摻氫比例對金屬絲網(wǎng)阻抑摻氫甲烷燃燒火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h1>
2024-10-31 00:00:00程方明茍籽妍羅振敏葛天姣葛漢漳
爆炸與沖擊 2024年4期
關(guān)鍵詞： 摻氫甲烷；阻火；金屬絲網(wǎng)；摻氫比例；火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
中圖分類號： O382; X932 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A
近年來，由于化石能源的枯竭和環(huán)境污染，全球?qū)π滦湍茉吹男枨蟠蠓黾?。氫氣作為理想的清潔能源，因來源廣、熱值高、無污染等優(yōu)點在能源領(lǐng)域備受關(guān)注[1]。然而，受儲運成本的限制，氫氣在現(xiàn)有能源供應(yīng)體系中尚未得到廣泛應(yīng)用。目前，氫能的普遍使用方法是將低濃度的氫氣摻入天然氣管網(wǎng)中，通過現(xiàn)有的天然氣管道實現(xiàn)氫燃料運輸；其中，氫氣添加比例按照相關(guān)標準需低于20%[2]。然而，氫氣因其點火能量低、燃燒速度快、爆炸極限范圍大等特性，與天然氣混合后使摻氫甲烷混合氣體的敏感性提升、爆炸強度增加，爆炸危險性大大提高[3-5]。
在運輸過程中，摻氫甲烷氣體一旦泄漏，失壓后空氣會流入管道并與摻氫甲烷氣體形成爆炸性預(yù)混氣，當接觸點火源時容易出現(xiàn)回火現(xiàn)象從而引起爆炸，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，需要探索有效抑制摻氫甲烷燃燒和爆炸的方法。金屬絲網(wǎng)因成本低、易操作、淬火性能優(yōu)良等[6-7] 特點在防火防爆領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。有研究指出增加金屬絲網(wǎng)層數(shù)和孔隙密度[8-9]、體積[10] 和絲徑[11-12]，或減小孔隙率[13] 均可有效提高金屬絲網(wǎng)的阻火性能。Zhang 等[14] 開展了金屬絲網(wǎng)抑制甲烷/空氣混合物爆炸的實驗研究，發(fā)現(xiàn)多層金屬絲網(wǎng)對大容器爆炸強度的影響大于小容器，并且不同層數(shù)和孔隙密度的組合對爆炸有不同的防爆效果。陳鵬等[15] 通過實驗研究了金屬絲網(wǎng)對甲烷/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中壓力的影響，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)對網(wǎng)前壓力波的影響表現(xiàn)為增大超壓峰值或吸波效應(yīng)，而對網(wǎng)后的壓力波則表現(xiàn)為增大峰值超壓或淬熄火焰。孫瑋康等[16] 開展了金屬絲網(wǎng)對甲烷/空氣爆燃火焰超壓和溫度的影響實驗，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)能有效抑制火焰超壓和溫度。Jin 等[17-18] 在封閉管道中進行了金屬絲網(wǎng)抑制預(yù)混氫火焰?zhèn)鞑恿W的實驗，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)可以有效抑制火焰前鋒速度和最大壓力，并且金屬絲網(wǎng)的淬火性能隨金屬絲網(wǎng)體積的增大而增加。Jin 等[19] 還研究了單層金屬絲網(wǎng)對封閉管道中預(yù)混甲烷/空氣火焰的影響，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)對最大壓力的衰減作用隨孔隙密度的增加而增強，并且抗破壞性對金屬絲網(wǎng)的阻火能力具有重要意義。Cheng 等[20] 通過實驗和模擬的方法研究了金屬絲網(wǎng)對半封閉管道中預(yù)混甲烷/空氣火焰?zhèn)鞑恿W的影響，發(fā)現(xiàn)當火焰通過金屬絲網(wǎng)傳播時，金屬絲網(wǎng)是引起火焰褶皺和加速的關(guān)鍵因素，可能增加甲烷燃燒的風險。
綜上所述，以往的研究主要集中在金屬絲網(wǎng)對甲烷、氫氣單一可燃組分預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀瑢綒浼淄轭A(yù)混氣體的阻火研究還有待深入，特別是摻氫比例對金屬絲網(wǎng)阻火過程的影響規(guī)律尚未揭示清楚?；诖?，本文中，選取四種不同摻氫比例的甲烷預(yù)混氣體，開展不同孔隙密度金屬絲網(wǎng)阻火實驗，通過分析阻火效果、火焰形態(tài)變化及火焰?zhèn)鞑ニ俣?，揭示摻氫比例對金屬絲網(wǎng)阻抑火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律，以期為提高摻氫甲烷阻火可靠性提供一定的指導(dǎo)和參考。
1 實驗裝置及方法
實驗裝置主要由爆炸管道、自動配氣單元、點火控制單元、阻火結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。爆炸管道全長1400 mm，內(nèi)徑60 mm，兩端為鋼結(jié)構(gòu)，中間為石英玻璃管道，可視部分全長1025 mm。管道右端為點火電極和泄壓口，點火采用電火花點火，電極間距為3 mm，點火電弧持續(xù)時間為120 ms。采用高速攝像機記錄爆炸火焰的發(fā)展過程，本實驗設(shè)置的分辨率為1280×800，拍攝幀率為4 000 s?1。實驗在常溫環(huán)境中進行，管內(nèi)初始壓力為101.3 kPa。實驗采用道爾頓分壓法進行配氣，氣體循環(huán)攪拌時間為300 s，壓力數(shù)據(jù)采樣時間間隔為0.2 ms。
