（安全技术及工程专业论文）水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 a b s t r a c t t or e v e a lt h ei n h i b i t i o na n ds u p p r e s s i o nm e e h a n i s e mo fw a t e rm i s t so nf i r e s ，t h ea b r o a d e x p e r i m e n t a ls t u d yo ut h ei n e r a e t i o no fw a t e rm i s t sw i t hf l a m e sw e r ed e v e l o p e d t h ep r e s e n t e x p e r i m e n t a ls t u d yw i l ls u p p l yt h eb a s i cs c i e n t i f i cd a t at or e v e a lf u r t h e rt h em e c h a n i s m i nt h e p r e s e n tw o r kt h et u b u l a rb u r n e rw h i c hm o s t l yi n c l u d e dt u b u l a rb u r n e rs u b s y s t e m ，p r e m i x e d s u b s y s t e m ，w a t e rs p r a ys u b s y s t e ma n ds e v e r a lt e s t i n gs u b s y s t e m sw a sd e v e l o p e dt os t u d yt h e i n f l u e n c eo fw a t e rm i s t so nt h eb u r n i n gv e l o c i t yo ft h el a m i n a rp r e m i x e dc h 4f l a m e s t h es p a y h e a dw a si n s t a l l e di nt h et u b ea n dw a t e rm i s t sw e r eb r o u g h tb y p r e m i x e dg a s e st ot h eb u r n e r t oi n e r a c tw i t hp r e m i x e df l a m e s f i r s t l yt h eb u r n i n gc h a r a c t e ro ft h eb u r n e ra n dt h ef l o wf i e l d c h a r a c t e ro fw a t e rm i s t sa b o v et h eb u r n e rw e r ee x p e r i m e n t a ls t u d i e d t h ef l a s h b a c kl i m i t s a n dt h eb l o w o f fi i m i t so ft h el a m i n a rp r e m i x e dc h 4 a i rf l a m e so nt h eb u r n e rw e r eo b t a i n e d b yan u m b e ro fe x p e r i m e n t s t h eb o u n d so f r i c hf u e l sa r em u c hw i d e rt h a nt h a to fl e a nf u e l s 3 da d a p t i v ep h a s e ，d 叩p l e rv e l o c i m e t e r ( l d v a p w a se m p l o y e dt os t u d yt h ef l o wf i e l do f w a t e rm i s ta b o v et h et u b u l a rb u r n e r t h ep a r t i c l es i z ea n dt h ep a r t i c l ev e l o c i t ya l o n ga x i sa n d t h ef l u xo fw a t e rm i s t sa l li n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef l u xo fp r e m i x e dg a s t h ep a r t i c l e v e l u c i t tc a nb er e g a r d e de q u a la p p r o x i m a t e l yw i t h i n3 0 e ma b o v et h eb u r n e r d 3 2 w a s u s u a l l ym o r et h a n5 5 | i m ，a n de v e nm o r et h a n1 0 0 1 t m a n dt h ew