s ef h c t o r si su n c o v e r e d t h ea b a cd i m e n s i o i l l e s sc o n s t a n tci s w o r k e do u t q u e n c h i n gd i s t m c eo fd i f k r e n tv e l o c 时c a nb ee a s i l yc a l c u l a t e d ，a c c o t d i n gt o d i r n e n s i o n l e s sf o m l u l aa n dc o n s t a n tc t h e p r e 】：i l i x e dn 锄ep r o p a g a 廿n ga 1 1 dq u e n c l l i n gi nn 帅wc h 锄e 1h a sb e e nr e v e a l e da i l d t l l er i l l e so fq u e n c h i n g ，w h e nf l 锄ep r o p a g a t i gi nn a r r o wp 删1 e 1c h a r u l 乩a l s oh a v eb e e n g i v e n t h ec o 玎e s p o n d i n gd i m e n s i o n l e s sr e l a t i o n s h i p so b t a i n c dc a nb eu s e 如lf o rt h ed e s i 盟 柚da p p l i c a t i o no f t l l en 锄ea n _ e s t e r t h e s es t u d i e sh a v ep o s i t i v ee f f c c to nt h ed e v e l o p m e n to f e 冲1 0 s i o ns u p p r e s s i o nt h e o r y 髓dt h ea p p l i c a t i o no f e x p l o s i o ns u p p r e s s i o nt e c h n 0 1 0 9 y k e yw o r d s ：e x p l o s i o s u p p 阳s s i o n ；q u e n c h i n g ；p r e m i x e df l a m e ；w a t e m p e r a t l i r e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：葛8 夯姻日期：芝：6 ：兰f ： 大连理t 人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盘知务蛸 导师签名： 卑扯 递年丘月卫日 大连理工大学硕士学位论文 弓 随着现代工业的高速发展，生产的大型化、集成化、复杂化，特别是近年来石油化 工、天然气工业中重大的燃烧爆炸事故屡有发生，造成了严重的人员财产损失，防爆抑 爆一直是热门的研究课题。现代工业中广泛应用管道作为输运介质的重要设备，现代的 化工厂、钢铁厂、食品加工厂等企业中通常有复杂的管网系统，同时管道输运也是石油、 天然气的重要输运方法，所有灾害事故管道输运过程中发生的占到了8 3 1 】，因此管道 内可燃气体的传播及抑爆规律成为了重要研究的课题之一。 为了防止在非正常条件下，火焰沿输运可燃气体的管网中传播，避免爆炸灾害事故 的发生，工业上常使用阻火器( 又名防火器、隔火器、火焰捕捉器等) 来阻止易燃气体和 液体、蒸气火焰的蔓延。早在1 9 2 8 年阻火器就应用于石油工业中，之后又广泛应用于 矿山、煤矿、水运及化学工业等领域，它能有效抑制管网输运可燃性气体时发生的燃烧 爆炸。在石油工业中，阻火器应用于石油及石油产品的储罐上和输送石油气体的管线上。 