惰性氣體參數(shù)對瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч难芯?/h1>
2023-12-29 08:25:50楊雨欣石云東
煤礦安全 2023年12期
胡 洋 ，楊雨欣 ，石云東 ，呂 碩 ，陶 紅
（1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2.爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.開灤能源化工股份有限公司 煤炭通風(fēng)部，河北 唐山 063000）
瓦斯爆炸事故作為我國煤礦事故中最嚴重的事故之一[1-4]，涉及多個學(xué)科交叉的學(xué)術(shù)問題，是爆炸力學(xué)和安全科學(xué)與工程學(xué)科的前沿問題和熱點問題。瓦斯爆燃的波系結(jié)構(gòu)是前方為誘導(dǎo)激波，后面是化學(xué)反應(yīng)區(qū)，火焰緊跟在激波后方，并支持激波向前運動，為了使前驅(qū)激波強度衰減，降低瓦斯爆炸產(chǎn)生的災(zāi)害強度，向支持沖擊波的火焰噴射惰性氣體，以火焰參數(shù)表征惰性氣體的抑爆效果。對此，國內(nèi)外學(xué)者對瓦斯爆燃過程中火焰?zhèn)鞑ヌ匦院投栊詺怏w抑爆機理開展了大量研究。孫超倫等[5]探究惰性氣體存在抑制甲烷爆炸的臨界體積分數(shù)；王燕等[6]研究了利用惰性氣體（CO2、N2）強化 KHCO3冷氣溶膠系統(tǒng)的CH4抑爆機理，分析了惰性氣體增效原因；張江等[7]探究了了C2H4和CO 對N2惰化 CH4爆炸的作用規(guī)律；KRISTOFFERSEN K 等[8]、THOMAS G 等[9]對氣體爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヅc爆炸壓力波之間的關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明火焰的傳播與壓力波之間存在耦合作用；楊春麗[10]通過實驗證實了，惰性氣體濃度和爆炸超壓之間存在線性關(guān)系；LI 等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)火焰在CO2或N2/CO2混合氣體的抑制下，前鋒呈現(xiàn)不穩(wěn)定的“蘑菇狀”火焰結(jié)構(gòu)；陸衛(wèi)東等[12]從動力學(xué)角度出發(fā)進行CO2對瓦斯爆炸阻尼效應(yīng)的數(shù)值模擬，得出隨著CO2體積增多，甲烷爆炸的強度降低，從機理分析為CO2降低了甲烷爆炸過程中的關(guān)鍵反應(yīng)步驟感性系數(shù)，加強了對有毒有害氣體NO 及鏈式反應(yīng)自由基的抑制從而達到抑制效果。
目前，選用噴射N2、CO2的方式進行阻燃抑爆的實驗較少，對于實驗測量數(shù)據(jù)的方法，主要集中在傳統(tǒng)宏觀測量上。因此，改變N2、CO2參與瓦斯爆燃反應(yīng)的方式，選用激光紋影技術(shù)對N2、CO2抑制瓦斯爆燃的流場進行微觀分析。
1 實驗設(shè)計
1.1 系統(tǒng)介紹
惰性氣體抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的實驗系統(tǒng)圖如圖1。系統(tǒng)由爆炸激波管、高壓點火系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、預(yù)混系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、火焰?zhèn)鞲衅?、同步控制系統(tǒng)、惰性氣體噴射裝置和激光紋影測試系統(tǒng)組成。
圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental system diagram
實驗系統(tǒng)的主體由6 節(jié)激波管和1 節(jié)實驗段組成，激波管每節(jié)2.5 m，截面尺寸為200 mm×200 mm；實驗段長度為1 m，中部開有直徑為300 mm 的圓形可視化窗。為滿足惰性氣體噴射的實驗需求，在試驗段底部設(shè)計直徑15 mm 的惰性氣體噴射口。高壓點火系統(tǒng)通過外觸發(fā)控制電極產(chǎn)生高壓放電火花，點火能量為100 mJ；真空系統(tǒng)由抽速為90 m3/h、極限真空度0.7 Pa 的旋片泵和抽速為500 m3/h、極限真空度0.4 Pa 的羅茨泵構(gòu)成；預(yù)混系統(tǒng)利用管道外預(yù)混原理，將實驗氣體按照預(yù)定的體積百分數(shù)充入密閉罐中，靜止6～8 h 后充入實驗管道；同步控制系統(tǒng)[13-14]由多通道同步控制器連接，協(xié)調(diào)點火、噴射N2及數(shù)據(jù)采集時間；激光紋影系統(tǒng)可獲取微觀流場的紋影圖像，實現(xiàn)對流場的定性觀測和定量測量[15]；惰性氣體噴射裝置由氣瓶、減壓閥、單向閥、電磁閥和進氣閥門組成，可控制氣體噴射壓力，惰性氣體噴射裝置如圖2。
1.2 工況設(shè)計
實驗?zāi)康氖菍Ρ炔煌栊詺怏w在不同噴射壓力和不同位置條件下抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的效果，通過火焰?zhèn)鞲衅饔涗涀兓^程，在每節(jié)激波管道的正中部的同一軸向位置和實驗段的可視化窗口前后，安裝火焰?zhèn)鞲衅?，? 組，實驗測點布置如圖3，火焰?zhèn)鞲衅骶帱c火端的距離見表1。
表1 火焰?zhèn)鞲衅骶帱c火端的位置Table 1 Position of flame sensors from ignition end
圖3 實驗測點布置Fig.3 Layout of experimental measuring points
氣體噴射口共2 個，位于距點火端7.655 m和8.780 m 處底部，分別在傳感器F3～F4 和F4～F5 之間。
實驗設(shè)計為2 種惰性氣體（N2與CO2）噴射進入爆炸激波管中抑制瓦斯爆燃的對比實驗，每種惰性氣體在不同噴射壓力、不同噴射位置下，分別進行8 組實驗；基礎(chǔ)實驗工況為9.5%甲烷預(yù)混氣體在無惰性氣體噴射的條件下爆燃；為了減少系統(tǒng)誤差引起的數(shù)據(jù)差異，每組實驗至少重復(fù)3 次以上，獲得較為準確的實驗數(shù)據(jù)。實驗工況設(shè)計見表2。
表2 實驗工況設(shè)計Table 2 Design of experimental conditions
2 實驗結(jié)果
2.1 基礎(chǔ)工況實驗
