韋雙明，余明高，2，裴蓓，李世梁，康亞祥，徐夢(mèng)嬌，郭佳琪

（1 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

引 言

清潔能源的應(yīng)用不僅有助于解決能源安全問題[1]，對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”也有重要意義。二甲醚(DME)和甲烷(CH4)是常見的清潔能源，且其來源廣泛，可以由石油、天然氣、煤炭、生物質(zhì)和廢物等原料轉(zhuǎn)化產(chǎn)生[2]。DME/CH4混合燃料可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中，與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放可以大大減少[3]。但是，DME/CH4混合燃料層流燃燒速度較低，限制了其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的高效利用。氫氣(H2)是一種清潔的氣體燃料，具有較高的層流燃燒速度，研究發(fā)現(xiàn)在DME/CH4混合燃料中添加H2可以明顯改善其燃燒性能[4]。然而H2具有較低的點(diǎn)火能量(約0.02 mJ)和較寬的爆炸極限(4%～75%)[5]。目前，儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存可燃?xì)怏w的常用載體，若H2/DME/CH4混合燃料在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中發(fā)生泄漏且遇到火源時(shí)便會(huì)發(fā)生嚴(yán)重爆炸事故。因此，有必要研究H2/DME/CH4混合燃料爆炸特性以保證其安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)H2、CH4、DME單一可燃性氣體的爆炸特性進(jìn)行了廣泛研究。Zhang 等[6]實(shí)驗(yàn)和模擬研究了球形壓力容器中H2/air 預(yù)混氣的爆炸特性，揭示了初始?jí)毫?duì)爆炸壓力、壓力上升速率及爆炸場(chǎng)的影響。Zheng 等[7]用透明管道分析了點(diǎn)火位置和當(dāng)量比對(duì)預(yù)混H2/air 混合物爆炸特性的影響，深刻闡釋了火焰結(jié)構(gòu)和爆炸超壓的變化規(guī)律。Xiao等[8-12]在管道中研究了H2/air 預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，?duì)“郁金香火焰”發(fā)展過程及火焰加速行為進(jìn)行了深刻分析。時(shí)高龍等[13]對(duì)CH4/O2/N2預(yù)混氣體爆炸火焰與壓力的耦合振蕩特性進(jìn)行了研究，得到爆炸火焰與壓力耦合振蕩規(guī)律。余明高等[14]用管道探究了障礙物阻塞率梯度對(duì)CH4爆炸特性的影響，表明障礙物阻塞率梯度對(duì)CH4爆炸特性具有重要影響。羅振敏等[15-17]針對(duì)多元可燃?xì)怏w對(duì)CH4爆炸特性及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。譚迎新等[18]在進(jìn)行CH4/air 混合物爆炸傳播研究中發(fā)現(xiàn)，在密閉空間內(nèi)爆炸最大壓力不受點(diǎn)火位置的影響。而Tomizuka 等[19]對(duì)DME/air 預(yù)混氣湍流火焰速度進(jìn)行了模擬研究。

此外，學(xué)者們還對(duì)H2/CH4和DME/CH4二元混合燃料爆炸特性進(jìn)行了研究。Li等[20]研究了氫氣體積分?jǐn)?shù)和初始?jí)毫?duì)H2/CH4/air 混合燃料爆炸特性的影響，指出添加H2會(huì)增大最大壓力上升速率。Zheng 等[21-25]實(shí)驗(yàn)和模擬研究了H2添加對(duì)CH4/air 預(yù)混氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，表明H2添加會(huì)影響火焰形狀。Zhang 等[26]用定容燃燒彈系統(tǒng)研究了DME/CH4混合燃料在空氣中的爆炸特性，研究表明混合燃料中二甲醚組分的增加會(huì)增大最大爆炸壓力和最大壓力上升速率。