当储存轻质石油产品的油罐遇到外界明火或雷击火花时，就有可能引起燃烧或发生爆 炸，为了防止这种危险的产生就应安装阻火器；假若管道上的易燃气体被引燃，气体火 焰就可能传播到整个管网，为了避免这种危险的发生，也应采用阻火器；在管端气体燃 烧的管线上，为防止回火而造成输气管网的破坏，也应采用阻火器。 目前阻火器的构造一般是由丝网、填料或波纹板等构成，利用火焰通过狭小缝隙时， 被阻火结构分成许多细小的火焰流，由于壁面作用，热损失突然增大及燃烧反应壁面中 断效应的影响，使燃烧不能继续，从而实现阻燃的目的。平板狭缝结构由于能承受较猛 烈的爆炸，易于制造和清理板间积尘的特点，广泛地应用于阻火器装置中叫。 国内外对于狭缝中火焰传播及淬熄的研究，主要侧重的是实验研究，得出了一些经 验性的结论。早在十九世纪h d a v y 3 1 为解决煤矿中瓦斯爆炸问题进行了早期的淬熄实验 研究，二十世纪以后国内外学者开展了对淬熄现象的定量化研究工作。w 。p a y m a l l 等【4 佣 煤气空气和甲烷空气作了火焰通过小直径管道时的淬熄研究，结果表明，火焰穿越小 直径管道的能力主要取决于火焰的传播速度。j m h 0 1 1 n 【5 6 】采用烧嘴法对多种燃气预混 气火焰的淬熄直径进行测量实验研究，指出小直径通道对火焰的淬熄作用受多种因素的 影响，主要取决于淬熄直径，通道壁面材料的导热系数居其次。m m a e k a w a 【7 1 用甲烷 空气预混气火焰研究了矩形狭缝间距与淬熄长度的关系，但未涉及到火焰传播速度这个 重要因素。n o r i m a s ai i d a 1 等人用纹影照相获得了丙烷空气预混火焰通过u h j 。变间距矩 形狭缝时的三种不同姿态，但没有给出我们所关注的狭缝间距与淬熄长度的关系。中蚓 科学技术大学周凯元 10 ，“】采用相机b 门拍摄的方法研究了甲烷空气、丙烷空气、乙炔 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 空气、氢气空气预混火焰在狭缝中传播的情况，获得了火焰传播速度与狭缝间距、淬熄 长度之间的关系。并以热平衡理论为基础对气体爆燃火焰的淬熄理论模型进行了探讨， 给出了熄灭温度算式及火焰传播速度与淬熄直径、淬熄长度关系的理论算式。文献 1 0 ，1 1 作者在实验过程中比较了两次条件完全相同的实验照片，火焰速度相近，但相同狭缝间 距的淬熄长度却相差较大。淬熄长度较大的情况是在连续进行了多次爆炸实验后得到的 实验结果，即多次实验之后，阻火单元的温度上升，增加了散热困难，使得淬熄长度变 长，影响了阻火效果，但针对这一现象并没有进一步的研究。 理论研究方面早期s p a l d i n g 【l2 】提出的，用能量平衡的观点来描述火焰淬熄，该理论 认为火焰熄灭和燃烧极限是由于燃烧反应热量的损失引起的，推导出了淬熄间距的表达 式；国内周凯元【1 1 在大量简化假设的基础上，利用边界层理论，推导出了一维定常火焰 在狭缝中淬熄的淬熄长度与火焰速度和狭缝间距的关系。随着c f d ( c o t 坤u t a t i o n a lf 1 u i d d y n a m i c ) 及计算机技术的发展，c f d 作为一项技术、一种工具越来越得到了广泛的应 用，c f d 可以弥补实验研究的不足。a l y 和h e 彻a 1 1 c e 1 2 】研究了预混丙烷空气火焰在平 板通道间熄灭的当量直径；c l h a c k e r t 等1 1 4 1 模拟了热边界条件对通道中火焰形状及熄灭 的影响：j d a o u 【i5 j 研究了模拟了不同的强迫对流流动情况下传热损失对通道中预混火 焰传播的影响及不同狭缝间距的火焰熄灭情况，但没有给山我们所关心的淬熄长度与火 焰速度、平板间距的关系。