a t e rm i s tc h a r a c t e r sa n d t h ee f l e c t so fw a t e rm i s t sd r o p l e t sm o v e m e n t so nt h ec o f l o wi n l e tg a si nt h et u b u l a rb u r n e r w e r ea l s oa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h et o t a lf l a m ea r e am e t h o da n dt h eb u r n e rm e t h o dw e r e u s e dt om e a s u r ea n dc a l c u l a t et h el a m i n a rb u r n i n gv e l o c i t i e so fs t a b i l i z e dc h a i rf l a m e s t h e b u r n i n gv e l o c i t yw a sb i g g e s tw h e nt h ec h 4c o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t1 0 1 t h o u g ht h e r e s u l t so ft o t a la r e am e t h o dw e r eal i t t l es m a l l e rt h a nt h a to ft h eb u r n e rm e t h o d ，t h e ya r em o r e c l o s e l yi na e e o r d a c ew i t hp r e v i o u se x p e r i m e n t a ld a t a t h e r e f o r et h et o t a la r e am e t h o dw a s a d o p t e dt oc a l c u l a t e dt h ef l a m eb u r n i n gv e l o c i t y a l li n h i b i t e db u r n i n gv e l o c i t i e s ( s l ) w e r e n o r m a l i z e db ya nu n i n h i b i t e db u r n i n gv e l o c i t y ( s o ) u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c e o fw a t e rm i s t so nt h ep r e m i x e dc h 4 a i rf l a m e sw e r eq u a n t i f i e dh ys 1 fsn - f i v ed i f f e r e n tt y p e o f “s l s 0 t ”c u r v e sw e r eo b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t s a n ds lw o u l db ed e c r e a s e da b o u t h a l l o fs na tl e a s tb e f o r et h ef l a m ew a si n h i b i t e dt ob eb l o w e do f f t h eb u r n e r t h ej n t e r a e t i o no f w a t e rm i s t so l lc h 0 k i rf l a m e sw o u l dc h a n g et h es t a b i l i z a t i o nc o n d i t i o n so ff l a m e s w h e nt h e m a s sf r a c t i o no fw a t e rw a sm o r et h a n4 0 ，t h ef l a m e sw o u l db es t r e t c h e da n db eb l o w e do f f t h eb u r n e r a n dt h ef l a m e sw e r es u p p r e s s e d o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nt h em a s sf r a c t i o no f w a t e rw a sl e s st h a n4 0 ，i n a d e q u a t ew a t e rm i s t sw o u l da c c e l e r a t et h eb u r n i n go ff l a m e s ，e v e n w o u l dc a u s es e r i o u sf l a s h b a c k k e yw o r d s ：p r e m i x e dg a sc o f l o w ，t u b u l a rb u r n e r ，l a m i n a rp r e m i x e df l a m e s ，w a t e r m i s t s ，b u r n i n gv e l o c i t y 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 瓦斯是井下采掘过程中从煤层和围岩中涌出的有害气体的总称，主要成分是甲 烷，所占的比例在9 0 以上，同时含有少量的c 0 2 ，是一种无色、无味、易燃、易 爆的混合气体。