鐘飛翔，鄭立剛,2，馬鴻雁，杜德朋，王 璽，潘榮錕,2

（1. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；2. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003）

天然氣作為我國最主要的化石能源之一，在工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，但是天然氣在燃燒過程中會(huì)使CO和其他NO的排放量大大增加，造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)與大氣污染問題。因此，為了降低有害氣體的排放率，富氧燃燒（oxygen-enriched combustion, OEC）技術(shù)可以作為一種備選方案。OEC 技術(shù)不僅可以提高燃料的利用效率，還能獲得高純度的CO，更有利于碳捕獲(carbon capture,utilisation and storage, CCUS）技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。采用OEC 技術(shù)能夠顯著提高低碳燃料CH的燃燒效率，因此富氧燃燒廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和燃?xì)廨啓C(jī)中，以期達(dá)到節(jié)能減排的效果。采用OEC 技術(shù)，可提高燃料利用率，對環(huán)境保護(hù)也具有積極影響，但同時(shí)提高了預(yù)混體系的層流燃燒速度，降低了預(yù)混氣的爆炸下限，所以其本身存在的危險(xiǎn)性是不容忽視的。

與傳統(tǒng)燃燒相比，氧氣體積分?jǐn)?shù)的提升強(qiáng)烈影響預(yù)混體系自身的反應(yīng)性。Benedetto 等在非絕熱5 L 圓柱形容器中對CH/O/N預(yù)混體系進(jìn)行了爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在燃燒過程中產(chǎn)生的水與容器壁接觸后發(fā)生冷凝和蒸發(fā)的再循環(huán)現(xiàn)象，這種循環(huán)在燃燒誘導(dǎo)的快速相變中達(dá)到高潮，從而導(dǎo)致超絕熱壓力峰值；除此之外，他們還研究了CH/O/N/CO和H/O/N/CO這2 種預(yù)混體系在不同CO含量下的爆炸行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO的含量使絕熱火焰溫度降低至1 500 K 左右時(shí)，燃燒速率降低，從而導(dǎo)致火焰熄滅。Xia 等研究了NH/O/N預(yù)混體系在富氧條件下的層流和湍流燃燒速度，發(fā)現(xiàn)考慮熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和湍流的影響對預(yù)測NH燃燒場中湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅Ｖ匾?。Cai 等通過化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件對CH/O/N進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)對于高氧氣含量的混合物，火焰失穩(wěn)主要是由于流體力學(xué)不穩(wěn)定性所引起的。所以氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，不僅會(huì)增強(qiáng)火焰不穩(wěn)定性和最大爆炸壓力，還會(huì)降低反應(yīng)物的爆炸下限，從而增加預(yù)混體系的危險(xiǎn)性。而CO的物理和化學(xué)性質(zhì)都不同于N，首先，N作為雙原子惰性氣體，比熱容低于CO，展現(xiàn)出較弱的吸熱作用，并且CO為非惰性氣體，在燃燒過程中與重要的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)競爭自由基，因此，與N相比，CO抑制作用更強(qiáng)。Zhang 等在封閉矩形管道中考察了N和CO對火焰爆炸特性的影響，發(fā)現(xiàn)CO對火焰加速和升壓速率具有更強(qiáng)的削弱作用，并且從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度解釋了N與CO在燃燒過程中的抑制機(jī)理。Hu 等使用圓柱形石英玻璃管道測量了氣體混合物的可燃性下限（lower flammability limits, LFL），發(fā)現(xiàn)在同一氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下，CH/O/CO預(yù)混體系的LFL 高于CH/O/CO預(yù)混體系，另外，Hu 等以CH/O/CO預(yù)混體系為研究對象，對CO在富氧條件下產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)CO的化學(xué)效應(yīng)隨氧氣體積分?jǐn)?shù)和當(dāng)量比的變化而改變。

季節(jié)變化導(dǎo)致初始環(huán)境溫度波動(dòng)，而不同的預(yù)混體系對這種波動(dòng)表現(xiàn)出不同程度的敏感性，并且改變當(dāng)量比時(shí)，爆炸壓力隨溫度的降低呈現(xiàn)出非單調(diào)性的變化趨勢。Grabarczyk 等通過設(shè)置不同的初始溫度（333～413 K），對各種燃料在20 L 球中開展爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)初始環(huán)境溫度的升高會(huì)使最大爆炸超壓減??；而Bai 等在中心點(diǎn)火的20 L 球形爆炸容器中，通過不同初始環(huán)境溫度（263～293 K）下對3 種燃料/空氣混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)最大爆燃指數(shù)和最大升壓速率都會(huì)隨著初始環(huán)境溫度的降低而減小。這說明初始環(huán)境溫度的波動(dòng)對爆炸極限范圍和爆炸強(qiáng)度都有不同程度的影響。

