摘要： 為研究泡沫銅孔隙密度和H2 體積分?jǐn)?shù)對合成氣爆炸特性的影響，在封閉的管道中安裝了孔隙密度為15、25 和40 ppi 的泡沫銅，實驗分析了當(dāng)量比為1 的合成氣-空氣在不同H2 體積分?jǐn)?shù)時的火焰結(jié)構(gòu)、尖端速度和超壓等參數(shù)變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明：火焰在泡沫銅上游的行為是受“郁金香”火焰形成過程的影響，泡沫銅對其沒有影響。但是孔隙密度和H2 體積分?jǐn)?shù)的改變不僅會影響“郁金香”火焰的形成時間，還會影響變形“郁金香”火焰的形成。泡沫銅將火焰分割促使其從層流向湍流轉(zhuǎn)化，對爆炸火焰?zhèn)鞑テ鸬郊铀僮饔?。泡沫銅會引起管道內(nèi)超壓和火焰尖端速度的極大提升，且孔隙密度越小， H2 體積分?jǐn)?shù)越大，火焰穿過泡沫銅后的最大火焰尖端速度越大，壓力上升幅度越大，超壓峰值越高。

關(guān)鍵詞： 合成氣；泡沫銅；爆炸火焰；尖端速度；超壓

中圖分類號： O382; X932 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

隨著天然氣、石油等傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭以及愈發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題，開發(fā)利用可再生、綠色能源是未來能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主流。合成氣被視為一種有效的清潔燃料[1]，與傳統(tǒng)能源相比，合成氣不僅可以提高能量利用效率，還能顯著減少污染物的排放。但合成氣可燃成分主要是H2 和CO，其中H2 具有較低的點火能（約0.02 mJ）和較寬的爆炸極限（4%～75%）[2]，所以合成氣混合物中的H2 會極大影響火焰結(jié)構(gòu)和爆炸壓力，增加爆炸風(fēng)險和爆炸強度[3-5]。因此如果合成氣燃料在生產(chǎn)、儲存、運輸和利用過程中泄漏，容易導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)和爆炸事故。

迄今為止，學(xué)者對合成氣爆炸特性的影響因素進(jìn)行了大量的研究。如Olm 等[6] 和Zhang 等[7] 對合成氣火焰的傳播特性進(jìn)行了大量的實驗和模擬，分析了合成氣火焰的燃燒和熄滅機理。Bouvet 等[8] 和Zhang 等[9] 對稀薄H2 預(yù)混火焰和球形膨脹火焰在不同H2-CO 氣體當(dāng)量比和H2 體積分?jǐn)?shù)下所產(chǎn)生的層流火焰速度進(jìn)行了相關(guān)研究。Cao 等[10] 對爆炸火焰在不同高度（H）和長度（L）的管道中傳播時的爆炸特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)L/H 對爆炸火焰行為有顯著影響。余明高等[11-12] 和Yang 等[13] 研究了在不同的點火位置和H2 體積分?jǐn)?shù)下燃燒產(chǎn)生的“郁金香”火焰或者扭曲“郁金香”火焰，發(fā)現(xiàn)點火位置越靠近開口端，壓力振蕩越劇烈，且障礙物的存在會改變合成氣的火焰結(jié)構(gòu)，在火焰通過障礙物開口后會形成“郁金香”火焰，并產(chǎn)生加速作用[14-15]。此外，Diao 等[16] 和Yao 等[17] 研究了合成氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程，發(fā)現(xiàn)扭曲的“郁金香”火焰只出現(xiàn)在稀薄的混合物中，并且認(rèn)為壓力波與火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)關(guān)系密切。大量研究表明，合成氣因為H2 和CO 的特殊性質(zhì)和組分變化在生產(chǎn)應(yīng)用中會產(chǎn)生較高的爆炸風(fēng)險[18-19]。

