高 偉,阿部俊太郎,榮建忠,土橋律

(1.大 連理工大學(xué) 化工機(jī)械學(xué) 院,遼寧 大連 116024; 2.東京大學(xué)工學(xué)院化學(xué)系統(tǒng)工程專攻,東京 113-8656; 3.公安部四川消防研究所,四川 成都610036)

氣流特征對水平長管內(nèi)石松子粉塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)的影響*

高 偉1,2,阿部俊太郎2,榮建忠3,土橋律2

(1.大 連理工大學(xué) 化工機(jī)械學(xué) 院,遼寧 大連 116024; 2.東京大學(xué)工學(xué)院化學(xué)系統(tǒng)工程專攻,東京 113-8656; 3.公安部四川消防研究所,四川 成都610036)

為探索氣流特征對水平長管內(nèi)粉塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)的影響,對采用加壓送氣傳輸方式形成的石松子粉塵云經(jīng)靜電引燃后其火焰在水平長管內(nèi)的傳播特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用熱線風(fēng)速儀測量不同氣流條件下沿管徑方向的速度分布和湍流強(qiáng)度分布,采用高速攝像系統(tǒng)記錄了火焰在水平管道內(nèi)的傳播過程。實(shí)驗(yàn)觀察到,即使管內(nèi)石松子粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同,仍然會出現(xiàn)2種不同類型的火焰結(jié)構(gòu):一種類型火焰輪廓規(guī)則、清晰,火焰中心為連續(xù)的黃色發(fā)光區(qū)并由紅色邊緣火焰包裹;另一種類型火焰空間離散,火焰發(fā)光區(qū)局部存在,散亂地呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)。詳細(xì)分析不同氣流條件對火焰結(jié)構(gòu)的影響。

爆炸力學(xué);粉塵爆炸;氣動傳輸;氣流特征;火焰結(jié)構(gòu);火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