国内利用c f d 研究预混火焰在狭缝中传播与淬熄的报道较少， 大连理工大学宋占兵【16 】建立了预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的二维模型，研究了乙 炔空气预混火焰在狭缝中传播与淬熄的过程，分析了不同狭缝间距及不同点火条件对火 焰传播与淬熄的影响，但没有考虑壁面温度的影响。 鉴于前人研究的不足，为了完善和发展管道内预混可燃气体燃烧爆炸与抑制工作， 本文以数值模拟为主要手段，辅以实验验证，研究了预混可燃气体在平板狭缝中传播与 淬熄的过程，在分析大量数值模拟的数据基础上，总结了火焰速度、狭缝间距和壁面温 度等因素对淬熄的影响，获得预混火焰速度、狭缝间距、壁面温度与淬熄长度的关系。 本研究详细分析了预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的过程，包括温度场及各组分 浓度的变化，研究了壁面温度对预混火焰传播与淬熄的影响，所得出火焰速度、狭缝间 距、壁面温度与淬熄长度的关系能为阻火器的研究设计及工程应用提供参考。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 燃烧爆炸作为人类获取能量的一种重要方式，如果在不恰当的环境下发生，会给人 们带来巨大的生命财产损失。调查显示，可燃烧气体燃烧爆炸事故发生的频度和损失程 度都有增加的趋势，这是由于生产过程越来越大型化、集成化、复杂化，这也使得人们 对安全生产的要求也越来越高。基于可燃气体爆炸的巨大破坏性，研究其引发破坏模式， 提出防灾减灾措施对于减轻国家财产损失和保障人民生命安全意义重大，许多学者致力 于燃烧爆炸及抑制规律的研究。现代工业中广泛应用管道输运作为输运介质的重要方 法，化工、钢铁厂、食品加工厂等企业中通常有复杂的管网系统，据统计用于化工产 管道建设的投资约占化工厂全部投资的3 0 ，同时管道输运也是石油、天然气和煤气的 重要输运方法。管道输运的可燃介质在遇到点火源时，发生燃烧爆炸并沿输运管网传播， 造成重大的灾害事故，因此管道内町燃气体的传播及抑爆规律成为了重要研究的课题之 一。 本章介绍了国内外管道内预混气体抑燃抑爆及淬熄研究的最新进展。首先简要叙述 了可燃气体燃烧爆炸的过程及火焰的加速机理，介绍了管道内预混可燃气体的燃烧爆炸 和抑燃抑爆的最新研究进展：然后介绍了工业中阻火器的应用，重点介绍了阻火器狭缝 阻火结构抑燃抑爆机理及研究现状，最后介绍了预混火焰在狭缝中传播与淬熄的理论及 数值研究。通过上述文献内容的评述，确定了本文的研究方向。 1 1 管道内可燃气体爆炸及抑制技术研究进展 1 1 1 可燃烧气体燃烧爆炸的四种模式 可燃烧气体燃烧爆炸的发生需要同时满足两个条件，其一是可燃烧气体与空气或氧 气混合并达到一定的比例，其二是要有点火源。可燃烧气体燃烧爆炸通常可分为四种模 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外排放，其压力始终与初始 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o 5 1 1 1 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 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 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【1 ”。 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。如果气体燃烧过程中，火焰遇到约束，或者由于 扰动而使火焰在预混气体中逐渐加速，则会建立起一定的压力，形成压力波，这样的过 程称为爆燃。爆燃是一种带有压力波的燃烧，火焰以亚音速传播，压力波则以当地音速 向前传播，行进在火焰阵面之前，叫前驱冲击波。因此，爆燃是由前驱冲击波和后随火 焰面构成的。开敝空间可燃烧气体的爆炸过程通常是属于爆燃过程。