管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究.pdf

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1、大连理工大学硕士学位论文管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究姓名：孟伟申请学位级别：硕士专业：安全技术及工程指导教师：喻健良20050601火连理工大学硕士学位论文摘要本文主要研究压力波和火焰在多层丝网结构和平行狭缝结构内传播时其参数的变化规律以及参数之间的耦合关系。组建了圆形管道内预混可燃气体爆炸及抑爆实验装置。抑制爆炸的结构为多层丝网结构和平行狭缝结构。进行了乙炔空气混合气和丙烷空气混合气爆燃波在管内传播与抑制的实验研究。实验条件如下：乙炔浓度为化学计量比(7 7 5)，丙烷浓度为化学计量比(3 9 5)，爆炸初压为常压，管道内径为8 1 r a m，长度为1 4 2 9 m，点火端密闭，

2、出口端开放，实验研究了多层丝网结构和平行狭缝结构对管内传播的爆燃火焰的淬熄能力。提出了临界淬熄量的重要概念，淬熄量可用来表示爆炸波被丝网结构转化的能量损失。得到了临界淬熄速度、临界淬熄压差、临界淬熄量(临界淬熄速度与临界淬熄压差之积)与丝网层数、丝网目数、金属丝径等几何参数之间关系的经验公式。随着丝网的几何参数(n m d)的增加，临界淬熄压差和临界淬熄量增加，淬熄性能越好。并得出多层丝网结构对压力波的抑制效果。并根据阻火器设计流程和本实验研究成果，提出了阻火器设计的新恿路。还对丙烷一空气预混气在平行狭缝中传播时的淬熄现象进行了实验和理论研究，得到了火焰传播速度、淬熄压差、淬熄间距和淬熄长度之

3、间的关系。上述工作对爆炸抑制理论的完善和爆炸抑制技术的推广应用均有积极的意义。关键词：抑爆；淬熄；丝网；火焰传播速度：爆炸超压管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究E x p e r i m e n t a ls t u d yo nt e c h n i q u eo fp r e m i x e dc o m b u s t i b l eg a se x p l o s i o nS U p p r e s s e di np i p e l i n eA b s t r a c tE x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa r

4、ec a r d e do u tt oa n a l y z ev a r i a t i o nr e g u l a t i o n so f p a r a m e t e r si nf l o wf i e l da n dt h e i rc o u p l er e l a t i o n sa se x p l o s i o nw a v e sa n df l a m ep r o p a g a t i n ga l o n gt u b eo rt h r o u g hm u l t i-l a y e rm e s hc o n s t r u c t i o n

5、a n dr l a l T O Wp a r a l l e lc h a n n e l sc o n s t r u c t i o r LE x p e r i m e n t a la p p a r a t u su s e df o re x p l o s i o na n de x p l o s i o ns u p p r e s s i o no ff l a m m a b l eg a s e si nt u b ea r es e tu p T h ec o n s t r u c t i o n so f e x p l o s i o ns u p p r e

6、 s s i o na r em u l t i-l a y e rm e s hc o n s t r u c t i o na n dn a l T o wp a r a l l e lc h a n n e l sc o n s t r u c t i o n W i t hp r e m i x e de t h y n e a i rg a s e sa n dp r o p a n e a i rg a s e s，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa b o u te x p l o s i o nw a v e

7、sp r o p a g a t i n ga n ds u p p r e s s i o ni nt u b ea r ed e a l tw i t h E x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa l es e ta sf o l l o w s：S t o i c h i o m e l r i cr a t ea n da t m o s p h e r i cp r e s s u r ea r cu s e df o ri n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fE t h y n e(7 7 5)

8、p r o p a n e(3 9 5)a n di n i t i a lp r e s s u r e；t h ei n s i d ed i a m e t e ra n dl e n g t ho f t u b e，w h i c hi sc l o s e da ti g n i t i o ne n da n do p e na tt h eo t h e r，a r e8 1 m ma n d1 4 2 9 mr e s p e c t i v e l y；m u l t i l a y e rm e S hc o n s t r u c t i o nm a d eo fs

9、t a i n l e s ss t e e l，i sv e r t i c a lt ot u b ea x l e，n a l T o wp a r a l l e lc h a n n e l sc o n s t r u c t i o ni sp a r a l l e lt ot u b ea x l e T h en e wi m p o r t a n tc o n c e p t，c r i t i c a lq u e n c h i n gv a l u eh a sb e e np u tf o r w a r d T h i sc o n c e p tc a I

