賈海林，項海軍，李第輝，翟汝鵬

（1. 河南理工大學(xué)河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

隨著我國煤礦開采深度的加深，瓦斯爆炸事故發(fā)生頻率和強度呈上升趨勢[1]。高效安全地抽采瓦斯，敷設(shè)的長距離抽采管網(wǎng)存在爆炸隱患，成為亟須解決的問題[2]。鑒于此，國內(nèi)外專家學(xué)者開始對管道瓦斯爆炸特性進(jìn)行研究，以期對此類爆炸事故進(jìn)行有效控制。

針對瓦斯爆炸的抑爆介質(zhì)的研究，其主要集中于惰性氣體、超細(xì)水霧、氣溶膠、多孔介質(zhì)和固體粉末等方面，不同類別抑爆介質(zhì)的抑爆機理亦不相同[3-12]。超細(xì)水霧具有來源廣泛、環(huán)境友好，滅火、抑爆效果明顯等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于諸多工程領(lǐng)域[13]。純水超細(xì)水霧主要以物理方式進(jìn)行滅火與抑爆，受環(huán)境所限效果往往不太理想[14]。陳曉坤等[15]在玻璃管內(nèi)研究了超細(xì)清水霧以及含NaCl、NaHCO3和KCl 的水霧分別對甲烷/空氣預(yù)混氣體的爆炸影響，發(fā)現(xiàn)含有無機鹽類超細(xì)水霧要優(yōu)于超細(xì)清水霧的抑爆效果。Joseph 等[16]研究了添加無機鹽類（NaCl、KCl 和KHCO3）水霧的抑爆特性，表明水霧中無機鹽可大幅提高抑爆效率。Cao 等[17-19]研究了在含有不同濃度的甲烷/空氣預(yù)混氣體的密閉管道內(nèi)的超細(xì)水霧抑爆，結(jié)果表明NaCl 作為添加劑可明顯改善純水超細(xì)水霧的物理和化學(xué)效應(yīng)，顯著提高其抑爆效果。

被動抑爆方式有時與主動方式一起作用于瓦斯爆炸[20]。泄壓作為被動式抑爆手段，可以及時緩解超壓。改變管道開口端的泄放面積，即開口管道阻塞率，壓力波在端部反射，這引起反向流動，影響內(nèi)部壓力變化，這種反射波引起的逆流對火焰的傳播具有不可忽略的影響[21-23]。

盡管眾多學(xué)者已經(jīng)對管道瓦斯抑爆進(jìn)行大量研究，但仍存在不足之處。通過事故調(diào)查可知，抽采管道在瓦斯爆炸傳播中起到重要作用。管道內(nèi)釋放超細(xì)水霧與管道泄壓口泄壓作為有效的主動與被動式抑爆方式，故對抽采管道的主動與被動抑爆方式有必要進(jìn)行探究。結(jié)合含NaCl 超細(xì)水霧具有環(huán)境友好、成本較低且抑爆效果較好的特點，本文中通過改變施加含NaCl 超細(xì)水霧霧通量的大小和水平管道抑制區(qū)（B）泄壓口的阻塞率，以期探究含NaCl 超細(xì)水霧作用不同阻塞率管道瓦斯爆炸的影響，利用爆炸壓力、火焰鋒面位置及爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊缺ㄖ笜?biāo)分析對瓦斯爆炸特性進(jìn)行更深入的掌握，以期為瓦斯爆炸災(zāi)害的防治提供一定理論依據(jù)。