實驗采用的阻火結(jié)構(gòu)為304 不銹鋼金屬絲網(wǎng)，如圖2 所示，其內(nèi)徑為45 mm。通過法蘭結(jié)構(gòu)將金屬絲網(wǎng)固定在管道內(nèi)距點火電極550 mm 處，法蘭盤與管道內(nèi)壁之間采用橡膠圈密封，以防止其在爆炸壓力波和火焰的作用下發(fā)生位置偏移。實驗使用的金屬絲網(wǎng)孔隙密度分別為10、20、40 和60 目/英寸（meshes per inch， mpi），幾何參數(shù)如表1 所示。
根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)，當可燃預(yù)混氣體的當量比為1 時，摻氫甲烷的爆炸危險性最高[21-22]。因此，本實驗測試了當量比為1 時摻氫甲烷預(yù)混氣體爆炸火焰動態(tài)發(fā)展變化過程，其中摻氫比例分別為0%、10%、20% 和30%。氫氣體積與摻氫甲烷混合氣體體積的比值為摻氫比例φ，即
不同摻氫比例的摻氫甲烷預(yù)混可燃氣體組成成分如表2所示。
2 實驗結(jié)果及分析
2.1 摻氫比例對金屬絲網(wǎng)阻火效果的影響
金屬絲網(wǎng)的阻火效果分為阻火成功和阻火失敗兩種情況。當火焰在金屬絲網(wǎng)處淬熄時，表示阻火成功；反之，則表示阻火失敗。不同摻氫比例下，金屬絲網(wǎng)對摻氫甲烷預(yù)混氣體的阻火情況如表3 所示，其中，“Y”表示阻火成功，“N”表示阻火失敗。由表3 可知，40 mpi 及以上金屬絲網(wǎng)能夠淬熄純甲烷燃燒火焰，但40 mpi 金屬絲網(wǎng)無法淬熄摻氫甲烷燃燒火焰，60 mpi 金屬絲網(wǎng)能夠淬熄摻氫比例為10%、20% 和30% 的摻氫甲烷燃燒火焰。由此可見，金屬絲網(wǎng)孔隙密度越大，孔徑越小，阻火能力越強。當金屬絲網(wǎng)孔隙密度一定時，隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)阻火效果減弱；對于摻氫比例較高的預(yù)混氣體燃燒火焰，需要孔隙密度更大的金屬絲網(wǎng)才能實現(xiàn)阻火。
最大試驗安全間隙（maximum examination saftey gap， MESG）是反映爆炸性氣體混合物傳爆能力的重要參數(shù)。根據(jù)文獻[23] 提出的燃料比法計算多元混合氣體的MESG，得出了摻氫比例為0%、10%、20% 和30% 的摻氫甲烷可燃氣體的MESG，如表4 所示。當摻氫比例為0% 時，MESG 為1.14 mm，與文獻[24] 附錄B 中實測結(jié)果（1.16±0.02） mm 相吻合，表明計算結(jié)果準確可靠。隨著摻氫比例的增大，摻氫甲烷預(yù)混氣體的MESG 減小。MESG 越小，燃爆火焰越難被熄滅。因此，摻氫比例的增加降低了摻氫甲烷可燃氣體的MESG，增強了預(yù)混火焰的傳爆能力，進而增加了金屬絲網(wǎng)的阻火難度。
2.2 摻氫比例對火焰形態(tài)變化的影響
不同比例摻氫甲烷在空管中的火焰?zhèn)鞑ト鐖D3 所示。點火初期，火焰以球形鋒面自由傳播。然而，由于實驗管道兩端存在不可視的鋼結(jié)構(gòu)，所以未能完整地展示球形火焰形態(tài)。隨著火焰的傳播，火焰鋒面被拉伸為橢球形，隨即出現(xiàn)指形火焰。隨著火焰發(fā)展至中后期，經(jīng)典郁金香形火焰形成，并且呈現(xiàn)出“出現(xiàn)-消失-再現(xiàn)”的規(guī)律。郁金香形火焰的形成標志著火焰從層流向湍流的轉(zhuǎn)變[25]。由圖3 可知，當摻氫比例分別為0%、10%、20% 和30% 時，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間分別為675、669、618 和579 ms。隨著摻氫比例的增加，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間提前。這是因為郁金香形火焰的形成受流場與火焰共同作用的影響。隨著摻氫比例的增加，火焰振蕩時間提前，火焰抵抗外界擾動能力變差，火焰燃燒不穩(wěn)定性增加，更容易導(dǎo)致火焰從層流向湍流燃燒的轉(zhuǎn)變。由此可見，當火焰在空管中自由傳播時，摻氫甲烷預(yù)混火焰均經(jīng)歷了球形、指形和郁金香形三種形態(tài)變化。
對于添加金屬絲網(wǎng)的火焰?zhèn)鞑デ闆r，如圖4 所示，以摻氫比例為20% 的預(yù)混火焰為例進行分析。如圖4（a）～4（c） 所示，當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，呈現(xiàn)出與空管火焰相似的形態(tài)演變過程。金屬絲網(wǎng)的存在對前期火焰形態(tài)變化幾乎沒有影響，但是火焰穿過金屬絲網(wǎng)后，出現(xiàn)了更多的褶皺并對郁金香形火焰的形成產(chǎn)生了影響。當金屬絲網(wǎng)孔隙密度為10、20 和40 mpi 時，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間分別為597、633 和678 ms。由此可見，金屬絲網(wǎng)的存在延遲了郁金香形火焰的首現(xiàn)時間，并且隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間進一步延遲。這是因為金屬絲網(wǎng)的存在一定程度上增加了管道內(nèi)氣體流動阻力，降低了壓力波的傳播速度，火焰鋒面受壓力波擾動的現(xiàn)象出現(xiàn)較遲，進而延遲了郁金香形火焰的首現(xiàn)時間，且孔隙密度越大，產(chǎn)生的阻力越大，因而延遲越顯著。如圖4（d） 所示，當金屬絲網(wǎng)阻火成功時，火焰演變過程表現(xiàn)出與空管火焰發(fā)展前期類似的形態(tài)，即球形火焰和指形火焰。但是，由于火焰在金屬絲網(wǎng)處淬熄，所以整個過程未能形成郁金香形火焰。