10、lb eu s e dt od e n o t ee n e r g yl o s so fe x p l o s i o nw a v et r a n s f o r m e db ym e s hc o n s t r u c t i o n T h ee f f e c t so fm u l t i l a y e rm e s hc o n s t r u c t i o no nf l a n ep r o l 艘o a t i o ni nt u b ea r ea n a l y z e d E m p i r i c a lf o r m u l a sa b o u tr

11、 e l a t i o n s h i pb e t、e e nc r i t i c a lv a l u e s i n c l u d eo fq u e n c h i n gs p e e d,q u e n c h i n gp r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dq u e n c h i n ga m o u n t(t h ep r o d u c to fq u e n c h i n gs p e e da n dq u e n c h i n gp r e s s u r ed i f f e r e n c e)，a n dg

12、e o m e t r i c a lp a l a m e t e r s，s u c ha sl a y e r,S C l nm e s ha n dw i r ed i a m e t e r,a l eo b t a i n e d W i t ht h ei n c r e a s eo fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r(r a M d)，c r i t i c a lq u e n c h i n gp r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dc r i t i c a lq u e n c h i

13、n gv a l u ei n c r e a s e d，t h eh i g h e rt h ec a p a b i l i t yo fq u e n c h i n gi s S u p p r e s s i o ne f f e c t so fm u l t i l a y e rm e s hc o n s t r u c t i o no ne x p l o s i o np r e s s u r ew a v e sa r ei n t r o d u c e d An e ww a yt od e s i g nf l a m ea r r e s th a sb

14、 e e np u tf o r w a r db a s i n go nf l o wo ff l a m ea r r e s td e s i g na n ds t u d yr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t A ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eq u e n c h i n go fe x p l o s i o nf o rp r o p a n e-a i rm i x t u r ew h e nt h ef l a m ep a s s e sD a l T O Wp a r

15、 a l l e lc h a n n e l si sd e s c r i b e d T h er e l a t i o n s h i po ff l a m ev e l o c i t yv q u e n c h i n gd i a m e t e rDa n dq u e n c h i n gl e n g t hL gh a sb e e ng i v e n T h ep r i n c i p l eo fq u e n c h i n gw h e nt h ef l a m ep a s s e sn a r r o wp a r a l l e lc h a

16、n n e l si sd i s c u s s e d T h e s es t u d i e sh a v ep o s i t i v ee f f e c to nt h ed e v e l o p m e n to f e x p l o s i o ns u p p r e s s i o nt h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o no f e x p l o s i o ns u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y 大连理工大学硕士学位论文K e y W o r d s：E x p I O S

17、i o ns u p p r e s s i o n；O u e n c h i n g；W ir e；F I 副n ep r o p a g a t i o ns p e e d；E x p I O S i o no v e r p r e s s u r e独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：巍雒日期：

18、型i：i：堕大连理工摧!塑主堂位论芝引言随着我国工业现代化的高速发展，特别是近年来石油化工、天然气工业的快速发展，重大的燃烧爆炸事故屡有发生。燃料在生产、运输与存放过程中因意外泄漏引起的燃烧爆炸事故逐年上升。同时爆炸波的传播和燃烧扩展可能会造成邻近设备连续性地二次爆炸，将造成更为严重的人员及财产损失。基于可燃气体爆炸的巨大破坏性，研究其引发破坏的模式，提出防灾减灾的措施意义重大。为此，许多学者致力于爆炸波传播及抑制规律的研究。考虑工业设备之间多为管道连接，因此爆炸波在管道内的传播与抑制规律成为了研究重点之一。在可燃气体燃烧和爆炸过程中，总是伴随着压力和温度的显著升高，所有的燃烧爆炸造成的灾害损

19、失都与燃烧及压力冲击波有关。压力波的力学破坏和爆炸火焰引起的可燃物燃烧是可燃气体爆炸时的两种主要破坏手段。压力波和燃烧火焰构成了爆炸波。在爆炸过程中压力波和燃烧火焰又是相互影响相互依存的。若是没有压力波，爆炸也就蜕化成定压燃烧，火焰的传播速度很慢，容易抑制，不具有大的破坏性。若是没有了气体的燃烧，压力波就失去了能量供给，其能量会随着传播而不断衰减，最后消失。因此研究爆炸波在管道内的传播与抑制也就归结为研究压力波和燃烧火焰在管道内和各种抑爆结构中传播时的变化规律以及它们之间的耦合关系。对于管道内可燃气体的爆炸，前入已经做了不少研究工作，中科院力学所【2 l、中国科技大学 3 1、中国矿业大学【4