以9.5%瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃作為基礎(chǔ)實驗工況，以便后續(xù)與惰性氣體抑爆實驗作為對照，9.5% 甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰信號圖如圖4，火焰信號強度在F3、F6 處最強。
圖4 9.5%甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰信號圖Fig.4 Flame front propagation diagram of 9.5%methane/air premixed gas
2.2 不同位置噴射N2 抑爆燃實驗
2.2.1 不同位置噴射N2抑爆火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)
分別向管道內(nèi)噴射來自不同噴射口的不同壓力的N2，測量火焰陣面抵達傳感器的時間。近點火端噴射N2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖5，遠點火端噴射N2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖6。由于不同位置的火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏交鹧嫘盘枏姸炔煌?，因此圖像縱坐標取能夠完整顯示的最優(yōu)范圍。
圖5 近點火端噴射N2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.5 Propagation process of N2 flame front near ignition
圖6 遠點火端噴射N2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.6 Propagation process of N2 flame front far away from ignition
由圖5（a）、圖5（b）可知：當(dāng)N2噴射壓力較小時，無法擴散到傳感器F1、F2 附近，因此火焰陣面抵達傳感器的時間與基礎(chǔ)工況相比時間近似；當(dāng)噴射壓力增強到2.5 MPa 及以上時，火焰速度顯著提升，這是因為N2能夠擴散到傳感器附近并使管道中未反應(yīng)氣體的靜止?fàn)顟B(tài)收到影響，形成湍流效應(yīng)。由圖5（c）可知：當(dāng)噴射壓力達到3.5 MPa后，足夠多的N2開始對預(yù)混氣體爆燃產(chǎn)生抑制作用，火焰陣面抵達時間才發(fā)生延緩；雖抑爆作用不明顯，但與基礎(chǔ)工況相比，火焰信號強度明顯變?nèi)?，說明N2對預(yù)混氣體進行了一定的稀釋。由圖5（d）可知：當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰陣面抵達傳感器F4 的時間初步延緩，噴射壓力變大，延緩更明顯；當(dāng)瓦斯/空氣預(yù)混氣體發(fā)生爆燃后，其產(chǎn)物膨脹壓縮未燃氣體，形成前驅(qū)沖擊波向未燃區(qū)域傳播，其過程卷吸了更多從噴射口噴入的N2，因此火焰?zhèn)鞲衅鱂4 的延緩效果變得更明顯。由圖5（d）～圖5（e）可知：傳感器F4 與傳感器F5的時間波動趨勢相同，但其火焰信號更強，分析認為，前驅(qū)沖擊波卷吸著從噴射口噴入的N2向未燃區(qū)域傳播的同時，同樣卷吸更多的未燃氣體在傳感器F5 附近發(fā)生強烈的爆燃反應(yīng)，但當(dāng)噴射壓力大于2.5 MPa，N2足夠多，依舊能夠起到抑制爆燃的效果；火焰?zhèn)鞲衅鱂6、F7、F8 的火焰陣面到達時間波動趨勢與之前一致。
由圖6 可知：遠點火端噴射N2時，與近點火端噴射相比，從傳感器F3 開始，火焰陣面的抵達時間開始發(fā)生輕微波動，隨噴射壓力的增強，時間提前，至3.5 MPa 時，到達時間才輕微延緩。因為噴射壓力足夠大，即使遠離噴射口，依舊有少量N2擴散到附近，稀釋了未燃氣體；遠點火端噴射口位于傳感器F4 與F5 中間，未反應(yīng)氣體受到的擾動最明顯，火焰信號強度顯著增強；并且當(dāng)噴射N2壓力達到2.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間相比于壓力較小時更為延緩，但仍比基礎(chǔ)工況提前；噴射壓力增強到3.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間明顯延緩。
噴射壓力為3.5 MPa N2的火焰信號如圖7。
圖7 噴射壓力為3.5 MPa N2 的火焰信號Fig.7 Flame signal with nitrogen injection pressure of 3.5 MPa
由圖7 可知：當(dāng)火焰達到傳感器F6 時，火焰被N2分割成a、b 2 部分，前段小火團a 先于較大火團b 經(jīng)過傳感器F6，火團b 帶有鮮明的三維凹陷特質(zhì)，且經(jīng)N2分割的火焰陣面，速度明顯降低；火焰陣面抵達火焰?zhèn)鞲衅鱂7 與F8 的時間波動趨向，與近點火端噴射時一致，且因位于激波管道的末端，火焰信號相對較弱。
可以發(fā)現(xiàn)，與基礎(chǔ)工況相比，隨著噴射N2的壓力增大，火焰陣面抵達各個火焰?zhèn)鞲衅鞯臅r間先提前后延緩。且近點火端噴射時的火焰陣面抵達各傳感器的時間，比遠離點火端噴射產(chǎn)生的波動要早。通過抵達傳感器的時間計算得到不同噴射位置的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋煌恢脟娚銷2的火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D8。
圖8 不同位置噴射N2 的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.8 Flame propagation velocity of N2 injection at different positions
由圖8 分析可得：不同位置噴射時，火焰?zhèn)鞑ニ俣榷荚趪娚鋲毫?.5 MPa 時達到最大，2.5 MPa的時候傳播速度開始降低；但不同的是，最高火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诳拷c火端噴射時發(fā)生在3 號傳感器，為189.873 m/s，遠離點火端噴射時發(fā)生在F4，并隨著噴射口靠近點火端而提前；靠近點火端噴射時的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，相比于遠火端噴射時的238.095 m/s 大幅度降低且降低速度更快；近點火端噴射口的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畹蜑?.181 m/s，遠點火端噴射時為4.798 m/s，同樣是靠近點火端噴射口的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档酶停唤c火端噴射壓力為1.5 MPa 時，火焰?zhèn)鞲衅鱂8 的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫呀?jīng)比基礎(chǔ)工況略低；噴射壓力為2.5 MPa時，F(xiàn)3 到F4 傳感器之間的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉抵?.944 m/s，低于基礎(chǔ)工況。因此，靠近點火端噴射口與遠離點火端噴射口噴射同一壓力的N2時，靠近點火端噴射的效果更好，對瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的抑制效果更明顯。