由于在垂直管道內(nèi)形成懸浮的粉塵云比在水平管道內(nèi)要容易得多,因此不少粉塵火焰的研究工作是在垂直管道 內(nèi)進(jìn)行 的[1-6]。 在實(shí)驗(yàn) 室條件 下,要 實(shí)現(xiàn) 粉 塵 火 焰 在 水 平 長 管 中 的 傳 播 與 加 速,困 難 主 要在于,因地引力作用很難維持粉塵云在燃燒過程中仍能均勻地懸浮在L/D?10的水平管內(nèi)。T.Matsuda[7-8]在內(nèi)徑 4.2 cm、長13 m 的水平長管內(nèi)對采 用 弱 點(diǎn) 火 能 點(diǎn) 火 的 軟 木 和 ABC 樹 脂 粉 塵 的 火 焰 傳播特性及氣流速度對其最小點(diǎn)火能的影響開 展 了 實(shí) 驗(yàn)研究。J.H.Pickles[9]提出 了 包 含 湍流混合效 應(yīng)的理論模 型,對 水 平 長 管 內(nèi) 粉 塵 火 焰 傳 播 的 機(jī) 理 進(jìn) 行 了 討 論 與 分 析。 劉 曉 利 等[10-11]設(shè) 計(jì) 了 內(nèi) 徑158 mm、長23 m 的水平粉塵爆轟管,但在其實(shí)驗(yàn)研究中只運(yùn)行了其中的10 m,其長徑比L/D僅為63。陳志華等[12-13]在內(nèi) 徑140 mm,長 為12 m 的水平 粉塵 火 焰 加 速 管 內(nèi),對 鋁 粉 懸 浮 云 中 火 焰 加 速 誘 導(dǎo) 激波現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。白春華等[14]在內(nèi)徑300 mm,長71 m 的水平管道內(nèi),對 玉米淀 粉、小麥粉等有機(jī)糧食粉塵“二 次爆炸”過程 進(jìn)行了 實(shí)驗(yàn)研 究,得到 了“二 次爆炸”發(fā) 展 過 程 及 爆 轟 波 特 性。 鐘 圣 俊 等[15]采用算子分裂法和 FCT 格式 ,數(shù)值 模 擬 了 水 平 長 管 道 中 的 煤 粉 爆 炸 。 薄 濤[16]在 水 平 長 管 內(nèi) 對 粉 塵 的爆炸進(jìn)行了分析,確定了影響粉塵爆炸的因素,這些因素包括粉塵粒度、粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粉塵濕度、揮發(fā)物含量、惰性粉塵含量以及延遲點(diǎn)火時間等。對于水平管道內(nèi)粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑C(jī)理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,且較為分散,缺乏系統(tǒng)研究。本文中利用熱線風(fēng)速儀對水平管道內(nèi)的氣流速度及分布進(jìn)行測量,采用高速攝影系統(tǒng)記錄火焰在水平長管內(nèi)的傳播過程,詳細(xì)分析了不同氣流條件對火焰?zhèn)鞑ニ俣取u旋結(jié)構(gòu)、出現(xiàn)條件和相對燃燒速度的影響,可為相關(guān)研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,主要由水平燃燒長管、送風(fēng)機(jī)、時間控制器、粉塵供給裝置、多孔板、點(diǎn)火裝置及高速攝影系統(tǒng)組成。水平燃燒長管為末端開口直徑60 mm、長4 000 mm 的透明亞克力圓柱形管道,實(shí)驗(yàn)中主要選取點(diǎn)火電極上游1 m至下游2 m段作為主要的觀測范圍。在水平長管內(nèi)形成粉塵氣流的方法通常有2種,即加壓送氣法和加壓抽吸法。在本文中采用加壓送氣法在長管內(nèi)形成均勻的粉塵云,為防止火焰的逆流在送風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置金屬網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)中使用200 V三相電源的送風(fēng)機(jī),通過調(diào)節(jié)輸出頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制長管內(nèi)的空氣流速;在點(diǎn)火電極上游不同位置安置多孔板進(jìn)行整流并營造出不同的湍流環(huán)境。粉塵供給系統(tǒng)位于點(diǎn)火電極上游1 m 處,由粉塵罐、振動篩和空氣壓縮機(jī)組成,電磁閥的開啟持續(xù)時間由罐內(nèi)的空氣壓力值和粉塵量共同決定,同時采用直角彎管釋放儲罐內(nèi)的粉塵粒子,從而使粒子完全釋放并在管道中均勻分散。實(shí)驗(yàn)中采用歐姆龍石英計(jì)時器 H5CN控制各個單元的啟動和關(guān)閉時間,由PLC語言編譯實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中的粉塵的粒徑分布由馬爾文公司的粒徑分析儀進(jìn)行檢測;并采用Phantom 公司高速攝影記錄不同時刻管道中的火焰結(jié)構(gòu)特征。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental apparatus

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 材料特性

實(shí)驗(yàn)中采用日本粉體工業(yè)技術(shù)協(xié)會規(guī)定的粉塵爆炸標(biāo)準(zhǔn)粒子——石松子為材料進(jìn)行測試。石松子為石 松 科 植 物 石 松 的 孢 子 ,淡 黃 色 、質(zhì) 輕 、無 吸 濕 性 。 石 松 子 C5.7H9.6O1.3N0.09含 脂 肪 油 約 50%,含 纖 維素10%~15%、含木聚糖10%及精蛋白,密度為0.367~0.477 g/m3,最小點(diǎn)火能10~40 mJ,粉塵云最低點(diǎn)火溫度310 ℃,粉 塵云爆 炸的質(zhì) 量分?jǐn)?shù) 下 限 為 105~125 g/m3[17]。SEM 掃 描 圖 像 顯 示,燃 燒 前 的石松子粒子形狀規(guī)則,球狀表面有網(wǎng)狀 的 凹 凸結(jié)構(gòu)[3]。 實(shí) 驗(yàn) 中石松子粒 子 的 質(zhì) 量分?jǐn)?shù)約為400 g/m3。石松子粒子掃描電鏡圖像如圖2所示。

圖2 石松子粒子掃描電鏡圖像Fig.2 SEM photographs of unburned and burned lycopodium particles

1.2.2粒徑分布

實(shí)驗(yàn)前利用馬爾文公司的粒徑分析儀對石松子粒子的粒徑分布進(jìn)行測量,圖3所示為測量的粒徑分布曲線,D 為 粒 子 粒 徑,φ為 相 應(yīng) 粒 徑 的 體 積 分 布 分 數(shù),F為 相 應(yīng) 粒 徑 的 累 計(jì) 分 布 分 數(shù)。 當(dāng) 量 比 表 面直徑和體積平均粒徑分別為13.99和30.64μm。