雖然國內(nèi)外學(xué)者在可燃?xì)怏w爆炸特性研究方面取得了豐富的研究成果，但是這些研究主要針對(duì)單一可燃?xì)怏w和二元可燃?xì)怏w。近年來，少數(shù)學(xué)者對(duì)H2/DME/CH4三元混合氣體的層流火焰速度進(jìn)行了研究[4,27]，而對(duì)爆炸特性研究較少，其爆炸特性參數(shù)：爆炸壓力峰值、最大壓力上升速率及燃燒時(shí)間比較缺乏。事實(shí)上，三元混合氣體相比于單一氣體和二元混合氣體的爆炸特性更為復(fù)雜，影響因素更多，需要引起足夠重視。本文旨在利用定容燃燒彈研究各組分濃度及當(dāng)量比對(duì)H2/DME/CH4/air預(yù)混氣爆炸特性的影響，進(jìn)而得到爆炸特性參數(shù)的變化規(guī)律，為H2/DME/CH4三元混合氣體儲(chǔ)存裝置安全設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)20 L 球形爆炸裝置中完成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由定容燃燒彈、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。定容燃燒彈是有效容積為20 L的球形容器，耐壓能力可達(dá)20 MPa，在定容燃燒彈的壁面上對(duì)稱安裝著兩塊直徑為110 mm、厚度為50 mm 的圓形石英玻璃，為紋影儀提供光學(xué)通道以便觀察火焰發(fā)展過程。點(diǎn)火系統(tǒng)包括電火花發(fā)生器和點(diǎn)火電極，點(diǎn)火能量設(shè)定為1.0 J，電極直徑和間距分別為1.5 mm和1.0 mm。配氣系統(tǒng)包括真空泵和高壓氣瓶。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括高速相機(jī)、壓力傳感器和計(jì)算機(jī)，高速相機(jī)型號(hào)為Speed Sense VEO 710，拍攝速度根據(jù)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟煌O(shè)置為5000～7000 幀/s，圖像分辨率最大為1280×800；爆炸壓力采用PMC131G 型壓力傳感器進(jìn)行采集，量程為-0.1～2.0 MPa，采集頻率和精度分別為5000 Hz、0.1%。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

1.2 實(shí)驗(yàn)工況及方法

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比研究H2/DME/CH4混合燃料各組分濃度及當(dāng)量比對(duì)爆炸特性的影響。為方便研究，本文將混合燃料中各組分濃度定義為X(XH2、XDME、XCH4)，可用式(1)進(jìn)行表示

式中，VH2、VDME、VCH4分別代表混合燃料中H2、DME、CH4的體積。需要指出的是，為系統(tǒng)研究各組分濃度對(duì)爆炸特性的影響，本文將X設(shè)置為0～90%，間隔為10%，此時(shí)另外兩種組分的體積之比設(shè)置為固定值1∶1。

當(dāng)量比可用式(2)計(jì)算

式中，(F/A)是燃空比的實(shí)際值，(F/A)stoic是燃空比的化學(xué)當(dāng)量比值。本文當(dāng)量比設(shè)置為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4及1.6，其中，φ=1.0為化學(xué)當(dāng)量濃度。

在實(shí)驗(yàn)開始前首先檢查裝置氣密性，以保證氣密性良好。用真空泵將定容燃燒彈抽真空，根據(jù)道爾頓分壓定律依次通入所需的燃料和空氣，所有氣體純度均大于等于99.9%。需要注意的是在通氣過程中要將通氣電磁閥流量調(diào)整至合適大小，以免形成強(qiáng)湍流對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。點(diǎn)火信號(hào)同步觸發(fā)高速相機(jī)和壓力傳感器采集火焰圖像和爆炸壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將定容燃燒彈內(nèi)產(chǎn)生的廢氣排出準(zhǔn)備下次實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，每個(gè)工況均至少進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ匦苑治?/h3>