2.2.2 不同位置噴射N2抑爆激光紋影圖像
噴射0 MPa N2的紋影圖像（無N2）如圖9。
圖9 噴射0 MPa N2 的紋影圖像（無N2）Fig.9 Schlieren images of nitrogen at injection pressure of 0 MPa (no nitrogen)
圖9 即瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃基礎(chǔ)工況的紋影圖像。根據(jù)圖像可以發(fā)現(xiàn)，由于火焰是三維立體結(jié)構(gòu)，因此各點的火焰信號強度各不相同，不斷變化?；鹧骊嚸嬉蜉S向力的拉伸發(fā)生變形，中間部分速度較快，使火焰發(fā)生變性，形成類指尖形，隨即擴散至整個管道。
靠近點火端噴射0.5、1.5、2.5、3.5 MPa N2的紋影圖像如圖10～圖13。由于N2噴射口位置在可視窗之前，所以近點火端紋影圖像的火焰已經(jīng)經(jīng)過N2的作用。
圖10 靠近點火端噴射0.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.10 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end
由圖10 可知：仍可以看出火焰陣面因受N2影響而發(fā)生拉伸變形，且火焰陣面中間部分突出程度比無N2時顯著減小。
由圖11 可知：N2對火焰陣面的影響逐步增強，火焰因拉伸變形而不再保持原先的指尖形，且中部不僅突出程度減小，甚至火焰表面發(fā)生凹陷，變得凹凸不平。
圖11 靠近點火端噴射1.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.11 Schlieren images of 1.5 MPa N2 injection near ignition end
由圖12 可知：隨著N2噴射壓力的增大，火焰陣面發(fā)生的拉伸變形更加嚴重，指尖形逐漸趨向變平?；鹧骊嚸嬷胁客怀鲋饾u消失，向圓弧形靠攏。
圖12 靠近點火端噴射2.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.12 Schlieren image of 2.5 MPa N2 injection near ignition end
由圖13 可知：當(dāng)N2噴射壓力達到3.5 MPa 時，火焰陣面因N2的影響而拉伸變形，不再呈現(xiàn)指尖形，而是呈圓弧形，同時火焰厚度變薄。但火焰變形不明顯，分析原因認為，火焰陣面經(jīng)過噴射口時變形最明顯，但可視窗離噴射口有一定距離，經(jīng)此距離，火焰陣面發(fā)生了逆向變形。
圖13 靠近點火端噴射3.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.13 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end
遠離點火端噴射3.5 MPa N2的紋影圖像如圖14。
圖14 遠離點火端噴射3.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.14 Schlieren images of nitrogen injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end
由圖14 可知：當(dāng)遠離點火端噴射壓力達到3.5 MPa 時，火焰陣面因N2的阻擋發(fā)生形變，呈凹凸不平的近平面形態(tài)，減少火焰表面積，爆燃強度降低。同時，N2噴射入管道，隨著火焰的傳播向管道下游分散，對未燃氣體發(fā)揮稀釋、窒息作用，而當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ焦艿老掠螘r，因氧氣供應(yīng)不足而抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
2.3 不同位置噴射CO2 抑爆燃實驗
2.3.1 不同位置噴射CO2抑爆火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)
選擇不同位置的2 個噴射口分別噴射壓力為0.5、1.5、2.5、3.5 MPa 的CO2，近 點 火 端 噴 射CO2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖15，遠點火端噴射CO2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖16。
圖15 近點火端噴射CO2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.15 Propagation process of CO2 flame front near ignition
圖16 遠點火端噴射CO2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.16 Propagation process of CO2 flame front far away from ignition
由圖15 可知：當(dāng)噴射壓力達3.5 MPa 后，火焰陣面抵達時間開始延緩；當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰陣面抵達傳感器F4 的時間初步延緩；當(dāng)噴射壓力為3.5 MPa 時，延緩更明顯；火焰?zhèn)鞲衅鱂5 與F4 相比波動趨勢相同，但火焰信號更強；火焰?zhèn)鞲衅鱂6～F8 的火焰陣面到達時間，發(fā)現(xiàn)其波動趨勢與之前一致。