圖3 石松子粒子粒徑分布曲線Fig.3 Diameter distribution of the lycopodium particles

1.3 水平長管內(nèi)的氣流速度及湍流強(qiáng)度

根據(jù)湍流的定義[18],某 一 瞬 態(tài) 流 動 在 流 場 給 定位置第i次所測得的t0時刻的瞬時速度為u(t0),可以分解為2個部分:

式 中 :u(t0)為 瞬 時 速 度為 平 均 速 度為脈動速度。

根據(jù)系 綜 平 均 法 定 義[19],在t0時 刻 由 N 次 相同測量而獲得的該時刻的系綜平均速度與均方根速度為:

在內(nèi)徑為60 mm 的水平長管中,雷諾數(shù)都超過10 000,所以在本文中取Re=104~105,長管內(nèi)的流場為湍流狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)變頻控制器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制長管內(nèi)空氣的流速,并利用日本加野會社的熱線風(fēng)速儀測量長管內(nèi)不同位置的瞬時速度,測量結(jié)果如圖4所示,定義v0為空氣進(jìn)入管 內(nèi) 的 初 始 速 度 ,va為 氣 流 速 度 ,u′為 湍 流 強(qiáng) 度 ,H 為 距 離 管 中 心 線 的 垂 直 距 離 。

圖4 不同初始?xì)饬魉俣认卵毓軓椒较虻臍饬魉俣确植己屯牧鲝?qiáng)度分布Fig.4 Distributions of airflow velocities and turbulent intensities along the diameter under different initial velocities

從圖4可以看出,在不同初始速度的條件下,實(shí)驗(yàn)中水平長管中的氣流特征如下:氣流速度在水平長管內(nèi)以長管中心為中心沿管徑方向呈凸拋物線型分布;隨著管內(nèi)氣流速度的增大,長管中心處的氣流速度與管壁處的氣流速度差逐漸變大;隨著長管內(nèi)氣流速度的變大,湍流強(qiáng)度也逐漸變大;湍流強(qiáng)度在水平長管內(nèi)以長管中心為中心沿管徑方向呈凹拋物線型分布;隨著氣流速度的增大,長管中心與管壁的湍流強(qiáng)度差也逐漸變大;氣流速度非常大的情況下,管壁處的湍流強(qiáng)度非常強(qiáng),最高可達(dá)到2 m/s。通常在粉塵爆炸 過程中 ,湍流對 爆炸過 程的影 響主要 包括3 個方面[20]:增 加 熱 解、氣 化 氣 體 組 分 的 燃 燒 速度;增加氧氣的傳輸速度;增加粒子間的熱量傳遞速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同氣流條件下的火焰位置及火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

利用高速攝像系統(tǒng)拍攝氣流速度分別為10、15、20、25和30 m/s條件下管內(nèi)的 火焰?zhèn)鞑ミ^程,圖5所示為不同氣流速度條件下火焰前端、后端的瞬時位置。

在10 m/s氣流速度條件下,石松子粒子流至下游0.3 m 后開始著火。氣流對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響并不明顯,火焰沿管軸向上游和下游以同樣方式加速傳播,且向上游與向下游的傳播速度幾乎相同;向上游傳播時,火焰?zhèn)鞑シ较蚺c氣流方向相反。在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中,火焰持續(xù)伸長,變成頂端細(xì)且極長的火焰。氣流速度為15 m/s時,火焰同樣出現(xiàn)在點(diǎn)火電極的下游。點(diǎn)燃后的石松子粒子向上游和下游傳播的狀態(tài)與10 m/s時的情況相同,但因被氣流抑制,火焰向上游的傳播速度偏小,且火焰末端沒有變細(xì)。氣流速度為20、25和30 m/s時,除一次火焰外,水平長管內(nèi)均出現(xiàn)二次火焰,且形成的二次火焰比一次火焰更長;同時一次火焰出現(xiàn)時火焰不會發(fā)生倒流現(xiàn)象,但二次火焰出現(xiàn)時火焰會發(fā)生倒流現(xiàn)象。從圖5(e)中可以看出,當(dāng)氣流速度為30 m/s時,在一次火焰上游的位置出現(xiàn)二次火焰。通常粉塵爆炸時火焰從點(diǎn)火源開始傳播,因點(diǎn)火源附近只有燃燒生成物所以很難再次著火;但在本文中,火焰在水平長管內(nèi)傳播的同時,上游未燃的石松子粒子和氧氣會隨氣流再次流下,因此很容易產(chǎn)生二次火焰。45 ms后管內(nèi)出現(xiàn)的二次火焰由于燃燒產(chǎn)物的熱膨脹效應(yīng)加速一次火焰在管內(nèi)的雙向傳播。在70 ms后,火焰的傳播速度與氣流流速相近,火焰分裂成幾個部分并從下游火焰的頂端位置開始逐漸消失。