圖2所示為當(dāng)量比為1時(shí)不同H2/DME/CH4組分濃度下的球形火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像。由于視窗觀察范圍有限，本文僅對(duì)火焰邊緣未達(dá)到視窗邊界時(shí)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行分析。如圖所示，在所有工況下，當(dāng)H2/DME/CH4/air預(yù)混氣被點(diǎn)燃后，球形火焰以層流狀態(tài)向外傳播，火焰半徑逐漸增大，這不受混合氣組分濃度變化的影響。但是，火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t深受混合氣組分濃度變化的影響。如圖2(a)所示，隨著混合氣中氫氣濃度XH2的增加，點(diǎn)火后相同時(shí)刻的火焰半徑逐漸變大。比如，當(dāng)XH2=90%時(shí)，點(diǎn)火后5 ms 時(shí)的球形火焰正好達(dá)到視窗邊界，而對(duì)于XH2=0 而言，點(diǎn)火后5 ms 時(shí)的球形火焰依然很小。這表明球形火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著XH2的增加而明顯增加。此外，還可以看出隨著XH2的增加，火焰表面的裂紋褶皺逐漸增多，最后這些裂紋褶皺形成了胞狀結(jié)構(gòu)，使其火焰胞狀不穩(wěn)定性增強(qiáng)。暴秀超等[28]對(duì)預(yù)混火焰胞狀不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，指出火焰胞狀不穩(wěn)定性主要指熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性。此前研究表明對(duì)于化學(xué)當(dāng)量比火焰，氫氣的加入增強(qiáng)了H2/DME/CH4/air 預(yù)混火焰流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，而對(duì)熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性影響不大，因此流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性是造成胞狀不穩(wěn)定性增強(qiáng)的主要原因[4]。而對(duì)于XCH4和XDME而言，火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。由圖2(b)和(c)可以看出，隨著XCH4和XDME的增加，點(diǎn)火后相同時(shí)刻的火焰半徑均逐漸變小。這表明球形火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著XCH4和XDME的增加而降低。同時(shí)，火焰表面的裂紋褶皺隨XCH4和XDME的增加在減少，即球形火焰表面變得更加光滑，胞狀不穩(wěn)定性在減弱。

圖2 不同氫氣/二甲醚/甲烷濃度下球形火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像（φ=1.0）Fig.2 Schlieren images of spherical flame propagation under different hydrogen/dimethyl ether/methane concentrations(φ=1.0)

為了深入研究H2/DME/CH4組分濃度變化對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，本文引入平均火焰?zhèn)鞑ニ俣萐a進(jìn)行詳細(xì)分析。如圖3所示，Sa被定義為球形火焰半徑r對(duì)點(diǎn)火時(shí)間擬合直線的斜率，以XH2=20%為例，可以看出Sa為3.34 m/s。本文是用等面積法計(jì)算r，此方法在文獻(xiàn)[29]中已有詳細(xì)介紹。

圖3 平均火焰?zhèn)鞑ニ俣榷x圖（XH2=20%）Fig.3 Definition diagram of average flame propagation speed（XH2=20%）

圖4 所示為H2/DME/CH4組分濃度對(duì)Sa的影響，由圖可知，Sa隨XH2的增加而增加，需要指出的是增長(zhǎng)趨勢(shì)并不一致，即可以分成兩個(gè)增長(zhǎng)階段，在圖4中用不同的顏色區(qū)分不同的階段。在第Ⅰ階段(0≤XH2≤50%)，Sa隨著XH2的增加而線性增加，增加較為緩慢；而到了第Ⅱ階段(50%≤XH2≤90%)，Sa隨著XH2的增加而快速增加，并非線性增長(zhǎng)關(guān)系，這表明XH2對(duì)Sa的影響存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為XH2=50%。對(duì)于XDME而言，Sa隨著XDME的增加而減小，這與XH2的變化趨勢(shì)相反，而與XH2類似的是其變化趨勢(shì)也可分為兩個(gè)階段。在第Ⅰ階段(0≤XDME≤50%)時(shí)，Sa隨XDME的增加而線性減小；在第Ⅱ階段(50%≤XDME≤90%)時(shí)，其變化趨勢(shì)與第Ⅰ階段類似，但減小得更為緩慢。綜上所述，對(duì)于XH2與XDME而言，其變化趨勢(shì)都存在兩個(gè)階段，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)都位于X=50%處。但是，Sa隨XCH4的變化趨勢(shì)則相對(duì)簡(jiǎn)單，即始終線性降低，并沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)?？傮w而言，Sa隨XH2的增加而增加，而隨XDME和XCH4的增加而減小。這是由于氫氣相較于二甲醚和甲烷活潑性更強(qiáng)，氫氣的加入增大了混合氣體的熱擴(kuò)散系數(shù)，有利于氣體內(nèi)部熱量的傳播，增加了混合氣體的燃燒速率和絕熱火焰溫度，促進(jìn)了火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

