（安全技术及工程专业论文）管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究.pdf

管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt e c h n i q u eo fp r e m i x e dc o m b u s t i b l e g a se x p l o s i o ns u p p r e s s e di np i p e l i n e a b s t r a c t 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 d 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 n f 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 r t h r o u g hm u l t i - l a y e r m e s hc o n s t r u c t i o na n dr l a l t o w p a r a l l e lc h a n n e l sc o n s t r u c t i o r l e x p e r i m e n t a la p p a r a t u su 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 ff l a m m a b l e g a s e s i nt u b ea r es e t u p t h ec o n s t r u c t i o n so f e x p l o s i o ns u p p r e s s i o n a r e m u l t i - l a y e rm e s h c o n s t r u c t i o n a n dn a l t o w p a r a l l e lc h a n n e l sc o n s t r u c t i o n w i t h p r e m i x e de t h y n e a i rg a s e sa n dp r o p a 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 t e x p l o s i o nw a v e sp r o p a g a t i n ga n ds u p p r e s s i o ni nt u b ea 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 s a l es e ta sf o l l o w s ：s t o i c h i o m e l 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 cu s e df o ri n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fe t h y n e ( 7 7 5 ) p r o p a n e ( 3 9 5 ) a n di n i t i a lp r e s s u r e ；t h ei n s i d ed i a m e t e ra n d l e n g t ho f t u b e ，w h i c hi sc l o s e da ti g n i t i o ne n da n do p e na tt h eo t h e r ，a r e8 1 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 hc 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 ， n a l t o w p a r a l l e lc h a n n e l s c o n s t r u c t i o ni sp a r a l l e lt ot u b ea x l e t h en e w i m p o r t a n tc o n c e p t ，c r i t i c a lq u e n c h i n g v a l u eh a sb e e np u tf o r w a r d t h i sc o n c e p t c a i lb eu s e dt od e n o t ee n e r g yl o s so f e x p l o s i o nw a v et r a n s f o r m e db ym e s hc o n s t r u c t i o n t h e e f f e c t so f m u l t i l a y e rm e s hc o n s t r u c t i o no n f l a n ep r o l 艘o a t i o ni nt u b ea r ea 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 tr e l a t i o n s h i pb e t 、e e nc r i t i c a lv 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 g p r e s s u r e d 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 ep r o d u c to f q u e n c h i n gs p e e da n dq u e n c h i n g p r e s s u r ed i f f e r e n c e ) ，a n dg e o m e t r i c a lp a l a m e t e r s ，s u c ha sl a y e r , s c l nm e s h a n dw i r ed i a m e t e r , a l eo b t a i n e d w i t ht h ei n c r e a s eo f g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r ( r a m d ) ，c r i t i c a lq u e n c h i n gp r e s s u r e d i f f e r e n c ea n dc r i t i c a lq u e n c h i n gv a l u ei n c r e a s e d ，t h eh i g h e rt h ec a p a b i l i t yo fq u e n c h i n gi s s u p p r e s s i o n e 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 n e