多孔材料作為天然氣管網(wǎng)的主要抑爆材料，也是許多學(xué)者研究的重點。段玉龍等[20-21] 探究了多孔材料對甲烷/空氣預(yù)混氣體爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙度和厚度均會對火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生較大影響。Shao 等[22] 研究發(fā)現(xiàn)多孔材料能夠抑制爆炸火焰和超壓，并且發(fā)現(xiàn)如果改變多孔材料的組合情況、孔徑和厚度，對氣體爆炸也能夠起到很好的抑制作用。Long 等[23] 也發(fā)現(xiàn)多孔材料可以顯著降低超壓，而孔隙密度較高的多孔材料在抑制火焰爆炸和“郁金香”火焰形成方面效果更為顯著。此外，也有學(xué)者認(rèn)為多孔材料可以實現(xiàn)火焰的熄滅和爆炸超壓的衰減，進(jìn)而有效抑制爆炸的傳播[24]。

雖然多孔材料影響氣體爆炸方面的研究有豐富的研究成果，但是研究大多集中在多孔材料對單一組分氣體燃燒過程的影響，缺少對合成氣爆炸特性影響的相關(guān)研究。因此，本文通過自主搭建的小尺寸實驗平臺，實驗研究不同配比的H2-CO 合成氣與空氣以當(dāng)量比為1 混合時，泡沫銅孔隙密度對合成氣爆炸火焰結(jié)構(gòu)、傳播速度和超壓等參數(shù)的影響。

1 實驗裝置與步驟

本實驗所采用的系統(tǒng)平臺如圖1 所示，主要由配氣與集氣模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、高速攝像模塊和點火模塊組成。利用分壓法計算預(yù)混氣體中不同H2 比例下H2、CO 和空氣的體積分?jǐn)?shù)，由三個流量控制器Alicat MCE 精確控制進(jìn)氣流量，預(yù)混后通入管道，共通入4 倍管道體積的預(yù)混氣體，通氣時間為6 min。利用排空氣法，配置所需測試氣體[17]，控制混合氣體通過鋼板的入口進(jìn)入管道，并通過出氣口排出，從而排出管道內(nèi)空氣。管道長1 000 mm，截面100 mm × 100 mm，管道兩端采用TP304 不銹鋼板封閉。實驗中爆炸火焰圖像由Phantom VEO710 高速攝像儀（拍攝頻率為4 kHz，像素尺寸為0.9 mm）采集裝置觀測。采用一個安裝在進(jìn)氣口附近、點火器上方的PCB11325 型高頻壓力傳感器測量超壓隨時間變化特征，采樣頻率為1 MHz。點火器使用自制電火花點火裝置，提供約30 mJ 的點火能量。有關(guān)實驗裝置的更多詳細(xì)信息見文獻(xiàn)[16]。

實驗選取截面尺寸為100 mm × 100 mm、孔隙密度分別15、25 和40 ppi 的三組泡沫銅，泡沫銅垂直于管道壁面并固定在距點火點500 mm 處，同時設(shè)置未裝泡沫銅的工況作為對照組。為了突出孔隙密度對合成氣爆炸特性的影響，特地采用了不同厚度的泡沫銅，其中泡沫銅的孔隙密度越小其厚度越大（20、29、64 mm）。所有的泡沫銅均產(chǎn)自昆山電子材料有限公司，純度大于99.99%，如圖2 所示。采用H2-CO 合成氣與空氣以當(dāng)量比為1 進(jìn)行混合并點火，為分析合成氣組分變化的影響，采用3 種不同配比的合成氣，其中H2 占合成氣的體積分?jǐn)?shù) 分別為10%、50%、90%（ ，其中 與 分別為混合氣體中H2 與CO 的體積）。為保證實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性、準(zhǔn)確性，每個工況條件進(jìn)行3～5 次實驗。所有實驗均在環(huán)境壓力（一個大氣壓）與溫度（298 K）下進(jìn)行。實驗提供的H2、CO 的體積純度均大于99.99%。壓縮空氣中氧氣和氮氣分別占比21%、79%。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰形態(tài)