在燃燒過程中，自由基，尤其是H、O、OH 自由基，主導(dǎo)著鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且這些自由基的化學(xué)反應(yīng)速率決定了預(yù)混氣的爆炸強(qiáng)度。Chu 等認(rèn)為H+O= OH+O 對中間自由基的生成有重要作用，但是Nie 等發(fā)現(xiàn)自由基對CH+O= OH+CHO 最敏感，這說明當(dāng)改變預(yù)混體系的成分時(shí)，自由基對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的敏感程度也會(huì)發(fā)生很大的變化；Li 等研究了氧氣體積分?jǐn)?shù)對氨氣燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)氧含量的增加會(huì)促使反應(yīng)區(qū)H、O、OH 以及NH自由基含量增加，最終導(dǎo)致快速提高。因此，為了深入了解甲烷在富氧條件下的反應(yīng)機(jī)制，找到抑制此類燃燒爆炸事故強(qiáng)度的最有效途徑，有必要對其進(jìn)行敏感性分析。

綜上，目前對富氧條件下火焰動(dòng)力學(xué)的研究主要集中在氧氣體積分?jǐn)?shù)對爆炸強(qiáng)度的影響規(guī)律，以及不同稀釋劑對富氧體系爆炸參數(shù)的影響。因此，本文中選用CH/O/CO預(yù)混體系為研究對象，設(shè)置不同的當(dāng)量比和氧氣體積相對比，在初始環(huán)境溫度分別為273 和303 K 的條件下開展爆炸實(shí)驗(yàn)，旨在探討富氧條件下火焰結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，分析初始環(huán)境溫度對富氧甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱挠绊?，并通過敏感性分析找出影響富氧甲烷爆炸強(qiáng)度的反應(yīng)機(jī)制，以期為相關(guān)事故的預(yù)防提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1 所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由配氣系統(tǒng)、爆炸管道、點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰與壓力采集系統(tǒng)及同步控制系統(tǒng)5 部分組成。配氣系統(tǒng)中，由美國Alicat 公司生產(chǎn)的質(zhì)量流量控制器控制預(yù)混體系組成；爆炸管道內(nèi)部尺寸為100 mm×100 mm×1 000 mmm，體積為10 L，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，厚度為20 mm，最大承壓為2 MPa，其中管道左端為開口端，使用單層聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）薄膜密封，管道右端為封閉端，使用厚度為5 mm 的鋼板密封。實(shí)驗(yàn)過程中，每次實(shí)驗(yàn)使用同一規(guī)格的聚氯乙烯材質(zhì)PVC 保鮮膜密封，密封時(shí)PVC 膜的初始彈性模量相同，并且彈性拉伸程度基本相同，而單層PVC 薄膜對火焰?zhèn)鞑サ挠绊戄^小，主要體現(xiàn)在對較低反應(yīng)性預(yù)混體系的火焰?zhèn)鞑デ捌?，該影響作用將在文中討論；點(diǎn)火系統(tǒng)使用直流電壓為 6 V 的自制電子點(diǎn)火器，放電電極材料采用直徑為0.3 mm 的鉑絲，點(diǎn)火電極之間的間隙為6 mm，點(diǎn)火器的初始能量估計(jì)為100 mJ；火焰?zhèn)鞑D像由德國生產(chǎn)的高速攝像機(jī)（Lavision 4G）拍攝，圖像采集頻率為2 000 s，分辨率為1 024×1 024；壓力采集系統(tǒng)的2 個(gè)壓力傳感器由上海銘控公司生產(chǎn)，采集頻率為15 kHz，精度為2.5%FS，分別安裝在距離點(diǎn)火電極0 mm 和距離泄爆口20 mm 的位置；數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為USB-1608Plus。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

CH、O和CO的純度分別為99.995%、99.995%和99.99%，采用4～5 倍排空氣法進(jìn)行配氣，首先利用四通通過質(zhì)量流量計(jì)將3 種氣體預(yù)混至同一條橡膠軟管中，進(jìn)氣口設(shè)置在管道封閉端（即管道右端），排氣口設(shè)置在管道開口端（即管道左端），同時(shí)打開進(jìn)氣口和排氣口，并使用橡膠軟管將排出的預(yù)混氣通至安全區(qū)域，以此狀態(tài)持續(xù)通氣5 min，配氣單位為 L/min，每分鐘通入10 L 的預(yù)混氣，可以保證管道內(nèi)的10 L 空氣完全排出。通氣完成后，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口與排氣口，點(diǎn)火之前靜置30 s，保證氣體均勻混合并且處于靜止?fàn)顟B(tài)（忽略分子自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)），目的是降低通氣湍流效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。為便于反映不同季節(jié)（冬季與夏季）的真實(shí)環(huán)境，所有實(shí)驗(yàn)工作均在室外完成，以研究初始環(huán)境溫度對爆炸特性的影響。為了保證采集的火焰圖像達(dá)到最佳觀測效果，所有實(shí)驗(yàn)在黑暗環(huán)境中進(jìn)行，每個(gè)工況進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰結(jié)構(gòu)演變

