裴 蓓,韋雙明,陳立偉,潘榮錕,王 燕,余明高,李 杰

(1.河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003;2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

天然氣具有清潔、熱值高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，已在生活和汽車(chē)燃料方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，天然氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸仍是一大安全問(wèn)題，一旦泄漏遇火爆炸，會(huì)造成嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究抑爆劑對(duì)甲烷爆炸的抑制作用，對(duì)天然氣的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸具有重要意義。

超細(xì)水霧是一種常見(jiàn)的抑爆劑，由于其高效、環(huán)保、來(lái)源范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而被關(guān)注。在超細(xì)水霧的抑爆機(jī)理方面，人們采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)探討[2-4]。Lentati等[5]、Yoshida等[6]指出，細(xì)水霧主要通過(guò)熱冷卻效應(yīng)削弱爆炸火焰，化學(xué)抑制作用小于10%。然而，除了物理效應(yīng)，水分子作為第三體，會(huì)中斷爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致更多的爆炸反應(yīng)自由基失活和主要活性物種的減少[7]。另外，超細(xì)水霧粒徑、濃度會(huì)影響其抑爆效果。Gu等[8]、Holborn等[9]利用小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，檢測(cè)了不同水霧粒徑大小，發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧能有效降低爆炸溫度。Modak等[10]發(fā)現(xiàn)，有效抑制爆炸能量的最小細(xì)水霧粒徑是10 μm，再減小細(xì)水霧粒徑并不會(huì)顯著增強(qiáng)抑爆效果。Boeck等[11]、Battersby等[12]、Ingram等[13]、Vollmer等[14]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)水霧處于一定濃度狀態(tài)時(shí)，液滴尺寸分布會(huì)影響預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰。然而，有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧還能增強(qiáng)可燃?xì)怏w爆炸強(qiáng)度。Gieras[15]指出，噴霧與火焰/壁面相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的湍流，會(huì)增加爆炸效果，加速火焰?zhèn)鞑ァＳ嗝鞲叩萚16]指出，充足的細(xì)水霧能夠有效降低爆炸強(qiáng)度，但是當(dāng)細(xì)水霧不足時(shí)會(huì)增強(qiáng)爆炸強(qiáng)度。曹興巖等[17]對(duì)超細(xì)水霧增強(qiáng)甲烷/空氣爆炸的機(jī)理進(jìn)行了分析，指出超細(xì)水霧吸熱和汽化膨脹兩種效應(yīng)的共同作用導(dǎo)致增強(qiáng)和抑制爆炸兩種相反效果。

另外，許多學(xué)者為了提高超細(xì)水霧的抑爆效果，做了很多改良。Cao等[18]往超細(xì)水霧中添加NaCl，用以研究對(duì)不同甲烷濃度的抑爆效果，結(jié)果表明，NaCl的加入可以提高超細(xì)水霧對(duì)甲烷爆炸的抑制效果。Pei等[19]研究了氮?dú)夂统?xì)水霧抑制管道瓦斯爆炸壓力衰減特性，發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧與氮?dú)夤餐种仆咚贡怏w時(shí)，存在明顯協(xié)同作用，且能降低超細(xì)水霧和惰性氣體的用量。Chelliah等[20]研究了含KOH、NaOH和NaCl細(xì)水霧對(duì)甲烷/空氣預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)超細(xì)水霧粒徑小于13 μm時(shí)，NaOH并不能明顯抑制預(yù)混火焰，NaCl比NaOH更有效地抑制甲烷爆炸。

綜上可見(jiàn)，現(xiàn)有超細(xì)水霧抑爆研究主要側(cè)重對(duì)傳播階段火焰波和壓力波的宏觀抑制效果，忽略了抑爆劑對(duì)初期爆炸特性的影響，而爆炸初期抑爆劑對(duì)整個(gè)爆炸過(guò)程又具有重要影響。

因此，本文中，進(jìn)行密閉容器內(nèi)部超細(xì)水霧和CO2對(duì)9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的實(shí)驗(yàn)研究，得出超細(xì)水霧和CO2對(duì)9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的變化規(guī)律，以期為不同行業(yè)場(chǎng)合噴霧抑爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、超細(xì)水霧生成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、光學(xué)紋影系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)等組成。