圖 3～6 分別顯示了φ 分別為 10%、50% 和90% 時的合成氣爆炸火焰在無泡沫銅的管道中以及使用孔隙密度為15、25 和40 ppi 的泡沫銅后的傳播過程。其中，鑒于過去已經(jīng)對合成氣爆炸特性做了較多的討論[11-14]，這里著重分析泡沫銅的存在對火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的影響。在圖4（a） 中，可以看到在40 ppi 時，火焰首先在沒有受到壁面影響的情況下以半球形自由膨脹，逐漸向前發(fā)展。隨后火焰逐漸開始受到側(cè)壁的擠壓，火焰的半球形前端結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并逐漸于32.0 ms 呈指狀，且此時的火焰表面積呈指數(shù)形式增長[20]。這一過程中的火焰演化與經(jīng)典的“郁金香”火焰形成的前兩個階段相一致且是一個純流體力學(xué)現(xiàn)象[25]。隨后由于火焰接觸壁面而產(chǎn)生的膨脹波使火焰尖端速度開始降低[26]，火焰?zhèn)冗呏饾u追上火焰尖端，火焰表面積大幅度減少，并最終在約40.5 ms 形成平板火焰。但與傳統(tǒng)“郁金香”火焰形成過程不一致的是平板結(jié)構(gòu)火焰穿過泡沫銅后并沒有形成“郁金香”火焰，而是形成了湍流不規(guī)則形狀火焰。而在孔隙密度為25 和15 ppi（圖4（b）～（c））時也有類似的現(xiàn)象?；鹧嬖谂菽~上游時，它同樣經(jīng)由半球形和指形兩個階段后，分別于39.0 和40.0 ms 左右發(fā)展成平板火焰?？梢钥吹?，不同孔隙密度條件下火焰形成平板火焰的時間基本一致，這是因為光滑管道內(nèi)“郁金香”火焰的形成時間主要受燃料層流火焰速度與管道截面半寬的影響[27]。在泡沫銅下游時，孔隙密度為25 ppi 時會發(fā)生火焰反轉(zhuǎn)，火焰向已燃區(qū)域凹陷，如圖4（b） 中的43.0 ms。接下來火焰在穿過泡沫銅之后形成了“郁金香”火焰并以相對穩(wěn)定的“郁金香”形態(tài)向前發(fā)展（45.0～59.0 ms）。不同的是，圖4（c） 中孔隙密度為15 ppi 時的火焰在穿過泡沫銅后，存在明顯的火焰振蕩現(xiàn)象（44.3～46.0 ms），并在46 ms 時第二次形成平板火焰，隨后發(fā)展成“郁金香”火焰?？梢钥吹?，在 =10% 時孔隙密度為40 ppi 的火焰發(fā)展最慢，火焰到達(dá)出口所需的時間最長，孔隙密度為25 ppi 次之，孔隙密度為15 ppi 時最短，且孔隙密度為40 ppi 時沒有形成“郁金香”火焰，而孔隙密度為25 和15 ppi 時“郁金香”火焰分別持續(xù)18.5、8.0 ms。

如圖5 所示，在 =50% 時，不同孔隙密度下的火焰結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了相似的“郁金香”火焰形成的前三個階段，并分別于16.5、16.0、15.0 ms 形成平板火焰。但是與 =10% 時不同的是，火焰在穿過泡沫銅前便分別于19、18、16 ms 發(fā)生火焰反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，開始形成“郁金香”火焰。在“郁金香”火焰形成后，火焰穿越泡沫銅繼續(xù)傳播形成了變形“郁金香”火焰（圖5（a） 中22.5 ms、圖5（b） 中21.5 ms 和圖5（c） 中18.5 ms）。文獻(xiàn)[26， 28] 表明火焰后期的形狀變化與周期性振蕩現(xiàn)象是火焰前鋒與壓力波相互作用的結(jié)果，即當(dāng)火焰?zhèn)冗吔佑|壁面時，產(chǎn)生壓力波，壓力波被管道末端的擋板或者管道側(cè)壁所反射在管道內(nèi)反復(fù)傳播。而且在孔隙密度較低時會發(fā)生火焰鋒面后移，表現(xiàn)出更為明顯的火焰振蕩現(xiàn)象（圖5（b） 中21.5～22.3 ms 和圖5（c） 中18.2～18.5 ms）。