由圖16 可知：火焰抵達傳感器F3 后，時間開始發(fā)生輕微波動，且隨著噴射壓力的增大而輕微提前，直到噴射壓力達到3.5 MPa 時，到達時間才輕微延緩。火焰?zhèn)鞲衅鱂4 與F5 位于端噴射口兩端，未燃氣體受到的擾動最大，火焰信號強度明顯增強，在噴射壓力為0.5、1.5 MPa 時，時間有明顯的提前；當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，相較于1.5 MPa 時的時間略有延緩，但與基礎(chǔ)工況相比時間仍然有所提前；直到噴射壓力達到3.5 MPa，火焰陣面抵達時間才有明顯延緩。由圖16（f）可知：當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰到達傳感器F6 的時間與基礎(chǔ)工況相比已經(jīng)有延緩跡象；噴射壓力增加到3.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間明顯延緩。
由圖4、圖15 和圖16 可知：噴射CO2與基礎(chǔ)工況相比，火焰陣面抵達各個位置的火焰?zhèn)鞲衅鞯臅r間，呈現(xiàn)先提前后延緩的趨向；且近點火端噴射時火焰陣面抵達各傳感器的時間，比遠離點火端噴射更早產(chǎn)生波動。
通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)計算得到不同單口位置下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，不同噴射壓力下火焰的傳播速度如圖17。
圖17 不同噴射壓力下火焰的傳播速度Fig.17 Flame propagation velocity under different injection pressures
由圖17，2 種噴射距離都是在噴射壓力為1.5 MPa 的時候火焰?zhèn)鞑ニ俣茸罡撸趪娚鋲毫?.5 MPa 的時候火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始降低；在噴射壓力為3.5 MPa 的時候火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最低。且靠近點火端噴射口的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，與遠點火端噴射時的速度相比更低；但是都發(fā)生在火焰?zhèn)鞲衅鱂3～F4 之間；雖然兩者的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣榷及l(fā)生在噴射壓力為1.5 MPa 的時候，但靠近點火端噴射口的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?48.515 m/s 遠低于遠離點火端噴射時的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣?87.5 m/s，且火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档偷酶?，噴?.5 MPa 時傳感器F8 附近火焰?zhèn)鞑ニ俣纫呀?jīng)比基礎(chǔ)工況更低；在噴射壓力為2.5 MPa 時，靠近點火端噴射時的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诨A(chǔ)工況的位置更近，位于傳感器F3～F4 之間?？拷c火端噴射時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畹蜑?.105 m/s，同樣低于遠離點火端噴射時的4.545 m/s。因此，靠近點火端噴射比遠離點火端效果更好，對瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的抑制效果更明顯。
2.3.2 不同位置噴射CO2抑爆激光紋影圖像
選取火焰形態(tài)發(fā)生形變最明顯的激光紋影圖像，靠近點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2如圖18，遠離點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2如圖19。
圖18 靠近點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2Fig.18 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa near ignition end
圖19 遠離點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2Fig.19 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end
由圖18 可知：火焰陣面嚴重拉伸變形，不再能夠維持指尖形，而是呈凹凸不平的近平面狀，同時火焰明顯變薄。
由圖19 可知：火焰陣面因噴射的CO2呈凹凸不平的近平面狀，甚至使中間部分明顯凹陷，呈現(xiàn)三維凹陷的狀態(tài)。
2.4 N2 與CO2 對比
分析圖8、圖17 可知：在不同位置噴射不同壓力的N2與CO2，對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戁厔莼疽恢?，且CO2在近點火端噴射時，火焰最高速度148.515 m/s，最低速度4.105 m/s；遠點火端噴射時，最高速度187.5 m/s，最低速度4.454 m/s，均低于噴射N2的實驗工況。因此，CO2抑制火焰?zhèn)鞑サ男Ч麖娪贜2，分析原因為作為三體反應(yīng)的第3 體，N2的碰撞效率低于CO2，使活性支鏈反應(yīng)中心濃度的降低程度也低于CO2。因此，N2的抑制效果明顯弱于CO2。
3 結(jié) 語
1）隨著噴射壓力增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小；火焰陣面逐漸被拉伸變形，無法保持指尖狀，呈現(xiàn)近平面狀，火焰變薄甚至出現(xiàn)三維凹陷結(jié)構(gòu)，對未燃氣體產(chǎn)生明顯的吸卷效應(yīng)。
2）將火焰?zhèn)鞑サ淖罡?最低速度作為抑制爆燃能力的判定標準，對比2 種噴射位置，近點火端噴射CO2比遠離點火端噴射的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?0.79%，而噴射N2時最高火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?0.25%；近點火端噴射CO2比遠點火端噴射的最低火焰速度降低9.68%，噴射N2時降低12.86%，因此近點火端噴射惰性氣體抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的效果更好。
3）對比2 種阻燃抑爆氣體，近點火端噴射CO2比噴射N2的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?1.78%，最低速度比N2低1.82%；遠點火端噴射CO2時的最高火焰速度比N2低21.25%，最低火焰速度比N2低5.27%，因此，CO2的效果比N2更好。