1 不同阻塞率下分區(qū)管道抑爆實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

圖1 為實驗平臺系統(tǒng)圖。結(jié)合實驗需求，自行設(shè)計并搭建水平透明管道平臺，該平臺主要包括預(yù)混氣體配置單元、管道預(yù)混氣爆炸單元、爆炸超壓及火焰信息采集單元和超細(xì)水霧霧化單元。預(yù)混氣體配置單元由高壓高純度甲烷氣瓶（純度為99.9%）、空氣壓縮機、氣體質(zhì)量流量計、閥門、耐高壓樹脂軟管等組成。甲烷在空氣中的濃度為9.5% 時，這時的化學(xué)反應(yīng)速率最快，爆炸最猛烈[25]?；诜謮悍ǎ錃鈺r使A、B 管內(nèi)預(yù)混氣（CH4與空氣）的化學(xué)計量比達(dá)到9.5%。管道預(yù)混氣爆炸單元主體是兩節(jié)500 mm×100 mm×100 mm 的透明有機玻璃管道，能承受2 MPa 的爆炸壓力，編號為A、B，便于相機拍攝采集圖像，用于后期火焰鋒面以及火焰結(jié)構(gòu)分析；采用PVC 薄膜分隔兩段管道，管道間采用法蘭連接；管道A 右側(cè)端口采用不銹鋼板密閉，鋼板上分別設(shè)置點火器預(yù)留孔和進(jìn)氣孔；點火部分是由陶瓷鎢棒材料制成的點火電極和高熱能點火器組成的，高熱能點火器是由西安順泰熱工加工制作的HE119 系列的高能點火器，點火電極之間放電間隔5 mm，輸出功率為60 W，輸出電壓為6 kV，輸出電流為30 mA，放電穩(wěn)定；泄壓口作為泄壓通道，實驗設(shè)計了3 種阻塞率φ=(S管道截面積?S泄壓口面積)/S管道截面積法蘭盤，安裝于B 管道開口端，對應(yīng)的阻塞率分別為0.2、0.4、0.6，阻塞率為0 時采用PVC 薄膜密封。爆炸超壓及火焰信息采集單元由高頻壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、光電傳感器、高速攝像機和高性能計算機組成。壓力傳感器為上海銘動公司生產(chǎn)的工作量程范圍為?0.1～0.2 MPa、響應(yīng)時間為0.2 ms、精度為0.25%的高頻壓力傳感器；數(shù)據(jù)采集卡采用MCC 公司生產(chǎn)的USB-1608FS 型數(shù)據(jù)采集卡，信號采集頻率為15 kHz；RL-1 型光電傳感器采集頻率為15 kHz，傾斜放置管道A 的外側(cè)，其探頭指向點火電極，通過采集點火時的光信號，以此確定爆炸起爆時間點；火焰圖像利用美國約克公司M310 型高速攝像機采集，采樣頻率為3 200 s?1，最大分辨率為1 024×1 024。

圖 1 實驗系統(tǒng)Fig. 1 The experimental system

超細(xì)水霧霧化單元由超聲霧化裝置、密閉樹脂儲水箱及水霧導(dǎo)管組成。超聲霧化具有較好的懸浮特性，僅需少許的水就可以在密閉管道空間中形成較為濃厚的超細(xì)水霧氛圍，超聲霧化過程如圖2 所示。該超聲霧化裝置霧化片的工作頻率為1 700 kHz，霧化速率約為4.2 mL/min。文獻(xiàn)[24]將超細(xì)水霧依據(jù)粒徑尺寸分成3 個等級：第Ⅰ級定義為超細(xì)水霧中90%以上水霧粒徑小于或等于200 μm；第Ⅱ級定義為超細(xì)水霧中90%以上水霧粒徑小于或等于400 μm；第Ⅲ級定義為超細(xì)水霧中90%以上霧滴粒徑大于或等于400 μm。根據(jù)相位多普勒激光測速儀(PDA)測得的實驗水霧粒徑，其總體分布范圍為0～20 μm，其中大部分水霧粒徑分布在0～10 μm，按照粒徑等級分屬于第I 級超細(xì)水霧，因此本文中稱其為“超細(xì)水霧”。

