多孔材料空间位置对火焰涡激励效应的影响

龙凤英 李泽欢 黄 俊 俞树威 段玉龙副教授

(1.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；
2.油气生产安全与风险控制重庆市重点实验室，重庆 401331)

天然气作为一种清洁能源，在日常生活和工业生产中被广泛使用，但频发的燃气爆炸事故通常会造成重大人员伤亡和财产损失[1-2]。同时，气体传播路径中存在的障碍物或潜在障碍物可能显著增加爆炸强度和损伤能力[3-4]。障碍物引起传播火焰与流场非稳态耦合，火焰前方产生不同尺度涡旋，火焰—涡旋相互作用进一步加剧火焰传播速率和压力上升[5-6]。为解决这一问题，人们提出许多抑制和减轻气体爆炸的方法[7-10]。多孔材料因其具有显著抑制气体爆炸作用被广泛应用[11-14]，例如HOWELL等[15]综述使用多孔惰性介质来稳定火焰相关的结构和传热能；
PANG等[16]和SONG等[17]研究发现多孔材料网状铝合金对气体爆燃具有促进/抑制的双重作用；
CHEN等[18]研究表明多孔材料对封闭燃烧管中甲烷/空气预混爆炸火焰结构演变和超压有显著影响；
多孔材料破坏火焰传播的结构特征和火焰前表面，导致火焰扭曲[19]；
多孔介质增加横波与纵波的能耗，减轻上游巨大的压力危害[20]；
CICCARELLI[21]指出如果火焰不被淬灭，多孔介质内的湍流会促进爆炸升级；
BIVOL和GOLOVASTOV[22]研究表明孔径较大的多孔材料可被看作湍流元件，导致燃烧面积增加和燃烧加剧；
ZALOSH[23]在装置中添加聚合物泡沫和铝网来研究爆炸抑制，揭示多孔材料壁可以削弱横波，但可能不能抑制爆炸；
MCGARRY等[24]指出，一旦在火焰区域产生高湍流强度的反应物，在高湍流燃烧速度下发生反应，可增强局部和整体湍流火焰加速；
CICCARELLI[21]和WANG等[25]实验发现多孔金属泡沫作用可表现出与障碍物一致的特性；
网状障碍物干扰未燃烧气体，增强火焰前表面的弧度和火焰内流场的湍流强度，燃烧反应更加剧烈[26]；
CICCARELLI等[27]和NA"INNA等[28-29]研究表明障碍物放置距离是影响火焰加速度的显著因素；
多孔网状材料放置明显影响气体动力学行为[30]；
SHAO等[31]研究指出金属泡沫对防爆抑制的影响与金属泡沫的位置密切相关；
DUAN等[32]研究发现放置在不同位置的多孔网状材料对甲烷/空气预混爆炸有显著而不同的影响。

综上所述，气体爆炸过程中多孔材料可能因自身特性差异导致抑爆失效，充当网状障碍物加剧爆炸。由于气体爆炸往往在管道的不同位置以不同的状态发生，而且甲烷爆炸过程中，随着爆炸波的向前推进，过压和火焰速度都会增加，说明爆炸能量会随着爆炸波的增加而增加[23]。因此，研究多孔网状材料在管道中不同安装位置对瓦斯爆炸时的抑制作用尤为重要。本文以泡沫铜为爆炸抑制材料，探究不同空间位置的多孔材料对甲烷/空气预混爆炸性能的影响，以期为发展和改进管道内预混火焰传播动力学的基础理论研究，为安全应用甲烷提供参考。

实验平台包括管道、气体预混系统、高速摄像系统、点火系统和高频压力采集系统，如图1。有机玻璃管道尺寸为10cm×10cm×100cm，管壁厚2cm，可承内压2MPa。气体预混系统由一个甲烷气瓶(纯度为99.99%)、一个空气瓶、2个气体质量流量计和若干气动配件组成，其中，质量流量计为Alicat20系列标准质量流量计(精度5L/min)，可以快速有效地抑制压力波动。高速摄像系统由Phantom710L高速摄像机和计算机组成，其中，高速摄像机拍摄参数由摄像机控制软件(Phantom Camera Control，PCC)设置，图像采集的分辨率设置为1 024×304，拍摄频率4 000fps，曝光时间240μs。点火系统由自制点火头、高频脉冲点火器及点火控制器组成，电源输入电压为6V。高频压力采集系统包括冲击波测试仪、2个压力传感器(A和B)和计算机；
通过Tytest Data View测试软件设置冲击波测试仪参数；
采集模式为单次采集，时长200ms，以便后期数据处理筛选；
压力传感器A和B安装位置为0cm和77cm处，便于收集多孔材料2端压力变化信号；
压力传感器的量程为0～0.69MPa，线性误差<1%。