摻氫比例對內(nèi)置金屬絲網(wǎng)管道內(nèi)火焰形態(tài)變化的影響如圖5 所示，由于摻氫比例對不同孔隙密度的金屬絲網(wǎng)阻火成功或失敗情況下火焰形態(tài)變化的影響基本一致，文中以40 mpi 金屬絲網(wǎng)為例進行分析。如圖5（a） 所示，當摻氫比例為0% 時，金屬絲網(wǎng)的抑制作用對火焰的發(fā)展起主導(dǎo)作用，火焰在金屬絲網(wǎng)處淬熄。如圖5（b）～5（d） 所示，當摻氫比例分別為10%、20% 和30% 時，火焰可以穿過金屬絲網(wǎng)并在后期形成郁金香形火焰，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間分別為683、678 和662 ms。由此可見，當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，隨著摻氫比例的增大，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間提前。分析認為，隨著摻氫比例的增加，火焰不穩(wěn)定性提高，導(dǎo)致金屬絲網(wǎng)更容易誘導(dǎo)火焰從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?。然而，與無金屬絲網(wǎng)工況相比，摻氫比例為10%、20% 和30% 時，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間均有所延遲，延遲的時間差分別為14、60 和83 ms?？梢?，隨著摻氫比例的增加，郁金香形火焰延遲的時間差變大，即延遲的效果越明顯。
2.3 摻氫比例對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>
按照每間隔50 mm 計算一次火焰鋒面移動的平均速度，分析管道可視區(qū)域范圍內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋玫娇展芑鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣惹€，如圖6 所示。從圖中可以看出，火焰?zhèn)鞑コ跗谝暂^小的速度（0.8～1.2 m/s）穩(wěn)定傳播，200 mm 后出現(xiàn)輕微波動，到達600 mm 時火焰?zhèn)鞑ニ俣韧蝗惑E升，而后出現(xiàn)大幅震蕩，900 mm 左右時達到速度峰值后逐漸下降。整個火焰?zhèn)鞑ミ^程經(jīng)歷了層流燃燒向湍流燃燒的轉(zhuǎn)變，火焰鋒面褶皺增加導(dǎo)致表面積的迅速增大是火焰?zhèn)鞑ニ俣韧蝗惑E升的主要原因，反射壓力波引起的氣流震蕩使得火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)大幅震蕩。后期，混合氣體逐漸燃盡、熱量損失，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之降低。此外，當摻氫比例為0%、10%、20% 和30% 時，預(yù)混火焰最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e可達7.260、7.370、7.429 和7.807 m/s。由此可見，隨著摻氫比例的增加，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嗌仙?/p>
對于添加金屬絲網(wǎng)的情況，不同摻氫比例混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣入S距離的變化曲線如圖7 所示，其中“0”表示無金屬絲網(wǎng)工況，紅色虛線表示金屬絲網(wǎng)安設(shè)位置。當火焰在到達金屬絲網(wǎng)前傳播時，如圖7（a）～7（c） 所示，摻氫比例分別為0%、10% 和20% 的預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c空管火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律基本一致，即金屬絲網(wǎng)對火焰?zhèn)鞑ニ俣葲]有明顯的抑制作用。然而，當摻氫比例增加到30% 時，如圖7（d） 所示，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c空管工況相比有所降低。當火焰?zhèn)鞑ブ两饘俳z網(wǎng)附近時，金屬絲網(wǎng)兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢杂行П碚鹘饘俳z網(wǎng)與火焰的相互作用規(guī)律，選取火焰鋒面位置450 和550 mm 為觀測點，對比分析火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓鐖D7 中的區(qū)域放大圖片所示，不同摻氫比例時金屬絲網(wǎng)孔隙密度對金屬絲網(wǎng)兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懟疽恢隆Ｒ該綒浔壤秊?0% 的預(yù)混火焰為例（圖7（c）），當火焰?zhèn)鞑ブ?50 mm 時，空管、10、20、40 和60 mpi 金屬絲網(wǎng)管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.212、1.012、0.910、0.893 和0.870 m/s。隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎鸩浇档?。這是因為靠近金屬絲網(wǎng)，氣流阻力增大，火焰鋒面的傳熱傳質(zhì)受到影響，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?。同時，隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，金屬絲網(wǎng)在管道中占據(jù)的空間增大，火焰受到的阻力作用增加，金屬絲網(wǎng)熱量消耗增大，導(dǎo)致金屬絲網(wǎng)對火焰的抑制效果增強。與金屬絲網(wǎng)阻火成功的情況不同，當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，與空管火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?.111 m/s）相比，摻氫比例為20% 的預(yù)混氣體在10、20 和40目金屬絲網(wǎng)作用下，550 mm 處的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e增加為1.817、1.721 和1.665 m/s。由此可知，隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，穿過金屬絲網(wǎng)后的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇鶞p小。分析認為，因金屬絲網(wǎng)的誘導(dǎo)，火焰直接從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?，火焰燃燒強度增大，從而增加了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。然而，隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，金屬絲網(wǎng)導(dǎo)致火焰的熱損失效應(yīng)相應(yīng)增強，減弱了火焰的加速效應(yīng)。
值得注意的是，隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣染龃蟆＠?，當管道?nèi)設(shè)置40mpi 金屬絲網(wǎng)時，摻氫比例為0%、10%、20% 和30% 的預(yù)混氣體在450 mm 處的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為0.869、0.879、0.893 和1.019 m/s。說明隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)對火焰?zhèn)鞑サ囊种齐y度加大。同時，在該工況下，當摻氫比例為0% 時，金屬絲網(wǎng)抑制了火焰的發(fā)展，成功阻止了火焰的傳播。當摻氫比例增加為10%、20% 和30% 時，火焰在550 mm 處的傳播速度分別增加為1.605、1.665 和1.737 m/s。由此可知，隨著摻氫比例的增加，火焰穿過金屬絲網(wǎng)后的傳播速度也隨之增加。綜上所述，金屬絲網(wǎng)在阻火成功的臨界條件下，隨著摻氫比例從0% 增加至30%，金屬絲網(wǎng)對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懽饔脧囊种妻D(zhuǎn)變?yōu)榇龠M。但是，在火焰穿過金屬絲網(wǎng)后的傳播過程中，與無金屬絲網(wǎng)工況相比，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲笾到档停⑶覔綒浔壤酱?，降低幅度越大?/p>
3 結(jié)論
開展了金屬絲網(wǎng)影響摻氫甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ膶嶒炑芯?，主要分析了摻氫比例對不同孔隙密度金屬絲網(wǎng)阻火過程的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：
（1） 摻氫比例是影響金屬絲網(wǎng)阻火效果的重要因素；隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)的阻火難度加大，容易出現(xiàn)導(dǎo)致阻火失敗的情況；增加金屬絲網(wǎng)孔隙密度可提高金屬絲網(wǎng)對摻氫甲烷預(yù)混火焰的阻火能力，孔隙密度越大，阻火能力越強；60 mpi 以上金屬絲網(wǎng)能夠有效淬熄摻氫甲烷預(yù)混火焰；
（2） 摻氫比例對火焰形態(tài)的影響與金屬絲網(wǎng)阻火情況有關(guān)；當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，金屬絲網(wǎng)會引起火焰褶皺，并延遲郁金香形火焰的首現(xiàn)時間；摻氫比例越大，火焰褶皺現(xiàn)象越明顯，郁金香形火焰延遲的時間差越大；當金屬絲網(wǎng)阻火成功時，郁金香形火焰無法形成；
（3） 金屬絲網(wǎng)在阻火成功的條件下，隨著摻氫比例的增加，對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懽饔每赡軓囊种妻D(zhuǎn)變?yōu)榇龠M；當火焰穿過金屬絲網(wǎng)時，金屬絲網(wǎng)會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゼ铀?，并且摻氫比例越大，火焰穿過金屬絲網(wǎng)后加速現(xiàn)象越明顯，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇臁?/p>