如圖 6 所示，當(dāng)φ =90% 時也有與圖5 類似的規(guī)律。即在泡沫銅上游時，受“郁金香”火焰的影響，不同孔隙密度下火焰結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了同樣火焰?zhèn)鞑ルA段。但是與φ=50%時的不同之處在于，圖6 中的平板火焰消失得更早，且“郁金香”火焰形成得更快，分別約于11.5、11.0、9.5 ms。這是因為“郁金香”火焰的形成時間與層流火焰速度存在緊密聯(lián)系，而 的增加會顯著提升層流火焰速度。并且在火焰穿過泡沫銅之后，火焰發(fā)生了極大的加速，“郁金香”的形狀也在極短的時間內(nèi)發(fā)生了變形。另外還可以觀察到，φ=90%、孔隙密度為40 和25 ppi 時的火焰振蕩現(xiàn)象更為明顯。

總結(jié)上述規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：在孔隙密度相同時，H2 體積分?jǐn)?shù) 越大，“郁金香”火焰形成得越早，火焰也越快抵達(dá)出口。在 相同的情況下，孔隙密度為40 ppi 時火焰持續(xù)時間最長，孔隙密度為25 ppi 時次之，孔隙密度為15 ppi 最短。這是因為泡沫銅會通過固相銷毀的形式抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鏈傳遞過程，狹窄的孔隙會增加孔壁與自由基碰撞的概率，破壞參與反應(yīng)的自由基。同時吸收自由基所需的能量，進(jìn)一步消耗主要活性自由基（H、OH、O、HCO）[29]。泡沫銅中孔隙的大小與固相結(jié)構(gòu)的占比成反比，所以孔隙密度為40 ppi 的泡沫銅具有更高的比表面積和固相結(jié)構(gòu)占比，這將在火焰通過時產(chǎn)生更大的接觸面積，在吸收更多的熱能的同時及時銷毀鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的自由基，從而降低燃燒反應(yīng)速率，延長火焰?zhèn)鞑r間。

另外泡沫銅的小孔把火焰分成若干個小噴射火焰，增加火焰和孔壁之間的接觸面積，造成更多的熱量損失[30]。但據(jù)觀察，泡沫銅也會對爆炸火焰產(chǎn)生促進(jìn)作用，即火焰在穿過泡沫銅之后會發(fā)生火焰加速現(xiàn)象。同時可以發(fā)現(xiàn)，雖然孔隙密度為15 ppi 的泡沫銅更厚，但在 相同時孔隙密度為15 ppi 的泡沫銅對火焰的促進(jìn)作用要比孔隙密度為25 和40 ppi 時更強。這是因為雖然泡沫銅的厚度會對爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ビ幸欢ǖ挠绊?，且泡沫銅越厚，抑制效果越強[20-21]，但是本文主要分析泡沫銅的孔隙密度對合成氣爆炸動力學(xué)的影響。實驗結(jié)果表明，具有更高厚度（64 mm）的孔隙密度為15 ppi 的泡沫銅并沒有表現(xiàn)出比孔隙密度為25 ppi 時（29 mm）更強的抑制作用，反而表現(xiàn)出了促進(jìn)作用。這進(jìn)一步表明，孔隙密度越低對爆炸的促進(jìn)作用越顯著。之后將開展關(guān)于泡沫銅厚度對合成氣爆炸火焰?zhèn)鞑ゼ俺瑝河绊懙难芯?。這可能是因為孔隙密度較低的泡沫銅會在流場中誘發(fā)更為強烈的湍流效應(yīng)，進(jìn)一步加快層流火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧妫岣呋鹧娴娜紵俾屎头艧崴俾蔥22]。同時火焰在穿過泡沫銅時被分割，如圖4（b）～（c） 中的40 ms 和41 ms 所示，加快了火焰向湍流燃燒轉(zhuǎn)變，大大增加其化學(xué)反應(yīng)速率，最終引起火焰加速甚至爆燃[30-31]。