煤矿井下瓦斯爆炸事故一直困扰着煤矿安全生产，当井下巷道瓦斯 集聚到一定浓度时，如遇明火或火花放电就会发生瓦斯爆炸事故。瓦斯爆炸在极短 的时间内会产生强烈的冲击波，具有强大的破坏作用，造成人员伤亡，破坏巷道， 扬起的大量煤尘形成二次保着，产生更大的破坏力，同时产生的有毒气体，造成人 员中毒死亡。根据国家安全生产监督管理总局对我国1 9 8 1 - 2 0 0 3 年煤矿事故的统计， 我国煤矿事故中4 0 以上为瓦斯爆炸事故；一次死亡3 人以上事故中，瓦斯事故比 例高达7 0 ，一次死亡1 0 人以上特大事故中，瓦斯爆炸事故占8 2 以上。最新统 计表明，2 0 0 5 年1 月1 同至1 2 月1 8 日，全国煤矿企业发生瓦斯事故4 0 5 起，死亡 2 1 5 7 人，瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死亡人数的3 6 o ，其中因瓦斯爆炸 引起的四起特大矿难，死亡人数就多达6 0 0 余人1 1 - 3 1 ，这些事故表明，虽然我们采取 了各种积极预防措施，但是瓦斯爆炸事故难以杜绝，因此，我们应该继续积极采取 先进、科学、有效的措施预防瓦斯爆炸事故的发生，同时也必须注意研究科学有效 的措施对已发生的瓦斯爆炸事故进行控制，限制瓦斯爆炸的扩展范围，最大限度地 减小瓦斯爆炸灾害的损失。 对于已发生的瓦斯煤尘爆炸，一般采用抑爆技术来防止爆炸事故范围的进一步 扩大。目前惰化技术的抑制剂主要可分为物理抑制剂和化学抑制剂。前者主要通过 稀释爆炸混合物和氧气的浓度，使之不能支持燃烧和爆炸，如一些惰性气体n 2 、 c 0 2 等物质；后者则是具有终止燃烧过程反应链的作用，使燃烧反应不能进行，如 卤化烃类的灭火剂等。目前，煤矿井下通常使用的惰化阻燃抑制剂主要包括c o ，、 n ，等化学活性低的气体和和水蒸汽，通过降低保护区内瓦斯以及氧气浓度，进行瓦 斯煤尘惰化防火。而上述惰化抑制剂的使用需要在封闭环境中，气体消耗量大且对 人体具有窒息危险【4 j 。水雾作为卤代烷系列灭火剂的一种主要替代品，具有清洁、 高效、对环境无污染、灭火迅速、耗水量小等优点，作为消防灭火技术已经在扑灭 建筑火灾、舰船火灾等领域得到了广泛的应用。把水雾用于气体爆炸火焰抑制技术， 则是近年来人们研究的热点饽j 。 煤矿瓦斯快速水喷雾瓦斯抑爆技术以及水雾惰化技术，能对积聚的瓦斯实施惰 化阻燃，遏制瓦斯爆炸的发生，也能对已发生的瓦斯爆炸实施抑爆( 隔爆) ，使瓦斯 中国科学技术火学硕士学位论文：水雾对层流预混甲炕火焰燃烧速度影响的实验研究 爆炸停止传播，该技术的推广与实施对煤矿井下安全生产，减少以至于杜绝煤矿瓦 斯爆炸事故的发生具有重要意义。 瓦斯成分的9 0 以上是甲烷，因此瓦斯通常指甲烷，本文开展水雾对甲烷火焰 的抑制作用的研究可以为快速水喷雾瓦斯抑爆技术以及水雾惰化技术的研究与开 发提供基础的科学数据，有助于煤矿井下瓦斯抑爆技术的改进提高瓦斯的抑爆、防 爆能力。 1 2 细水雾灭火机理的研究概况 水雾是区别于水喷淋的一种灭火技术，依照n f p a 对细水雾定义及分类的标准， 当喷雾体积9 0 的水雾液滴直径小于1 0 0 叽m 时即可称之为细水雾( w a t e rm i s t ) ，喷 雾体积9 0 的水雾液滴直径在1 0 0 蛳m 至2 0 0 吮聊即可称之为水雾( w a t e rs p r a y ) 。 n f p a 将细水雾分为三类，喷雾体积9 0 的水雾液滴直径小于2 0 吮聊为i 级细水 雾；喷雾体积9 0 的水雾液滴直径大于2 0 叽m 小于4 0 叽晰为i i 级细水雾；喷雾体 积9 0 的水雾液滴直径大于4 0 吼m 小于1 0 0 叽m 的为i i i 级细水雾【6 “。我国一些学 者将当喷雾平均水雾液滴直径在小于4 0 吮m ，最大雾滴直径小于1 0 0 0 , a m 的水雾 称之为细水雾瞵j 。 有关水雾熄灭液体和固体燃料火焰的基本原理的研究和描述可追溯到2 0 世纪 5 0 年代中期1 9 】，并一直持续到6 0 年代和7 0 年代，这些早期的研究主要针对水雾灭 火机理和有效灭火的液滴理想参数上。然而随着h a l o n l 3 0 1 和1 2 1 1 等高效的化学 灭火技术的引入，水雾灭火技术被认为是不实用的技术，其研究也被逐渐终止。直 到近年来人们认识到氟氯烷烃( h a l o n 系列) 灭火剂对环境的破坏作用后，在寻找 替代h a l o n 系列灭火剂的过程中人们又重新开始了对水雾灭火技术的研究。在过去 的十几年间关于水雾灭火技术的研究迅速增长，研究内容涵盖了水雾灭火机理以及 发展、设计制造水雾产生装置和相关的计算机模型等t ”j 。