圖2 為在273 K 的環(huán)境溫度下實(shí)驗(yàn)工況所呈現(xiàn)的火焰狀態(tài)，圖中●表示該工況下預(yù)混氣不能被點(diǎn)燃，●表示郁金香火焰，●表示非郁金香火焰。界限A1 視為點(diǎn)火邊界，A1 以下區(qū)域?yàn)椴荒鼙稽c(diǎn)火的工況，與Zheng 等的研究（=303 K）結(jié)果相比可以發(fā)現(xiàn)，在較高的環(huán)境溫度下，富氧甲烷更容易點(diǎn)火（如 φ =0.8～1.0 且γ=0.25 和 φ =1.2 且γ=0.30 的工況），但是受浮力影響，會(huì)使火焰產(chǎn)生浮力型火焰，而預(yù)混氣不能被點(diǎn)燃的原因是混合氣體中存在的CO氣體體積分?jǐn)?shù)過高，具有較強(qiáng)的抑爆性。Hu 等在環(huán)境溫度為300 K 的條件下，測得當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)在10%～50% 變化時(shí)，CH/O/CO預(yù)混體系的燃燒下限（LFL）為6.875%～7.875%，表1 展示了臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系（由圖2 中●可知）的氧氣體積分?jǐn)?shù)和甲烷體積分?jǐn)?shù)，可以發(fā)現(xiàn)，臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系的氧氣體積分?jǐn)?shù)為22.73%～25.43%，該氧氣體積分?jǐn)?shù)范圍處于10%～50%之間，因此可以以Hu 等測量的可燃性下限 （ LFL）作為參照對象，在環(huán)境溫度下降近20 ℃的條件下，臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系中甲烷的最小體積分?jǐn)?shù)（9.09%）依舊大于Hu 等測量的最高LFL 值（7.875%）。并且在本實(shí)驗(yàn)條件下，預(yù)混體系被點(diǎn)燃時(shí)的CH體積分?jǐn)?shù)分別為10.71%、13.04%與17.36%，這說明較低的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度（273 K）下將使預(yù)混氣的燃燒下限升高，使得CH含量不能滿足升高的LFL 而無法被點(diǎn)燃。而界限A1 與界限A2 之間的區(qū)域?yàn)榭梢孕纬捎艚鹣慊鹧娴墓r，界限A2 之上的區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)生非郁金香火焰的工況，因此，本文中對于未被點(diǎn)燃的工況將不再開展研究，重點(diǎn)對產(chǎn)生郁金香火焰和非郁金香火焰的工況進(jìn)行分析。

圖2 火焰狀態(tài)統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of flame status

表1 臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系甲烷體積分?jǐn)?shù)Table 1 Critical volume fractions of methane in unignited premixed systems

Clanet 等提出了郁金香火焰發(fā)展4 個(gè)階段的動(dòng)力模型，因此這里不再對郁金香火焰的演變過程進(jìn)行討論。圖3 分別展示了3 種不同發(fā)展模式的郁金香火焰演變過程，其差異主要體現(xiàn)在郁金香火焰的結(jié)構(gòu)和火焰凹陷尖端的運(yùn)動(dòng)方式上。這與火焰的浮力作用和膨脹作用密切相關(guān)，火焰前鋒在向未燃?xì)夥较騻鞑サ耐瑫r(shí)，反應(yīng)區(qū)由于溫度和壓力的升高不斷發(fā)生膨脹，為火焰凹陷尖端向前傳播提供了動(dòng)力。因此，改變膨脹作用強(qiáng)度，會(huì)影響火焰尖端在管道內(nèi)的傳播方式。其中圖3(a)（ φ =0.8，γ=0.30）中的凹陷尖端位置始終保持不變，而圖3(c)（ φ =1.0，γ=0.30）中的凹陷尖端位置出現(xiàn)短暫的停滯，這可能是因?yàn)榛鹧驿h面附近的渦動(dòng)作用與膨脹作用達(dá)到了相互抵消的狀態(tài)；而在圖3(c)中出現(xiàn)了火焰凹陷尖端短時(shí)間向管道封閉端運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，這可能是渦動(dòng)作用大于膨脹作用導(dǎo)致的，并且凹陷尖端最后在169.0 ms 時(shí)停滯，形成了T 形郁金香火焰。而這種火焰類型一般出現(xiàn)在封閉管道中，Shen 等認(rèn)為壓力反射波強(qiáng)烈影響郁金香火焰反轉(zhuǎn)后的結(jié)構(gòu)演變特征，從而加深了主尖端深度形成T 形郁金香火焰，而在本實(shí)驗(yàn)條件下（管道左端為半開放狀態(tài)）并不能產(chǎn)生壓力反射波與火焰鋒面相互作用，但是依然觀察到類似的火焰結(jié)構(gòu)類型，說明T 形郁金香火焰的產(chǎn)生不依賴于管道的邊界條件。相比于圖3(a)、3(c)，圖3(b)（ φ =0.8，γ=0.35）中參與反應(yīng)的氧氣含量要高于前兩者，因此出現(xiàn)了火焰膨脹作用大于渦動(dòng)作用的現(xiàn)象，同時(shí)火焰的凹陷程度相對較弱，并且形成初始凹陷尖端的位置與點(diǎn)火電極的距離也相對較遠(yuǎn)。由此可知，γ 越大，預(yù)混氣體的反應(yīng)活性越強(qiáng)，膨脹作用對前部火焰結(jié)構(gòu)演變的影響越強(qiáng)。因此，膨脹作用與渦動(dòng)作用之間的相互競爭，使郁金香火焰具有3 種不同的演變模式。另外，對于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢的預(yù)混體系，浮力作用將強(qiáng)烈影響火焰結(jié)構(gòu)的演變過程，如圖3 所示，受浮力作用的影響，并未出現(xiàn)平面火焰，而是形成了傾斜的準(zhǔn)平面火焰（如圖3(a)中142.5 ms、圖3(b)中75.0 ms 以及圖3(c)中108.5 ms 所示），并且 φ =0.8，γ=0.30 預(yù)混體系在火焰?zhèn)鞑ズ笃谶€出現(xiàn)了火焰上唇傳播速度快于火焰下唇的現(xiàn)象（如圖3(a)中236.0 ms所示），最終形成不對稱郁金香火焰。