圖 2 超聲霧化過程Fig. 2 Ultrasonic atomization process

1.2 實驗方法

實驗前預(yù)先配置好質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的NaCl 溶液，對比分析在純水條件下，不同水霧通入量和不同管道阻塞率的超細(xì)水霧對甲烷爆炸的抑制效果。水霧通入量分別為2.1、4.2、6.3 、8.4 mL，管道泄壓口阻塞率分別為0、0.2、0.4、0.6。檢查相關(guān)儀器設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，將PVC 薄膜緊貼于A、B 管之間，之后同時開啟A、B 管的進(jìn)氣閥和出氣閥，通入4 倍管道體積配制的預(yù)混氣體于A、B 管道中，充氣時間為8 min；開啟B 管道與超聲霧化裝置間的進(jìn)氣閥，并啟動超聲霧化裝置，按照不同的實驗工況通入相應(yīng)的水霧量，調(diào)整B 管末端法蘭的阻塞率；待充氣和B 管道內(nèi)通入細(xì)水霧全部結(jié)束后，關(guān)閉進(jìn)氣閥和出氣閥，立刻啟動點火器，同時采集壓力數(shù)據(jù)并存儲拍攝到的火焰圖像；確認(rèn)無誤后重復(fù)上述步驟，準(zhǔn)備下一組的實驗工況，每次實驗前需將拆卸下的B 管道干燥，每組工況重復(fù)3～5 次。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 管道不同泄壓口阻塞率對甲烷爆炸的影響

圖 3 不同阻塞率對爆炸壓力的影響Fig. 3 Influence of different blocking ratios on explosion pressure

2.1.1 管道不同泄壓口阻塞率對爆炸超壓的影響

圖3 為未施加超細(xì)水霧，不同阻塞率條件下預(yù)混氣體爆炸壓力隨時間的變化關(guān)系。從圖中可知隨著阻塞率的升高，對應(yīng)的管內(nèi)瓦斯爆炸超壓分別為23.51、25.68、39.08 和71.91 kPa。阻塞率為0 和0.2 時，爆炸壓力到達(dá)最高峰值前上升緩慢；當(dāng)阻塞率為0.4 時，爆炸超壓明顯提高；阻塞率為0.6 時，管道內(nèi)9.5%的甲烷-空氣的預(yù)混氣體燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的爆炸壓力最大；在不同阻塞率下，爆炸壓力均出現(xiàn)兩個峰值。此現(xiàn)象主要由于在閉口管道（A 管道）內(nèi)點火引燃預(yù)混氣體的初期，A 管內(nèi)因燃燒反應(yīng)進(jìn)行溫度升高，管內(nèi)氣體體積膨脹進(jìn)而誘導(dǎo)形成前驅(qū)壓力波，導(dǎo)致第一個破膜壓力峰值的出現(xiàn)，管道之間的PVC 薄膜對燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程有一定的阻滯、泄壓作用，爆炸壓力曲線出現(xiàn)下降的趨勢；破膜泄壓后，爆炸火焰因管道內(nèi)的壓力變化被拉伸變形，火焰內(nèi)部燃燒空間增大，陣面面積突增，大量未燃預(yù)混氣體被卷吸到反應(yīng)區(qū)，熱釋放速率加速，因此爆炸壓力急劇上升，以致形成最大波峰現(xiàn)象。由此表明管道的泄壓口阻塞率對爆炸壓力有重要影響。

2.1.2 管道不同泄壓口阻塞率對火焰鋒面和傳播速度的影響

圖4 為未施加超細(xì)水霧，不同阻塞率條件下預(yù)混氣體爆炸的火焰鋒面位置隨時間的變化關(guān)系。從圖中可知隨著阻塞率的升高，火焰鋒面?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒怂钑r間分別為5.27、4.65、5.89 和7.13 ms，呈非線性上升關(guān)系。在阻塞率φ 為0.2 時產(chǎn)生一個明確的拐點，即阻塞率為0.2 時，火焰鋒面到達(dá)管道末端所需時間最短。此現(xiàn)象主要由于相較其他阻塞率（0、0.4 和0.6），在阻塞率為0.2 時，法蘭盤壁面反射作用較弱，末端迅速泄壓，管內(nèi)爆炸大尺度的湍流加快反應(yīng)進(jìn)行，致使阻塞率為0.2 時火焰平均速度最快。