（責任編輯 王小飛）
關(guān)鍵詞： 摻氫甲烷；阻火；金屬絲網(wǎng)；摻氫比例；火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
中圖分類號： O382; X932 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A
近年來，由于化石能源的枯竭和環(huán)境污染，全球?qū)π滦湍茉吹男枨蟠蠓黾?。氫氣作為理想的清潔能源，因來源廣、熱值高、無污染等優(yōu)點在能源領(lǐng)域備受關(guān)注[1]。然而，受儲運成本的限制，氫氣在現(xiàn)有能源供應(yīng)體系中尚未得到廣泛應(yīng)用。目前，氫能的普遍使用方法是將低濃度的氫氣摻入天然氣管網(wǎng)中，通過現(xiàn)有的天然氣管道實現(xiàn)氫燃料運輸；其中，氫氣添加比例按照相關(guān)標準需低于20%[2]。然而，氫氣因其點火能量低、燃燒速度快、爆炸極限范圍大等特性，與天然氣混合后使摻氫甲烷混合氣體的敏感性提升、爆炸強度增加，爆炸危險性大大提高[3-5]。
在運輸過程中，摻氫甲烷氣體一旦泄漏，失壓后空氣會流入管道并與摻氫甲烷氣體形成爆炸性預(yù)混氣，當接觸點火源時容易出現(xiàn)回火現(xiàn)象從而引起爆炸，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，需要探索有效抑制摻氫甲烷燃燒和爆炸的方法。金屬絲網(wǎng)因成本低、易操作、淬火性能優(yōu)良等[6-7] 特點在防火防爆領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。有研究指出增加金屬絲網(wǎng)層數(shù)和孔隙密度[8-9]、體積[10] 和絲徑[11-12]，或減小孔隙率[13] 均可有效提高金屬絲網(wǎng)的阻火性能。Zhang 等[14] 開展了金屬絲網(wǎng)抑制甲烷/空氣混合物爆炸的實驗研究，發(fā)現(xiàn)多層金屬絲網(wǎng)對大容器爆炸強度的影響大于小容器，并且不同層數(shù)和孔隙密度的組合對爆炸有不同的防爆效果。陳鵬等[15] 通過實驗研究了金屬絲網(wǎng)對甲烷/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中壓力的影響，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)對網(wǎng)前壓力波的影響表現(xiàn)為增大超壓峰值或吸波效應(yīng)，而對網(wǎng)后的壓力波則表現(xiàn)為增大峰值超壓或淬熄火焰。孫瑋康等[16] 開展了金屬絲網(wǎng)對甲烷/空氣爆燃火焰超壓和溫度的影響實驗，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)能有效抑制火焰超壓和溫度。Jin 等[17-18] 在封閉管道中進行了金屬絲網(wǎng)抑制預(yù)混氫火焰?zhèn)鞑恿W的實驗，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)可以有效抑制火焰前鋒速度和最大壓力，并且金屬絲網(wǎng)的淬火性能隨金屬絲網(wǎng)體積的增大而增加。Jin 等[19] 還研究了單層金屬絲網(wǎng)對封閉管道中預(yù)混甲烷/空氣火焰的影響，發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)對最大壓力的衰減作用隨孔隙密度的增加而增強，并且抗破壞性對金屬絲網(wǎng)的阻火能力具有重要意義。Cheng 等[20] 通過實驗和模擬的方法研究了金屬絲網(wǎng)對半封閉管道中預(yù)混甲烷/空氣火焰?zhèn)鞑恿W的影響，發(fā)現(xiàn)當火焰通過金屬絲網(wǎng)傳播時，金屬絲網(wǎng)是引起火焰褶皺和加速的關(guān)鍵因素，可能增加甲烷燃燒的風險。
綜上所述，以往的研究主要集中在金屬絲網(wǎng)對甲烷、氫氣單一可燃組分預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀瑢綒浼淄轭A(yù)混氣體的阻火研究還有待深入，特別是摻氫比例對金屬絲網(wǎng)阻火過程的影響規(guī)律尚未揭示清楚?；诖?，本文中，選取四種不同摻氫比例的甲烷預(yù)混氣體，開展不同孔隙密度金屬絲網(wǎng)阻火實驗，通過分析阻火效果、火焰形態(tài)變化及火焰?zhèn)鞑ニ俣?，揭示摻氫比例對金屬絲網(wǎng)阻抑火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律，以期為提高摻氫甲烷阻火可靠性提供一定的指導(dǎo)和參考。
1 實驗裝置及方法
實驗裝置主要由爆炸管道、自動配氣單元、點火控制單元、阻火結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。爆炸管道全長1400 mm，內(nèi)徑60 mm，兩端為鋼結(jié)構(gòu)，中間為石英玻璃管道，可視部分全長1025 mm。管道右端為點火電極和泄壓口，點火采用電火花點火，電極間距為3 mm，點火電弧持續(xù)時間為120 ms。采用高速攝像機記錄爆炸火焰的發(fā)展過程，本實驗設(shè)置的分辨率為1280×800，拍攝幀率為4 000 s?1。實驗在常溫環(huán)境中進行，管內(nèi)初始壓力為101.3 kPa。實驗采用道爾頓分壓法進行配氣，氣體循環(huán)攪拌時間為300 s，壓力數(shù)據(jù)采樣時間間隔為0.2 ms。