20、】、大连理工大学【5 1 等单位都开展了这方面的实验研究工作。但从发表的文献来看，研究的内容要么侧重于压力波的变化，要么侧重于火焰传播速度的变化，对压力波与燃烧火焰之间的相互影响关系没有给予足够的重视，没有把压力波和燃烧火焰作为一个整体来研究。目前对火焰的抑制方法很多，抑制技术也在逐渐成熟。经过多年的实验研究，多层丝网结构因其性能优异逐渐被人们所关注，但前人的研究都局限于考察多层丝网结构对低速传播的燃烧火焰(火焰传播速度为每秒几米)的抑制作用，对高速传播火焰的抑制作用研究较少。平行板狭缝也是抑制可燃气淬熄的主要方法，被广泛地应用在阻火器装置中。早在1 8 1 5 年H，D a v y 为解决煤

21、矿中瓦斯爆炸问题而进行的早期的淬熄实验研究，_-2t-世纪以后才进行了淬熄现象的定量化实验研究。W P a y m a n 等人【6 J 用煤气一空气和甲烷一空气作了火焰通过小直径管道时的淬熄研究，结果表明，火焰穿越小直径管道的能力主要取决于火焰的传播速度。J M H o l m 7,s】采用烧嘴法对多种燃气预混气火焰的淬熄直径进行管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究测量实验研究，指出小直径通道对火焰的淬熄作用受多种因素的影响，主要取决于淬熄直径，通道壁面材料的导热系数居其次。M M a e k a w a 9 用甲烷空气预混气火焰研究了矩形狭缝间距D 与淬熄长度功的关系，但未涉及到火焰传播速

22、度这个重要因素。N I i d a t l 2】等人用丙烷空气研究了运动火焰经过一个可变间距的矩形狭缝时的淬熄，用纹影照相获得了火焰在通过狭缝时的三种不同姿态，但淬熄直径与淬熄长度的关系未给出具体结果。鉴于前人研究的不足，为了完善和发展管道内可燃预混和气体的爆炸与抑制的学术研究，本文以实验研究为主要手段，通过对实验数据的详细分析，得出了多层丝网结构对爆炸波抑制的规律和平行板狭缝对可燃气体爆燃波淬熄的规律。实验研究了多层丝网结构对管内火焰传播速度的影响，得到了临界淬熄速度、临界淬熄压差、I 临界淬熄量与丝网层数、丝网日数、金属丝径等多层丝网结构几何参数之间的关系，以及多层丝l】6 9 结构对压力

23、波抑制作用的研究结果。通过对可燃气体爆燃火焰在平行板狭缝中传播时产生淬熄的实验研究和理论分析，给出了用丙烷一空气预混气火焰传播速度和淬熄压差与淬熄间距、淬熄长度之间的关系。对气体爆燃火焰狭缝淬熄原理进行了探讨，得到了有应用价值的结论。上述研究能够为管道内预混气体爆炸的评估与防护提供理论基础，可以进一步认识包括燃烧、爆炸、化学反应在内的流体流动的复杂现象的本质，有很高的学术价值，还能够为工业上抑爆、隔爆和熄爆等安全技术提供理论依据，有深远的实际应用背景。2 大连理工火学硕士学位论文1 文献综述爆炸是能量快速释放的过程，因此它是一种高能量密度的能源，在工业上得到了广泛的应用。如近年来一些学者还发明

24、了在连铸辊中应用爆炸喷涂的方法【1“玉】和爆炸成型技术I t 3】。但爆炸也是工业中常见灾害的主要形式。追切需要能够预测潜在的气体爆炸威力和危害，并以此为基础提出合理的安全设计和运行方案。基于可燃气体爆炸的巨大破坏性，研究其引发破坏的模式，提出防灾减灾的措施对于国家财产和人民生命来说意义重大。为此，许多学者致力于爆炸波传播及抑制规律的研究。多数情况下气体都是在管路中流动的，因此关于管路中预混气体的燃烧状况及如何抑制管中爆炸波传播的研究一直是国内外科研工作者关心的课题。本章介绍了国内外有关预混气体爆炸及抑爆研究的最新进展。对非理想爆源爆炸特点及影响气云爆炸的因素进行了评述，介绍了火焰的加速机理和