圖4 不同氫氣/二甲醚/甲烷濃度下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€(φ=1.0)Fig.4 Variation curves of average flame propagation speed under different hydrogen/dimethyl ether methane concentrations(φ=1.0)

2.2 爆炸壓力峰值pmax分析

壓力峰值pmax是爆炸達(dá)到的最大壓力，是表征爆炸強(qiáng)度的重要參數(shù)之一，研究混合氣體組分濃度對(duì)爆炸壓力峰值的影響具有重要意義。圖5所示為氫氣組分濃度對(duì)爆炸壓力峰值的影響，可以看出，pmax與XH2總體上呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)也深受當(dāng)量比φ的影響。當(dāng)φ=0.8、1.0 和1.2 時(shí)，pmax隨XH2增加可以分為兩個(gè)增長(zhǎng)階段，這與圖4 中平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓闆r相似。在第Ⅰ階段，XH2對(duì)pmax影響較小，基本呈線性相關(guān)關(guān)系；而到了第Ⅱ階段后pmax急劇增加。同時(shí)，需要指出的是第Ⅰ階段與第Ⅱ階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)也會(huì)隨φ的變化而變化。比如，當(dāng)φ=0.8 時(shí)，第Ⅰ階段與第Ⅱ階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)Tφ=0.8為XH2=50%；當(dāng)φ=1.0 時(shí)，第Ⅰ階段與第Ⅱ階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)Tφ=1.0提前到XH2=40%；而當(dāng)φ=1.2 時(shí)，第Ⅰ階段與第Ⅱ階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)Tφ=1.2又推遲到XH2=60%。這表明在φ=1.0時(shí)，相對(duì)較少的H2便可引起pmax開始增加，同時(shí)也可以看出在此當(dāng)量比下的pmax相比于其他當(dāng)量比時(shí)更大，這在進(jìn)行儲(chǔ)存裝置的安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起足夠重視。而對(duì)于φ=0.6、1.4和1.6而言，并沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即pmax均隨XH2的增加而線性增加。

圖5 氫氣濃度對(duì)爆炸壓力峰值的影響Fig.5 Effect of hydrogen concentration on explosion peak pressure

然而，甲烷濃度XCH4對(duì)pmax的影響則與XH2有很大不同。圖6 所示為XCH4對(duì)pmax的影響，由圖可知在所有當(dāng)量比下，pmax均隨XCH4的增加線性降低。本文對(duì)pmax均隨XCH4的變化情況進(jìn)行了線性擬合，擬合關(guān)系可以用式(3)進(jìn)行表征

圖6 甲烷濃度對(duì)爆炸壓力峰值的影響Fig.6 Effect of methane concentration on explosion peak pressure

其中，擬合參數(shù)如表1所示，可以看出在所有當(dāng)量比下式(3)的斜率均為負(fù)值，這表明pmax與XCH4呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而下降速率則與當(dāng)量比φ相關(guān)。即在φ=1.0 附近時(shí)，比如φ=0.8、1.0 及1.2 時(shí)，pmax隨XCH4增加下降的較為緩慢；但是當(dāng)遠(yuǎn)離φ=1.0 時(shí)，比如φ=0.6、1.4及1.6時(shí)，pmax則下降的較為快速。其中，當(dāng)φ=1.6時(shí)，斜率的絕對(duì)值最大，這意味著φ=1.6 時(shí)的pmax下降最快，pmax在φ=1.6時(shí)對(duì)XCH4最為敏感。