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胡 洋 ，楊雨欣 ，石云東 ，呂 碩 ，陶 紅
（1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2.爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.開灤能源化工股份有限公司 煤炭通風(fēng)部，河北 唐山 063000）
瓦斯爆炸事故作為我國煤礦事故中最嚴重的事故之一[1-4]，涉及多個學(xué)科交叉的學(xué)術(shù)問題，是爆炸力學(xué)和安全科學(xué)與工程學(xué)科的前沿問題和熱點問題。瓦斯爆燃的波系結(jié)構(gòu)是前方為誘導(dǎo)激波，后面是化學(xué)反應(yīng)區(qū)，火焰緊跟在激波后方，并支持激波向前運動，為了使前驅(qū)激波強度衰減，降低瓦斯爆炸產(chǎn)生的災(zāi)害強度，向支持沖擊波的火焰噴射惰性氣體，以火焰參數(shù)表征惰性氣體的抑爆效果。對此，國內(nèi)外學(xué)者對瓦斯爆燃過程中火焰?zhèn)鞑ヌ匦院投栊詺怏w抑爆機理開展了大量研究。孫超倫等[5]探究惰性氣體存在抑制甲烷爆炸的臨界體積分數(shù)；王燕等[6]研究了利用惰性氣體（CO2、N2）強化 KHCO3冷氣溶膠系統(tǒng)的CH4抑爆機理，分析了惰性氣體增效原因；張江等[7]探究了了C2H4和CO 對N2惰化 CH4爆炸的作用規(guī)律；KRISTOFFERSEN K 等[8]、THOMAS G 等[9]對氣體爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヅc爆炸壓力波之間的關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明火焰的傳播與壓力波之間存在耦合作用；楊春麗[10]通過實驗證實了，惰性氣體濃度和爆炸超壓之間存在線性關(guān)系；LI 等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)火焰在CO2或N2/CO2混合氣體的抑制下，前鋒呈現(xiàn)不穩(wěn)定的“蘑菇狀”火焰結(jié)構(gòu)；陸衛(wèi)東等[12]從動力學(xué)角度出發(fā)進行CO2對瓦斯爆炸阻尼效應(yīng)的數(shù)值模擬，得出隨著CO2體積增多，甲烷爆炸的強度降低，從機理分析為CO2降低了甲烷爆炸過程中的關(guān)鍵反應(yīng)步驟感性系數(shù)，加強了對有毒有害氣體NO 及鏈式反應(yīng)自由基的抑制從而達到抑制效果。
目前，選用噴射N2、CO2的方式進行阻燃抑爆的實驗較少，對于實驗測量數(shù)據(jù)的方法，主要集中在傳統(tǒng)宏觀測量上。因此，改變N2、CO2參與瓦斯爆燃反應(yīng)的方式，選用激光紋影技術(shù)對N2、CO2抑制瓦斯爆燃的流場進行微觀分析。
1 實驗設(shè)計
1.1 系統(tǒng)介紹
惰性氣體抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的實驗系統(tǒng)圖如圖1。系統(tǒng)由爆炸激波管、高壓點火系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、預(yù)混系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、火焰?zhèn)鞲衅?、同步控制系統(tǒng)、惰性氣體噴射裝置和激光紋影測試系統(tǒng)組成。
圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental system diagram
實驗系統(tǒng)的主體由6 節(jié)激波管和1 節(jié)實驗段組成，激波管每節(jié)2.5 m，截面尺寸為200 mm×200 mm；實驗段長度為1 m，中部開有直徑為300 mm 的圓形可視化窗。為滿足惰性氣體噴射的實驗需求，在試驗段底部設(shè)計直徑15 mm 的惰性氣體噴射口。高壓點火系統(tǒng)通過外觸發(fā)控制電極產(chǎn)生高壓放電火花，點火能量為100 mJ；真空系統(tǒng)由抽速為90 m3/h、極限真空度0.7 Pa 的旋片泵和抽速為500 m3/h、極限真空度0.4 Pa 的羅茨泵構(gòu)成；預(yù)混系統(tǒng)利用管道外預(yù)混原理，將實驗氣體按照預(yù)定的體積百分數(shù)充入密閉罐中，靜止6～8 h 后充入實驗管道；同步控制系統(tǒng)[13-14]由多通道同步控制器連接，協(xié)調(diào)點火、噴射N2及數(shù)據(jù)采集時間；激光紋影系統(tǒng)可獲取微觀流場的紋影圖像，實現(xiàn)對流場的定性觀測和定量測量[15]；惰性氣體噴射裝置由氣瓶、減壓閥、單向閥、電磁閥和進氣閥門組成，可控制氣體噴射壓力，惰性氣體噴射裝置如圖2。
1.2 工況設(shè)計
實驗?zāi)康氖菍Ρ炔煌栊詺怏w在不同噴射壓力和不同位置條件下抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的效果，通過火焰?zhèn)鞲衅饔涗涀兓^程，在每節(jié)激波管道的正中部的同一軸向位置和實驗段的可視化窗口前后，安裝火焰?zhèn)鞲衅?，? 組，實驗測點布置如圖3，火焰?zhèn)鞲衅骶帱c火端的距離見表1。
表1 火焰?zhèn)鞲衅骶帱c火端的位置Table 1 Position of flame sensors from ignition end
圖3 實驗測點布置Fig.3 Layout of experimental measuring points
氣體噴射口共2 個，位于距點火端7.655 m和8.780 m 處底部，分別在傳感器F3～F4 和F4～F5 之間。
實驗設(shè)計為2 種惰性氣體（N2與CO2）噴射進入爆炸激波管中抑制瓦斯爆燃的對比實驗，每種惰性氣體在不同噴射壓力、不同噴射位置下，分別進行8 組實驗；基礎(chǔ)實驗工況為9.5%甲烷預(yù)混氣體在無惰性氣體噴射的條件下爆燃；為了減少系統(tǒng)誤差引起的數(shù)據(jù)差異，每組實驗至少重復(fù)3 次以上，獲得較為準確的實驗數(shù)據(jù)。實驗工況設(shè)計見表2。
表2 實驗工況設(shè)計Table 2 Design of experimental conditions
2 實驗結(jié)果
2.1 基礎(chǔ)工況實驗
以9.5%瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃作為基礎(chǔ)實驗工況，以便后續(xù)與惰性氣體抑爆實驗作為對照，9.5% 甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰信號圖如圖4，火焰信號強度在F3、F6 處最強。