燃燒彈為密閉不銹鋼焊接而成的圓柱體，壁厚30 mm，耐壓可達(dá)2 MPa，半徑145 mm，高365 mm，體積24.1 L。為了實(shí)現(xiàn)爆炸過(guò)程的可視化，在定容燃燒彈兩側(cè)和一側(cè)筒壁中間位置，共裝有3面直徑110 mm、厚度50 mm的精加工光學(xué)石英玻璃視窗，為觀察火焰提供光學(xué)通道。

筒壁上裝有光電傳感器和壓力傳感器。RL-1光電傳感器對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)火電極用以確定點(diǎn)火時(shí)間；MD-HF壓力傳感器測(cè)量范圍為-0.1～1 MPa，誤差為0.25%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為1 ms；光電傳感器和壓力傳感器通過(guò)USB-1608FS Plus數(shù)據(jù)采集卡與電腦相連，數(shù)據(jù)采集卡記錄數(shù)據(jù)工作頻率為15 kHz。

兩根點(diǎn)火電極正對(duì)燃燒彈的中心，電極間距為3 mm，點(diǎn)火系統(tǒng)由HEI19系列高熱能點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極組成，點(diǎn)火電壓為6 kV。

配氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、氣閥、氣管、氣瓶、Alicat質(zhì)量流量控制器(MFC)、真空泵和精密數(shù)字式壓力表等。

超細(xì)水霧發(fā)生與輸送系統(tǒng)，主要由超聲波霧化裝置、密閉方形儲(chǔ)水盒、出入管道等組成。其中超聲霧化裝置采用的是三頭全銅霧化器，霧化片工作頻率為1 700 kHz。

紋影儀型號(hào)為CQW300，高速攝像機(jī)型號(hào)為High Speed Star 4G，像素設(shè)置為1 280×800，拍攝頻度為2 000 s-1。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境壓力為100 kPa，環(huán)境溫度為10 ℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of experimental system

1.2 方法

為了保證定容燃燒彈氣密性良好，在每次實(shí)驗(yàn)前都要檢查氣密性。在氣密性符合要求的情況下，首先，對(duì)定容燃燒彈抽真空至-0.08 MPa；然后，根據(jù)道爾頓分壓定律依次通入CO2、CH4和空氣所占的分壓，超細(xì)水霧隨空氣進(jìn)入定容燃燒彈，并由質(zhì)量流量控制計(jì)控制進(jìn)氣速率。為使超細(xì)水霧與各組分氣體混合均勻，通氣完畢后需要靜置30 s后再點(diǎn)火，同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)記錄爆炸火焰圖像，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄爆炸過(guò)程中的壓力數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響

圖2為9.5%甲烷/空氣爆炸球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的部分紋影圖片。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文中選取了幾個(gè)特殊時(shí)刻來(lái)說(shuō)明球形火焰發(fā)展過(guò)程。9.5%甲烷/空氣引爆后的一段時(shí)間內(nèi)球形火焰是以層流狀態(tài)向外傳播，此時(shí)火焰鋒面光滑，24 ms時(shí)火焰到達(dá)視窗邊緣，但由于甲烷為低活性可燃?xì)?，燃燒速度較低，因此在火焰鋒面到達(dá)視窗邊緣前沒(méi)有胞狀化。此外，在火焰形成初期火焰面上有兩道裂紋，這可能是因?yàn)辄c(diǎn)火電極對(duì)火焰鋒面所造成的。隨著球形火焰繼續(xù)傳播，65 ms時(shí)火焰表面產(chǎn)生不規(guī)則的裂紋，隨后這些裂紋繼續(xù)發(fā)展，83 ms時(shí)火焰形成均勻的完全胞狀化狀態(tài)。

圖2 9.5%甲烷/空氣球形火焰的傳播過(guò)程Fig.2 9.5% methane/air spherical flame propagation process

圖3為CO2對(duì)9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響。首先，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，點(diǎn)火后相同時(shí)刻的火焰半徑逐漸減小，這表明CO2濃度越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍叫?。其次，CO2濃度越高，球形火焰越光滑，胞狀面出現(xiàn)的時(shí)刻越晚，這表明CO2能夠減弱球形火焰不穩(wěn)定性。最后，當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到14%時(shí)球形火焰出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，這是由于已燃?xì)獾拿芏刃∮谖慈細(xì)獾拿芏龋鳦O2降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，延長(zhǎng)了球形火焰所受浮力的作用時(shí)間，使得火焰產(chǎn)生上浮現(xiàn)象[21]，當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)為18%時(shí)這種現(xiàn)象更為明顯，形成橢球形的火焰鋒面。

圖3 CO2對(duì)9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響Fig.3 Effect of CO2 on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