表1 式（3）的線性擬合參數(shù)Table 1 Linear fitting parameters of Eq.（3）

圖7所示為二甲醚濃度XDME對(duì)不同當(dāng)量比氫氣/二甲醚/甲烷混合氣體爆炸壓力峰值的影響，根據(jù)pmax隨XDME變化的特點(diǎn)，可將整個(gè)過程分為兩個(gè)時(shí)期，分別為壓力增長(zhǎng)期和壓力平臺(tái)期。以φ=1.0 為例，當(dāng)XDME≤50%時(shí)，pmax隨XDME的增加而增加，這一時(shí)期可被稱為壓力增長(zhǎng)期；但是當(dāng)XDME≥50%時(shí)，XDME對(duì)pmax的影響不大，出現(xiàn)了“平臺(tái)效應(yīng)”，這一時(shí)期可被稱為壓力平臺(tái)期。由此可見，XDME對(duì)pmax的影響并不一致，當(dāng)XDME較低時(shí)，pmax與XDME呈正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)XDME較高時(shí)，XDME對(duì)pmax的影響較小。

圖7 二甲醚濃度對(duì)爆炸壓力峰值的影響Fig.7 Effect of dimethyl ether concentration on explosion peak pressure

2.3 最大壓力上升速率（dp/dt）max及爆炸指數(shù)KG分析

最大壓力上升速率(dp/dt)max被定義為壓力-時(shí)間曲線上升階段斜率的最大值[30]，它也是衡量可燃?xì)怏w爆炸強(qiáng)度的重要參數(shù)。為了消除燃燒室形狀對(duì)(dp/dt)max的影響，學(xué)者們對(duì)(dp/dt)max與容器容積V的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系可用“三次方定律”表示[31]。

式中，KG為爆炸指數(shù)，單位為MPa·m/s。KG與燃料類型和初始條件有關(guān)，其數(shù)值可以用來表征爆炸強(qiáng)度大小，也可用于評(píng)估可燃?xì)怏w爆炸后果和安全性[32]。數(shù)值越大說明該可燃?xì)怏w在此工況下的爆炸強(qiáng)度越大，爆炸后果越嚴(yán)重[32]。需要指出的是(dp/dt)max與KG符合式(4)的關(guān)系，在本文中定容燃燒彈容積V為定值，因此二者具有相同的變化趨勢(shì)，并將其顯示在同一圖中。為分析當(dāng)量比對(duì)(dp/dt)max及KG的影響，本文選取X=50%進(jìn)行分析。圖8 所示為當(dāng)X=50%時(shí)，(dp/dt)max及KG隨當(dāng)量比的變化關(guān)系。由圖可知，當(dāng)X=50%時(shí)，(dp/dt)max在φ=1.0時(shí)取得最大值，隨著當(dāng)量比逐漸偏離φ=1.0，(dp/dt)max明顯減小。這是由于當(dāng)φ<1.0 時(shí)，燃燒室中的燃料不足，空氣過剩；而當(dāng)φ>1.0 時(shí)，燃燒室中的空氣不足，燃料過剩，這都會(huì)降低燃燒產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致爆炸壓力降低[30]。此外，前期研究表明H2/DME/CH4混合燃料在φ=1.0附近的層流燃燒速度最快，隨著當(dāng)量比逐漸偏離φ=1.0，層流燃燒速度也在明顯減小[4]，這會(huì)增加混合氣體的反應(yīng)時(shí)間。以上兩方面因素共同導(dǎo)致了壓力上升速率的降低。

圖8 最大壓力上升速率及爆炸指數(shù)隨當(dāng)量比的變化關(guān)系Fig.8 Variation of maximum pressure rise rate and explosion index with equivalence ratio