圖3 郁金香火焰的3 種演變模式Fig. 3 Three patterns of evolution process of tulip flames

關(guān)于郁金香火焰產(chǎn)生的原因，Xiao 等討論了氫氣/空氣郁金香火焰和扭曲郁金香火焰的形成機(jī)理，他們更傾向于流體流動(dòng)性和超壓等因素綜合作用造成火焰形態(tài)改變的觀點(diǎn)。另外，Rayleigh-Taylor 失穩(wěn)、燃燒氣體近壁面渦動(dòng)以及火焰與燃燒流體的相互作用都可能是郁金香火焰產(chǎn)生的原因，一般認(rèn)為，郁金香火焰是由多種機(jī)制共同作用，而不是單一機(jī)制作用的結(jié)果。在這里主要從失穩(wěn)的角度來分析郁金香火焰的演變機(jī)理，而火焰失穩(wěn)主要是由于熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性引起的，如圖4(a)、(b)所示分別以Lewis 數(shù)和膨脹比σ 與火焰厚度δ 之比（σ/δ）來表征熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性。其中Lewis 數(shù)、膨脹比以及火焰厚度的計(jì)算式分別為：

式中：Le為各組分氣體的 Lewis 數(shù)，α 為熱擴(kuò)散系數(shù)，D為各組分氣體的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，σ 為膨脹比，ρ為未燃?xì)怏w密度，ρ為已燃?xì)怏w密度，δ 為火焰厚度，為絕熱火焰溫度，為預(yù)混氣初始溫度，(d/d)為層流火焰反應(yīng)區(qū)最大溫度梯度。其中是根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件對預(yù)混體系在環(huán)境溫度為273 K、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下模擬所得。

從圖4(a)可以看出，相同當(dāng)量比的Lewis 數(shù)都會(huì)隨著氧氣相對比γ 的增大呈線性增大，并且隨著當(dāng)量比的增大，其斜率不斷增大，而每個(gè)工況的Lewis 數(shù)都沒有超過1，這意味著每個(gè)工況下的火焰?zhèn)鞑ザ际艿搅藷釘U(kuò)散不穩(wěn)定性的影響，且當(dāng)量比和氧氣相對比越小，熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性越強(qiáng)；從圖4 (b)中可以看到相同當(dāng)量比的σ/δ 隨γ 的增大而不斷增大，并且 φ =1.0 時(shí)的σ/δ 始終大于 φ =0.8 和 φ =1.2 時(shí)的σ/δ。因此，可以得出流體力學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)隨著γ 的增大而不斷增強(qiáng)，且 φ =1.0 時(shí)的流體力學(xué)不穩(wěn)定性一直比 φ =0.8 和 φ =1.2 時(shí)的強(qiáng)。結(jié)合圖2 來看，在出現(xiàn)郁金香火焰的工況中（即 φ =0.8，γ=0.30～0.35； φ =1.0，γ=0.30；φ=1.2，γ=0.35），其γ 都比較低，因而火焰失穩(wěn)主要是由熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性引起的，而流體力學(xué)不穩(wěn)定性的影響較?。辉诋a(chǎn)生非郁金香火焰的工況中（ φ =0.8，γ=0.40～0.50；φ =1.0，γ=0.35～0.50；φ =1.2，γ=0.40～0.50），隨著γ 的增大，熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性雖然不斷減弱，但是在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中依然受其影響，且流體力學(xué)不穩(wěn)定性快速增強(qiáng)，因此非郁金香火焰在傳播過程中也會(huì)因受到熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性的影響致使火焰失穩(wěn)，只是由于實(shí)驗(yàn)管道長度的限制，并未將火焰失穩(wěn)現(xiàn)象呈現(xiàn)出來。