圖4為超細(xì)水霧對(duì)9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響。隨著超細(xì)水霧質(zhì)量濃度的增加，點(diǎn)火后相同時(shí)刻的火焰半徑先增加后減小，通入58.3 g/m3超細(xì)水霧時(shí)的火焰半徑大于不通超細(xì)水霧時(shí)的火焰半徑，此后隨著超細(xì)水霧質(zhì)量濃度的增加火焰半徑逐漸減小。同時(shí)，加入58.3 g/m3超細(xì)水霧后火焰亮度增加，這是由于超細(xì)水霧參與了爆炸反應(yīng)，導(dǎo)致火焰亮度增加[22]。對(duì)比86 ms時(shí)的紋影圖片還可以發(fā)現(xiàn)，58.3 g/m3超細(xì)水霧的胞狀面發(fā)展最充分，其次是不加超細(xì)水霧、174.9 g/m3超細(xì)水霧、262.5 g/m3超細(xì)水霧和350 g/m3超細(xì)水霧。這表明，通入少量超細(xì)水霧不能抑制甲烷爆炸，反而會(huì)參與爆炸反應(yīng)，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，只有?dāng)超細(xì)水霧質(zhì)量濃度充足時(shí)才會(huì)抑制甲烷爆炸。

圖4 超細(xì)水霧對(duì)9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響Fig.4 Effect of ultrafine water mist on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

圖5為CO2和質(zhì)量濃度為174.9 g/m3超細(xì)水霧共同作用對(duì)9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響。與174.9 g/m3超細(xì)水霧相比，加入CO2后火焰表面變得更光滑，火焰不穩(wěn)定性減弱，如110 ms時(shí)，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰胞狀面逐漸變大，數(shù)量逐漸減小，在加入10%CO2后胞狀面消失。此外，在點(diǎn)火后110 ms時(shí)，通入174.9 g/m3超細(xì)水霧的火焰最明亮，而在通入CO2后火焰亮度變暗，這表明加入的CO2有助于抑制超細(xì)水霧參與爆炸反應(yīng)。

圖5 CO2-超細(xì)水霧對(duì)9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響Fig.5 Effect of CO2 and ultrafine water mist on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

2.2 對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁欠磻?yīng)火焰前沿傳播快慢的一個(gè)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

(1)

式中：R1和R2分別為t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的火焰半徑。

圖6為CO2-超細(xì)水霧對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憟D像。

圖6 CO2-超細(xì)水霧對(duì)9.5%甲烷/空氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.6 Effect of CO2-ultrafine water mist on flame propagation speed of 9.5% methane/air

圖6(a)為不同超細(xì)水霧質(zhì)量濃度下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑的變化關(guān)系。

點(diǎn)火后火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓梢苑譃?個(gè)時(shí)期：(1)火核形成期；(2)火焰發(fā)展期?；鸷诵纬善诘幕鹧?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑增大而減小，在半徑約4 mm時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚?，然后開(kāi)始上升，在半徑約7 mm時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣融呌诜€(wěn)定，因而在半徑7 mm后測(cè)得火焰?zhèn)鞑ニ俣容^為準(zhǔn)確，這主要是因?yàn)榛鸷诵纬善诨鹧姘l(fā)展受到點(diǎn)火能量的影響較大[23]。火核形成后以膨脹球形火焰向外傳播，火焰表面逐漸遠(yuǎn)離點(diǎn)火位置，火焰表面受點(diǎn)火作用的影響逐漸減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀醪话l(fā)生變化，這個(gè)時(shí)期是火焰發(fā)展期。

圖6(b)為超細(xì)水霧質(zhì)量濃度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€的影響。

隨著超細(xì)水霧質(zhì)量濃度的增加，9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍鬁p小，通入58.3 g/m3超細(xì)水霧時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾恿?0%，這是由于超細(xì)水霧對(duì)爆炸火焰流場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響，使爆炸火焰流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這會(huì)使球形層流火焰表面產(chǎn)生褶皺，增大了燃燒面積，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印．?dāng)超細(xì)水霧質(zhì)量濃度增至116.6 g/m3時(shí)，球形火焰的傳播速度降低并不明顯，只下降了5.0%；當(dāng)超細(xì)水霧質(zhì)量濃度達(dá)到350 g/m3時(shí)有了明顯降低，下降了50%。

這表明，超細(xì)水霧量不足時(shí)其火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档筒⒉幻黠@，甚至有可能會(huì)造成火焰加速，只有當(dāng)超細(xì)水霧量充足時(shí)才會(huì)有明顯的抑爆作用。