圖9所示為各組分濃度X對(duì)(dp/dt)max及KG的影響曲線，由圖可知，各組分濃度X對(duì)(dp/dt)max及KG的影響明顯不同。對(duì)于XH2而言[圖9（a）]，(dp/dt)max及KG同時(shí)受XH2和φ的強(qiáng)烈影響。首先對(duì)于φ=0.8、1.0 和1.2工況，(dp/dt)max的變化趨勢(shì)均可以分為兩個(gè)階段，當(dāng)XH2較小時(shí)(XH2≤60%)，XH2對(duì)(dp/dt)max的影響不大，但是當(dāng)XH2較大時(shí)(XH2≥60%)，(dp/dt)max則隨XH2急劇增加。以φ=1.0為例，XH2=90%的最大壓力上升速率為1508.88 MPa/s，相比于XH2=60%大幅增加了1511.12%，而XH2=60%的最大壓力上升速率相比于XH2=0 只增加了68.56%，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯變緩，這表明只有當(dāng)XH2增加到一定濃度時(shí)(dp/dt)max才會(huì)明顯受到XH2的影響。與φ=0.8、1.0和1.2不同，當(dāng)φ=0.6、1.4和1.6時(shí)，(dp/dt)max隨XH2的增加變化較小，這表明在這三種當(dāng)量比下，(dp/dt)max對(duì)XH2并不敏感。

圖9 組分濃度對(duì)最大壓力上升速率及爆炸指數(shù)的影響Fig.9 Influence of component concentration on maximum pressure rise rate and explosion index

對(duì)于XCH4而言[圖9（b）]，與XH2相似的是，(dp/dt)max及KG也受XCH4和φ的強(qiáng)烈影響。在所有當(dāng)量比下，(dp/dt)max均隨XCH4的增加單調(diào)遞減，但是(dp/dt)max的下降速率受到φ的強(qiáng)烈影響。相比于XCH4=0，當(dāng)XCH4=90%時(shí)，φ=0.6、0.8、1.0、1.2、1.4及1.6的(dp/dt)max分別下降了22.91%、64.68%、80.38%、76.19%、59.75%和52.12%?？梢钥闯霎?dāng)φ=1.0時(shí)，(dp/dt)max下降最快，當(dāng)φ逐漸偏離1.0 時(shí)，(dp/dt)max下降越來越慢，其中，φ=0.6 時(shí)下降最慢。這表明當(dāng)φ=1.0 時(shí)，(dp/dt)max對(duì)XCH4最為敏感，隨著φ逐漸偏離于1.0，(dp/dt)max對(duì)XCH4敏感性變?nèi)酰?0.6 時(shí)的敏感性最弱。對(duì)于XDME而言[圖8（c）]，隨著XDME的增加，(dp/dt)max的變化規(guī)律不明顯，這與XH2和XCH4的情況明顯不同。

同時(shí)從圖9可以看出爆炸指數(shù)受到了混合氣體組分變化和當(dāng)量比的強(qiáng)烈影響。在高氫氣組分、低甲烷組分及化學(xué)當(dāng)量比下的爆炸指數(shù)相對(duì)較大，這意味著這些工況下的爆炸危險(xiǎn)性較高，在進(jìn)行儲(chǔ)存容器的安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該予以高度重視。

2.4 燃燒時(shí)間tc

Xu等[33]對(duì)可燃?xì)怏w燃燒時(shí)間tc進(jìn)行了研究，tc被定義為點(diǎn)火時(shí)刻與到達(dá)壓力峰值時(shí)刻的時(shí)間間隔[34-35]。圖10所示為燃燒時(shí)間隨各組分濃度的變化關(guān)系，由圖10(a)可知，在所有當(dāng)量比下，tc隨XH2的增加而線性遞減。為了定量表征在不同當(dāng)量比下tc隨XH2的線性關(guān)系，本文對(duì)其進(jìn)行了線性擬合，擬合方程可表示為