圖5 為在火焰鋒面位置隨時間的變化關(guān)系的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間的變化的關(guān)系。在火焰沖破PVC 膜進(jìn)入管道B 后，火焰速度突然增大。在阻塞率為0.6 的情況下，火焰速度在0.93 ms 時的上升尤為明顯，隨著火焰不斷向前推進(jìn)，火焰速度逐漸衰減。圖中直線分別表示在不同泄壓口阻塞率情況下火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣?，在阻塞率? 的情況下，火焰平均速度隨時間緩緩加快。在阻塞率為0.4 和0.6 的情況下，火焰平均速度隨時間呈衰減趨勢，管道泄壓口不同阻塞率對爆炸火焰?zhèn)鞑サ乃俣扔兄匾绊憽?/p>

圖 4 不同阻塞率下火焰鋒面位置的變化Fig. 4 Flame front position varying with time at different blocking ratios

圖 5 不同阻塞率下管道B 內(nèi)火焰速度的變化Fig. 5 Flame speed in pipe B varying with time at different blocking ratios

2.1.3 管道不同泄壓口阻塞率對火焰平均速度和最大爆炸壓力的影響

圖6 所示為未施加超細(xì)水霧工況下，管道內(nèi)的火焰平均速度和最大爆炸壓力與阻塞率三者的變化關(guān)系。在阻塞率為0.2 時，火焰的傳播速度明顯高于其他3 個阻塞率下的傳播速度；當(dāng)阻塞率大于0.2 時，火焰的傳播速度均減小且都小于阻塞率為0 情況下的火焰速度。此現(xiàn)象主要由于爆炸壓力波在B 管道內(nèi)傳播過程中，因管段泄壓口大阻塞率的法蘭盤反射作用，在壓力波的反射作用下氣流逆向流動，使得火焰速度下降；與此同時逆向氣流引起小尺度湍流的出現(xiàn)，當(dāng)管內(nèi)湍流強度達(dá)到一定程度時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧霈F(xiàn)較小的峰值。最大爆炸壓力因管道泄壓面積變小，預(yù)混氣體受前驅(qū)火焰壓力波的影響，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的高壓不能及時從管段末端泄壓口排出，因此造成爆炸壓力峰值升高。

圖 6 火焰平均速度和最大爆炸壓力與阻塞率的變化關(guān)系Fig. 6 Average flame speed and maximum explosion pressure varying with blocking ratio

2.2 含NaCl 超細(xì)水霧對不同阻塞率下瓦斯爆炸的影響

2.2.1 含NaCl 超細(xì)水霧對管道爆炸壓力的影響

圖 7 含NaCl 超細(xì)水霧對不同阻塞率下爆炸壓力的影響Fig. 7 Effect of ultrafine water mist containing NaCl on explosion overpressure for different blocking ratios

圖7 展示了分別表示施加不同霧通量（2.1、4.2、6.3、8.4 mL）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的NaCl 超細(xì)水霧作用于不同阻塞率泄壓口管道的爆炸壓力隨時間的變化關(guān)系。相較于無超細(xì)水霧下的工況，隨著管道內(nèi)超細(xì)水霧霧通量的增加，不同阻塞率的泄壓口管道內(nèi)爆炸壓力均不斷減小。霧通量為8.4 mL 時，不同阻塞率的泄壓口管道內(nèi)爆炸壓力下降最顯著。管段內(nèi)甲烷-空氣的預(yù)混氣體在阻塞率為0 和0.2 的情況下，爆炸壓力出現(xiàn)明顯振蕩衰減；阻塞率為0.4，管內(nèi)霧通量的增加至6.3 mL 和8.4 mL 時，管道內(nèi)的壓力振蕩幅度變得特別小；阻塞率為0.6，壓力振蕩幾乎消失。超細(xì)水霧在爆炸高溫下與爆炸火焰接觸快速蒸發(fā)吸熱，促進(jìn)爆炸區(qū)內(nèi)H?和OH?結(jié)合成水分子，從而降低爆炸反應(yīng)區(qū)的溫度，降低爆炸強度。當(dāng)管段阻塞率變大后，在反射沖擊波作用下會造成未燃區(qū)內(nèi)大量的可燃?xì)怏w和超細(xì)水霧滯留增加，因此高壓氣流驅(qū)使大量的含NaCl 超細(xì)水霧快速進(jìn)入到爆炸反應(yīng)區(qū)，使得爆炸壓力出現(xiàn)振蕩衰減。超細(xì)水霧會部分地直接干預(yù)瓦斯爆炸反應(yīng)區(qū)的化學(xué)反應(yīng)[26]，通過霧滴的蒸發(fā)析出NaCl 晶體中的Na+和Cl?參與到爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，繼續(xù)消耗H?和OH?自由基，中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行，降低爆炸強度，使得管內(nèi)爆炸壓力振蕩幾乎消失。