x p l o s i o np r e s s u r e w a v e sa r e i n t r o d u c e d an e ww a yt od e s i g nf l a m ea r r e s th a sb e e np u tf o r w a r db a s i n go nf l o wo ff l a m e a r r e s td e s i g na n d s t u d y r e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t a n e x p e r i m e n t a ls t u d yo n t h eq u e n c h i n go f e x p l o s i o nf o rp r o p a n e - a i rm i x t u r ew h e n t h e f l a m ep a s s e sd a l t o wp a r a l l e lc h a n n e l si sd e s c r i b e d t h er e l a t i o n s h i po ff l a m ev e l o c i t yv q u e n c h i n gd i a m e t e rd a n dq u e n c h i n gl e n g t hl gh a sb e e ng i v e n t h ep r i n c i p l eo f q u e n c h i n g w h e nt h ef l a m e p a s s e s n a r r o w p a r a l l e lc h a n n e l s i sd i s c u s s e d t h e s es t u d i e sh a v ep o s i t i v ee f f e c to nt h e d e v e l o p m e n to f e x p l o s i o ns u p p r e s s i o nt h e o r ya n d t h e a 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 o l o g y 大连理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：e x p i o s i o ns u p p r e s s i o n ；o u e n c h i n g ；w ir e ；f i 副n ep r o p a g a t i o n s p e e d ；e x p i o s i o no v e r p r e s s u 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：巍雒 日期：型i ：i ：堕 大连理工摧! 塑主堂位论芝 引言 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。同时爆炸波的传播和燃烧扩展可能会造成邻近设备连续性地 二次爆炸，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。考虑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 制规律成为了研究重点之一。 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压力冲击波有关。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，前入已经做了不少研究工作，中科院力学所【2 l 、中国 科技大学 3 1 、中国矿业大学【4 】、大连理工大学【5 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，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。 平行板狭缝也是抑制可燃气淬熄的主要方法，被广泛地应用在阻火器装置中。早在 1 8 1 5 年h ，d a v y 为解决煤矿中瓦斯爆炸问题而进行的早期的淬熄实验研究，_ - 2t - 世纪以 后才进行了淬熄现象的定量化实验研究。w p a y m a n 等人【6 j 用煤气一空气和甲烷一空气 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 o l m 7 , s 】采用烧嘴法对多种燃气预混气火焰的淬熄直径进行 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 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 9 用甲烷空气预混气火焰研究了 矩形狭缝间距d 与淬熄长度功的关系，但未涉及到火焰传播速度这个重要因素。 n i i d a t l 2 】等人用丙烷空气研究了运动火焰经过一个可变间距的矩形狭缝时的淬熄，用 纹影照相获得了火焰在通过狭缝时的三种不同姿态，但淬熄直径与淬熄长度的关系未给 出具体结果。 鉴于前人研究的不足，为了完善和发展管道内可燃预混和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，得出了多层丝网 结构对爆炸波抑制的规律和平行板狭缝对可燃气体爆燃波淬熄的规律。 实验研究了多层丝网结构对管内火焰传播速度的影响，得到了临界淬熄速度、临 界淬熄压差、i 临界淬熄量与丝网层数、丝网日数、金属丝径等多层丝网结构几何参数 之间的关系，以及多层丝l 】6 9 结构对压力波抑制作用的研究结果。 通过对可燃气体爆燃火焰在平行板狭缝中传播时产生淬熄的实验研究和理论分 析，给出了用丙烷一空气预混气火焰传播速度和淬熄压差与淬熄间距、淬熄长度之间 的关系。对气体爆燃火焰狭缝淬熄原理进行了探讨，得到了有应用价值的结论。 上述研究能够为管道内预混气体爆炸的评估与防护提供理论基础，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，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 大连理工火学硕士学位论文 1 文献综述 爆炸是能量快速释放的过程，因此它是一种高能量密度的能源，在工业上得到了 广泛的应用。如近年来一些学者还发明了在连铸辊中应用爆炸喷涂的方法【1 “玉】和爆 炸成型技术i t 3 】。但爆炸也是工业中常见灾害的主要形式。追切需要能够预测潜在的气 体爆炸威力和危害，并以此为基础提出合理的安全设计和运行方案。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。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。 