以亚音速度传播的 火焰面前方有前驱冲击波扰动，即火焰在已被扰动的介质中传播，从而形成两波三区结 构如图1 1 所示。 2 区1 区 卜 io 区 前驱冲击波阵面 图1 1 爆燃过程的两波三区结构 f i g 1 1t w ow a v e sa n d t h r e ea r e ao f d e n a g r a t i o nw a v e 爆轰是气体爆炸的最高形式，它以超音速传播，跨过波阵面，压力和密度都是突变 的。烃类气体与空气混合物的爆轰速度大多在1 8 0 0 m s 量级，爆轰压力在1 5 m p a 量级。 爆燃是由前驱压力波和后随的火焰面构成的，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，直至火焰阵丽追赶上前驱压力波 阵面，火焰阵面和压力阵面合二为一，成为一个带化学反应医的冲击波，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。 在实际情况下，有许多因素可使火焰由层流燃烧加速到爆轰状态。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 大连理工大学硕士学位论文 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。 1 1 - 2 火焰加速机理及障碍物对火焰加速的影响 一团静止的预混可燃气体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未燃混合气。火焰面的厚度小于一毫米，反应区的厚度更是只有几 十至几百微米，在这很窄的区域内完成9 5 9 8 的化学反应、热传导和物质扩散等过程。 层流火焰由两个区域组成：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【1 9 。图1 2 显示了穿越层流火焰的温度的变化情况。 温 度 t e 图1 2 穿越层流火焰的温度分布图 f i g ，1 2t e m p e r a t u r ea c r o s sal a m i n a rn a m e 在化学反应区及已燃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，如图 1 1 。火焰传播过程中，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。 不少学者开展了大量有关障碍物对火焰传播影响的研究：如周凯元等【2 0 设置加速环 对爆燃火焰在直管中加速运动的规律及影响因素进行了实验研究，包括爆燃火焰在光滑 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 内壁管道中的传播状况、管道直径和点火能量的变化及障碍物对火焰加速的影响，得出 以下结论：闭端点火比开端点火火焰加速增大5 倍以上，且管径较大加速也较大；点火 能量的影响仅限于火焰的传播初期，而障碍物对爆燃火焰的加速影响很大，并对当前的 工业阻火及防爆安全提出了新的要求。 障碍物对火焰传播影响的实验研究也是国外很多学者的主要研究方向。f a i n e 砒l c r 等【2 u 2 】对圆管内壁上设有障碍环的气体爆炸流场进行研究，所进行的火焰成像研究显示， 在主要的火焰波阵面离开容器导致高的超压之后，障碍环后残留的未反应的混合气体将 发生剧烈反应，进一步增进了火焰的加速作用。 i b m h i i n 等1 2 3 】介绍了一套新的实验设置，综合研究了障碍物尺寸、阻塞率和泄放压力 对预混火焰爆燃过程超压的影响。实验设置的是单层的障碍物，形状包括圆柱形、三角 形、方形、菱形、平板形，阻塞率从1 0 7 5 。从中发现：障碍物的几何形状和阻塞 率不同，火焰的形状和传播速度不同。 