研究结果表明水雾灭火技 术不仅对环境无负面影响，而且在传统灭火方法不能达到良好效果的情况下仍能显 示出其独特的灭火效果。 目前关于细水雾灭火机理，研究认为水雾灭火没有明显的化学作用的效果，主 要是物理作用的影响：冷却、隔氧窒息以及衰减热辐射等【5 “”。由于水对熄灭火灾 蔓延具有良好的物理特性，它具有高热容( 4 ，2 j g k ) 和高蒸发潜热( 2 4 4 2 j g ) ，可从火 焰和燃料中吸取大量的热。剥冰介质雾化的目的是力图增加单位体积液体的表面积 ( 即比表面积) ，以提高吸热效率，并使雾化流向适当的方向分散，促使与火焰的 相互作用，达到利用汽化吸热冷却可燃物、体积膨胀隔氧和吸收热辐射降低热回馈 等效应来降低燃烧速度的效果，扑灭效率高，残余水量小，且对环境影响较小，这 些都对控制和扑灭火灾有着极其重要的作用。 早期的一些研究如b r a i d e c h ( 1 9 5 5 ) 和r a s b a s h ( 1 9 6 0 ) ，他们的研究表明水雾冷却和 中国科学技术大学硕十学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 置换氧的作用是水雾灭火主要的机理【1 “。近年来人们通过对水雾灭火机理不断的研 究，对水雾在不同条件下的灭火效果与抑制机理有了更进一步的认识。秦俊，廖光 煊等人 1 3 1 运用a p v 系统、红外热像方法和热电偶测温方法对细水雾和气体扩散火 焰的作用过程中雾通量等雾场特性做了有效的测量，采用一种可以分离出细水雾灭 火时不同机理相对贡献的实验方法，得到了水雾的蒸发潜热吸热作用、热容吸热作 用以及稀释氧气作用对抑制气体扩散火焰所起的相对贡献。s h i m i z u 等人对甲烷火 焰的水雾抑制进行了实验和数值模拟的研究“。他们在使用个5 0 0 x 5 0 0 x 5 0 0 m m 的两面用锌板封闭的舱中进行实验，气体在底部扩散燃烧，水雾喷头安装在舱体的 顶部，通过实验和数值模拟分析，他们认为水雾熄灭气体扩散火焰是由于以下两个 因素：其一，水雾蒸发吸收火焰的热量；其二，水雾隔绝氧化剂而使火焰窒息熄灭。 关于水雾对预混爆炸火焰抑制机理，人们也都进行了大量的实验和理论研究。 s e p k o 以及a c t o n 等人在具有几何相似性的部分封闭和具有障碍物的工业环境下对 水雾抑制气体爆炸火焰传播进行了研究【】5 , 1 6 1 ，使用水雾可使爆炸所产生的超压显著 降低，但另一方面因为水雾的使用也使得到达爆炸超压峰值的时j l 自j 缩短，当水蒸汽 体积含量达到2 6 时，能使处与化学当量比的甲烷空气预混气体惰化，当浓度提高 时可熄灭爆炸传播火焰。在小规模实验研究中，t h o m a s 则对水雾抑制爆炸所需条 件进行了大量的研究u 7j 。在小规模实验研究中，t h o m a s 在一个2 4 m 高，o 3 m 宽， 0 2 l m 长的容器内进行了预混气体爆炸火焰传播的水雾抑制实验。喷头均匀布置在 容器的顶部，产生的水雾平均直径在1 0 0 - - 3 5 0 u m 。t h o m a s 和b r e n t o n 【”1 发现水喷 雾的一部分动量传递到周围气体时，不可避免地会在气相产生扰动。他们的实验结 果和w i n g e r d e n 和w i l k i n s 1 9 1 在实验中所得的结果相吻合，当有水雾作用时火焰前 沿速度成三倍的增加，与未喷雾时薄的、光滑轮廓的火焰前沿相比，喷雾时的火焰 前沿变得厚而且明亮，火焰颜色也由淡蓝色变得发黄。水雾引起的预混火焰的扰动， 与水雾液滴直径大小，水雾作用的方式及管流速度有关。p i l c h 和e r d m a n 2 0 近年来 在从事的与爆炸抑制有关的工作中注意到，一定临界直径的液滴在瞬时变化气流的 空气动力作用下会发生液滴破碎，而且在爆炸与瞬态气流变化过程中液滴破碎模式 与稳态气流状态下的液滴破碎存在着不同。在以前大多数的实验中，他们发现液滴 在周围气流的冲击波前后经历着一个瞬念变化过程，而在爆炸过程中液滴则随着爆 炸的发展经历着一个加速气流的作用。t h o m a s 2 j l 研究认为水雾抑制爆炸火焰传播是 由于水雾粒子在汽化与破碎过程中与燃烧火焰之间发生的能量与动量交换作用的 结果。a b b u d m a d r i d 等则在微重力条件下对传播火焰通过超声波水雾区的过程进行 了研究1 2 ”，他们认为火焰在高浓度水雾作用下传播速度的降低，是由于水雾液滴吸 收了火焰反应区对未燃区气体的辐射热量。y a n g 和k e e 等人运用s a n d i a 实验室的 预混火焰模型对燃烧器内自由传播、处于化学当量比的一维线形甲烷空气预混气体 火焰，在单分散相水雾液滴作用下的火焰结构、火焰燃烧速度、火焰熄灭过程进行 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 了数值模拟的研搿”j 。模拟结果表明小液滴在火焰抑制中更有效，当低于某一定值 时水雾灭火不具有更明显的优势。m o d a k 和a b b u d m a d r i d 等人1 2 4 j 发展了y a n g 和 k e e 的模拟模型，对水雾自由拉伸的层流预混火焰的作用进行了研究，模拟结果同 样表明小液滴能更有效地抑制火焰燃烧，但液滴直径小于1 0 _ m 相同量的水雾抑制 效果相同，液滴直径大约大于3 0 m 时，甲烷空气火焰有个熄灭转折点，燃烧速 度大约是未被水雾抑制时地一半。