25、管道内预混可燃气体爆燃过程的研究现状，对多层丝网结构对管内爆燃火焰的淬熄作用进行了评价，简要介绍了网孔结构对压力波的抑制理论。对可燃气体爆燃火焰在平行板狭缝中传播时产生淬熄进行了介绍，对于气体爆燃火焰的狭缝淬熄原理进行了探讨。通过上述文献评述，确定了本文的研究方向。1 1 可燃气体的爆炸1 1 1 可燃气体爆炸形式及特点爆炸场的特征与形态是由爆源的状况和传播的状况共同决定的。按爆源状况的不同，可将爆炸场划分为理想爆源爆炸场和非理想爆源爆炸场如图i】所示。理想爆源通常指高能炸药等，爆源具有两个显著特点：一是忽略爆源体积；二是假设能量是瞬时释放的。非理想爆源也有两个特点：一是有限的能量释放速率：二

26、是爆炸场参数与爆源的能量密度有关。F a i s a lU 4 1 用实验方法研究了能量释放速率与时间相关的爆源爆炸所产生的冲击波。结果证明：近场，非理想爆源与理想爆源的爆炸场差别较大；远场两者结果相近。该结果说明在非理想爆源爆炸场中，爆源的能量释放与时间相关。可燃气体爆炸被认为是非理想爆源爆炸，与高能炸药这样的理想爆源相比，非理想爆源具有爆源体积不能忽略、有限的能量释放速率、爆炸场参数与爆源能量有关三个特点。3 船氐奎、瑚澍f L-、坦瑚管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究a 理娥爆激爆炸门八1玑2：罗肘间8b 非理想爆鼙爆炸酗1 I 爆炸特性曲线F i 9 1 1c h a r a c 俩

27、s t i ct,U I V eo f e x p l o s i o n理想爆源爆炸被广泛应用在军事上，因此，早在大上个世纪人们对它就已经非常了解。非理想爆源爆炸虽然在2 0 世纪4 0 年代就已经引起了学者们的兴趣，但对其的研究直至2 0 世纪7 0 年代才受到真正的重视。许多学者如S l r e h l o wn 5 1 指出，要想预测爆炸对周围环境的影响，就要对以下几点进行详细的研究：(1)气云形状和组成：(2)点燃点的位置：(3)气云场区的扩展：其中(3)包括鼹个方面：a：随着爆炸的冲击而在周围环境产生的压力场；b 随着爆炸而产生的热气扩展使周围环境中产生的温度场。可燃气体的燃烧爆炸

28、可分为四种模式：定压燃烧、定容爆炸、爆燃和爆轰。定压燃烧是无约束的敞开型燃烧。其燃烧产物能及时向后排放，其压力始终保持与初始环境压力相平衡，因此系统的压力是恒定的。定压燃烧速度，或叫基本燃烧速度为其特征参量，它取决于燃料的输运速率和反应速率。对大多数烃类燃料与空气的混合物，在化学d 大连理工大学硕士学位论文计量浓度下，其典型的基本燃烧速度为0 5 m s 量级。而与氧的混合时，其基本燃烧速度值比与空气混合要高约一个数量级。定容爆炸是燃料混合物在给定的刚性容器中均匀地同时点火时所发生的燃烧过程。此为理想的模型，实际情况是不大可能均匀同时点火的，常见的是局部点火，扩展到熬体。由于爆炸过程进行得很快

29、，密闭容器中局部点火所形成的参数与定容爆炸参数相差无几，可用定容爆炸模型来处理。在定容爆炸过程中，容器体积保持不变，密度也不变，而压力随燃烧释放的化学能的增加而增加。对大多数烃类燃料和空气的混合物，在化学计量浓度下，定容爆炸的压力大约为初始压力的7 8 倍【l“。爆燃和爆轰是两种根本不同的燃烧模式，爆燃相对于波前未反应物来说是亚音速传播的，其典型的传播速度为每秒几米量级；而爆轰相对于波前未反应物来说是超音速传播的，其典型速度为每秒几千米量级。开敞空问可燃气云的爆炸过程通常属于爆燃过程，以亚音速传播的火焰阵面前方有前驱冲击波扰动，即火焰在已被扰动介质中传播，从而形成两波三区结构，如图1 2 所帚