当燃烧过程接触到膨胀流内部的时候，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，强膨胀流又会导致流速增加，而高流速又将 加大湍流的强度，在高强度湍流的影响下，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 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l _ 3 所示【z 。 图1 3 可燃气体爆炸过程的正反馈 f t g - 1 3t h ep o s i h v e 慨曲a c kc a u s i n gf l 咖ea c c e l e r a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 总之，管道内出现町燃气爆炸时，特别是有湍流的混合物和有爆炸从一个管道向另 一个管道传播的危险时，混合物的流动效应和与此有关的湍流变化决定了爆炸过程。这 时，正常燃烧速度的重要性是次要的，也就是说，燃烧过程与刈燃气的种类几乎无关。 在比较小的管道内，燃烧经过短的路程便可转变为爆轰( 或似爆轰) 。 1 1 3 管道内可燃气体爆炸及抑制的研究 管道内预混可燃烧气体发生燃烧爆炸时，管内火焰由点火处向出口端传播，如果没 有有效地抑制火焰传播的因素，火焰将不断加速，直至发生爆燃爆轰，造成重大的灾害 事故。因此，有大量的学者开展管道内可燃气体燃烧爆炸抑制的研究工作。 图1 4 为管道内同一测点处的压力和火焰的变化曲线图【2 5 】。爆炸时超压的变化可分 为四个阶段：1 2 为前驱冲击波阶段，2 3 为升压阶段，3 4 为降压阶段，4 6 为余 波阶段，其中4 5 为二次反冲过程。从图中可看山火焰燃烧的变化过程可分为三个阶 段：a b 为末燃阶段，b c 为燃烧阶段，c 之后为已燃阶段。 -“ 图1 4 超压与火焰关系图 f 培1 4r e l a t i 衄s h i po f o v e r p r e s s i l r ea n dn a r n e ( 1 ) 前驱冲击波阶段 火花塞点火后在电极周围形成可自持传播的火焰波，火焰燃烧后放出的热量又使邻 近的未燃气发生燃烧，放出更多的热量。同时热量又使气体的温度骤升体积膨胀进而诱 导形成前驱冲击波( 压力波) ，前驱冲击波使未燃气体发生扰动并推动气体向管道的山 口端流动。由图1 4 所示前驱冲击波通过该测点时，超压开始上升。随着燃烧波阵面的 不断向前移动，燃烧所放出的热量也在不断通过辐射、传导等方式预热火焰下游的未燃 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 气体，未燃气体的温度升高、超压继续上升。此阶段中各测点处的超压值逐渐上升，超 压曲线较为规则。 ( 2 ) 升压阶段 当燃烧波阵面传播到该点时，全部气体参与持续燃烧。不断放出热量，气体的温度、 压力上升，体积膨胀。在此阶段里测点处的气体持续燃烧放出的热量使超压曲线出现了 第二个上升阶段，并在燃烧阶段结束前达到了最高值。针对此阶段徐胜利【2 6 j 从非定常 e u l e r 方程出发，用高精度分辨率的t v d 格式，对圆柱形空腔内的启运爆炸波对壁面作用 问题进行了数值模拟。计算获得圆柱形空腔内气云爆炸场复杂的波系结构及其演化过 程、壁面任意指定点的压力时间曲线。还给出了同体积、不同形状的气云爆炸对壁面的 作用效应。文献【2 7 ，2 8 】中给山了火焰速度和最大超压值的简单关系。 ( 3 ) 降压阶段 此时该点处火焰开始熄灭。已燃气体的温度开始降低，超压下降。另外在前驱冲击 波阶段因压力升高，大量未燃气体被压力波推动从出口端流到管外，在燃烧阶段因温度 上升带动体积膨胀，又有部分气体流出管道。以上原因造成在降压阶段管道内仅残存少 量气体，温度降低后，超压快速下降并出现负压。 ( 4 1 余波阶段 此阶段开始时管道内压力处于最低值，而管道山口处压力为常压，由于压差的作用 管道外的气体开始从出口端流入管内，管内压力开始回升，直至超压再次达到峰值，形 成二次反冲。