2.2 火焰速度

為了進(jìn)一步研究火焰?zhèn)鞑サ倪^程，定義火焰前鋒為位于火焰前端沿管道軸向有最大投影距離的點，測量不同時刻火焰前鋒位置（x）與點火點之間的距離，由此計算出火焰尖端速度（v）隨火焰前鋒位置（x）的變化。

圖7 給出了在φ 分別為 10%、50% 和90% 時火焰在不同工況下的火焰尖端速度變化，其中對照組為未裝泡沫銅時的工況。從圖7 可看出在不同工況下， 火焰尖端速度發(fā)生了相似的變化， 并且與圖4～6 中火焰形態(tài)的變化相關(guān)聯(lián)。不同 時的火焰尖端速度的曲線呈現(xiàn)了相同的變化趨勢，即先增大后減小然后振蕩。以圖7 中φ=50% 時為例分析其共性。首先，泡沫銅對半球形與指形階段的火焰尖端速度影響較小，傳播速度隨著火焰表面積的增長而相應(yīng)地在縱向上增長；并且不同孔隙密度乃至不同φ時，火焰尖端速度均會于約240 mm 處達(dá)到第一個速度峰值[14，27]；可以看到這一速度峰值幾乎不受孔隙密度的影響，僅與φ有關(guān)，且隨著φ的增加這個速度峰值也會增加。其次，火焰?zhèn)冗呴_始接觸壁面后火焰尖端速度隨火焰前鋒面積的大幅減少而急劇降低。在火焰前端形成平板結(jié)構(gòu)時火焰尖端速度下降到其極小值，約400 mm 處[14，27]。很明顯，在φ相同時火焰在管道上游的行為完全是因為受到“郁金香”火焰形成過程的影響，從而產(chǎn)生變化規(guī)律一致的、基本重合的速度曲線。

火焰在泡沫銅下游傳播時，也具有一定的相似性。首先火焰在穿過泡沫銅后，產(chǎn)生火焰加速現(xiàn)象，火焰尖端速度先急劇增大隨后逐漸減小。此時火焰速度的增長幅度要遠(yuǎn)大于“郁金香”火焰形成時的增長速度[32]，而且火焰速度的增長幅度一方面會隨著 的增加而增加，另一方面還會隨著孔隙密度的降低而增加。此外，在圖7 中可看出火焰速度穿過泡沫銅后會振蕩前進(jìn)，與圖4～6 中的火焰振蕩現(xiàn)象相對應(yīng)。且這一振蕩幅度不僅與 有關(guān)，還受泡沫銅孔隙密度的影響。在孔隙密度相同時，火焰在穿過泡沫銅之后速度振蕩的幅度隨著 的增加而增加；而在 相同時，孔隙密度越小速度振蕩幅度越大。同時，火焰在穿過泡沫銅后火焰尖端速度總是會迅速增加并達(dá)到更高的峰值，這也與前文所介紹的泡沫銅引起的湍流效應(yīng)造成火焰加速的現(xiàn)象相吻合，也進(jìn)一步說明了泡沫銅對下游的火焰產(chǎn)生了極大的促進(jìn)作用，且孔隙密度越低促進(jìn)作用越顯著。