圖4 Lewis 數(shù)和σ/δ 隨γ 的變化趨勢Fig. 4 Variation of Lewis number and σ/δ with γ

2.2 火焰動(dòng)力學(xué)分析

圖5 中給出了歸一化的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?(=/(σ))與火焰前鋒位置之間的關(guān)系。因?yàn)椴煌?dāng)量比的ˉ 隨的變化趨勢相同，所以在這里只展示 φ =1.0 的圖像并進(jìn)行分析。從圖5 可以看出，速度變化曲線分為2 類。第1 類速度曲線包含2 次上升2 次下降的變化趨勢，例如當(dāng) φ= 0.8，γ=0.30～0.35； φ= 1.0，γ=0.30～0.35； φ =1.2，γ=0.35 時(shí)，皆為這類速度曲線。且這些工況下的火焰都能呈現(xiàn)出郁金香火焰的演變過程，在傳播過程中因火焰接觸管壁，火焰表面積快速減小，且氧氣體積分?jǐn)?shù)相對較低不能提供足夠的傳播動(dòng)力，造成火焰速度的第1 次下降；隨著火焰陣面發(fā)生凹陷形成郁金香火焰，其凹陷尖端的產(chǎn)生使火焰表面積再次增大，因此火焰開始了第2 次加速。而其他工況均為第2 類速度曲線，由于氧氣體積分?jǐn)?shù)較高、反應(yīng)活性較強(qiáng)并且沒有郁金香火焰結(jié)構(gòu)形成等原因，火焰速度只有先上升后下降的趨勢，這是非郁金香火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓赜械摹；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁俏慈細(xì)庀鄬τ诨鹧驿h面的速度與層流燃燒速度之和，因此2 種不同類型的速度曲線與有緊密的關(guān)系。在該實(shí)驗(yàn)條件下，火焰平均傳播速度表現(xiàn)為第1 類速度曲線的范圍為： φ =0.8 時(shí)，≤20.69 cm/s； φ =1.0 時(shí)，≤25.08 cm/s； φ =1.2 時(shí)，≤22.91 cm/s?；鹧嫫骄鶄鞑ニ俣缺憩F(xiàn)為第2 類速度曲線的范圍為： φ =0.8 時(shí)，＞20.69 cm/s；φ =1.0 時(shí)，＞25.08 cm/s； φ =1.2 時(shí)，＞22.91 cm/s。

圖5 歸一化火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰前鋒位置之間的關(guān)系Fig. 5 Relation between the normalized flame propagation velocity and the flame front position

圖6 展示了 φ =0.8 時(shí)2 種不同的爆炸超壓演變曲線，即單峰曲線和雙峰曲線。雙峰曲線在超壓曲線中占大多數(shù)，如 φ =0.8，γ=0.40 對應(yīng)的曲線存在2 個(gè)超壓峰值，分別為第1 峰值以及第2 峰值。爆炸發(fā)生時(shí)，管道內(nèi)氣體體積急劇膨脹，壓力快速上升，導(dǎo)致PVC 薄膜破裂，管內(nèi)氣體隨即泄放，造成體積膨脹率及壓力突然下降，形成第1 波峰，且為動(dòng)態(tài)壓力而非靜態(tài)壓力；第1 峰值形成后，爆炸持續(xù)進(jìn)行，并且已燃?xì)馀蛎浰俾蚀笥诠艿篱_口端氣體泄放速率，因此超壓曲線繼續(xù)上升，直至已燃?xì)馀蛎浰俾试俅蔚扔跉怏w泄放速率，產(chǎn)生第2 峰值。通常來講，最大超壓峰值由第2 峰值控制。當(dāng)管道內(nèi)氣體膨脹速率始終大于開口端氣體泄放速率時(shí)，第1 波峰將不會(huì)出現(xiàn)在超壓曲線上，就形成了單峰曲線。這通常表現(xiàn)在高γ、高反應(yīng)活性體系中，比如 φ =0.8，γ=0.50。由此可知，超壓峰值、都與膨脹速率有很大的關(guān)系，隨著γ 的不斷增大，預(yù)混體系的反應(yīng)活性增強(qiáng)，膨脹率不斷增大，這是爆炸超壓由雙峰曲線向單峰曲線轉(zhuǎn)變的根本原因。另外，從圖6 可以看出，當(dāng) φ =0.8 時(shí)，爆炸超壓曲線的最大壓力峰值隨氧氣相對比的增大而增大（其他當(dāng)量比下也是如此），即：在相同當(dāng)量比下，氧氣富集對最大爆炸超壓具有促進(jìn)作用。

圖6 當(dāng)量比為0.8 時(shí)各氧氣相對比下爆炸超壓曲線Fig. 6 Explosion overpressure-time history for various oxygen fractions at φ =0.8

層流燃燒速度是衡量層流火焰基本燃燒特性的重要參數(shù)，其作為預(yù)測氣體燃燒特性的單一指標(biāo)具有優(yōu)越潛力。圖7 展示了最大爆炸超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度的相關(guān)性。從圖7 可以觀察到，-曲線的斜率不斷增大，當(dāng)γ≤0.35 時(shí)，二者之間的擬合斜率較小，而當(dāng)γ＞0.35 時(shí)，其斜率快速增大。也就是說，相同當(dāng)量比下，隨著γ 的增大，對的敏感性不斷增強(qiáng)。與的相關(guān)性更強(qiáng)，且二者之間呈線性相關(guān)，即相比于爆炸超壓，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c之間的關(guān)系更緊密，更容易受的影響。