之后因点火端压力高于管外压力，气体再次向出口端流动，超压下降。如 此反复，该点超压值出现多次震荡，但超压值要小于二次反冲值，破坏作用有限。余波 阶段可持续上百毫秒。至此，爆炸过程结束。 在余波阶段存在着：二次反冲现象，且越靠近点火端二次反冲的超压值越大，这与文 献【2 9 ，3 0 中的数值计算结果相一致。文献 3 1 】【3 2 】利用数值方法模拟巷道内瓦斯爆炸状况 时指出了二次反冲的破坏性，并对二次反冲的机理进行了解释，但并未从实验入手加以 研究证实。爆炸时设置在管道或矿道中的设备在承受了一次超压很高的正向冲击以后， 其结构有可能已经发生破坏，这之后的二次冲击可能会造成更为严重的破坏。因此在设 计非密闭的管道或矿道时对二次反冲的破坏作用要予以足够的重视。 王从银等 2 9 1 利用高速摄影仪拍摄了贫燃料、最佳当量比及富燃料甲烷空气预混火 焰在管道内的爆炸传播情况，如图1 5 所示为一次爆炸过程中所拍摄到的火焰图像，火 焰是从右向左传播，混合气体中甲烷的体积浓度为9 5 ，拍摄速度为1 0 0 0 幅秒。从图 中可以看出在爆炸后的一段时间里管道内的可燃气体都在燃烧。火花塞点火后在管道内 形成了可自持传播的燃烧反应区，在燃烧反应区的最前端是燃烧波阵面( 火焰面) 。随 大连理工大学硕十学位论文 着时问的推移，火焰面不断地向出口端传播，在某一时刻火焰面从山口端传出管道，而 此时管道内各个测点处的町燃气体仍在燃烧，也就是说在燃烧阶段的一段时间罩整个管 道内的气体都在燃烧，燃烧反应区的范围达整个管道。与文献 3 0 】的实验研究结论也是 一致的，爆炸实验管道的长度为2 0 m ，通过测量系统得到的数据可以看到爆炸时燃烧反 应区在管道内由点火端向另一端传播，燃烧反应区的长度可达6 m 。 46 789 1 01 11 2 图1 5 火焰传播图像 f 嘻1 5p 1 c t u r co f n a m ep r 叩a g 撕 燃烧理论在讨论湍流火焰传播时把在湍流火焰中7 f 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，存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，而是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。量级为厘米口。 但文献眇j ”中给出了实验中测出的以时间单位来度量的火焰厚度，即测点处预混气体的 燃烧时间。实骑数据表明火焰在2 0 m 长的管道内传播时火焰厚度可达数米，并且火焰速 度越人火焰厚度越小。这比燃烧理论巾对湍流反应区厚度的度量值要大得多。其原凶是 燃烧理论中认为9 5 9 8 的预混气体在范围仅为厘米量级的燃烧反应区内完成了化学 反应，燃烧反应区后面的气体燃烧几乎可以忽略。但从实验结果来看，在燃烧反应区内 完成化学反应的气体要远小于9 5 ，以至于在火焰面通过测点之后的几毫秒内化学反应 仍在进行，形成了长达数米的燃烧反应区。 刘义口4 1 等开展了垂直封闭管道内甲烷煤尘复合火焰传播特性的研究，利用高速摄影 仪拍摄了火焰的传播过程，如图16 所示，甲烷煤尘混合物被高压电极放电点火后的1 0 m s 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 火焰首先向管道的下部传播，当火焰传播到管道底部以后，然后反向传播。白色发光 区的前侧为黄色发光区，紧挨着黄色发光区的是一个微亮区，然后是未燃区，未燃区为 暗区。研究结果表明管道内甲烷煤尘复合火焰化学反应区的厚度约为1 5 1 6 c m ，比单一 甲烷空气预混火焰的化学反应区厚度要大两个量级。 陆守香等p5 j 研究了管道内甲烷空气预混火焰穿越水雾区的传播特性，水雾与甲烷 火焰作用后，火焰颜色明显变红。