為了進(jìn)一步分析泡沫銅對管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀瑘D8 給出了不同工況下的最大火焰尖端速度（vmax）和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣龋╲a）。首先，對圖8（a） 和圖8（b） 進(jìn)行縱向比較可以看到，在φ=10% 時，孔隙密度為40 ppi 的泡沫銅對vmax 和va 的提升作用有限，相比于對照組時的vmax 和va 僅提升了1.2% 和0.4%。進(jìn)一步地，當(dāng)孔隙密度減小到25 ppi 之后，vmax 和va 會有較大提升，分別提升了90% 和17.5%，但是孔隙密度為15 ppi 的泡沫銅對vmax 和va 的促進(jìn)作用相比于孔隙密度為25 ppi 時提升不大。然而，在φ90% 時會出現(xiàn)不同的情況，此時孔隙密度為40 和25 ppi 的泡沫銅對vmax 和va 均有較大提升，但二者的提升程度相似。此外，對圖8 進(jìn)行橫向比較可以發(fā)現(xiàn)，在存在不同孔隙密度的泡沫銅的工況下，vmax 和va 均會隨著φ的增加而增加，但是增加幅度有所差別，比如在圖8（a） 中孔隙密度為40 ppi 的泡沫銅對vmax 的提升程度在不同φ=10%， 50% 和90% 的情況下分別為1.2%、42.5%、80.9%，而孔隙密度為25 和15 ppi 時對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶嵘壤c 并不呈線性關(guān)系，而是隨著 的增加先增加后變小。但總體來說在孔隙密度相同的情況下，vmax 和va 均會隨著 的增加而增加。

2.3 超壓

圖9 展示了φ改變時不同工況下管道中的爆炸壓力隨時間的變化，其中超壓在泡沫銅前所達(dá)到的峰值定義為第一個峰值（p1），將超壓歷史中達(dá)到的最大值定義為最大超壓（pmax）。可以看到，在管道上游，超壓所呈現(xiàn)出的趨勢與火焰形態(tài)和火焰尖端速度的變化趨勢相吻合，且在 相同時不同工況下會產(chǎn)生基本重合的壓力曲線。同時在圖9 中可以發(fā)現(xiàn)在φ不同時，不同孔隙密度下的p1 基本一致，分別約為0.15、0.30 和0.37 MPa。這一峰值會隨著φ的增加而增加，是因為隨著φ的增加，H2 含量越來越多，氣體反應(yīng)活性增加，p1 也隨之增大。同時這也說明泡沫銅的存在對管道上游的超壓變化影響很小。

但是當(dāng)壓力波傳播到泡沫銅所在位置之后，超壓大小就會發(fā)生劇烈變化。在圖9 中可以看到超壓會先上升然后發(fā)生振蕩，這也與上面所述的火焰尖端速度的變化趨勢相吻合，如圖10 所示。圖9（a） 中φ=10% 時，孔隙密度為15 和25 ppi 時的壓力分別于32.5 和34.5 ms 開始上升，在達(dá)到峰值后開始下降，隨后產(chǎn)生壓力振蕩現(xiàn)象。但是在孔隙密度為40 ppi 時壓力在40 ms 后出現(xiàn)的新的壓力峰值并不明顯，且要低于泡沫銅上游的p1。同時，在圖9（b） 和圖9（c） 中φ=50% 和90% 時，孔隙密度為15、25 和40 ppi 時的壓力急劇上升的時間點也有所變化，分別于16、17.6、19.1 ms 和9.8、11.5、11.75 ms 開始上升。總體上φ相同時壓力開始急劇上升的時間點會隨著孔隙密度的減小而提前，此外壓力急劇上升后所達(dá)到的新的壓力峰值也隨著孔隙密度的減小而增加。而在孔隙密度相同時，這一壓力峰值隨著φ的增加而增加。注意，這里所說的壓力急劇上升后所達(dá)到的新的壓力峰值不一定是pmax，例如圖9（a） 中φ=10%、孔隙密度為40 ppi 時?？梢园l(fā)現(xiàn)此時管道內(nèi)超壓在壓力波穿過泡沫銅后急劇上升的幅度相對較低，且這一壓力值低于p1。這說明雖然φ=10% 時、孔隙密度為40 ppi 的泡沫銅對下游超壓有一定的促進(jìn)作用，但相對于整個管道的超壓來說較為有限，但是觀察發(fā)現(xiàn)隨著φ的增加，孔隙密度為40 ppi 的泡沫銅對下游超壓所表現(xiàn)出的促進(jìn)作用也越來越顯著。