关于水对瓦斯爆炸火焰传播的抑制机理，秦友花、 陆守香等在国家自然科学基金的支持下先期进行了一些研究【2 ”。实验的喷雾系统主 要由有机玻璃盛水容器、雾滴直径控制装置和排气容器组成，根据高压喷雾和小孔 射流雾化原理，在火焰加速管中得到一段水雾区。通过实验及理论分析就水滴对瓦 斯爆炸极限范围的影响，以及水参与瓦斯爆炸的化学反应动力学机理进行了研究。 研究认为：在瓦斯爆炸链反应过程中，水主要作为第三体或惰性液滴破坏其中的链 载体，从而降低瓦斯爆炸反应能力。瓦斯空气混合物水含量增大，瓦斯爆炸能力下 降，强度降低，爆炸极限浓度范围缩小1 2 饥”j 。 水雾灭火机理的研究以水雾与火焰相互作用的实验研究为基础，从上述机理研 究概括可看出水雾与预混火焰相互作用的研究多集中在水雾对预混爆炸火焰的抑 制机理研究上，为了更进一步地揭示水雾对稳定层流预混火焰的抑制机理，人们对 水雾作用下稳定火焰的燃烧特性进行了研究，对火焰燃烧速度这一重要的特征参数 进行了深入细致的研究。 1 3 细水雾对预混火焰燃烧速度影响的研究概况 1 t 3 1 层流预混火焰燃烧速度的定义和测量方法 要研究火焰性质和传播机理，研究非湍流气体混合物的火焰速度或燃烧速度是 很重要的。对于无限大平面火焰来说，燃烧速度定义为火焰前锋相对于自身向未燃 气体的线性速度，或者定义为单位火焰前锋面积上单位时间消耗的未燃气体的体积 哪】。即燃烧速度为平面火焰波面沿着垂直其表面方向通过临近未燃气体移动的速度 睇”，即火焰波面元以燃烧速度s 。进入以速度u 垂直向上流动的冷燃气混合物中的 传播过程，c 【为火焰面和原始气流方面之间的夹角，则瓯2u s i l l 口。 测量层流预混火焰燃烧速度的方法分为两类：一类是通过热损或者空气动力学 拉伸速率来研究固定的稳定火焰，一类是在开放和封闭腔室内研究传播火焰【2 e ”l 。 ( 1 ) e g e r t o n p o w l i n g 平面火焰法。因为热损，一维平面火焰是稳定的。实验 时冷却多孔塞子，可以得到这种火焰，而且火焰速度等于进入的新鲜反应物的流速。 不断地改变混合物的流速，计算相应地要得到平面火焰的冷却速率，没有热损时的 燃烧速度开业通过外推至冷却速率为0 时估算。这种方法的主要问题是：精确的 热损可能看起来的更多没有计算自由基对表面的热损，实际上这种热损作用很 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 大。 ( 2 ) 肥皂泡法。球形爆炸法的复杂的压力的变化可以通过肥皂泡法消除，易 燃混合物被封闭在一个肥皂泡中，在敞开或很大的腔室内点燃，通过测量火焰半径 的增大速率，可以得到燃烧速度。缺点同球弹法。 ( 3 ) 封闭容器法( 球弹法) 。燃烧在半径为r 的封闭燃烧室内进行，在中央点燃， 火焰从中央向四周传播，导致未燃气体的温度和压力持续变化。通过检测压力的变 化和瞬时的火焰半径，就可以得到燃烧速度值，假定火焰是球形的且厚度可以忽略 不计。此方法的缺点是因为浮力会引起火焰变形，且嵌入的点火对电极的热损可以 影响火焰传播。而且早期阶段传播得到的结果很大程度上受到强烈的拉伸效应和点 火源的影响。一个更严重的缺点是需要推出训算线性火焰速度的数学公式，这些公 式包括一些燃烧和未燃气体状态的假设和温度的热辐射的典型效应，因此，己燃气 体的密度就不包括在内。进一步讲，火焰速度是两个较大数减少得到的一个较小的 数。 ( 4 ) 圆柱管火焰法，即管内火焰传播法在敞开的管道的一端用火花点燃可燃 混合物，燃烧波就会向未燃气体传播，假设管道足够长且电火花的能量比所需要的 点火能大的不是很多，燃烧波在直径2 1 0 r a m 为管道内近似平面地以近似常数的速 度传播。因为流动是不均匀的且对管壁的热损影响速度值，所以这个常数传播速度 值不能表征层流火焰速度。但是研究管道内向上和向下传播得到重力对火焰稳定、 火焰传播和燃烧界限影响的有用结论。 ( 5 ) 圆柱管或喷嘴的锥形静止火焰法，即本生灯火焰法。如果圆柱燃烧管出口 气流速度放射均匀且大于火焰速度，则在本生灯上形成稳定的锥形火焰。燃烧速度 与火焰面积有关，通过测量出口的气流速度和用照相技术测量火焰表面积来计算燃 烧速度。用这种方法的一个主要困难是火焰面积的计算，不可避免的边界层会导致 燃烧管出口的速度变化进而使得火焰弯曲。进一步讲，沿着锥表面测量的燃烧速度 是不均匀的，因为靠近燃烧管，传导的热损减小了燃烧强度。另一方面，靠近火焰 锥顶处，燃烧强度会增强或减弱，这取决于混合物的l e 数和锥角。 ( 6 ) 逆流停滞( 驻定) 火焰法。这类方法包括各种形状的容器，火焰是因为 流场中空气动力学的拉伸速率而稳定。这类的一种实验介绍在置于均一空气流的多 孔圆柱的上方区域形成二维、层流、稳定火焰，是从圆柱表面均匀地注入预混燃料 和空气。这种方法广泛用来研究拉伸火焰，包括平面、稳定火焰，通过直接通入均 匀可燃气流形成的近似一维线性火焰。 ( 7 ) 热流法口“。k a r e lj 详细论述了用热流法测量平面、无拉伸、绝热火焰的 燃烧速度，此方法通过计算火焰到燃烧器的静热损，将未燃混合气的流速转化为无 热损时的值。 