圖5 不同氣流速度下不同時刻的火焰前端、后端位置Fig.5 Flame front,rear positions with time under different airflow velocities

圖6 所示為氣流速度分別為10、15、20、25和30 m/s條件下測定的火焰前端、中端和后端的平均傳播速度值,vf為火 焰?zhèn)鞑?速度,Lx=1.0,2.0,3.0時,分別表示火焰的前端、中端和 后端。 圖 中 不 同 色 塊僅區(qū)別多次實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果,不代表物理狀態(tài)的變化。在工業(yè)安全設(shè)計(jì)中通常取最大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛閰⒖紨?shù)值,可以看到在高氣流速度條件下,火焰的最高傳播速度甚至可以為氣流速度的6倍以上,以超過100 m/s的超高速傳播;即使氣流速度為10 m/s的情況下,最高火焰?zhèn)鞑ニ俣纫步咏?0 m/s。在氣流速度為15、20和30 m/s時,火焰前端的傳播速度最快;而在10和25 m/s氣流條件下,火焰中端的傳播速度稍快。

圖6 不同氣流速度下火焰的不同位置傳播速度Fig.6 Flame propagation velocities of different positions under different airflow velocities

2.2 火焰的傳播形態(tài)

水平長管內(nèi)的石松子粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時,實(shí)驗(yàn)過程中仍然觀察到2種不同的火焰結(jié)構(gòu),如圖7所示。A類型火焰輪廓規(guī)則、清晰,且頂端大多呈圓弧狀;火焰中心為黃色發(fā)光區(qū),發(fā)光區(qū)在空間連續(xù)并由紅色火焰包裹;在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中火焰的發(fā)光部分會逐漸變?nèi)踔料?。B類型火焰空間離散,表現(xiàn)為頂端細(xì)中部逐漸斷裂,火焰發(fā)光區(qū)局部存在,散亂地呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)。

圖7 2種類型火焰的形態(tài)特征Fig.7 Characteristics of the two types flames

B類型火焰在著火點(diǎn)附近的火焰形狀變化劇烈,可以確定此類火焰呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)傳播。A類型火焰亮度強(qiáng),結(jié)構(gòu)很難直接觀察,在實(shí)驗(yàn)中采用帶通濾波片拍攝并利用Image-J軟件對火焰的輪廓進(jìn)行臨摹,如圖8所示。從圖中可以看出,火焰如漩渦卷動一般,僅僅從圖像來看是上下動作,但是從立體上可以確定仍是呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)傳播。

通過多次實(shí)驗(yàn)調(diào)查了A類型火焰與B類型火焰形成的條件,結(jié)果發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的氣流速度對2種不同類型火焰的形成有重要影響。在較低流速的氣流條件下,B類型的火焰占據(jù)主導(dǎo)地位;當(dāng)氣流速度超過20 m/s時B類型火焰的主導(dǎo)地位發(fā)生逆轉(zhuǎn);也就是說,當(dāng)氣流速度超過20 m/s時容易出現(xiàn) A 類型的火焰,當(dāng)氣流速度低于20 m/s時容易出現(xiàn)B類型的火焰。

圖8 A類型火焰的渦旋結(jié)構(gòu)Fig.8 Flame vortex structure of type A

2.3 2種類型火焰的相對燃燒速度

為了消除氣流速度的影響,將2種類型火焰的傳播速度減去氣流速度從而算出相對燃燒速度,計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