30、”J。2 区g i 足见，“：q 瓦，：ll 区b 粥，n，“-l岛，珊-k爆燃波阵面翦驱冲击波阵蘅0 区R 风，“o矗矗托e 一比内能Iu 一粒子速度；c 一音速；Y 一等熵指数0 区一可燃混合气的初始状态；1 区一前g 冲击波通过后的状态2 区一爆燃波阵面(火焰面)通过后的状态图1 2 爆燃过程的两波三区结构F i g 1 2T w oW a v e sa n dT h l eA r e ao f D e f l a g r a t i o nW a v e文献【1 7】中提出了一个简单的爆燃波模型：爆燃波在行进过程中形成两波三区结构，即未燃区、前驱冲击波阵面(压力波)、扰动区、燃烧波阵面

31、(火焰面)、已燃区，文献 4】【1 8】中给出了火焰速度和最大超压值的简单关系。爆燃是由前驱压力波和后随的燃烧阵面构成的，是一种不稳定状态的燃烧波。它可以因约束的减弱、排气及时而使压力波减弱，直至压力波消失而沦为定压燃烧。相反如5 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究果爆燃波的边界约束增强，压力波强度增强，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面，火焰阵面和压力阵面合二为一，成为一个带化学反应区的冲击波，就是爆轰波。跨过爆燃波波面，压力和密度都是下降的：而爆轰波与之相反，跨过波阵面压力和密度是增加的。在实际情况下。有许多因素可便火焰层流燃烧速度加速到爆轰状态。例如，连续布置在火焰行进通道上的

32、障碍物，能使火焰连续加速，而在足够长的管道中就可使爆燃转变成爆轰。对敞开蒸气云，只要有局部的密闭条件，或可形成湍流加速条件，或外加强刺激源，均有可能在大面积区域内，使爆燃转变成爆轰。因此，在爆炸灾害的防护中应该设法防止火焰加速条件的形成，以避免从爆燃转变成爆轰。已有实验表明，可燃气云的种类、浓度对爆炸威力都有影响。气云爆炸出现的可能性以及爆炸后产生的后果在很大程度上取决于燃料种类。研究发现，可燃气体的反应活性不同，产生的爆炸威力有很大差别，如甲烷和丙烷分属低反应活性和中等反应活性气体，在M e r g e 的系列实验中，实验的其它条件相同时，丙烷气体产生的最大超压是甲烷气体的2f 音3 倍，可

33、见，可燃气体的反应活性也是影响爆炸威力的一个重要因裂”J。可燃气体可根据反应活性的定性分类见表1 1【2 0 1。气体反应活性越强，分子扩散快，则它爆炸产生的火焰速度和超压值越大，产生爆轰的可能性也越大。表1 1 可燃气体反应活性的参照分类T a b l e1 1C l a s s i f i c a t i o n o f r e a c t i o n a c t i v i 母o f c o m b u s t i N e g a s e s涂建安1 2 l 简要分析了易燃易爆气体管道产生火灾爆炸的原因，针对这些原因，提出了管道设计时应采取的一些安全措施及需遵循的普遍性设计原则。a 设计

34、中应考虑防静电措施：b 采用先进的自动控制技术来增强装置的安全可靠性：c 在设备的安全放空管上，需设置安全阀：d 必须采用管沟敷设的可燃气体管道，应采取防止气体在管沟内积聚的措施：如在管沟内填满砂子，并在进出装置及厂房处密封隔断：e 可燃气体管道不得穿过与其无关的建筑物，尤其是严禁穿过生活问、办公室等：f 可燃气体管道与氧气管道共同敷设时，两者应分侧布置，且最小净间距不小于2 5 0 m m。要使气体爆炸，必须有三个基本条件：1)合适浓度的燃料气体；6 大连理工大学硕士学位论文2)合适浓度的氧气：3)足够能量的点火源。所谓“合适浓度”即指可以发生爆炸的浓度。每种燃料气体在氧气或空气中都有一个发