實驗采用的阻火結(jié)構(gòu)為304 不銹鋼金屬絲網(wǎng)，如圖2 所示，其內(nèi)徑為45 mm。通過法蘭結(jié)構(gòu)將金屬絲網(wǎng)固定在管道內(nèi)距點火電極550 mm 處，法蘭盤與管道內(nèi)壁之間采用橡膠圈密封，以防止其在爆炸壓力波和火焰的作用下發(fā)生位置偏移。實驗使用的金屬絲網(wǎng)孔隙密度分別為10、20、40 和60 目/英寸（meshes per inch， mpi），幾何參數(shù)如表1 所示。
根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)，當可燃預(yù)混氣體的當量比為1 時，摻氫甲烷的爆炸危險性最高[21-22]。因此，本實驗測試了當量比為1 時摻氫甲烷預(yù)混氣體爆炸火焰動態(tài)發(fā)展變化過程，其中摻氫比例分別為0%、10%、20% 和30%。氫氣體積與摻氫甲烷混合氣體體積的比值為摻氫比例φ，即
不同摻氫比例的摻氫甲烷預(yù)混可燃氣體組成成分如表2所示。
2 實驗結(jié)果及分析
2.1 摻氫比例對金屬絲網(wǎng)阻火效果的影響
金屬絲網(wǎng)的阻火效果分為阻火成功和阻火失敗兩種情況。當火焰在金屬絲網(wǎng)處淬熄時，表示阻火成功；反之，則表示阻火失敗。不同摻氫比例下，金屬絲網(wǎng)對摻氫甲烷預(yù)混氣體的阻火情況如表3 所示，其中，“Y”表示阻火成功，“N”表示阻火失敗。由表3 可知，40 mpi 及以上金屬絲網(wǎng)能夠淬熄純甲烷燃燒火焰，但40 mpi 金屬絲網(wǎng)無法淬熄摻氫甲烷燃燒火焰，60 mpi 金屬絲網(wǎng)能夠淬熄摻氫比例為10%、20% 和30% 的摻氫甲烷燃燒火焰。由此可見，金屬絲網(wǎng)孔隙密度越大，孔徑越小，阻火能力越強。當金屬絲網(wǎng)孔隙密度一定時，隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)阻火效果減弱；對于摻氫比例較高的預(yù)混氣體燃燒火焰，需要孔隙密度更大的金屬絲網(wǎng)才能實現(xiàn)阻火。
最大試驗安全間隙（maximum examination saftey gap， MESG）是反映爆炸性氣體混合物傳爆能力的重要參數(shù)。根據(jù)文獻[23] 提出的燃料比法計算多元混合氣體的MESG，得出了摻氫比例為0%、10%、20% 和30% 的摻氫甲烷可燃氣體的MESG，如表4 所示。當摻氫比例為0% 時，MESG 為1.14 mm，與文獻[24] 附錄B 中實測結(jié)果（1.16±0.02） mm 相吻合，表明計算結(jié)果準確可靠。隨著摻氫比例的增大，摻氫甲烷預(yù)混氣體的MESG 減小。MESG 越小，燃爆火焰越難被熄滅。因此，摻氫比例的增加降低了摻氫甲烷可燃氣體的MESG，增強了預(yù)混火焰的傳爆能力，進而增加了金屬絲網(wǎng)的阻火難度。
2.2 摻氫比例對火焰形態(tài)變化的影響
不同比例摻氫甲烷在空管中的火焰?zhèn)鞑ト鐖D3 所示。點火初期，火焰以球形鋒面自由傳播。然而，由于實驗管道兩端存在不可視的鋼結(jié)構(gòu)，所以未能完整地展示球形火焰形態(tài)。隨著火焰的傳播，火焰鋒面被拉伸為橢球形，隨即出現(xiàn)指形火焰。隨著火焰發(fā)展至中后期，經(jīng)典郁金香形火焰形成，并且呈現(xiàn)出“出現(xiàn)-消失-再現(xiàn)”的規(guī)律。郁金香形火焰的形成標志著火焰從層流向湍流的轉(zhuǎn)變[25]。由圖3 可知，當摻氫比例分別為0%、10%、20% 和30% 時，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間分別為675、669、618 和579 ms。隨著摻氫比例的增加，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間提前。這是因為郁金香形火焰的形成受流場與火焰共同作用的影響。隨著摻氫比例的增加，火焰振蕩時間提前，火焰抵抗外界擾動能力變差，火焰燃燒不穩(wěn)定性增加，更容易導(dǎo)致火焰從層流向湍流燃燒的轉(zhuǎn)變。由此可見，當火焰在空管中自由傳播時，摻氫甲烷預(yù)混火焰均經(jīng)歷了球形、指形和郁金香形三種形態(tài)變化。
對于添加金屬絲網(wǎng)的火焰?zhèn)鞑デ闆r，如圖4 所示，以摻氫比例為20% 的預(yù)混火焰為例進行分析。如圖4（a）～4（c） 所示，當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，呈現(xiàn)出與空管火焰相似的形態(tài)演變過程。金屬絲網(wǎng)的存在對前期火焰形態(tài)變化幾乎沒有影響，但是火焰穿過金屬絲網(wǎng)后，出現(xiàn)了更多的褶皺并對郁金香形火焰的形成產(chǎn)生了影響。當金屬絲網(wǎng)孔隙密度為10、20 和40 mpi 時，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間分別為597、633 和678 ms。由此可見，金屬絲網(wǎng)的存在延遲了郁金香形火焰的首現(xiàn)時間，并且隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間進一步延遲。這是因為金屬絲網(wǎng)的存在一定程度上增加了管道內(nèi)氣體流動阻力，降低了壓力波的傳播速度，火焰鋒面受壓力波擾動的現(xiàn)象出現(xiàn)較遲，進而延遲了郁金香形火焰的首現(xiàn)時間，且孔隙密度越大，產(chǎn)生的阻力越大，因而延遲越顯著。如圖4（d） 所示，當金屬絲網(wǎng)阻火成功時，火焰演變過程表現(xiàn)出與空管火焰發(fā)展前期類似的形態(tài)，即球形火焰和指形火焰。但是，由于火焰在金屬絲網(wǎng)處淬熄，所以整個過程未能形成郁金香形火焰。