水雾量较小时，甲烷火焰会被加速；水雾量增大到一 定值后，甲烷火焰会在水雾区某一位置滞留一段时间，随后火焰再加速传播或熄灭( 对 应更高的水雾量) 。分析认为这种现象的出现与水雾在甲烷火焰区的吸热、蒸发膨胀和 化学阻化等物理化学综合效应有关。 图1 6 甲烷煤尘复合火焰的自发光图片 f 6s e l f _ 1 啪i n e s c e n c ep i c t 眦so f t h eh y b r i dn 甜n eo f m e t h a n ea n dc o a ld u s t c s t o p hk - e r s t e n 等【3 6 】针对新的阻火器欧洲标准e n1 2 8 7 4 提供了检测阻火器的方 法，但是仍然有未解决的一些问题如：火焰速度的影响、爆炸瞬时压力的影响、对不稳 定爆燃的检测、爆燃向爆轰的发展等等。建立了一套有透明视窗的实验装置如图1 7 ， 并可用高速摄影机对里面的火焰传播情况进行拍摄，与时间相关的一系列相片可以直观 地观察到阻火器的淬熄潜力和火焰的传播过程。点火端一侧的管道用的是聚碳酸酯材料 制成，内径为7 4 m m ，长为5 m 。远离火源一端的管道用钢制成，内径为8 0 i n m ，长度可 在1 5 m 间调节。阻火器的另一端的管道用法兰封闭。阻火器的框架用的也是聚碳酸酯 材料制成，长为6 4 0 m m 。包括三个部分：锥形部分约为2 0 0 m m 用于内径从7 4 m m 到内 径为1 4 1 m m 的波纹板阻火段过渡。两个火焰阻火器置于圆柱形通道中约为2 0 0 m m 长。 每个阻火板为1 0 m m 厚，特征间隙为0 7 m m ，每3 m 放一层。预混气的点火采用电火花 点火，点火能大约为1 0 j ，在管右端的中心处。压力测量用置于右端接近锥形段的压电 传感器测量，中间的光电二极管用于触发高速摄影仪。实验过程中观察到了火焰通过阻 大连理工大学硕士学位论文 火器时明显已经熄灭，但在离开阻火器之后一定距离又发生了爆炸这一现象，这是由于 一些活性物质经过阻火器之后，又引燃了另一端的可燃气体，如图l8 所示。因此当检 测到爆燃火焰在狭缝巾熄灭时，仍有可能引燃阻火器另一端的可燃气体，这对阻火器的 设计提山了更高的要求。 图1 7 实验装置示意图 f i 9 1 7s c h e r r 】日l i co f e x p 日i m e n ta p p m t u s 图l8 霞新引燃可燃气 f i b ，1 8i n d i r e c tn a m et r a n s m i s s i o n ，t i m e0 ，6 ，8 ，1 7 ，2 6 3 6 m s 张建华口u 等研制了一种管道抑爆系统，该系统是一种主动式管道自动抑爆系统，系 统主要由传感器、控制单元和抑爆罐3 部分组成，压力传感器检测出上游管道压力信息， 并传给控制单元，控制单元分析上游压力数据，判断爆炸是否发生，如粜认为爆炸发生， 控制器发命令，立即启动抑爆罐阀门，抑爆罐内的抑爆剂在火焰到达之前喷出，使爆 炸火焰熄灭。抑爆系统存在成本大，管理复杂等问题，主要运用于气体中含有杂质( 如 粉尘、易凝物等) 的输送管道，在纯可燃气体介质的输送管道上应用较少，而机械阻火 器则广泛应用于纯可燃气体介质的输送管网中。 1 2 阻火器概述 1 8 1 5 英国h p h r yd a v y 例发现在裸露的火焰上罩上金属网之后就能够在充满瓦斯 的煤矿中安全地使用了，从而发明了煤矿安全灯如图1 9 ，也争议说是澳大利g e o r g e 的煤矿中安全地使用了，从而发明了煤矿安全灯如图1 9 ，也争议说是澳大利皿g e o r g e 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 s t e p h e n s o n 最早发明的。虽然1 9 世纪的这种矿井中照明的工具早已不再使用，但现在 工业中广泛运用的阻火器正是源于这种原始的金属网模型。 