35、生爆炸的浓度范围。超出这个范围，即使用很强的点火源也不能激发爆炸，这个浓度范围即爆炸极限常见可燃气体的爆炸极限都已被人们所测出】。然而，爆炸极限值与测试条件有关如点火能量、初始温度、初始压力对爆炸界限都有显著影响，决不可将爆炸极限值看作是物理常数。了解和掌握各种可燃气体在空气中的爆炸极限，对化工生产和实验室的安全操作有着重要意义。如检修含有可爆气体的设备时，应先对设备吹风，使反应器内气体组成低于爆炸极限；气体反应器进行加料时应在爆炸极限以下进行：在反应器内通入惰性气体，使反应在爆炸极限以下进行等。最小点火能量是衡量可燃气体(或蒸汽)爆炸危险程度的一个重要参数，如果有了较为准确的数据可以使从事安

36、全技术工作的人员们更加科学有效的设计防爆装置和采取防爆措施。张景林】等人根据气体爆炸反应的链式反应理论，考虑其从点火到爆炸需要一定的成长时间(秒级)，设计安装了一套气体爆炸抑爆实验装置。在此装置中，用复合爆炸抑制系统，对液化石油气和甲醇裂解气(主成份为C O)进行了抑爆效果实验，研究了二F 粉剂用量、干粉分散均匀度和抑爆系统干粉喷散作动时间对抑爆效果的影响，给出了抑爆过程的压力一时问曲线。对可燃气体(或蒸汽)最小点火能的研究和测试工作，早在上个世纪的4 0 年代布兰克(M V B l a n c)和卡尔科特(C a l c o t)等人就设计了最小点火能的测试装置并发表了一些最小点火能的数据。

37、但是人们发现不同的实验装置和不同的测试方法所测得的最小点火能数据是有很大偏差。因此人们认为影响最小点火能的因素有很多，对于一定的实验装置和实验方法，影响测定最小点火能的则是测试敏感条件的确定。谭迎春等人研究了气体爆炸最小点火能的主要影响因素1 2 4 1，并通过实验找出了在2 0 L 爆炸罐中最小点火能测试的敏感条件，为最小点火能的测试提供了必要条件。他们认为除可燃物质本身性能以外的五个主要因素，即：可燃气体的浓度、放电电极(间隙、形状及材质)、放电电阻、储能电容及混合气体的温湿度为主要因素。并通过实验确定了他们所设计的2 0 1。爆炸罐中最小点火能测定装置的敏感条件。国内还用很多学者对最小点

38、火能进行了研究，如王晶禹瞄j 在不同温度的情况，对最小点火能量爆炸下限进行了较全面的测试，弗针对延迟时间、电极间隙、贮能电容、放7 一管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究电电阻、环境湿度、喷气压力和浓度等实验条件对爆炸特性的影响进行了研究。周树男等 2 6 1 还应用计算机辅助测试的原理研究爆炸特性。对自行设计的点火装置的优点进行了讨论，并对点火电路模型进行了分析。国外学者在最小点火能方面也作了很多的研究。如S a a dA E I S a y e d 2 7 认为金属点火机理是建立在熟爆炸基础之上的并且获得了理论结论。C G F o t a c h e 等用实验的方法研究了在可燃料与喷射的热

39、空气逆流的装置中乙烷，丙烷，n 一丁烷和异丁烷的无预混点燃田】。发现乙烷、丙烷，n 一丁烷和异丁烷的点燃反应有一些类似。(1)除非在很高的压力下，否则在点燃之前先发光。(2)存在关于点燃的外部参数的相似点。点燃温度会随着燃料浓度的升高而降低，但是在一定浓度下不再变化，成为一常数。B V a r a t h a r a j a n 和F A W i l l i a m s l 2 9 l 论述了支链爆炸的概念，并且得到了一些关于点燃温度的公式。1 1 2 火焰加速机理一团静止的可燃气体混合物被一个弱点火源点燃后，形成一薄层层流火焰。然后其能量不断输送给邻近的冷混合气层。火焰面的厚度小于一毫米，反

40、应区的厚度更是只有几十至几百微米，在这很窄的区域内完成9 5 9 8 的化学反应、热传导和物质扩散等过程。层流火焰由两个区域组成：反应区和预热区。热量主要是由反应区的化学反应产生的，然后反应区的热量通过传导和分子扩散而传送到预热区。在预热区，混合物被预热，这是预热区发生化学反应的先导条件。所以，热传导和扩散的分子传递现象组成了层流火焰前驱的基本传播机理1 3 0】。图1-3 显示了穿越一层流火焰的温度的变化情况。温度丁位置图1 3 穿越一薄层火焰的温度分布圈F i g 1 3T e m p e r a t u r e a c r o s s a l a m i n a r f l a m e。