2.2.2 含NaCl 超細(xì)水霧對管道火焰鋒面的影響

圖8 中（a）～（d）分別表示施加不同霧通量的NaCl 超細(xì)水霧作用于不同阻塞率泄壓口管道的火焰鋒面位置隨時間變化的關(guān)系圖。當(dāng)火焰穿越薄膜進(jìn)入B 管道時，火焰鋒面位置移動較快。但隨著含NaCl 超細(xì)水霧通入量的增加，鋒面位置上升變得緩慢，爆炸火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒说臅r間也隨之增加。在阻塞率為0 和0.4 的情況下，霧通量為8.4 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的NaCl 超細(xì)水霧對火焰鋒面曲線影響較大，鋒面曲線下降的次數(shù)分別為5 和4 次?；鹧嬖谝种茀^(qū)域內(nèi)（B 管道）傳播過程中，火焰鋒面曲線具有波動性，霧通量大小與火焰鋒面曲線的波動相關(guān)。可見，含NaCl 超細(xì)水霧能夠使管道內(nèi)火焰陣面推進(jìn)速度放緩，使得火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒说臅r間延長。霧通量增大時，霧滴因汽化從周圍吸熱，使得預(yù)混氣體的燃燒溫度降低，并降低了已燃區(qū)向未燃區(qū)輻射能力。同時蒸發(fā)的水蒸氣稀釋了管內(nèi)甲烷和氧氣的濃度，使得自由基產(chǎn)生的速率減慢，導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)變慢，從而使得放熱反應(yīng)速率變慢，直接降低最大火焰?zhèn)鞑ニ俣萚27-28]。

圖 8 含NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的超細(xì)水霧作用下不同阻塞率火焰鋒面位置變化Fig. 8 Change in flame front positions for different blocking ratios under the action of ultrafine water mist containing NaCl with the mass fraction of 8%

當(dāng)管道B 內(nèi)通入超細(xì)水霧時，爆炸火焰在進(jìn)入B 管道初期會出現(xiàn)火焰鋒面移動加快的現(xiàn)象。爆炸火焰在沖破管道A、B 之間的PVC 薄膜進(jìn)入管道B 時，火焰陣面褶皺變形，火焰的燃燒面積增大，管道B 未燃區(qū)內(nèi)的甲烷-空氣的預(yù)混氣體和少量的超細(xì)水霧被快速卷吸至燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)。少量的超細(xì)水霧能夠促進(jìn)爆炸反應(yīng)進(jìn)行[5]，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，鋒面位置變化較快。移動過程中，火焰陣面褶皺變形分離成部分小火焰團。隨著管段內(nèi)部爆炸火焰及火焰團的傳播，抑制區(qū)內(nèi)火焰團被大量的超細(xì)水霧包裹，超細(xì)水霧在高溫下汽化產(chǎn)生的水蒸氣，不僅吸收火焰團的熱量，而且削弱主體火焰對火焰團的輻射熱?；鹧鎴F在傳播過程中窒息熄滅，使得主體火焰作為火焰前鋒主鋒面向前傳播。