图1 实验平台Fig.1 Experimental platform

首先，在管内设置3组障碍物N1、N2和N3，依次安装于距点火端10、20和30cm处，单个障碍物阻塞率为0.15；
其次，依次距点火端40、50、60和75cm处安装多孔材料，即多孔材料分别与障碍物N3间隔10、20、30和45cm。工况示意图，如图2。多孔材料采用泡沫铜，其具有优异的烧结抗性和韧性，不易损伤[33]。截面尺寸为10cm×10cm，厚度为1cm。孔隙度为20PPI，因为20PPI多孔材料作用下，火焰穿过多孔材料后湍流程度明显增强，多孔材料对爆燃火焰几乎没有阻隔作用，在某种程度上可看作障碍物[34]。由于其良好的导热性和火焰热的快速散热，已被应用于阻火器等先进消防设备[35]。

图2 工况示意图Fig.2 The schematic diagram of working conditions

实验在室内实验室进行，平均温度为25℃，管内初始压力为101 325Pa。预混合的甲烷—空气的化学计量比为1.0，即甲烷反应浓度为9.5%，此浓度下爆炸超压最高，火焰传播速度最快，破坏力最强[36-37]。管道泄压口用PVC膜密封，起安全泄压作用。气体配送采用4倍体积排气法[38-39]。填充结束后，静置管内预混气体约15s，以保证爆炸气体均匀混合。高速摄像机和压力采集系统处于自动触发等待状态。在实验过程中，收集并储存压力和火焰结构的变化。每组实验重复3-5次，以确保结果准确性。

2.1 火焰传播

障碍物作用下9.5%甲烷/空气预混爆炸实验过程，如图3。从图3可以看出，火焰在置障管道中传播，除了得到CLANET和SEARBY[40]提出的4个经典动力学阶段：球形火焰、手指形火焰、火焰裙接触侧壁和郁金香火焰，还包括因障碍物挤压效应拉伸形成的蘑菇状火焰和扭曲的蘑菇状火焰[41]。因障碍物的存在，燃烧火焰从障碍物开口喷射传播，在壁反射和稀疏波的影响下，火焰前锋的轴向传播速度慢于径向传播速度[42]。火焰经历不稳定的变形，从层流火焰转变为湍流火焰[43]。t=35.75ms时，火焰前锋演变为蘑菇状火焰。由于多个障碍物的存在，前一个障碍物的影响导致火焰以扭曲蘑菇状火焰的形式通过后续障碍物。且障碍物的数量越多，火焰依次通过每个障碍物的扭曲程度就越大，相应的湍流程度也就越大[41]。

图3 障碍物作用下甲烷/空气预混爆炸Fig.3 The methane/air premixed explosion under the action of obstacles

以图3中的超压—速度曲线为例分析，火焰自点火后传播至障碍物N1耗时23.50ms，经N1传播至N2耗时12.25ms，而由N2传至N3仅用5.00ms。由此可见，重复障碍物的存在，爆燃波被反复反射，可燃气体混合物被完全压缩，温度和压力升高，化学反应速度增加[44]。t=46.50ms时火焰速度到达最大峰值54.87m/s，观察对应时刻的火焰图像可得，火焰到达最大速度峰值后湍流区域占比明显增大。湍流脉动的影响显著缩短从点火到燃烧压力峰值的时间，因此压力峰值先速度峰值一步出现[45]。湍流的影响加速燃烧速率，促使火焰速度和超压提升。图4中几种工况的速度和超压也符合此加速规律。

前人研究[21，25]表明，多孔材料选型不当时可看作网状障碍物作用。障碍物间距是影响火焰加速效应的重要因素之一。因此，多孔材料的抑制作用与多孔材料的空间位置密切相关[46-47]。从图4可以看出，当多孔材料安装于距点火端40、50和60cm时，即多孔网状材料与障碍物N3间距10、20和30cm，重复障碍物N1、N2和N3引起的火焰加速可能导致多孔材料淬熄失效，火焰穿透多孔材料继续向下游传播。穿透时间分别为45.50、38.25和42.50ms。多孔材料与障碍物N3间距10cm时，火焰速度并未达到峰值，而是在多孔材料的进一步促进下到达峰值速度55.77m/s。对比无多孔材料时，速度提升1.64%，因为障碍物对火焰的提速作用主要依赖于障碍物下游形成的湍流涡结构，涡量集中的区域具有高强度湍动能[48]。此时多孔材料可看作一种网状障碍物，障碍物N3和网状障碍物间距过小，障碍物N3下游涡旋发育受限，涡团虽“填满”障碍物之间的空隙，但涡团尺度小，湍流强度低，并没有对火焰起到很好的激励作用，所以火焰速度提升不明显[49]。

图4 不同位置多孔材料耦合障碍物作用下甲烷/空气预混爆炸Fig.4 The methane/air premixed explosion under the action in which the porous material couple with obstacles at different positions

如图4(b)和图4(c)所示，当多孔网状材料与障碍物N3间距20和30cm时，障碍物N3和多孔网状障碍物间距足够，障碍物N3下游涡旋发育充分，涡量集中区在障碍物间距中所占的比例增加，湍流程度增强，火焰接触多孔材料时到达最大速度峰值72.80和63.78m/s。多孔介质之前的火焰传播速度越快，火焰在多孔介质内的停留时间越短，火焰与固体壁面之间的换热越少，火焰越不容易被淬熄[50]。对比无多孔材料时，火焰速度升幅分别为32.68%和16.24%。后续完整火焰经多孔材料被分割为若干小型射流火焰，下游未燃气体被引燃后以较高的湍流速度进行传播，直至火焰熄灭。