圖4 9.5%甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰信號圖Fig.4 Flame front propagation diagram of 9.5%methane/air premixed gas
2.2 不同位置噴射N2 抑爆燃實驗
2.2.1 不同位置噴射N2抑爆火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)
分別向管道內(nèi)噴射來自不同噴射口的不同壓力的N2，測量火焰陣面抵達傳感器的時間。近點火端噴射N2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖5，遠點火端噴射N2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖6。由于不同位置的火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏交鹧嫘盘枏姸炔煌?，因此圖像縱坐標取能夠完整顯示的最優(yōu)范圍。
圖5 近點火端噴射N2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.5 Propagation process of N2 flame front near ignition
圖6 遠點火端噴射N2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.6 Propagation process of N2 flame front far away from ignition
由圖5（a）、圖5（b）可知：當(dāng)N2噴射壓力較小時，無法擴散到傳感器F1、F2 附近，因此火焰陣面抵達傳感器的時間與基礎(chǔ)工況相比時間近似；當(dāng)噴射壓力增強到2.5 MPa 及以上時，火焰速度顯著提升，這是因為N2能夠擴散到傳感器附近并使管道中未反應(yīng)氣體的靜止?fàn)顟B(tài)收到影響，形成湍流效應(yīng)。由圖5（c）可知：當(dāng)噴射壓力達到3.5 MPa后，足夠多的N2開始對預(yù)混氣體爆燃產(chǎn)生抑制作用，火焰陣面抵達時間才發(fā)生延緩；雖抑爆作用不明顯，但與基礎(chǔ)工況相比，火焰信號強度明顯變?nèi)?，說明N2對預(yù)混氣體進行了一定的稀釋。由圖5（d）可知：當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰陣面抵達傳感器F4 的時間初步延緩，噴射壓力變大，延緩更明顯；當(dāng)瓦斯/空氣預(yù)混氣體發(fā)生爆燃后，其產(chǎn)物膨脹壓縮未燃氣體，形成前驅(qū)沖擊波向未燃區(qū)域傳播，其過程卷吸了更多從噴射口噴入的N2，因此火焰?zhèn)鞲衅鱂4 的延緩效果變得更明顯。由圖5（d）～圖5（e）可知：傳感器F4 與傳感器F5的時間波動趨勢相同，但其火焰信號更強，分析認為，前驅(qū)沖擊波卷吸著從噴射口噴入的N2向未燃區(qū)域傳播的同時，同樣卷吸更多的未燃氣體在傳感器F5 附近發(fā)生強烈的爆燃反應(yīng)，但當(dāng)噴射壓力大于2.5 MPa，N2足夠多，依舊能夠起到抑制爆燃的效果；火焰?zhèn)鞲衅鱂6、F7、F8 的火焰陣面到達時間波動趨勢與之前一致。
由圖6 可知：遠點火端噴射N2時，與近點火端噴射相比，從傳感器F3 開始，火焰陣面的抵達時間開始發(fā)生輕微波動，隨噴射壓力的增強，時間提前，至3.5 MPa 時，到達時間才輕微延緩。因為噴射壓力足夠大，即使遠離噴射口，依舊有少量N2擴散到附近，稀釋了未燃氣體；遠點火端噴射口位于傳感器F4 與F5 中間，未反應(yīng)氣體受到的擾動最明顯，火焰信號強度顯著增強；并且當(dāng)噴射N2壓力達到2.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間相比于壓力較小時更為延緩，但仍比基礎(chǔ)工況提前；噴射壓力增強到3.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間明顯延緩。
噴射壓力為3.5 MPa N2的火焰信號如圖7。
圖7 噴射壓力為3.5 MPa N2 的火焰信號Fig.7 Flame signal with nitrogen injection pressure of 3.5 MPa
由圖7 可知：當(dāng)火焰達到傳感器F6 時，火焰被N2分割成a、b 2 部分，前段小火團a 先于較大火團b 經(jīng)過傳感器F6，火團b 帶有鮮明的三維凹陷特質(zhì)，且經(jīng)N2分割的火焰陣面，速度明顯降低；火焰陣面抵達火焰?zhèn)鞲衅鱂7 與F8 的時間波動趨向，與近點火端噴射時一致，且因位于激波管道的末端，火焰信號相對較弱。
可以發(fā)現(xiàn)，與基礎(chǔ)工況相比，隨著噴射N2的壓力增大，火焰陣面抵達各個火焰?zhèn)鞲衅鞯臅r間先提前后延緩。且近點火端噴射時的火焰陣面抵達各傳感器的時間，比遠離點火端噴射產(chǎn)生的波動要早。通過抵達傳感器的時間計算得到不同噴射位置的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋煌恢脟娚銷2的火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D8。
圖8 不同位置噴射N2 的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.8 Flame propagation velocity of N2 injection at different positions
由圖8 分析可得：不同位置噴射時，火焰?zhèn)鞑ニ俣榷荚趪娚鋲毫?.5 MPa 時達到最大，2.5 MPa的時候傳播速度開始降低；但不同的是，最高火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诳拷c火端噴射時發(fā)生在3 號傳感器，為189.873 m/s，遠離點火端噴射時發(fā)生在F4，并隨著噴射口靠近點火端而提前；靠近點火端噴射時的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，相比于遠火端噴射時的238.095 m/s 大幅度降低且降低速度更快；近點火端噴射口的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畹蜑?.181 m/s，遠點火端噴射時為4.798 m/s，同樣是靠近點火端噴射口的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档酶停唤c火端噴射壓力為1.5 MPa 時，火焰?zhèn)鞲衅鱂8 的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫呀?jīng)比基礎(chǔ)工況略低；噴射壓力為2.5 MPa時，F(xiàn)3 到F4 傳感器之間的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉抵?.944 m/s，低于基礎(chǔ)工況。因此，靠近點火端噴射口與遠離點火端噴射口噴射同一壓力的N2時，靠近點火端噴射的效果更好，對瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的抑制效果更明顯。