2.2.3 含NaCl 超細(xì)水霧對管道爆炸超壓和火焰平均速度的影響

圖9 所示為施加不同霧通量的NaCl 超細(xì)水霧作用于不同阻塞率泄壓口管道的最大爆炸壓力pmax隨阻塞率的變化關(guān)系。無超細(xì)水霧作用于不同阻塞率的泄壓口管道甲烷-空氣預(yù)混氣爆炸，最大爆炸壓力隨著管道阻塞率的增大而增強，pmax分別為23.51、25.68、39.08 和71.91 kPa。但隨著含NaCl 超細(xì)水霧霧通量的增加，預(yù)混氣體在管道內(nèi)的最大爆炸壓力相較于未通入超細(xì)水霧時出現(xiàn)明顯下降。霧通量為2.1 mL，管段泄壓口的不同阻塞率下的pmax分別為15.28、20.89、29.94 和62.13 kPa；霧通量為8.4 mL，管段泄壓口不同阻塞率下的pmax分別為 9.91、17.64、16.68 和29.32 kPa。霧通量為8.4 mL 的含NaCl 超細(xì)水霧，與無超細(xì)水霧相比，不同阻塞率管道的pmax下降幅度分別為57.8%、31.3%、57.3%和59.2%。B 管道抑制區(qū)內(nèi)，在含NaCl 超細(xì)水霧作用下，水霧與爆炸火焰充分接觸，進(jìn)行熱量交換，并且消耗爆炸反應(yīng)中的自由基，從而降低爆炸反應(yīng)速率，達(dá)到衰減爆炸壓力的作用。

圖10 為施加不同霧通量的NaCl 超細(xì)水霧作用于不同阻塞率泄壓口管道火焰平均速度隨阻塞率的變化關(guān)系。從圖中曲線變化可以看出，隨著阻塞率的增加，火焰平均速度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，其中無細(xì)水霧情況下，泄壓口阻塞率為0.2 時，火焰平均速度均高于阻塞率為0、0.4 和0.6 情況下的速度，其次是阻塞率為0 時的火焰平均速度；但隨著管道內(nèi)NaCl 超細(xì)水霧通入量增加時，火焰平均速度在不斷的減小且在阻塞率為0 時，火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣葟?4.88 m/s 分別下降到43.59、39.33、36.66 和27.81 m/s，下降幅度由54%升至71%。

圖 9 不同阻塞率下超細(xì)水霧對最大爆炸壓力的影響Fig. 9 Effect of ultrafine water mist on the maximum explosion pressure at different blocking ratios

圖 10 不同阻塞率下超細(xì)水霧對火焰平均速度影響Fig. 10 Effect of ultrafine water mist on the average flame speed at different blocking ratios

含NaCl 超細(xì)水霧作用下，不同阻塞率下抑制區(qū)內(nèi)火焰的平均傳播速度均呈現(xiàn)出下降的趨勢。這可能因為火焰在進(jìn)入管道B 初期，由于管道間薄膜和水霧的雙重因素，使得火焰陣面發(fā)生扭曲變形，形成小尺度湍流和火焰突然加速；隨著火焰在管道內(nèi)繼續(xù)傳播，在管道壁面約束作用下，火焰沿壁面被拉長，燃燒反應(yīng)加快，造成壓力波強度增加。在阻塞率φ 加大至0.2，管道泄壓口處有較大的泄壓面積，泄壓口法蘭盤的阻擋作用較弱，管道內(nèi)部瓦斯受到一系列反射波的影響，使內(nèi)部氣流紊流度會明顯增加，末端迅速泄壓，管內(nèi)爆炸大尺度的湍流加快燃燒反應(yīng)進(jìn)行，在爆炸前期就可以發(fā)生較徹底的反應(yīng)，使得阻塞率為0.2 時火焰平均速度最快。阻塞率φ 大于0.2 后，泄爆口的的有效泄壓面積較小，泄爆口法蘭盤對壓力波的反射作用越強。當(dāng)爆炸壓力波傳播至泄壓口時，壓力波會在泄壓口壁面上形成反射，從而導(dǎo)致大量的水霧和氣流發(fā)生逆向運動，使得含NaCl 超細(xì)水霧更好的進(jìn)入到燃燒區(qū)對爆炸反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行阻斷，最終導(dǎo)致爆炸強度減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，?dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀谧枞师?為0.2 的平均速度。