圖6(c)為在不同體積分?jǐn)?shù)CO2作用下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑的變化關(guān)系。

隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小。此外，CO2對(duì)火核形成期的影響也比較大，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，點(diǎn)火對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺絹?lái)越小，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小造成的。

圖6(d)為CO2對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓挠绊懬€。

CO2能夠明顯降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并且CO2濃度越高抑制作用越明顯，當(dāng)加入體積分?jǐn)?shù)為18%的CO2時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?1.3%。

圖6(e)～(f)為350 g/m3超細(xì)水霧和不同體積分?jǐn)?shù)CO2共同作用對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔?shì)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但是當(dāng)超細(xì)水霧和CO2共同作用時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南陆蹈用黠@。加入350 g/m3超細(xì)水霧時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?0%，只加入18%CO2時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?1.3%，而350 g/m3超細(xì)水霧和18%CO2共同作用時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?1%，抑爆效果有小幅增高，這是因?yàn)榧尤氲乃F量較少。

2.3 對(duì)爆炸超壓的影響

圖7為CO2體積分?jǐn)?shù)和超細(xì)水霧質(zhì)量濃度對(duì)爆炸超壓的影響。

圖7(a)是不同體積分?jǐn)?shù)CO2對(duì)9.5%甲烷/空氣爆炸超壓影響的對(duì)比曲線。

首先，不同體積分?jǐn)?shù)CO2影響下的爆炸超壓曲線具有相似的變化趨勢(shì)，可以把點(diǎn)火后定容彈內(nèi)的壓力變化分為3個(gè)時(shí)期：(1)壓力滯后期；(2)壓力增長(zhǎng)期；(3)壓力衰減期。

在甲烷被點(diǎn)燃后，球形火焰是以層流狀態(tài)向外傳播，此時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，定容彈內(nèi)的壓力變化不大，這個(gè)時(shí)期稱(chēng)為壓力滯后期；當(dāng)火焰繼續(xù)向外發(fā)展時(shí)，火焰不穩(wěn)定造成火焰加速，形成爆炸沖擊波導(dǎo)致定容彈內(nèi)壓力增大，這個(gè)時(shí)期稱(chēng)為壓力增長(zhǎng)期；火焰繼續(xù)發(fā)展，定容彈內(nèi)的甲烷即將燃盡，燃燒速度減慢直至火焰熄滅，造成定容彈內(nèi)的壓力衰減，這個(gè)時(shí)期是壓力衰減期。

其次，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，壓力滯后期和壓力增長(zhǎng)期所用時(shí)間均有所增加，爆炸超壓曲線上升時(shí)刻明顯延遲，例如9.5%甲烷/空氣爆炸時(shí)的壓力滯后期為41.6 ms，在加入18%CO2后滯后期延長(zhǎng)到185.0 ms，增加了344.7%。

再次，CO2對(duì)超壓峰值和超壓峰值到達(dá)時(shí)間也有很大影響，CO2濃度越高，超壓峰值越低，超壓峰值到達(dá)時(shí)間越長(zhǎng)，例如9.5%甲烷/空氣爆炸超壓峰值為0.660 2 MPa，而在18%CO2作用下，超壓峰值下降到了0.408 5 MPa，下降了38.1%；9.5%甲烷/空氣爆炸超壓峰值到達(dá)時(shí)間為189.1 ms，而在18%CO2作用下爆炸超壓峰值到達(dá)時(shí)間增加到了1 040.1 ms，增加了450.0%。

最后，在爆炸壓力增長(zhǎng)期，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加爆炸超壓曲線斜率明顯降低，這表明壓升速率減小。因?yàn)镃O2對(duì)9.5%甲烷/空氣爆炸具有明顯的抑制作用，并且CO2濃度越高抑制作用越明顯，這是由于甲烷爆炸本質(zhì)上是一個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程，而CO2稀釋了甲烷氣體，抑制了活化自由基的解離，降低了活化自由基的濃度，使爆炸強(qiáng)度減小，爆炸反應(yīng)速率減慢。

圖7(b)是不同超細(xì)水霧質(zhì)量濃度對(duì)9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響曲線。變化曲線與圖7(a)有相似的變化趨勢(shì)，即定容彈內(nèi)的爆炸壓力也經(jīng)歷了3個(gè)階段。