摻氫比例對內(nèi)置金屬絲網(wǎng)管道內(nèi)火焰形態(tài)變化的影響如圖5 所示，由于摻氫比例對不同孔隙密度的金屬絲網(wǎng)阻火成功或失敗情況下火焰形態(tài)變化的影響基本一致，文中以40 mpi 金屬絲網(wǎng)為例進行分析。如圖5（a） 所示，當摻氫比例為0% 時，金屬絲網(wǎng)的抑制作用對火焰的發(fā)展起主導(dǎo)作用，火焰在金屬絲網(wǎng)處淬熄。如圖5（b）～5（d） 所示，當摻氫比例分別為10%、20% 和30% 時，火焰可以穿過金屬絲網(wǎng)并在后期形成郁金香形火焰，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間分別為683、678 和662 ms。由此可見，當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，隨著摻氫比例的增大，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間提前。分析認為，隨著摻氫比例的增加，火焰不穩(wěn)定性提高，導(dǎo)致金屬絲網(wǎng)更容易誘導(dǎo)火焰從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?。然而，與無金屬絲網(wǎng)工況相比，摻氫比例為10%、20% 和30% 時，郁金香形火焰的首現(xiàn)時間均有所延遲，延遲的時間差分別為14、60 和83 ms?？梢?，隨著摻氫比例的增加，郁金香形火焰延遲的時間差變大，即延遲的效果越明顯。
2.3 摻氫比例對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>
按照每間隔50 mm 計算一次火焰鋒面移動的平均速度，分析管道可視區(qū)域范圍內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋玫娇展芑鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣惹€，如圖6 所示。從圖中可以看出，火焰?zhèn)鞑コ跗谝暂^小的速度（0.8～1.2 m/s）穩(wěn)定傳播，200 mm 后出現(xiàn)輕微波動，到達600 mm 時火焰?zhèn)鞑ニ俣韧蝗惑E升，而后出現(xiàn)大幅震蕩，900 mm 左右時達到速度峰值后逐漸下降。整個火焰?zhèn)鞑ミ^程經(jīng)歷了層流燃燒向湍流燃燒的轉(zhuǎn)變，火焰鋒面褶皺增加導(dǎo)致表面積的迅速增大是火焰?zhèn)鞑ニ俣韧蝗惑E升的主要原因，反射壓力波引起的氣流震蕩使得火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)大幅震蕩。后期，混合氣體逐漸燃盡、熱量損失，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之降低。此外，當摻氫比例為0%、10%、20% 和30% 時，預(yù)混火焰最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e可達7.260、7.370、7.429 和7.807 m/s。由此可見，隨著摻氫比例的增加，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嗌仙?/p>
對于添加金屬絲網(wǎng)的情況，不同摻氫比例混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣入S距離的變化曲線如圖7 所示，其中“0”表示無金屬絲網(wǎng)工況，紅色虛線表示金屬絲網(wǎng)安設(shè)位置。當火焰在到達金屬絲網(wǎng)前傳播時，如圖7（a）～7（c） 所示，摻氫比例分別為0%、10% 和20% 的預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c空管火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律基本一致，即金屬絲網(wǎng)對火焰?zhèn)鞑ニ俣葲]有明顯的抑制作用。然而，當摻氫比例增加到30% 時，如圖7（d） 所示，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c空管工況相比有所降低。當火焰?zhèn)鞑ブ两饘俳z網(wǎng)附近時，金屬絲網(wǎng)兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢杂行П碚鹘饘俳z網(wǎng)與火焰的相互作用規(guī)律，選取火焰鋒面位置450 和550 mm 為觀測點，對比分析火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓鐖D7 中的區(qū)域放大圖片所示，不同摻氫比例時金屬絲網(wǎng)孔隙密度對金屬絲網(wǎng)兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懟疽恢隆Ｒ該綒浔壤秊?0% 的預(yù)混火焰為例（圖7（c）），當火焰?zhèn)鞑ブ?50 mm 時，空管、10、20、40 和60 mpi 金屬絲網(wǎng)管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為1.212、1.012、0.910、0.893 和0.870 m/s。隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎鸩浇档?。這是因為靠近金屬絲網(wǎng)，氣流阻力增大，火焰鋒面的傳熱傳質(zhì)受到影響，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?。同時，隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，金屬絲網(wǎng)在管道中占據(jù)的空間增大，火焰受到的阻力作用增加，金屬絲網(wǎng)熱量消耗增大，導(dǎo)致金屬絲網(wǎng)對火焰的抑制效果增強。與金屬絲網(wǎng)阻火成功的情況不同，當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，與空管火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?.111 m/s）相比，摻氫比例為20% 的預(yù)混氣體在10、20 和40目金屬絲網(wǎng)作用下，550 mm 處的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e增加為1.817、1.721 和1.665 m/s。由此可知，隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，穿過金屬絲網(wǎng)后的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇鶞p小。分析認為，因金屬絲網(wǎng)的誘導(dǎo)，火焰直接從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?，火焰燃燒強度增大，從而增加了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。然而，隨著金屬絲網(wǎng)孔隙密度的增加，金屬絲網(wǎng)導(dǎo)致火焰的熱損失效應(yīng)相應(yīng)增強，減弱了火焰的加速效應(yīng)。
值得注意的是，隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣染龃蟆＠?，當管道?nèi)設(shè)置40mpi 金屬絲網(wǎng)時，摻氫比例為0%、10%、20% 和30% 的預(yù)混氣體在450 mm 處的火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為0.869、0.879、0.893 和1.019 m/s。說明隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)對火焰?zhèn)鞑サ囊种齐y度加大。同時，在該工況下，當摻氫比例為0% 時，金屬絲網(wǎng)抑制了火焰的發(fā)展，成功阻止了火焰的傳播。當摻氫比例增加為10%、20% 和30% 時，火焰在550 mm 處的傳播速度分別增加為1.605、1.665 和1.737 m/s。由此可知，隨著摻氫比例的增加，火焰穿過金屬絲網(wǎng)后的傳播速度也隨之增加。綜上所述，金屬絲網(wǎng)在阻火成功的臨界條件下，隨著摻氫比例從0% 增加至30%，金屬絲網(wǎng)對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懽饔脧囊种妻D(zhuǎn)變?yōu)榇龠M。但是，在火焰穿過金屬絲網(wǎng)后的傳播過程中，與無金屬絲網(wǎng)工況相比，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲笾到档停⑶覔綒浔壤酱?，降低幅度越大?/p>
3 結(jié)論
開展了金屬絲網(wǎng)影響摻氫甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ膶嶒炑芯?，主要分析了摻氫比例對不同孔隙密度金屬絲網(wǎng)阻火過程的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：
（1） 摻氫比例是影響金屬絲網(wǎng)阻火效果的重要因素；隨著摻氫比例的增加，金屬絲網(wǎng)的阻火難度加大，容易出現(xiàn)導(dǎo)致阻火失敗的情況；增加金屬絲網(wǎng)孔隙密度可提高金屬絲網(wǎng)對摻氫甲烷預(yù)混火焰的阻火能力，孔隙密度越大，阻火能力越強；60 mpi 以上金屬絲網(wǎng)能夠有效淬熄摻氫甲烷預(yù)混火焰；
（2） 摻氫比例對火焰形態(tài)的影響與金屬絲網(wǎng)阻火情況有關(guān)；當金屬絲網(wǎng)阻火失敗時，金屬絲網(wǎng)會引起火焰褶皺，并延遲郁金香形火焰的首現(xiàn)時間；摻氫比例越大，火焰褶皺現(xiàn)象越明顯，郁金香形火焰延遲的時間差越大；當金屬絲網(wǎng)阻火成功時，郁金香形火焰無法形成；
（3） 金屬絲網(wǎng)在阻火成功的條件下，隨著摻氫比例的增加，對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懽饔每赡軓囊种妻D(zhuǎn)變?yōu)榇龠M；當火焰穿過金屬絲網(wǎng)時，金屬絲網(wǎng)會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゼ铀?，并且摻氫比例越大，火焰穿過金屬絲網(wǎng)后加速現(xiàn)象越明顯，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇臁?/p>
（責任編輯 王小飛）