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管道内预混可燃气体爆 燃过程的研究现状，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。对可燃气体爆燃火焰在平行板狭缝中传播时产生淬熄 进行了介绍，对于气体爆燃火焰的狭缝淬熄原理进行了探讨。通过上述文献评述，确 定了本文的研究方向。 1 1 可燃气体的爆炸 1 1 1 可燃气体爆炸形式及特点 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如图i 】所示。 理想爆源通常指高能炸药等，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。 非理想爆源也有两个特点：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 lu 4 1 用实验方法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。 3 船 氐 奎 、 瑚 澍 f l - 、 坦 瑚 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 a 理娥爆激爆炸 门八1 玑2 ：罗 肘间8 b 非理想爆鼙爆炸 酗1 i 爆炸特性曲线 f i 9 1 1c h a r a c 俩s t i c t , u i v eo f e x p l o s i o n 理想爆源爆炸被广泛应用在军事上，因此，早在大上个世纪人们对它就已经非常了 解。非理想爆源爆炸虽然在2 0 世纪4 0 年代就已经引起了学者们的兴趣，但对其的研究 直至2 0 世纪7 0 年代才受到真正的重视。许多学者如s l r e h l o w n 5 1 指出，要想预测爆炸对 周围环境的影响，就要对以下几点进行详细的研究： ( 1 ) 气云形状和组成： ( 2 ) 点燃点的位置： ( 3 ) 气云场区的扩展： 其中( 3 ) 包括鼹个方面：a ：随着爆炸的冲击而在周围环境产生的压力场；b 随着 爆炸而产生的热气扩展使周围环境中产生的温度场。 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 d 大连理工大学硕士学位论文 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，扩展到熬 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【l “。 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。开敞空问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， 从而形成两波三区结构，如图1 2 所帚”j 。 2 区 g i 足见，“： q 瓦，： ll 区 b 粥，n ，“- l岛，珊- k 爆燃波阵面 翦驱冲击波阵蘅 0 区 r 风，“o 矗矗托 e 一比内能iu 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； 1 区一前g 冲击波通过后的状态 2 区一爆燃波阵面( 火焰面) 通过后的状态 图1 2 爆燃过程的两波三区结构 f i g 1 2t w o w a v e sa n dt h l ea r e ao f d e f l a g r a t i o nw a v e 文献【1 7 】中提出了一个简单的爆燃波模型：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( 压力波) 、扰动区、燃烧波阵面( 火焰面) 、已燃 区，文献 4 】【1 8 】中给出了火焰速度和最大超压值的简单关系。 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 5 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 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。 在实际情况下。有许多因素可便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。 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。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2f 音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裂”j 。 可燃气体可根据反应活性的定性分类见表1 1 【2 0 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 n a c t i v i 母o f c o m b u s t i n e g a s e s 涂建安1 2 l 简要分析了易燃易爆气体管道产生火灾爆炸的原因，针对这些原因，提出 了管道设计时应采取的一些安全措施及需遵循的普遍性设计原则。a 设计中应考虑防 静电措施：b 采用先进的自动控制技术来增强装置的安全可靠性：c 在设备的安全放空 管上，需设置安全阀：d 必须采用管沟敷设的可燃气体管道，应采取防止气体在管沟内 积聚的措施：如在管沟内填满砂子，并在进出装置及厂房处密封隔断：e 可燃气体管道 不得穿过与其无关的建筑物，尤其是严禁穿过生活问、办公室等：f 可燃气体管道与氧 气管道共同敷设时，两者应分侧布置，且最小净间距不小于2 5 0 m m 。 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； 6 大连理工大学硕士学位论文 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 常见可燃气体的爆炸极限都已被人们所测出】。然而，爆炸极限值与测试条件有关 如点火能量、初始温度、初始压力对爆炸界限都有显著影响，决不可将爆炸极限值看作 是物理常数。了解和掌握各种可燃气体在空气中的爆炸极限，对化工生产和实验室的安 全操作有着重要意义。如检修含有可爆气体的设备时，应先对设备吹风，使反应器内气 体组成低于爆炸极限；气体反应器进行加料时应在爆炸极限以下进行：在反应器内通入 惰性气体，使反应在爆炸极限以下进行等。 最小点火能量是衡量可燃气体( 或蒸汽) 爆炸危险程度的一个重要参数，如果有了 较为准确的数据可以使从事安全技术工作的人员们更加科学有效的设计防爆装置和采取 防爆措施。 张景林】等人根据气体爆炸反应的链式反应理论，考虑其从点火到爆炸需要一定的 成长时间( 秒级) ，设计安装了一套气体爆炸抑爆实验装置。在此装置中，用复合爆炸抑制 系统，对液化石油气和甲醇裂解气( 主成份为c o ) 进行了抑爆效果实验，研究了二f 粉剂用 量、干粉分散均匀度和抑爆系统干粉喷散作动时间对抑爆效果的影响，给出了抑爆过程 的压力一时问曲线。 