但是，在超細(xì)水霧質(zhì)量濃度為58.3 g/m3時(shí)，爆炸超壓峰值增加到了0.697 7 MPa，增加了5.7%。這是因?yàn)椋?/p>

(1)超細(xì)水霧的加入會(huì)使爆炸流場(chǎng)湍流化，湍流化會(huì)使火焰表面失穩(wěn)造成火焰表面與預(yù)混未燃?xì)獾慕佑|面積增加，這會(huì)造成火焰燃燒增強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱ǔ瑝涸黾?，從而產(chǎn)生促爆作用；

(2)在密閉容器內(nèi)部，少量超細(xì)水霧在高溫火焰作用下會(huì)發(fā)生氣化，氣化的超細(xì)水霧體積會(huì)有所增加，造成定容燃燒彈內(nèi)的壓力升高，這就是超細(xì)水霧的氣化升壓作用；在超細(xì)水霧質(zhì)量濃度58.3 g/m3時(shí)，超細(xì)水霧的氣化升壓作用大于冷卻降溫作用，從而造成了定容燃燒彈內(nèi)的壓力升高[22]。

此后，隨著超細(xì)水霧質(zhì)量濃度的增加，爆炸超壓峰值逐漸降低。這表明，少量的超細(xì)水霧并不能抑制甲烷爆炸，只有當(dāng)超細(xì)水霧達(dá)到一定質(zhì)量濃度時(shí)才能抑制甲烷爆炸。

圖7 CO2和超細(xì)水霧對(duì)9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響Fig.7 Influences of CO2 and ultrafine water mist on explosion overpressure of 9.5% methane/air

為了說(shuō)明超細(xì)水霧和CO2共同作用對(duì)9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響，選取質(zhì)量濃度為350 g/m3的超細(xì)水霧和CO2共同作用的情況來(lái)進(jìn)行分析。

圖8是質(zhì)量濃度為350 g/m3的超細(xì)水霧和不同體積分?jǐn)?shù)CO2共同作用對(duì)9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的抑制效果圖像。

由圖8(a)和圖7對(duì)比，可以看出超細(xì)水霧和CO2共同作用時(shí)的抑爆效果更加明顯，當(dāng)往超細(xì)水霧中加入CO2后爆炸超壓峰值明顯降低，爆炸超壓峰值來(lái)臨時(shí)間顯著增加，并且隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加，超細(xì)水霧和CO2的綜合抑爆能力越強(qiáng)。

根據(jù)圖8(b)，9.5%甲烷/空氣爆炸的平均壓升速率為3.0 MPa/s，而350 g/m3超細(xì)水霧和18%CO2共同作用下，平均壓升速率下降到了0.25 MPa/s，下降了91.7%；超壓峰值來(lái)臨時(shí)間增加到了1 395.7 ms，增加了638.1%，這比超細(xì)水霧或CO2單獨(dú)作用時(shí)具有更好的抑爆效果，并且350 g/m3超細(xì)水霧和18%CO2綜合作用時(shí)的抑爆效果最明顯。

圖8 CO2-超細(xì)水霧對(duì)9.5%甲烷/空氣的抑爆效果Fig.8 Effect of CO2-ultrafine water mist on explosion suppression of 9.5% methane/air

3 結(jié) 論

通過(guò)自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了CO2-超細(xì)水霧對(duì)9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的影響，主要得到以下結(jié)論。

(1) CO2和超細(xì)水霧的濃度是影響其單獨(dú)抑爆效果的主要原因，且要達(dá)到理想的抑爆水平，抑爆劑的使用濃度要求很高，且超細(xì)水霧質(zhì)量濃度不足時(shí)有促爆作用，只有當(dāng)超細(xì)水霧質(zhì)量濃度充足時(shí)才會(huì)有效抑制甲烷爆炸。

(2) CO2和超細(xì)水霧共同作用時(shí)對(duì)爆炸初期火焰?zhèn)鞑ビ酗@著影響，火焰胞狀面逐漸變大，數(shù)量逐漸減小，在加入10%CO2后胞狀面消失，同時(shí)火焰亮度變暗，體現(xiàn)出二者共同作用時(shí)能夠降低火焰不穩(wěn)定性，抑制少量超細(xì)水霧誘發(fā)的抑爆不穩(wěn)定現(xiàn)象。

(3) CO2和超細(xì)水霧共同作用時(shí)，明顯降低了球形火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒓淄楸ǔ瑝悍逯岛推骄鶋荷俾?，推遲超壓峰值來(lái)臨時(shí)間，有助于抑制爆炸初期的火焰加速。