圖7 最大爆炸超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度之間的關(guān)系Fig. 7 Dependence of the maximum explosion overpressure and the maximum flame propagation velocity on laminar burning velocity

初始環(huán)境溫度對預(yù)混氣體爆炸強(qiáng)度有一定的影響。圖8 中比較了初始環(huán)境溫度為273 和303 K 時(shí)CH/O/CO混合物的爆炸強(qiáng)度。從圖8 可以看出，在保持當(dāng)量比和氧氣相對比都不變的情況下，環(huán)境溫度為273 K 時(shí)的和ˉ(=/(σ))始終高于環(huán)境溫度為303 K時(shí)的。這說明提高環(huán)境溫度降低了爆炸強(qiáng)度。表2 中展示了當(dāng)環(huán)境溫度由273 K 升高至303 K時(shí)，和ˉ的下降百分比，例如：當(dāng)從273 K升高到303 K 時(shí)， φ =0.8, γ=0.35 時(shí)的CH/O/CO混合物的爆炸壓力降低了43.38%， φ =1.0, γ=0.35 的爆炸壓力降低了38.82%， φ =1.2, γ=0.35 時(shí)的爆炸壓力降低了16.43%。可以發(fā)現(xiàn)，隨著當(dāng)量比的增大，和ˉ下降百分比逐漸減小，這說明貧燃對初始環(huán)境溫度的波動(dòng)更敏感。另外，當(dāng)=273 K 時(shí)，最大始終出現(xiàn)于 φ =1.0 時(shí)；但是當(dāng)=303 K 時(shí)，0.35＜γ≤0.45 時(shí)的最大和ˉ出現(xiàn)在富燃側(cè)（ φ =1.2），當(dāng)γ=0.50 時(shí)， φ =1.0 時(shí)的才超過 φ =1.2 時(shí)的，而 φ =0.8 時(shí)的始終最小；ˉ的這種趨勢更明顯。這意味著，提高初始環(huán)境溫度對富燃條件下的爆炸強(qiáng)度具有促進(jìn)作用，并且在γ 處于0.35～0.50 時(shí)，富燃料甚至?xí)^化學(xué)當(dāng)量比的爆炸強(qiáng)度。

圖8 不同初始環(huán)境溫度對pmax 和 vˉmax 的影響Fig. 8 Influence of different initial ambient temperatures on pmax and vˉmax

表2 pmax 和 vˉmax 在環(huán)境溫度由 273 K 升高到 303 K 影響下的下降百分比Table 2 Decrease percentage of pmax and vˉmax affected by ambient temperature from 273 K to303 K

由Hernandez 等和Bychkov 等的研究可得：

綜上，圖9 展示了不同初始環(huán)境溫度下最大升壓速率(d/d)與σ(σ-1)/(σ+1)之間的擬合關(guān)系。從圖9 中可以看出，二者之間具有一定的相關(guān)性，并且當(dāng)初始環(huán)境溫度升高至303 K 時(shí)，其擬合優(yōu)度并無太大改變，當(dāng)σ(σ-1)/( σ +1)增大時(shí)，其離散程度也都會(huì)增大。由圖9 可知，氧氣相對比γ 的增大會(huì)提高和膨脹比σ，從而使σ(σ-1)/(σ+1)增大，也就是說在相同當(dāng)量比下，(d/d)會(huì)隨著γ 的增大而不斷升高。但是對于所有的當(dāng)量比，當(dāng)γ ≤0.30 時(shí)，(d/d)會(huì)隨初始環(huán)境溫度的升高而升高，而在γ≥0.35 的條件下，(d/d)會(huì)隨初始環(huán)境溫度的升高而降低。

圖9 2 種初始環(huán)境溫度下(dp/dt)max 與SLσ2(σ-1)/(σ+1)的關(guān)系Fig. 9 Relationship between (dp/dt) max and SLσ2(σ-1)/(σ+1)for two initial ambient temperatures

2.3 敏感性分析

為了探討甲烷在富氧條件下的爆炸機(jī)理，本節(jié)中利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對該預(yù)混體系的物性參數(shù)等進(jìn)行敏感性分析，進(jìn)而從微觀機(jī)理角度來分析郁金香火焰產(chǎn)生的原因以及初始環(huán)境溫度對爆炸參數(shù)的影響機(jī)制。