肥皂泡法的实验结果更好，原因是肥皂模可以把气体封闭，封闭容器法和肥皂 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 泡法都不使用于低速火焰。管内火焰传播法使用于高速火焰，但是壁面的冷却导致 实验值偏低。平面火焰法使用于很低速的火焰，是测量燃烧速度的理想方法。 本生灯火焰法是应用最广泛的一种方法，原因是实验仪器简单，容易拍图片。 缺点是与( 2 ) 和( 4 ) 比，耗气量大。气流是线性向上的，速度均匀( 壁面附近除外) ，锥 形火焰有一个明亮的边界。火焰形状的复杂导致测量锥形形状的多种方法。喷嘴附 近因为冷却效应无疑降低了燃烧速度，而顶部因为弯曲在这个区域的燃烧速度又会 增大。本生灯火焰的发光区、阴影和纹影图片不是重台的，导致不同观察方法的结 果不同，从外向内依次为发光区、纹影区和阴影区。本生灯火焰法适用于燃烧速度 介于3 0 c m s 一1 0 0 c r r d s 的预混火焰，喷嘴直径介于l c m 2 c m 之间。燃烧速度更大的 话，需要用更小喷嘴，因为使用大喷嘴，防止回火的气流容易导致形成湍流，且要 消耗大量的气体。但是更小的喷嘴也不适用，原因是火焰的底部和顶部效应很可能 会超过了整个焰锥。因此这种方法不适用快速火焰。 1 3 2 细水雾对层流预混火焰燃烧速度的影响 燃烧速度的影响因素有多种【2 9 1 ：( 1 ) 温度。当燃烧速度涉及的是预热温度下( 如 预热到6 0 0 k ，8 0 0 k 等) 的实际气体时，燃烧速度的增大是十分显著的。( 2 ) 压力。 对于烃空气火焰来说，燃烧速度一般都与压力成反比关系，即压力降低时燃烧速 度增加。( 3 ) 烃的结构。烃的燃烧速度与化学健的数目及类型有关。( 4 ) 混合浓度、稀 释剂及添加剂。单一燃料的燃烧速度通常在靠近化学计量成分的浓侧处达到其最大 值。对于甲烷等有机燃料的火焰来说，卤化物、金属与非金属化合物的蒸汽等添加 剂和其他抑制剂能有效地使燃烧速度降低，某些粉状金属盐也能使甲烷一空气混合 物燃烧速度明显降低。 人们开展了温度、压力和各种抑制剂对各种不同可燃气体火焰( 层流和湍流) 燃 烧速度的影响的种种研究，本文关心的是水雾对层流预混火焰燃烧速度影响的研 究。 s h e b e k o 等人通过过热水( 1 5 0 ) 蒸汽形成的水雾对甲烷空气混合气体的燃烧 极限和燃烧速度的影响进行了研究1 3 2 】，他们认为正是由于水蒸汽的存在而使甲烷空 气预混气产生了惰化，水滴本身对可燃极限没有明显的影响。l i n t e r i s 等人利用 m a c h e h e b r a 预混燃烧器就水雾对预混火焰燃烧的影响进行了研究，采用抑制前后 层流预混火焰燃烧速度的比来表示水雾的抑制效果。火焰的弯曲和拉伸效应确实存 在，考虑认为比较微弱，尤其是结果用，“来表示 3 3 1 。d l u g o g o r s k i 利用 m a c h e h e b r a 燃烧器，以及一维预混气体动力学模型对水蒸汽抑制天然气空气火焰 进行了研究【3 4 】。他们通过柱塞泵将水喷入预热的天然气与空气的混合气流，利用纹 影图片，采用火焰总面积法来测量火焰速度，研究水蒸汽对燃烧速度的影响。实验 结果表明，随着水蒸汽浓度的升高，火焰燃烧速度降低，论证了水蒸汽的热容量对 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 降低火焰传播具用重要作用。为量化增加水汽熄灭天燃气火焰的有效性，定义了惰 化系数。c h e l l i a h 等人实验研究了细水雾以及含有化学添加剂细水雾抑制熄灭预混 和非预混甲烷空气火焰口引，水雾及含化学添加剂的水雾对预混火焰的抑制效果也 是用燃烧速度的相对降低来表征，定义了s = ( s ，佃? ) 2 ，实验结果表明采用相近液 滴尺寸的细水雾抑制预混火焰，化学添加剂对抑制火焰有效性依次为 k o h n a c i n a o h ；对于纯淡水细水雾，与纯水微细水雾滴的灭火效果的洋细比较 说明，液滴的滞留时间和最佳液滴大小f 直径大于1 0 2 0 p m ) 决定了液滴与火焰前锋 的相互作用，如果液滴在达到化学反应层前不能完全蒸发，则化学添加剂的抑制效 果不好。f u s s 等人使用燃烧喷嘴直径是5 4 m m 的管式燃烧器在封闭的树脂玻璃室 内研究了细水雾液滴对大气压力下化学当量比的甲烷空气预混气体稳定火焰燃烧 速度的影响h ，所有的燃烧速度测量用相同条件未被抑制时的燃烧速度来标准化， 最大误差 1 0 ，燃烧速度的测量中采用线性最小平方拟合法，用于水雾与气体试 剂地有效性的比较，把未抑制的线性燃烧速度减小2 0 时，所要求的抑制剂浓度进 行拟合，并就水蒸汽、气体吸热灭火剂n 2 、c f 4 ，以及化学抑制剂c f 3 b r 的抑制效 果进行对比。实验结果表明，n 2 、c f 4 的熄灭火火焰具有相似的特征，水蒸汽的灭 火效果比n 2 、c f 4 明显，却不如相同质量的细水雾灭火效果。 