对可燃气体( 或蒸汽) 最小点火能的研究和测试工作，早在上个世纪的4 0 年代布 兰克( m v b l a n c ) 和卡尔科特( c a l c o t ) 等人就设计了最小点火能的测试装置并发表 了一些最小点火能的数据。但是人们发现不同的实验装置和不同的测试方法所测得的最 小点火能数据是有很大偏差。因此人们认为影响最小点火能的因素有很多，对于一定的 实验装置和实验方法，影响测定最小点火能的则是测试敏感条件的确定。 谭迎春等人研究了气体爆炸最小点火能的主要影响因素1 2 4 1 ，并通过实验找出了在 2 0 l 爆炸罐中最小点火能测试的敏感条件，为最小点火能的测试提供了必要条件。他们 认为除可燃物质本身性能以外的五个主要因素，即：可燃气体的浓度、放电电极( 间 隙、形状及材质) 、放电电阻、储能电容及混合气体的温湿度为主要因素。并通过实验 确定了他们所设计的2 0 1 。爆炸罐中最小点火能测定装置的敏感条件。 国内还用很多学者对最小点火能进行了研究，如王晶禹瞄j 在不同温度的情况，对最 小点火能量爆炸下限进行了较全面的测试，弗针对延迟时间、电极间隙、贮能电容、放 7 一 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 电电阻、环境湿度、喷气压力和浓度等实验条件对爆炸特性的影响进行了研究。周树男 等 2 6 1 还应用计算机辅助测试的原理研究爆炸特性。对自行设计的点火装置的优点进行了 讨论，并对点火电路模型进行了分析。 国外学者在最小点火能方面也作了很多的研究。如s a a da e i s a y e d 2 7 认为金属点 火机理是建立在熟爆炸基础之上的并且获得了理论结论。c g f o t a c h e 等用实验的方法 研究了在可燃料与喷射的热空气逆流的装置中乙烷，丙烷，n 一丁烷和异丁烷的无预混点 燃田】。发现乙烷、丙烷，n 一丁烷和异丁烷的点燃反应有一些类似。 ( 1 ) 除非在很高的 压力下，否则在点燃之前先发光。( 2 ) 存在关于点燃的外部参数的相似点。点燃温度 会随着燃料浓度的升高而降低，但是在一定浓度下不再变化，成为一常数。 b v a r a t h a r a j a n 和f a w i l l i a m s l 2 9 l 论述了支链爆炸的概念，并且得到了一些关于点燃 温度的公式。 1 1 2 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。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 3 0 】。图1 - 3 显示了穿越一层流火焰的温度的变化情况。 温 度 丁 位置 图1 3 穿越一薄层火焰的温度分布圈 f i g 1 3t e m p e r a t u r e a c r o s s a l a m i n a r f l a m e 。8 ， 大连理下大学硕士学位论文 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，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。针对此边界条件一些学者做了大量的研究： 如周凯元等p l j 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更新的要求。 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 r w e a t h e r 等 3 2 3 3 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卮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 r a h i m 等p 4 】介绍了一套新的实验设景，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i 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1 _ 4 所示p ”。 9 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 图1 4 可燃气体爆炸过程的正反馈 f i g 1 4t h ep o s i t i v ef e e d b a c kc a u s i n gf l a m ea c c e l e r a t i o n 总之，管道内出现可燃气爆炸时，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，燃烧过程与可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 管道内预混气体爆燃过程 i ) 管道内燃烧情况 爆炸时管内火焰由点火处向出口端传播的过程，距离点火处越近，曲线上升的时间 就越早，气体的燃烧时间也越长，火焰熄灭的时间也越晚，火焰光的强度也越大，曲线 的波峰也越平缓。 123 6 89 图1 5 火焰传播图像 f i g 15 p i c t u r eo f f l a m ep r o p a g a t i o n l o 大连理丁大学硕士学位论文 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) 。随着时间的推移，火焰面不断地向出口端传播，在某一时刻火 焰面从出口端传出管道，而此时管道内各个测点处的可燃气体仍在燃烧，也就是说在燃 烧阶段的一段时间里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。文献 3 6 中实验照片也证实了这一现象。文献所述的实验中对贫燃料、最佳当量比及富燃料 甲烷空气的爆炸传播火焰进行了高速摄影，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 l o o o 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。 在文献 3 7 的实验中，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六米。 燃烧理论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l o l o o 倍。量级为厘米p 8 】。 但文献【3 9 ，4 0 】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。实验数据表明火焰在2 0 m 长的管道内传播时火焰厚度可达数米，并且火 焰速度越大火焰厚度越小。这比燃烧理论中对湍流反应区厚度的度量值要大得多。其原 因是燃烧理论中认为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。 