甲烷空氣預(yù)混氣體的爆炸過程中，H、O、OH 這3 種自由基在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起到了至關(guān)重要的作用，與火焰?zhèn)鞑ァ⒈◤?qiáng)度、爆炸機(jī)理有著密切的關(guān)系。圖10 采用GRI-Mech 3.0 機(jī)理得到了不同工況下主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)對層流燃燒速度的敏感度系數(shù)，其中基元反應(yīng)R11、R38、R99、R119、R135、R166 的敏感度系數(shù)始終為正，說明這些反應(yīng)可以提高層流燃燒速度，而其他幾個(gè)反應(yīng)敏感系數(shù)始終為負(fù)，說明這幾種反應(yīng)將會(huì)削弱層流燃燒速度。結(jié)合表3 可知，敏感系數(shù)為正的反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生大量H、O 或者OH 自由基，而敏感系數(shù)為負(fù)的反應(yīng)大都會(huì)消耗大量H、O、OH 自由基。在CH/O/CO預(yù)混體系所有的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，對層流燃燒速度影響最大的2 個(gè)分別為：R38，H+O=O+OH；R52，H+CH(+M)=CH(+M)（其中M 為第3 體效應(yīng)，即M 通過與自由基的碰撞促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，但是其本身不參與化學(xué)反應(yīng)）。值得注意的是，提高氧氣體積分?jǐn)?shù)抑制了反應(yīng)R38 和R52 的進(jìn)行，而提高當(dāng)量比促進(jìn)了反應(yīng)R38 和R52 的進(jìn)行。這是因?yàn)?，R 3 8 和R 5 2 的反應(yīng)物需要大量的H 和CH自由基，而這2 種自由基在該反應(yīng)體系中只能由CH產(chǎn)生，并且氧氣體積相對比γ 的提高顯著提高了預(yù)混體系的反應(yīng)活性，從而提高了各鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)程度。因此，H 自由基的產(chǎn)生量不足以維持原來的反應(yīng)平衡，削弱了R38 和R52對層流燃燒速度的敏感度。

圖10 各種氧氣相對比下主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)對層流燃燒速度的敏感度系數(shù)Fig. 10 Sensitivity coefficients of the main chain reactions to laminar burning velocity for various oxygen fractions

通過對圖10 和表3 的分析，可以看出，H、O、OH、CH這4 種自由基對反應(yīng)體系物性參數(shù)的影響最大。在這里改變Chemkin 初始環(huán)境溫度，對比了不同工況下4 種自由基生成速率（rate of production, ROP,）的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)其他3 種自由基的生成速率所表現(xiàn)出來的變化趨勢與OH 自由基的相同。由圖11可以看出，在相同當(dāng)量比下，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大，OH 自由基的生成速率不斷提高，并且初始環(huán)境溫度由273 K 升高至303 K，對自由基的生成速率具有一定的促進(jìn)作用。結(jié)合圖12(a)發(fā)現(xiàn)升高至303 K 時(shí)，層流燃燒速度變大，而在圖7 中，層流燃燒速度的增大提升了最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约白畲蟊ǔ瑝?，這與圖8 所呈現(xiàn)出來的初始溫度的升高對ˉ和有削減作用的結(jié)果相反。這意味著初始溫度的改變對預(yù)混體系物性參數(shù)的影響是多方面的，如在圖12(b)中可以觀察到，相同當(dāng)量比下，初始溫度升高會(huì)使膨脹比顯著減小，這與初始溫度對層流燃燒速度的影響作用正好相反，而膨脹比的減小會(huì)抑制火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约氨ǔ瑝?。說明當(dāng)升高時(shí)，對反應(yīng)體系的物性參數(shù)都有不同方向、不同程度的影響，它們之間相互競爭，最終呈現(xiàn)出環(huán)境溫度升高會(huì)削弱和ˉ的現(xiàn)象。

表3 預(yù)混體系中主要的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)Table 3 Main chain reactions in the premixed system

圖11 不同初始環(huán)境溫度下OH 自由基的生成速率Fig. 11 Rates of production of the free radical OH at different initial ambient temperatures

為了更深入地分析甲烷在富氧條件下爆炸強(qiáng)度的影響因素，對H、O、OH、CH自由基的生成速率與層流燃燒速度和膨脹比之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。發(fā)現(xiàn)層流燃燒速度與OH 自由基的生成速率存在良好的正相關(guān)性（見圖12(a)），且不依賴于當(dāng)量比；但膨脹比與OH 自由基的生成速率之間的關(guān)系受當(dāng)量比的影響（見圖12(b)）。從圖12 還可以看出，當(dāng)OH 自由基的生成速率不斷提高時(shí)，層流燃燒速度和膨脹比都呈現(xiàn)出增大的趨勢，但曲線斜率不斷減小，即OH 自由基 的生成速率越高，對層流燃燒速度的影響程度越低。其他3 種自由基（H、O、CH）與層流燃燒速度和膨脹比之間也具有相似的變化趨勢，但隨著當(dāng)量比的改變，數(shù)據(jù)的離散程度變大。這意味著，相對于H、O、CH自由基，層流燃燒速度對OH 自由基 的生成速率更敏感。并且提高初始環(huán)境溫度時(shí)，層流燃燒速度對OH 自由基的生成速率也更敏感（見圖12(a)）。

圖12 層流燃燒速度和膨脹比隨自由基OH 的生成速率變化Fig. 12 Variation of laminar burning velocity and expansion ratio with the rate of production of OH free radical