2.2.2 不同位置噴射N2抑爆激光紋影圖像
噴射0 MPa N2的紋影圖像（無N2）如圖9。
圖9 噴射0 MPa N2 的紋影圖像（無N2）Fig.9 Schlieren images of nitrogen at injection pressure of 0 MPa (no nitrogen)
圖9 即瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃基礎(chǔ)工況的紋影圖像。根據(jù)圖像可以發(fā)現(xiàn)，由于火焰是三維立體結(jié)構(gòu)，因此各點的火焰信號強度各不相同，不斷變化?；鹧骊嚸嬉蜉S向力的拉伸發(fā)生變形，中間部分速度較快，使火焰發(fā)生變性，形成類指尖形，隨即擴散至整個管道。
靠近點火端噴射0.5、1.5、2.5、3.5 MPa N2的紋影圖像如圖10～圖13。由于N2噴射口位置在可視窗之前，所以近點火端紋影圖像的火焰已經(jīng)經(jīng)過N2的作用。
圖10 靠近點火端噴射0.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.10 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end
由圖10 可知：仍可以看出火焰陣面因受N2影響而發(fā)生拉伸變形，且火焰陣面中間部分突出程度比無N2時顯著減小。
由圖11 可知：N2對火焰陣面的影響逐步增強，火焰因拉伸變形而不再保持原先的指尖形，且中部不僅突出程度減小，甚至火焰表面發(fā)生凹陷，變得凹凸不平。
圖11 靠近點火端噴射1.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.11 Schlieren images of 1.5 MPa N2 injection near ignition end
由圖12 可知：隨著N2噴射壓力的增大，火焰陣面發(fā)生的拉伸變形更加嚴重，指尖形逐漸趨向變平?；鹧骊嚸嬷胁客怀鲋饾u消失，向圓弧形靠攏。
圖12 靠近點火端噴射2.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.12 Schlieren image of 2.5 MPa N2 injection near ignition end
由圖13 可知：當(dāng)N2噴射壓力達到3.5 MPa 時，火焰陣面因N2的影響而拉伸變形，不再呈現(xiàn)指尖形，而是呈圓弧形，同時火焰厚度變薄。但火焰變形不明顯，分析原因認為，火焰陣面經(jīng)過噴射口時變形最明顯，但可視窗離噴射口有一定距離，經(jīng)此距離，火焰陣面發(fā)生了逆向變形。
圖13 靠近點火端噴射3.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.13 Schlieren images of 0.5 MPa N2 injection near ignition end
遠離點火端噴射3.5 MPa N2的紋影圖像如圖14。
圖14 遠離點火端噴射3.5 MPa N2 的紋影圖像Fig.14 Schlieren images of nitrogen injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end
由圖14 可知：當(dāng)遠離點火端噴射壓力達到3.5 MPa 時，火焰陣面因N2的阻擋發(fā)生形變，呈凹凸不平的近平面形態(tài)，減少火焰表面積，爆燃強度降低。同時，N2噴射入管道，隨著火焰的傳播向管道下游分散，對未燃氣體發(fā)揮稀釋、窒息作用，而當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ焦艿老掠螘r，因氧氣供應(yīng)不足而抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
2.3 不同位置噴射CO2 抑爆燃實驗
2.3.1 不同位置噴射CO2抑爆火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)
選擇不同位置的2 個噴射口分別噴射壓力為0.5、1.5、2.5、3.5 MPa 的CO2，近 點 火 端 噴 射CO2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖15，遠點火端噴射CO2火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程如圖16。
圖15 近點火端噴射CO2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.15 Propagation process of CO2 flame front near ignition
圖16 遠點火端噴射CO2 火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.16 Propagation process of CO2 flame front far away from ignition
由圖15 可知：當(dāng)噴射壓力達3.5 MPa 后，火焰陣面抵達時間開始延緩；當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰陣面抵達傳感器F4 的時間初步延緩；當(dāng)噴射壓力為3.5 MPa 時，延緩更明顯；火焰?zhèn)鞲衅鱂5 與F4 相比波動趨勢相同，但火焰信號更強；火焰?zhèn)鞲衅鱂6～F8 的火焰陣面到達時間，發(fā)現(xiàn)其波動趨勢與之前一致。
由圖16 可知：火焰抵達傳感器F3 后，時間開始發(fā)生輕微波動，且隨著噴射壓力的增大而輕微提前，直到噴射壓力達到3.5 MPa 時，到達時間才輕微延緩。火焰?zhèn)鞲衅鱂4 與F5 位于端噴射口兩端，未燃氣體受到的擾動最大，火焰信號強度明顯增強，在噴射壓力為0.5、1.5 MPa 時，時間有明顯的提前；當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，相較于1.5 MPa 時的時間略有延緩，但與基礎(chǔ)工況相比時間仍然有所提前；直到噴射壓力達到3.5 MPa，火焰陣面抵達時間才有明顯延緩。由圖16（f）可知：當(dāng)噴射壓力為2.5 MPa 時，火焰到達傳感器F6 的時間與基礎(chǔ)工況相比已經(jīng)有延緩跡象；噴射壓力增加到3.5 MPa 時，火焰陣面抵達時間明顯延緩。