這里的燃燒速度限定為一次火焰的相對燃燒速度。由圖中可以看出,限定為一次火焰時,A 類型火焰的相對燃燒速度平均值超過100 m/s;而 B類型火焰的相對燃燒速度平均值均低于80 m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,石松子粉塵火焰在水平長管內(nèi)傳播時,火焰的相對燃燒速度與氣流速度的變化趨勢相一致,即氣流速度較快時火焰的傳播速度也變快。

圖9 2種類型火焰的相對燃燒速度Fig.9 Relative propagation velocities of the two types flames

3 結(jié) 論

利用高速攝影系統(tǒng)記錄了不同氣流條件下石松子粉塵火焰在水平長管內(nèi)的傳播過程,并詳細(xì)分析了管內(nèi)氣流特征對火焰結(jié)構(gòu)的影響,得到如下結(jié)論:

(1)氣流速度為 10m/s時 石 松 子 火 焰 在 水 平 長 管 內(nèi) 穩(wěn) 定 傳 播;而 當(dāng) 氣 流 速 度 為 20、25 和 30 m/s時,除一次火焰外,水平長管內(nèi)出現(xiàn)二次火焰,且形成的二次火焰比一次火焰長;同時一次火焰出現(xiàn)時火焰不會發(fā)生倒流現(xiàn)象,但是二次火焰時火焰會發(fā)生倒流現(xiàn)象。

(2)在高氣流速度條件下,火焰的最高傳播速度可以達(dá)到氣流速度的6倍以上,以超過100 m/s的超高速傳播;即使氣流速度為10 m/s的情況下,火焰的最高傳播速度也接近10 m/s。

(3)在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉塵的火焰?zhèn)鞑ミ^程中出現(xiàn)兩種截然不同的火焰結(jié)構(gòu),A 類型火焰輪廓規(guī)則、清晰,火焰中心為連續(xù)的黃色發(fā)光區(qū)并由紅色火焰包裹;B類型火焰發(fā)光區(qū)空間離散并局部存在,散亂地呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài);兩種火焰均呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)傳播。當(dāng)氣流速度超過20 m/s時容易出現(xiàn) A 類型的火焰,當(dāng)氣流速度低于20 m/s時容易出現(xiàn)B類型的火焰。

(4)石松子粉塵火焰在水平長管內(nèi)傳播時,火焰的相對燃燒速度與氣流速度相一致,即氣流速度較快時火焰的傳播速度也變快。

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Effect of airflow characteristics on flame structure for following lycopodium dust-air mixtures in a long horizontal tube

Gao Wei1,2,Abe Shuntaro2,Rong Jian-zhong3,Dobashi Ritsu2
(1.School of Chemical Machinery,Dalian University of Technology, Dalian 116024,Liaoning,China; 2.Department of Chemical System Engineering School of Engineering, University of Tokyo,Tokyo 113-8656,Japan; 3.Sichuan Fire Research Institute of Ministry of Public Security, Chengdu 610036,Sichuan,China)

Experiments were conducted to investigate the effect of conveying airflow characteristics on flame structure for the electric spark ignition in air flow of lycopodium dust.Hot wire anemometers were used to measure the distributions of velocity and turbulent intensity along the diameter in a 6 cm diameter and 4 m length horizontal acrylic tube of a blow-type pneumatic conveying system.The measured dust-air mixtures flowing velocities ranged between 10 and 30 m/s.A high-speed video camera was utilized to record the flame propagation process and to obtain the direct light emission photographs.Two apparently different types of flames appeared in the flame propagation process under different airflow conditions.Type A flame was characterized by a regular and continuous structure with the yellow light-emitting zone in the center surrounding by the red luminous zone.Type B flame was discrete in the space and the structure of the luminous zone was irregular.Furthermore,the flame propagation velocities,vortex structures,formation conditions and relative burning velocities of the two types flames under different airflow velocities were discussed in detail.

mechanics of explosion;dust explosion;pneumatic transportation;air flow characteristics;flame structure;flame propagation velocity

O383;X932國標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0372-08

(責(zé)任編輯 王易難)

2013-07-08;

2014-06-03

國家 自然科學(xué)基 金項(xiàng)目(51406023);中 國博士后科 學(xué)基金項(xiàng)目(2014M560213)

高 偉(1984— ),男,博士,講師,gaowei07@mail.ustc.edu.cn。