41、8，大连理下大学硕士学位论文在化学反应区，燃烧产物温度很高，于是未燃烧的混合物受到压缩，产生一个前驱冲击波。随着火焰继续向前延伸，相对于反应的混合物来说(一直处于运动状态)，火焰以层流燃烧速度传播，这样，就形成了爆燃状态下典型的“二波三区”结构。火焰传播过程中，火焰的不稳定传播会使火焰的表面产生褶皱，增大火焰表面的面积，因此增大了火焰的有效燃烧速度，从而导致火焰传播速度加快。在活性相对较低的碳氢混合物燃烧过程中，火焰的不稳定对火焰传播的作用会受到冲击波的限制。火焰传播过程进一步的加速只有在合适的刚性边界条件下才+会发生，因为刚性的边界会诱导膨胀流的内部产生速度梯度和湍流。针对此边界条件一些学者

42、做了大量的研究：如周凯元等p l J 设置加速环对爆燃火焰在直管中加速运动的规律及影响因素进行了实验研究，包括爆燃火焰在光滑内壁管道中的传播状况、管道直径和点火能量的变化及障碍物对火焰加速的影响，得出以下结论：闭端点火比开端点火火焰加速增大5 倍以上，且管径较大加速也较大：点火能量的影响仅限于火焰的传播初期而障碍物对爆燃火焰的加速影响很大，并对当前的工业阻火及防爆安全提出了更新的要求。障碍物对火焰传播影响的实验研究也是国外很多学者的主要研究方向。F a i r w e a t h e r 等 3 2 3 3 对圆管内壁上设有障碍环的气体爆炸流场进行研究，所进行的火焰成像研究显示，在主要的火焰波

43、阵面离开容器导致高的超压之卮障碍环后残留的未反应的混合气体将发生剧烈反应，进一步增进了火焰的加速作用。I b r a h i m 等p 4】介绍了一套新的实验设景，综合研究了障碍物尺寸、阻塞率和泄放压力对预混火焰爆燃过程超压的影响。实验设置的是单层的障碍物，形状包括圆柱形、三角形、方形、菱形、平板形，阻塞率从i 0 7 5。从中发现：障碍物的几何形状和阻塞率不同，火焰的形状和传播速度不同。当燃烧过程接触到膨胀流内部的时候局部燃烧速率会在几个方面增加。在速度梯度里火焰会被延伸，从而增加火焰面积和有效的燃烧速度。湍流不仅会增加热传递过程，而且会增加有效的火焰面积，即增大未燃烧的混合物和燃烧产物之间

44、界面的面积。刚发生湍流时，湍流强度较低，漩涡只会褶皱火焰表面和增加火焰的有效燃烧速度，当燃烧速度增加后，将会产生一个更强的膨胀流，强膨胀流又会导致流速增加，而高流速又将加大湍流的强度，在高强度湍流的影响下，火焰会逐渐失去它原来光滑的表面，内部也发生变化。于是湍流的漩涡又倾向于分裂火焰前驱，从而导致一个更高的燃烧速率，高燃烧速率将又会产生更强的膨胀流和湍流。这样，就会形成火焰加速的正反馈，其反馈机理如图1 _ 4 所示p”。9 管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究图1 4 可燃气体爆炸过程的正反馈F i g 1 4T h ep o s i t i v ef e e d b a c kc a u

45、s i n gf l a m ea c c e l e r a t i o n总之，管道内出现可燃气爆炸时，特别是有湍流的混合物和有爆炸从一个管道向另一个管道传播的危险时，混合物的流动效应和与此有关的湍流变化决定了爆炸过程。这时，正常燃烧速度的重要性是次要的，也就是说，燃烧过程与可燃气的种类几乎无关。在比较小的管道内，燃烧经过短的路程便可转变为爆轰(或似爆轰)。1 1 3 管道内预混气体爆燃过程I)管道内燃烧情况爆炸时管内火焰由点火处向出口端传播的过程，距离点火处越近，曲线上升的时间就越早，气体的燃烧时间也越长，火焰熄灭的时间也越晚，火焰光的强度也越大，曲线的波峰也越平缓。123689图1 5