图1 9 安全灯 f 培1 9s a 诧够l m p 阻火器( 又名防火器、隔火器) 是用来阻止易燃气体和易燃液体蒸气火焰蔓延的安全 装置。早在1 9 2 8 年阻火器已被应用于石油工业，以后随着工业发展又广泛用于化学工 业、煤矿、水运、采油、铁路运输、煤气输送管网及油气回收系统等。目前国外一些工 业发达国家为了燃气设备和人员的绝对安全，都生产和使用各类工业和民用阻火器。 在石油工业中，阻火器广泛应用于石油及石油产品的储罐上和输送石油气体的管线 上。当储存轻质石油产品的油罐遇到外界明火或雷击火花时，就有_ h j 能引起燃烧或发生 爆炸，为了防止这种危险的产生就应安装阻火器；假若管道上的易燃气体被引燃，气体 火焰就可能传播到整个管网，为了避免这种危险的发生，也应采用阻火器；在管端气体 燃烧的管线上，为防止回火而造成输气管网的破坏，也应采用阻火器。阻火器不能阻止 敞口燃烧的易燃液体和气体的明火燃烧。因此阻火器应用于储存石油及石油产品的储 罐；储存化工原科及化工产品的储罐；输送可燃气体的管道；油气回收系统；火炬系统： 气体净化装置通风系统；气体透平排气系统；气体分析系统：气体净化装置通风系统： 加热炉燃气系统；油轮储油系统；汽车及火车罐车储油系统；易燃气体j 。房排风系统； 煤矿通风系统和氢气应用系统等等【3 ”。 目前随着我国西气东输的实施，城市燃气管道化已经比较普及，天然气、液化气、 煤气和沼气等燃气管道网络在我国发展迅猛，这无疑是一件好事，对于提高经济效益， 减少城市大气污染，方便居民生活等各方面都带来好处。但随之而来的各类安全问题也 给人们带来了深深的忧虑( 如管道天然气，管道煤气，管道液化气等) 。燃气管道在通 大连理工大学硕士学位论文 常情况下是安全的，但是在某些意外的特殊条件下，例如施工不当、设备年久失修、操 作失误或其它不可预见的原因造成的管网破裂等，均有可能使空气进入管网，使下游管 道中的可燃气体成为与空气的预混物并进入或局部进入爆炸极限。这样就具备了导致爆 炸事故的必要条件。同时我国城乡有较大部分居民和餐饮业使用罐装液化气，在灶具、 燃气热水器及其它燃气设备不正确使用或在特殊条件下，当液化气灶具回火时便会造成 减压阀和气罐的爆炸，给家庭和社会带来不幸。如果能在燃气管网中或燃气罐适当部位 安装燃气管道阻火器，使爆燃或爆轰火焰在阻火器处被淬熄，就能够防止火焰蔓延，预 防上述重大事故的发生，进一步提高燃气管网或燃气罐设备使用的安全度，把事故消灭 在初级阶段。 1 2 1 阻火器的选型和分类 ( 1 ) 阻火器的选型口9 】 阻火器按用途选型： 阻火器按用途可分储罐阻火器、加油站阻火器、加热炉阻火器、火炬阻火器、放空 管阻火器、煤气输送管阻火器等。 阻火器按安装位景选型 安装在排气管的端部的管端阻火器：安装在管道中间位置管道阻火器。 阻火器按阻止火焰速度选型 阻爆燃型阻火器：能阻止以亚音速传播的爆炸火焰通过； 阻爆轰型阻火器：能阻止以冲击波为特征、以超音速传播的爆炸火焰通过。 阻火器按气体分级选型：适用于i 级气体的阻火器；适用于i i a 级气体的阻火器； 适用于i i b 级气体的阻火器：适用于i i c 级气体的阻火器( 气体分级见h g j 2 1 _ 8 9 ) 。 ( 2 ) 按阻火器因结构形式不同分为： 金属网型阻火器：以不同目数的金属丝网重叠起来组成阻火层。这种阻火器由 于本身结构达不到阻火性能，已被取代。 波纹型阻火器：这种结构阻火器由不同的波纹板和平板缠绕成不同规格孔隙的 阻火层，阻火层上由相同尺寸的三角形孔隙阻成，波纹的高度根据阻止火焰速度设计， 能阻止爆燃和爆轰火焰通过，但制造技术要求高、成本较高。 泡沫金属型阻火器：阻火器的阻火层用多孔隙的泡沫金属，其结构与多孔隙的 泡沫塑料相似。其金属中铬的含量不少于1 5 ，不大于4 0 ，容重不小于o 5 9 ，c m 3 。其 优点体积小，重量轻，但阻力大，易堵塞。 预混火焰在平板狭缝中传播与淬熄的研究 平行板型阻火器：阻火器的