由圖4、圖15 和圖16 可知：噴射CO2與基礎(chǔ)工況相比，火焰陣面抵達各個位置的火焰?zhèn)鞲衅鞯臅r間，呈現(xiàn)先提前后延緩的趨向；且近點火端噴射時火焰陣面抵達各傳感器的時間，比遠離點火端噴射更早產(chǎn)生波動。
通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)計算得到不同單口位置下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，不同噴射壓力下火焰的傳播速度如圖17。
圖17 不同噴射壓力下火焰的傳播速度Fig.17 Flame propagation velocity under different injection pressures
由圖17，2 種噴射距離都是在噴射壓力為1.5 MPa 的時候火焰?zhèn)鞑ニ俣茸罡撸趪娚鋲毫?.5 MPa 的時候火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始降低；在噴射壓力為3.5 MPa 的時候火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最低。且靠近點火端噴射口的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，與遠點火端噴射時的速度相比更低；但是都發(fā)生在火焰?zhèn)鞲衅鱂3～F4 之間；雖然兩者的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣榷及l(fā)生在噴射壓力為1.5 MPa 的時候，但靠近點火端噴射口的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?48.515 m/s 遠低于遠離點火端噴射時的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣?87.5 m/s，且火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档偷酶?，噴?.5 MPa 時傳感器F8 附近火焰?zhèn)鞑ニ俣纫呀?jīng)比基礎(chǔ)工況更低；在噴射壓力為2.5 MPa 時，靠近點火端噴射時的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诨A(chǔ)工況的位置更近，位于傳感器F3～F4 之間?？拷c火端噴射時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畹蜑?.105 m/s，同樣低于遠離點火端噴射時的4.545 m/s。因此，靠近點火端噴射比遠離點火端效果更好，對瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的抑制效果更明顯。
2.3.2 不同位置噴射CO2抑爆激光紋影圖像
選取火焰形態(tài)發(fā)生形變最明顯的激光紋影圖像，靠近點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2如圖18，遠離點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2如圖19。
圖18 靠近點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2Fig.18 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa near ignition end
圖19 遠離點火端噴射壓力為3.5 MPa 的CO2Fig.19 Schlieren images of carbon dioxide injected at a pressure of 3.5 MPa away from ignition end
由圖18 可知：火焰陣面嚴重拉伸變形，不再能夠維持指尖形，而是呈凹凸不平的近平面狀，同時火焰明顯變薄。
由圖19 可知：火焰陣面因噴射的CO2呈凹凸不平的近平面狀，甚至使中間部分明顯凹陷，呈現(xiàn)三維凹陷的狀態(tài)。
2.4 N2 與CO2 對比
分析圖8、圖17 可知：在不同位置噴射不同壓力的N2與CO2，對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戁厔莼疽恢?，且CO2在近點火端噴射時，火焰最高速度148.515 m/s，最低速度4.105 m/s；遠點火端噴射時，最高速度187.5 m/s，最低速度4.454 m/s，均低于噴射N2的實驗工況。因此，CO2抑制火焰?zhèn)鞑サ男Ч麖娪贜2，分析原因為作為三體反應(yīng)的第3 體，N2的碰撞效率低于CO2，使活性支鏈反應(yīng)中心濃度的降低程度也低于CO2。因此，N2的抑制效果明顯弱于CO2。
3 結(jié) 語
1）隨著噴射壓力增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小；火焰陣面逐漸被拉伸變形，無法保持指尖狀，呈現(xiàn)近平面狀，火焰變薄甚至出現(xiàn)三維凹陷結(jié)構(gòu)，對未燃氣體產(chǎn)生明顯的吸卷效應(yīng)。
2）將火焰?zhèn)鞑サ淖罡?最低速度作為抑制爆燃能力的判定標準，對比2 種噴射位置，近點火端噴射CO2比遠離點火端噴射的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?0.79%，而噴射N2時最高火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?0.25%；近點火端噴射CO2比遠點火端噴射的最低火焰速度降低9.68%，噴射N2時降低12.86%，因此近點火端噴射惰性氣體抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的效果更好。
3）對比2 種阻燃抑爆氣體，近點火端噴射CO2比噴射N2的最高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?1.78%，最低速度比N2低1.82%；遠點火端噴射CO2時的最高火焰速度比N2低21.25%，最低火焰速度比N2低5.27%，因此，CO2的效果比N2更好。
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