46、 火焰传播图像F i g 15P i c t u r eo f f l a m ep r o p a g a t i o nl O 大连理丁大学硕士学位论文火花塞点火后在管道内形成了可自持传播的燃烧反应区，在燃烧反应区的最前端是燃烧波阵面(火焰面)。随着时间的推移，火焰面不断地向出口端传播，在某一时刻火焰面从出口端传出管道，而此时管道内各个测点处的可燃气体仍在燃烧，也就是说在燃烧阶段的一段时间里整个管道内的气体都在燃烧，燃烧反应区的范围达整个管道。文献 3 6 中实验照片也证实了这一现象。文献所述的实验中对贫燃料、最佳当量比及富燃料甲烷空气的爆炸传播火焰进行了高速摄影，图1 5 所示为一次爆炸

47、过程中所拍摄到的火焰图像，火焰是从右向左传播，混合气体中甲烷的体积浓度为9，5，拍摄速度为l O O O 幅秒。从图中可以看出在爆炸后的一段时间里管道内的可燃气体都在燃烧。在文献 3 7 的实验中，爆炸实验管道的长度为2 0 m，通过测量系统得到的数据可以看到爆炸时燃烧反应区在管道内由点火端向另一端传播，燃烧反应区的长度可达六米。燃烧理论在讨论湍流火焰传播时把在湍流火焰中开始发生燃烧反应的几何面称为湍流火焰前沿，它把未燃气体与正在燃烧的气体区分开，在某些强湍流的情况下，燃烧反应并不像层流火焰传播那样集中在很薄的火焰前沿内，而是弥散在一个宽广的区域内，这个区域称为反应区，其厚度通常为层流火焰前沿

48、厚度的l O l O O 倍。量级为厘米p 8】。但文献【3 9，4 0】中给出了实验中测出的以时间单位来度量的火焰厚度，即测点处预混气体的燃烧时间。实验数据表明火焰在2 0 m 长的管道内传播时火焰厚度可达数米，并且火焰速度越大火焰厚度越小。这比燃烧理论中对湍流反应区厚度的度量值要大得多。其原因是燃烧理论中认为9 5 9 8 的预混气体在范围仅为厘米量级的燃烧反应区内完成了化学反应，燃烧反应区后面的气体燃烧几乎可以忽略。但从实验结果来看，在燃烧反应区内完成化学反应的气体要远小于9 5，以至于在火焰面通过测点之后的几毫秒内化学反应仍在进行，形成了长达数米的燃烧反应区。2)预混可燃气体在圆形管道

49、内的爆燃过程图1 6 为圆形管道内某-N 点处的压力和火焰的变化曲线图。爆炸时超压的变化可分为四个阶段：l 2 为前驱冲击波阶段，2 3 为升压阶段，3 4 为降压阶段，4 6 为余波阶段，其中4 5 为二次反冲过程。从图中可看出火焰燃烧的变化过程可分为三个阶段：a b 为未燃阶段，b c 为燃烧阶段，C 之后为已燃阶段。管道内预混可燃气体爆炸抑制技术的研究f，m s图1,6 超压与火焰关系图(1)前驱冲击波阶段火花塞点火后在电极周围形成可自持传播的火焰波，火焰燃烧后放出的热量又使邻近的未燃气发生燃烧，放出更多的热量。同时热量又使气体的温度骤升体积膨胀进而诱导形成前驱冲击波(压力波)，前驱冲击

50、波使未燃气体发生扰动并推动气体向管道的出口端流动。由图1 6 前驱冲击波通过该点，超压开始不断上升。这时的燃烧波阵面(火焰面)即燃烧区前端的未燃气体与燃烧火焰的分界面，在湍流状态下它可能是极其皱褶的甚至是已经撕裂的。随着燃烧波阵面的不断传播，燃烧所放出的热量也在不断通过辐射、传导等方式预热火焰下游的未燃气体，末燃气体的温度升高、超压上升。前驱冲击波阶段结束。此阶段中各测点处的超压值逐渐上升，超压曲线较为规则。(2)升压阶段当燃烧波阵面传播到该点时，全部气体参与持续燃烧。不断放出热量，气体的温度、压力上升，体积膨胀。在此阶段里测点处的气体持续燃烧放出的热量使超压曲线出现了第二个上升阶段，并在燃烧