表2給出了式(5)的線性擬合參數(shù)，可以看出不同當(dāng)量比下式(5)的擬合度R2≥0.94，意味著tc與XH2具有較好的線性關(guān)系。此外，線性方程的斜率d均為負(fù)值，說明tc與XH2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，前期研究表明氫氣組分的增加會(huì)增大混合氣體的層流燃燒速度[4]，這會(huì)增大單位時(shí)間內(nèi)混合氣體的消耗速率，進(jìn)而降低燃燒時(shí)間[33]。Tran 等[36]在研究合成氣/空氣混合物的爆炸特性中也得出了相似的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)提高合成氣中氫氣的比例可以降低燃燒時(shí)間。需要注意的是斜率的絕對(duì)值隨著當(dāng)量比的增加先減小后增大，在φ=1.0時(shí)取得最小值，這表明隨著當(dāng)量比的增加，tc對(duì)XH2的敏感性先變?nèi)鹾笤鰪?qiáng)，在φ=1.0時(shí)敏感性最弱。

表2 式（5）的線性擬合參數(shù)Table 2 Linear fitting parameters of Eq.（5）

由圖10(b)可知，所有當(dāng)量比下的tc隨著XCH4的增加而線性增加，其關(guān)系可用以下擬合方程表示

圖10 組分濃度對(duì)燃燒時(shí)間的影響Fig.10 Effect of component concentration on combustion duration

表3 給出了式(6)的線性擬合參數(shù)，可以看出式(6)的斜率f均為正數(shù)，表明tc與XCH4呈正相關(guān)關(guān)系，這與tc和XH2的負(fù)相關(guān)關(guān)系相反。Wang 等[27]對(duì)H2/DME/CH4/air 混合物的層流燃燒速度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)混合物中甲烷組分的增加會(huì)導(dǎo)致層流燃燒速度的降低，這會(huì)降低燃料的消耗速率，繼而增加燃燒時(shí)間。此外，隨著當(dāng)量比的增加，線性擬合方程的斜率f先減小后增加，在φ=1.0 時(shí)取得最小值51.30，表明tc對(duì)XCH4的敏感性先變?nèi)鹾笤鰪?qiáng)，且在φ=1.0 時(shí)敏感性最弱，這與tc對(duì)XH2的敏感性變化相同。

表3 式（6）的線性擬合參數(shù)Table 3 Linear fitting parameters of Eq.（6）

相比于XH2、XCH4與tc的線性關(guān)系，XDME對(duì)tc的影響則更為復(fù)雜，如圖10(c)所示，tc隨XDME的變化關(guān)系與φ有關(guān)。當(dāng)φ=0.6和1.6時(shí)，tc隨著XDME的增加先增大后減小，分別在XDME=20%和40%時(shí)取得最大值。然而，當(dāng)φ=0.8、1.0、1.2 及1.4 時(shí)，tc隨XDME的增加變化不大，幾乎不受XDME的影響。

3 結(jié) 論

本文通過研究組分濃度和當(dāng)量比對(duì)氫氣/二甲醚/甲烷/空氣混合物爆炸特性的影響，得到以下主要結(jié)論。

(1)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入SXH2的增加而增加，隨XDME的增加而降低，且都存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)；平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入SXCH4的增加線性降低，但是并不存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(2)壓力峰值受XH2及φ的共同影響，當(dāng)φ在1.0附近時(shí)，壓力峰值可以分為兩個(gè)階段，而當(dāng)φ遠(yuǎn)離1.0 時(shí)，壓力峰值線性增加；壓力峰值隨XCH4的增加線性降低，同時(shí)，隨XDME的增加壓力峰值可以分為兩個(gè)時(shí)期。

(3)XH2對(duì)最大壓力上升速率具有積極影響，而XCH4則對(duì)最大壓力上升速率具有消極影響，XDME對(duì)最大壓力上升速率的影響不大。高氫氣濃度、低甲烷濃度及化學(xué)當(dāng)量比下的工況爆炸指數(shù)較大，在進(jìn)行安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該予以重視。

(4) 燃燒時(shí)間隨XH2的增加線性降低，而隨XCH4的增加線性增加，其線性關(guān)系均可用線性擬合方程進(jìn)行表征。而XDME對(duì)燃燒時(shí)間的影響更為復(fù)雜，燃燒時(shí)間與XDME的關(guān)系與φ有關(guān)。