2 ) 预混可燃气体在圆形管道内的爆燃过程 图1 6 为圆形管道内某- n 点处的压力和火焰的变化曲线图。爆炸时超压的变化可 分为四个阶段：l 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。从图中可看出火焰燃烧的变化过程可分为三个 阶段：a b 为未燃阶段，b c 为燃烧阶段，c 之后为已燃阶段。 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 f ，m s 图1 , 6 超压与火焰关系图 ( 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出 口端流动。 由图1 6 前驱冲击波通过该点，超压开始不断上升。这时的燃烧波阵面( 火焰面) 即燃烧区前端的未燃气体与燃烧火焰的分界面，在湍流状态下它可能是极其皱褶的甚至 是已经撕裂的。随着燃烧波阵面的不断传播，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气体，末燃气体的温度升高、超压上升。前驱冲击波阶段 结束。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瞳线。还给出了同体积、不同形状的气云爆炸对壁面的 作用效应h ”。文献【4 1 8 1 中给出了火焰速度和最大超压值的简单关系。但文献中并来介 绍压力波和燃烧火焰的具体位置关系，也未提及压力和火焰之间是如何相互影响的，也 1 2 大连理工大学硕士学位论文 没有具体说明爆炸时燃烧状况和超压值是如何变化的。文献【1 7 】给出了管道内某- - n 点 处超压随时间的变化关系，但没有介绍管道内其他测点处超压值的变化情况。 ( 3 ) 降压阶段 此时该点处火焰开始熄灭。因为没有热量供给，已燃气体的温度降低，超压下降。 另外在前驱冲击波阶段因压力升高，大量末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 ) 余波阶段 此阶段开始时管道内压力处于最低值，而管道出口处压力为常压，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。 3 ) 二次反冲的破坏作用 实验测出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 3 9 、4 0 中的数值计算结果相一致。文献【3 6 】【3 7 】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。 1 2 多层丝网结构对管内爆燃波的抑制作用 1 2 1 爆燃波的抑制思路 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快的压缩波，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 4 2 j 。 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，李岳等人m 】系统讨论了易发生可燃气体爆炸设备的设计压 力、设计温度、安全泄放装置及设备支撑结构的设计问题，指出了处理易燃易爆气体的 设备与其它设备设计的主要区别，提出了此类设备的设计思想和方法。但此种方法只是 1 3 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究 减d , y 破坏作用对设备的影响，为从根本上解决问题。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，现在已初步总 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。 1 2 _ 2 火焰淬熄原因 般认为解释阻火结构能够使火焰淬熄的理论有两种。一种是热理论，即火焰突入 阻火结构时，由于阻火结构夺走了火焰的热量而使火焰的传播被阻止。另一种是连锁反 应理论( 器壁效应) ，即火焰在结构表面上碰撞而失去自由基使燃烧反应停止，从而阻 止了火焰传播。 热理论是基于传热的理论。此理论认为燃烧所需要的必要条件之一就是火焰的温度 要高于其淬熄温度。若温度低于其淬熄温度，燃烧就会停止。基于这一原理，只要将火 焰的温度降到其淬熄温度以下，就可以阻止火焰的蔓延。当火焰进入阻火结构的细小通 道时会被细分成若干细小的火焰。在设计阻火结构时要尽可能扩大细小火焰和通道壁的 接触面积，强化传热，使火焰的热量尽可能多地传给金属元件，从而使火焰温度快速降 到其淬熄温度以下，停止燃烧，从而阻止火焰的蔓延。 连锁反应理论是基于器壁效应作用的理论。器壁效应认为燃烧并不是分子间的直接 反应，而是由于受到外来能量的激发，分子键遭到破坏而产生活化分子，而活化分子又 分裂为寿命很短但却很活泼的自由基，自由基与其它分子相撞生成新的产物，同时也产 生新的自由基再继续与其它分子发生反应。如此循环，形成稳定的燃烧。当燃烧波进入 阻火结构的狭窄通道时，由于自由基与通道壁的碰撞几率增大，因而与器壁发生碰撞而 被销毁的自由基数量变多，参加反应的自由基减少。当阻火结构的通道宽度减小到一定 程度时，自由基与通道壁的碰撞占主导地位，自由基数量急剧减少，反应不能继续进 行，火焰发生淬熄】。 多数学者认为热理论是火焰发生淬熄的主要原因，但也有人认为连锁反应理论较为 接近实际m 】。 1 2 3 多层丝网结构的淬熄性能 多层丝网结构因其体积小、重量轻、淬熄性能好等优点，已成为管线中最常用的阻 火结构。日本的北条英光、津田健等人曾经对管内多层丝网结构的淬熄性能做过系统的 研究 4 6 , 4 7 , 4 8 。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 临界淬熄速度是衡量某一阻火结构淬熄性能的重要指标。若火焰的传播速度较慢， 通过阻火结构时就会因阻火结构的散热作用而发生淬熄。当火焰的速度增大到某一值 时，因其与阻火结构的接触时间短，其温度还未降到淬熄温度以下就已通过阻火结构 了。火焰能通过阻火结构的最小速度称为该阻火结构的l 临界淬熄速度，用比表示，单 位为m s 。 当火焰接触到丝网结构时，火焰被细分后进入各个网孔。由于火焰的温度要远高于 金属丝的温度，火焰与金属丝接触后，会产生温差传热。火焰的一部分热量传给金属丝 后，其温度因热量的损失而降低，当温度降至其淬熄温度以下时就会发生淬熄，火焰熄 灭。金属丝散热能力的高低是影响多层丝网结构淬熄性能的重要因素。 因此，就丝网本身来说，网孔越小( 即日数越大) ，金属丝越粗，开口比及体积空 间率越小，丝网的淬熄性能就越好。也就是说，在单位面积或单位体积中，金璃所占的 比例越大淬熄性能就越好。因为金属的比例增大，火焰的流动空间减小，火焰的细分程 度加大，火焰与金属丝的接触面积变大，传热得以强化，火焰因被丝网结构夺走的热量 变多而快速降温到其淬熄温度以下发生淬熄。用不同尺寸的丝网进行试验，得出关于临 界淬熄速度阮与金属