總的來說，孔隙密度的降低和φ的增加一方面會導(dǎo)致超壓上升速度加快，到達(dá)壓力峰值的時間提前，另一方面還會造成最大超壓上升，壓力振幅升高，增加爆炸風(fēng)險。這是因為多孔材料中存在的孔隙引起火焰向湍流的轉(zhuǎn)變，會造成極大的火焰加速和超壓提升，并迅速達(dá)到最大超壓。同時泡沫銅的孔隙越大，固相結(jié)構(gòu)的占比就越小，而孔隙密度為15 ppi 的泡沫銅具有更大的孔徑，所以爆炸區(qū)域內(nèi)的超壓上升速率受其固相結(jié)構(gòu)的阻礙就更小[21，23]。

為進(jìn)一步分析火焰爆炸過程中超壓的變化情況，圖11 給出了不同 情況下各工況的最大超壓pmax?？梢钥吹娇紫睹芏葹?0 ppi 的泡沫銅在 =10% 時的pmax 與無泡沫銅時的pmax 變化不大，這是因為孔隙密度為40 ppi 時壓力達(dá)到第一個峰值即為pmax，而孔隙密度為25 與15 ppi 時壓力穿過泡沫銅后才達(dá)到最大值。而隨著 的增加，孔隙密度為40 ppi 的泡沫銅對pmax 的促進(jìn)作用也會越來越顯著， 同時孔隙密度為2 5 和15 ppi 的泡沫銅對pmax 的促進(jìn)作用也隨著 的增加而增加。另外，縱向來看，即在 相同時泡沫銅對管道內(nèi)的pmax 促進(jìn)作用與孔隙密度成反比，孔隙密度越小pmax 提升的越明顯?？傮w上泡沫銅會引起管道內(nèi)超壓的極大提升，對火焰爆炸產(chǎn)生促進(jìn)作用，且孔隙密度越小， 越大，火焰穿過泡沫銅后壓力上升幅度越大，超壓峰值越高。

3 結(jié) 論

在自主搭建的小尺寸實驗平臺上，分析了管道中泡沫銅的孔隙密度對不同組分合成氣爆炸特性的影響。主要結(jié)論如下：

（1） 管道內(nèi)泡沫銅上游的火焰形態(tài)、火焰尖端速度和超壓變化受“郁金香”火焰形成過程的影響，僅與燃料組分有關(guān)，與泡沫銅無關(guān)；

（2） 除H2 占合成氣的體積分?jǐn)?shù)為10%、泡沫銅孔隙密度為40 ppi 的情況下沒有“郁金香”火焰形成外，在泡沫銅的孔隙密度相同時，H2 體積分?jǐn)?shù)越高“郁金香”火焰形成的越早，火焰越快抵達(dá)出口，并且孔隙密度和H2 體積分?jǐn)?shù)的耦合作用還會影響變形“郁金香”火焰的形成；

（3） 泡沫銅會誘發(fā)湍流效應(yīng)促使層流火焰轉(zhuǎn)化為湍流火焰，極大地加速了爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程，提高最大火焰尖端速度和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?。且在H2 體積分?jǐn)?shù)相同時，泡沫銅的孔隙密度越小，促進(jìn)作用越顯著；

（4） 泡沫銅會引起管道內(nèi)超壓的極大提升，對火焰爆炸產(chǎn)生促進(jìn)作用，且孔隙密度越小，H2 體積分?jǐn)?shù)越大，火焰穿過泡沫銅后壓力上升幅度越大，超壓峰值越高。

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（責(zé)任編輯 王小飛）

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（51804054）