综上所述，水雾作为一种高效灭火剂得到了大家的普遍关注，各国纷纷开展了 细水雾与各类燃烧火焰和爆炸火焰相互作用的各类实验研究和理论模拟研究，其中 细水雾的灭火机理研究的相对较充分，而稳定火焰的燃烧速度作为火焰燃烧的一个 重要参数，水雾对层流稳定预混火焰燃烧速度影响的研究尚存在很多欠缺，如水雾 作用于层流预混稳定火焰后，火焰燃烧速度和火焰拉伸的变化规律就鲜有报道，为 进一步系统地研究水雾对稳定层流预混火焰燃烧速度的影响规律，本文自行设计了 气体协流式管式燃烧器实验台，利用该实验系统对水雾与不同浓度的甲烷空气层流 预混气体火焰相互作用过程进行分析研究，得到了水雾对不同浓度层流预混甲烷燃 烧速度的影响规律，以此来表征水雾的抑制效果。 1 4 本文研究内容 利用自行设计的气体协流管式燃烧器实验系统，通过实验得到稳定层流预混甲 烷火焰的混合气体流量条件，测量得到了几种浓度的层流预混甲烷火焰的燃烧速 度，分析探讨了在不同水雾条件对层流预混甲烷：k 焰燃烧速度的影响规律。具体的 研究内容如下： ( 1 ) 自行设计研制了气体协流管式燃烧器实验系统，对管式燃烧器进行了火焰稳 定性和烧嘴上方水雾雾场特性的实验研究。 ( 2 ) 通过多次实验得到协流管式燃烧器烧嘴上方层流预混甲烷火焰的回火和吹 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 脱曲线，得到此实验系统的稳定层流预混甲烷火焰的气体流量范围和气流速度梯度 的变化范围。 ( 3 ) 利用激光多谱勒三维粒子测试系统( l d v a p v ) 对气体协流条件下的喷嘴上 方水雾雾场特性进行实验研究，对烧嘴出口截面上气体协流水雾两相流作用下水雾 作用对预混气流速的影响进行理论分析，对不同预混气流量下的水雾滴雷诺数进行 计算。 ( 4 ) 采用全面积法和喷嘴法分别对不同浓度的稳定层流预混甲烷火焰的燃烧速 度进行实验测量，比较分析两种测量方法的实验结果，并与前人实验结果作比较。 ( 5 ) 实验研究水雾与层流预混甲烷空气火焰的相互作用，用水雾作用后与作用 前火焰燃烧速度的比值s l s o 来表征水雾对火焰的抑制或增强效果，研究不同条件 的水雾对稳定火焰燃烧速度的影响规律，得到五种不同类型的s l s o t 曲线。采 用d v 摄像技术对水雾与火焰相互作用过程进行了实验记录，对层流火焰燃烧速度、 火焰稳定性及火焰拉伸变形规律进行实验研究。 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 第二章实验系统介绍 实验研究的目的是研究常温常压条件下水雾在开放空间内对层流预混甲烷火 焰的影响作用，通过测量计算水雾作用前后预混火焰燃烧速度的变化来表征水雾的 作用效果。依据此基本思想，在调研、参考多种评价灭火剂有效性的燃烧器基础上， 设计加工了气体协流管式燃烧器实验系统，通过多次实验得到层流预混甲烷火焰的 稳定范围。实验时按流量比例设置甲烷空气混合气体浓度与流量速度，丌启点火装 置，使其在管口形成一稳定的点火火焰，分别开启甲烷与空气流量控制阀，按设定 流量比例配置预混气体，预混气以一定流速通过燃烧管烧嘴上方的点火区，形成稳 定预混火焰；设定实验所需的喷雾压力以及喷头与进气孔削距，启动水雾控制电磁 阀，利用d v 摄像系统记录、研究不同水雾条件下预混甲烷火焰燃烧与熄灭过程， 用水雾作用后火焰燃烧速度与作用前火焰燃烧速度的比值s l s o 随水雾作用时间t 的变化束表征水雾对火焰燃烧速度的影响。实验的水雾喷头是在燃烧管内自下而上 喷射，采用预混气带动细水雾滴上升到达燃烧管烧嘴出口的方式，在整个上升运动 过程中液滴碰壁、相互碰撞、雾化、凝结作用相当复杂，从而到达烧嘴上方的液滴 大小以及液滴速度会发生很大改变，因此还对燃烧管喷嘴上方的气体协流的水雾特 性进行l d v a p v 实验测量，分析细水雾滴速度分布、滴径分布和雾通量的变化， 并对烧嘴出口截面上气体协流水雾两相流进行理论分析，分析水雾运动对协流气体 流速的影响，计算水雾滴的雷诺数。 2 1 气体协流管式燃烧器实验系统 2 1 1 水雾等灭火剂有效。畦的燃烧器实验评价方法 灭火剂是指那些能够有效地破坏燃烧条件，达到抑制燃烧或中止燃烧的物质。 目前灭火剂种类较多，灭火剂的正确选择以及用量供给的保证，是灭火成败的关键。 因此，对灭火剂有效性的研究对现实的灭火工作具有重要的指导意义。人们对灭火 剂相对灭火有效性的实验研究主要通过设计不同类型燃烧器来实现，h a m i n s 等人p 7 j 对前人研究工作进行了总结，将不同的研究灭火剂相对有效性的燃烧器主要分成四 大类：线性反向流动扩散火焰燃烧器( o f d f ) 、杯式燃烧器、湍流喷雾火焰燃烧器、 爆炸管，其中o f d f 是用来表征灭火剂( 气体和粉末) 熄灭液态烃( 正庚烷和j p - 8 ) 燃 烧形成的扩散火焰的相对有效性，杯式燃烧器可用来进行不同种类灭火剂对非预混 火焰相对灭火性能分类的实验研究，湍流喷雾火焰燃烧器适用于湍流研究，爆炸管 是做高速预混火焰和准爆炸研究使用的。 而灭火剂和火焰的相互作用方式主要有两种：灭火剂与火焰相向运动和同向运 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 动。灭火剂与火焰相向流动，多见于灭火剂与扩散火焰的作用研究，如d o w n i e 等 38 】将单一中空锥形喷嘴置于火焰上方，进行的微细水雾和甲烷扩散火焰相互作用的 研究，s h i m i z u 等1 1 4 j 在开放的5 0 0 x 5 0 0 x 5 0 0 m m 的空间内对不同喷雾压力和不同流量 的细水雾熄灭甲烷扩散火焰的实验研究。