2.2.4 含NaCl 超細(xì)水霧對火焰結(jié)構(gòu)的影響

施加含NaCl 超細(xì)水霧后，火焰在管道內(nèi)傳播的圖像，如圖11 所示。甲烷-空氣預(yù)混氣體A 管內(nèi)被點燃后以球形火焰向前推進(jìn)，火焰直徑在不斷的擴大，在火焰邊緣接觸到管壁后開始加速向管道B 傳播。火焰前沿以熱輻射及熱傳導(dǎo)的方式不斷地將爆炸產(chǎn)生的熱量傳遞給未反應(yīng)區(qū)，火焰陣面在推進(jìn)過程中曲率減小，轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ罙、B 兩段管道之間的PVC 薄膜時，薄膜對火焰陣面的擾動，使火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，火焰陣面扭曲變形，呈現(xiàn)出內(nèi)凹外凸的結(jié)構(gòu)，增大了火焰的燃燒空間，大量未燃區(qū)內(nèi)的預(yù)混氣和超細(xì)水霧被卷吸進(jìn)入內(nèi)部的燃燒空間。水霧在高溫下快速蒸發(fā)，大量的添加劑晶體析出，并參與到燃燒反應(yīng)過程中，隨著火焰繼續(xù)推進(jìn)，下部凸出的火焰突然分裂出小火焰團，然后火焰團在超細(xì)水霧包裹下逐漸熄滅，鈉離子的加入，在高壓氣流驅(qū)使下進(jìn)入到爆炸反應(yīng)區(qū)內(nèi)，發(fā)生了焰色反應(yīng)，使得火焰亮度的得到了增強并呈現(xiàn)出特別亮的桔黃色。

圖 11 含NaCl 超細(xì)水霧作用下火焰圖像Fig. 11 Flame image with the action of ultrafine water mist containing NaCl

3 結(jié) 論

（1）管道泄壓口阻塞率對瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兄匾绊?。僅在不同阻塞率（0、0.2、0.4 和0.6）的泄壓口作用下的管道瓦斯爆炸，爆炸超壓隨著管道阻塞率的增大而增強；阻塞率為0.6 時，管道內(nèi)爆炸產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)高于其他阻塞率下的壓力；阻塞率與火焰鋒面?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒藭r間呈非線性關(guān)系，阻塞率為0.2 時火焰平均速度最高。

（2）不同霧通量下的NaCl 超細(xì)水霧對不同阻塞率泄壓口管道的抑爆有重要影響。實驗過程中施加不同霧通量（2.1、4.2、6.3、8.4 mL）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的NaCl 超細(xì)水霧，霧通量為8.4 mL 的NaCl 超細(xì)水霧抑爆效果最佳；在霧通量為8.4 mL 下，與無超細(xì)水霧相比，不同阻塞率管道的爆炸超壓顯著下降，幅度分別為57.8%、31.3%、57.3%和59.2%；在阻塞率為0 的工況下，隨著管道內(nèi)通入的NaCl 超細(xì)水霧霧通量的增加，火焰?zhèn)鞑テ骄俣润E降。

（3）含NaCl 超細(xì)水霧直接作用于爆炸火焰從而抑制爆炸傳播。在管內(nèi)爆炸高溫環(huán)境下，含NaCl 超細(xì)水霧快速蒸發(fā)吸熱，導(dǎo)致火焰鋒面在抑制區(qū)內(nèi)移動速度減慢并褶皺變形，蒸發(fā)析出NaCl 晶體以Na+和Cl-參與到爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，火焰呈現(xiàn)出明顯的桔黃色，主體火焰對火焰團的輻射熱被削弱，在水蒸氣包裹下火焰團逐漸熄滅，爆炸強度降低。