火焰?zhèn)鞑ミ^程除受預(yù)混體系的層流燃燒速度和膨脹比影響外，還受熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性的影響，因此這里分析了H、O、OH 等3 種主要自由基對這2 種不穩(wěn)定性的影響。由圖13 可知，熱擴(kuò)散系數(shù)與H、O、OH 自由基的最大摩爾分?jǐn)?shù)之和存在非常好的正相關(guān)性，而σ/δ 與其更是存在線性關(guān)系。在同一初始環(huán)境溫度下，熱擴(kuò)散系數(shù)和σ/δ 都會(huì)隨著自由基含量的增加而不斷增大，并且從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，有效Lewis 數(shù)都小于1，說明熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性對火焰都具有失穩(wěn)效應(yīng)，因此 H、O、OH 自由基最大摩爾分?jǐn)?shù)的增大對有效Lewis 數(shù)的增大有促進(jìn)作用，導(dǎo)致熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的失穩(wěn)效應(yīng)逐漸減弱；而σ/δ 用來衡量流體力學(xué)不穩(wěn)定性的強(qiáng)弱，因此當(dāng)H、O、OH 自由基的最大摩爾分?jǐn)?shù)增大時(shí)，流體力學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)不斷增強(qiáng)。另外，當(dāng)升至303 K 時(shí)，相同工況下的熱擴(kuò)散系數(shù)會(huì)大幅度增大，而對σ/δ 會(huì)有減小的效果，說明環(huán)境溫度的升高會(huì)削弱熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性。

圖13 火焰不穩(wěn)定與H、O、OH 自由基最大摩爾分?jǐn)?shù)的擬合關(guān)系Fig. 13 Fitting relationship between the flame instability and the maximum mole fraction of H, O and OH radicals

3 結(jié) 論

為研究甲烷在富氧條件下的爆炸動(dòng)力學(xué)，以CH/O/CO預(yù)混體系為研究對象，在不同的初始環(huán)境溫度下開展了爆炸實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論如下。

（1）氧氣體積分?jǐn)?shù)對火焰結(jié)構(gòu)類型以及火焰?zhèn)鞑ツＪ骄哂酗@著影響。受火焰失穩(wěn)和管道長度限制的綜合影響，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大，每種當(dāng)量比下都依次出現(xiàn)郁金香和非郁金香2 種火焰結(jié)構(gòu)類型。由于膨脹作用與渦流作用相互競爭，使郁金香火焰上下唇和主尖端出現(xiàn)3 種運(yùn)動(dòng)模式，并產(chǎn)生不對稱型郁金香火焰和T 形郁金香火焰，并且在這里認(rèn)為T 形郁金香火焰的形成不依賴于管道邊界條件。

（2）火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆炸超壓曲線類型與氧氣體積相對比γ 密切相關(guān)。隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大，歸一化的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€分為“兩升兩降”和“一升一降”2 種類型，且第1 類曲線對應(yīng)為郁金香火焰，第2 類曲線對應(yīng)為非郁金香火焰；氧氣體積分?jǐn)?shù)強(qiáng)烈影響預(yù)混體系的反應(yīng)性，當(dāng)層流燃燒速度＞37.53 cm/s 時(shí)，破膜壓力消失，導(dǎo)致爆炸超壓-時(shí)間曲線由雙峰曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏迩€。

（3）初始環(huán)境溫度的波動(dòng)會(huì)對爆炸強(qiáng)度產(chǎn)生影響。與Hu 等在環(huán)境溫度為300 K 條件下測得的可燃性下限相比可知，環(huán)境溫度的降低，將提高CH/O/CO預(yù)混體系的爆炸下限。最大爆炸壓力和歸一化最大火焰?zhèn)鞑ニ俣取?=/(σ) ) 都隨的升高而降低，而對于最大升壓速率(d/d)，只有在較高的氧氣體積相對比下（γ ≥0.35），的升高才會(huì)對其呈現(xiàn)抑制作用。另外，和ˉ的下降百分比隨當(dāng)量比的增大而減小，這說明貧燃預(yù)混體系的爆炸強(qiáng)度更容易受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。

（4）由敏感性分析可知，在CH/O/CO預(yù)混體系中，對鏈?zhǔn)椒磻?yīng)R38（即H+O=O+OH）和R52（即H+CH(+M)=CH(+M)）分別表現(xiàn)出最大正敏感度和最大負(fù)敏感度，而氧氣體積分?jǐn)?shù)的提高會(huì)削弱對R38 和R52 的敏感度，并且發(fā)現(xiàn)與OH 自由基的生成速率相關(guān)性最強(qiáng)。H、O、OH 這3 種自由基的總摩爾分?jǐn)?shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)和σ/δ 呈線性相關(guān)，并且這種線性關(guān)系不受的影響，通過提高H、O、OH 自由基的總摩爾分?jǐn)?shù)可以削弱熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性，增強(qiáng)流體力學(xué)不穩(wěn)定性。