但是相向运动容易使得火焰的流场变得混 乱，使得火焰难以稳定，人们更多的是采用灭火剂与火焰同向的方法研究不同灭火 剂的相对有效性。下面是对几种典型燃烧器方法各自不同的特点、适用范围以及实 验结果进行比较分析，为发展了一种新型的研究细水雾惰化与抑制甲烷空气预混火 焰的管式燃烧器实验方法具有非常重要的参考价值。 2 1 1 1 杯式燃烧器法 i s 0 1 4 5 2 0 - - 1 【39 】附录b 给出了用杯式燃烧器研究气体灭火剂对可燃气体或液 体扩散火焰的最小火焰熄灭浓度的标准方法。图2 1 为标准的杯式燃烧器示意图， 燃烧器壁厚1 2 m m ，直径范围为2 8 r a m - - 3 l m m ，顶部边缘呈4 5 。斜切角，温度测量 装置置于杯内顶部下方2 m m 一5 n m a 处。燃烧杯外侧置壁厚2 - 5 m m 的玻璃或石英的 烟囱，烟囱内径8 5 m m 土2 m m ，高5 3 5 m m 士5 m m 。此规范还给出了燃料供给系统、空 气供给系统、灭火剂供给系统、输送系统等的一系列标准规定，以及标准的实验步 骤和最后报告应该给出的实验结果。杯式燃烧器的应用比较广泛，l i a o 【4 0 用f r i 玻 璃杯式燃烧器来研究n 2 、c 0 2 等对正庚烷燃烧的抑制作用，测定n 2 ，a r ，c 0 2 及 其混合物的灭火浓度，火焰熄灭浓度定义为在空气中能够熄灭扩散火焰的灭火剂的 最小浓度，用式子c 一1 0 0 v ( v + 4 0 ) 来计算，其中v ( l m i n ) 指的是灭火剂在灭火时 的质量流速。h a m i n s 等人提到杯式燃烧器除了1 可用于气体、液体的研究外，还能用 于固体粉末( 如n a h c 0 3 等) 的灭火有效性研究。 图2 - 1i s 0 1 4 5 2 0 1 标准的杯式燃烧器示意图 1 0 一豁一 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 2 1 1 2 管状火焰燃烧器法 l i a o 4 1 1 认为管状火焰燃烧器法是研究燃烧极限的一种新方法，重复性和可靠性 好。当可燃混合物从圆柱体内表面径向注入到轴时，形成管状火焰，从其圆形截面 看是关于轴对称的，所以称为管状火焰燃烧器。实验装置如图2 2 所示，其中的管 状火焰燃烧器是一多孔黄铜圆柱体，内径3 0 m m ，长8 0 m m ，厚5 m m ，孔径5 9 i n 。 通入n 2 来抑制混合物富足时在燃烧器边沿形成的扩散火焰，同时外缘装了冷却水， 降低燃烧器温度。管状火焰燃烧器适用于研究惰性气体或水蒸气对可燃性气体或液 体燃烧极限的影响，装嚣相对简单，操作方便，可靠性高。 图2 - 2 管状火焰燃烧系统图 l i a o 4 2 】用此管状火焰燃烧器研究了水蒸汽的灭火效果，在8 0 研究水蒸汽对烃 燃烧极限的影响，结果认为水因潜热大是一种高效灭火剂，水蒸气的化学灭火效果 比c 0 2 要好，原因是三体反应h + 0 2 + m = h 0 2 + m ，在相同的物理条件下，水蒸气 和c 0 2 的摩尔灭火效果相同，按照质量计算灭火效果，水蒸气是c 0 2 的2 5 倍，是 哈龙1 3 0 1 的1 5 倍。 2 1 1 3m a c h e h e b r a 燃烧器法 m a c h e h e b r a 燃烧器是带有喷i 嘴的燃烧器，因为通过燃烧喷嘴的气流速均一， 所以在燃烧喷嘴上方可以形成稳定的锥形驻留火焰，通过调节火焰高度和喷嘴直径 的比率小于3 ，可将火焰的张率和曲率降至最低 3 4 1 。d l u g o g o r s k i 等人例用 m a c h e h e b r a 燃烧器，用柱塞泵将水蒸气加入预热的天然气空气混合气中进行实验 研究，研究水蒸气的热容对抑制燃烧的作用。整个实验装置如图2 3 示，其中 m a c h e h e b r a 燃烧器内径4 4 m m ，长2 0 0 m m ，喷嘴内径1 0 m m ，在距离烧嘴顶部3 2 m m 处开始收缩，收缩呈轴对称分布，曲率半径分别为2 2 m m 和2 0 m m 。m a c h e - - h e b r a rn嘲!：0飞引 中国科学技术大学硕士学位论文：水雾对层流预混甲烷火焰燃烧速度影响的实验研究 燃烧器可以用于研究不同温度剃度时水蒸气对可燃气体层流预混火焰燃烧速度的 影响，d l u g o g o r s k i 等人的实验结果表明燃烧速度随着水蒸气浓度增大而减小，表示 水蒸气的热容能够降低火焰的传播。m a c h e - - h e b r a 燃烧器还可以用以研究细水雾 和含化学添加剂( n a o h 、k o h 等) 的细水雾对预混火焰的影响，c h e l l i a h 等人 3 5 1 用燃烧速度的相对降低( s ，s ? ) 来表征细水雾对预混火焰的抑制，实验结果表明含 化学添加剂的细水雾效果比单纯的细水雾效果要好。 图2 - 3m a c h e h e b m 燃烧器系统示意图 2 1 1 4 管式燃烧器法 f u s s 【3 6 等实验用的管式燃烧器是另外一种喷嘴型燃烧器，封闭在一个树脂玻璃 室内，燃烧喷嘴直径是5 4 m m ，燃烧器用2 2