当多孔材料安装于距点火端75cm时，即多孔网状材料与障碍物N3间距45cm，火焰被多孔材料有效淬熄，无法穿透多孔材料传播至多孔下游。因为障碍物间距过大，涡团的尺度远小于障碍物间距，火焰传播途中与管壁接触的部分火焰熄灭使它表面积减小，不利于火焰加速。同时，火焰淬熄后，前驱体爆炸波能量的供应被切断，有效降低冲击波的破坏作用。多孔材料的特殊结构会破坏火焰波和冲击波的耦合效应[51]。火焰速度峰值由无多孔材料作用时的54.87m/s衰减为48.05m/s，降幅12.43%，多孔材料起到一定的抑制作用。

2.2 爆炸超压

由图3中压力曲线(PA和PB)可得，障碍物作用下9.5%浓度的甲烷/空气预混爆炸超压随时间推移，先达到一个小峰值(破膜压力)后下降。因为点火后，管道内产生燃烧气体，超压增加，当PVC膜超过承压能力发生破裂，未燃烧的气体就开始经排气口逸出[52]。随着气体燃烧膨胀，火焰继续传播，当产气速率大于排气速率时超压又一次开始增加，直至峰值超压。当产气速率等于排气速率时，最大峰值超压出现[53]。随后，伴随周期性振荡超压逐渐下降。

从图4可以看出，在不同位置的多孔材料作用下，超压呈现出相似趋势。只是当多孔材料空间位置距点火端60cm时，因多孔材料作用于超压减速阶段，超压变化会呈现不同规律。图4(c)中t=42.50ms时，多孔网状障碍物的阻碍会使爆炸波跨过后火焰表面积增大，内部湍流增强，化学反应和热释放率增加，进而导致爆炸压力再次增长，第3个超压峰值出现。于是，为更好地评估燃爆场景的危害性，人们往往以最大危害情形进行讨论，故此本文以最大超压峰值进行危害度分析。

各工况下爆炸超压峰值及其变化幅度，如图5。从图5可以看出，多孔材料对超压有促进和衰减双重作用。多孔材料空间位置在管道前半部分时，多孔网状障碍物激励促进作用起主导，峰值超压最大可提升72.45%，且多孔材料位于50cm处的促进效果优于40cm处；
而多孔材料位于管道后半部分时，多孔网状材料阻挡、反射和衰减压力波作用起主导，且75cm处的衰减效果优于60cm处。SUN等[54]研究指出无障碍物作用时，金属丝网对瓦斯爆炸峰值超压衰减率可达50%，而本文因火焰传播路径存在多组障碍物加速，网状材料对峰值超压的最大衰减率仅达20.09%，故此可得，障碍物的存在可一定程度削弱多孔材料的抑爆效果。

图5 各工况下超压峰值及其变化幅度Fig.5 The peak value of the overpressure and its variation amplitude under various working conditions

2.3 综合分析

各工况爆炸特性参数变化幅度，见表1。从表1可以看出，多孔材料安装于距点火端40cm处时，火焰速度和超压虽有不同程度提升，但升幅不大；
而50cm处时，网状障碍物的促爆效应对火焰速度和超压有大幅提升作用，爆炸危害显著增加，实际燃爆场景中应尽量避免此工况出现；
60cm处时，峰值压力和火焰淬熄耗时虽有所衰减，但降幅有限，而火焰速度却提升较大，可达16.24%，故此可得，60cm处的多孔材料促进效应优于抑制效应；
75cm处时，火焰速度和超压有较大程度的衰减，且火焰被多孔材料有效淬熄，起到一定的抑制作用，但多孔材料作用时间较晚，无法尽早限制事故发展、隔离事故根源。综合上述分析可得，将多孔材料置于距点火位置40cm处最佳，后续实验进一步探究改变多孔材料自身特性(厚度和孔隙度)对预混爆炸的影响。

表1 各工况爆炸特性参数变化幅度Tab.1 The variation range of explosion characteristic parameters under various working conditions

(1)多孔材料与障碍物的间距显著影响火焰加速效果。多孔网状材料与障碍物间距过大和过小都不利于火焰涡对火焰传播的激励作用。多孔材料位于50cm处时，即多孔网状材料与障碍物N3间距20cm，火焰涡的激励作用最显著，火焰加速传播，最大速度可达72.80m/s。

(2)多孔材料对压力波有促进和衰减2种相反效果。多孔材料位于管道前半部分时，多孔网状障碍物激励促进作用起主导，峰值超压提升率最大可达72.45%；
位于管道后半部分时，多孔网状材料阻挡、反射和衰减压力波作用起主导，峰值超压衰减率最大可达20.09%。

(3)综合分析火焰速度和瞬态压力变化可得，将多孔材料置于距点火位置40cm处最佳，后续实验可进一步探究改变多孔材料自身特性(厚度和孔隙度)对预混爆炸的影响。