頂部點火下甲烷-空氣預混泄爆特性研究*

陳愛萍,胡 超,梁志星,鄭昊宇,謝 樂,高超蘭,王金貴,

(1.福州大學 至誠學院,福州 350002;2.福州大學 環境與安全工程學院,福州 350116)

天然氣主要成分為甲烷,是一種清潔氣體能源,被廣泛應用于化學工業、氣體發動機和民用煤氣等。甲烷在使用、運輸和儲存過程中也伴隨各類安全問題,而爆炸是最嚴重的災害類型。泄爆是減弱爆炸事故損失的重要方法,其本質是在容器上預設低強度材料薄弱面,實現爆炸壓力、溫度和有害氣體等的泄放[1]。

國內外學者利用多種實驗裝置開展了不同點火位置、氣體類型與濃度等的泄爆實驗[2-8],發現點火位置、氣體類型與濃度等是影響泄爆狀態的重要因素。鄭立剛等在方管中研究了點火位置對摻氫甲烷和單一甲烷氣體泄爆過程中火焰演化結構和爆炸壓力的影響[2]。曹勇等探究圓柱型容器中點火位置對氫氣泄爆過程中火焰傳播速率、火焰面積以及內部超壓的影響規律[3]。李國慶等基于管道研究了點火位置對油氣爆炸超壓和火焰形態的影響[4]。許闖等研究了點火位置和開口率對連接容器內天然氣爆炸壓力特性的影響[5]。Guo等在當量比為0.6～5.0的氫氣泄爆實驗中探究了點火位置與內外超壓之間的關系[6]。Yang等研究了點火位置對當量比為0.8～3.0的H2-CO爆炸的影響[7]。梳理發現,容器形狀與尺寸等對氣體泄爆特性有明顯影響,先前研究多基于小尺寸實驗裝置,形狀多以圓柱體或管道為主,而對中等尺寸(1 m3)矩形容器泄爆特性研究較少。且以往多集中于壓力-時程特征研究,而對相應火焰行為尚未得到很好的闡明。課題組前期研究發現頂部泄爆時,頂部點火比中、底部點火的爆炸超壓更大[8]。因此,有必要開展中尺寸矩形容器(1 m3)頂部點火條件下甲烷-空氣預混泄爆特性及其機制研究。

綜上所述,利用自主設計和搭建的1 m3矩形泄爆系統,在頂部點火條件下,開展了濃度范圍為7%～13%的甲烷-空氣預混泄爆實驗,研究甲烷濃度對泄爆過程中火焰演化和內部超壓特性的影響規律,并結合壓力時程曲線和火焰演化圖像等探究其影響機制,以期對甲烷爆炸預防和控制提供理論支撐。

1 實驗設計與簡介

實驗裝置為高1800 mm、長1000 mm、寬550 mm的方形泄爆容器,頂部泄爆口尺寸為600 mm×400 mm,如圖1所示。實驗中采用法蘭螺栓連接的鋁膜封閉泄爆口[1,8,9],該膜靜態破膜壓力約為9.5 kPa。點火電極位于距容器頂部100 mm處的中間位置,點火能量約為500 mJ,精度±5 mJ。根據道爾頓分壓定律配置7種甲烷-空氣預混氣體,甲烷濃度分別為7%、8%、9%、10%、11%、12%和13%,每個濃度開展3次重復實驗。為記錄和觀察容器內的火焰演化過程,矩形容器的正立面有3個長為700 mm、寬為400 mm的透明觀察窗,利用高速攝像機(HX-3,NAC)以500 Hz的頻率拍攝火焰演化圖像。在容器右側壁中部安裝一個壓電式壓力傳感器(PCB-102B16),以記錄泄爆過程中的內部超壓。所有實驗均在初始壓力和初始溫度分別為101 kPa和280 K的條件下進行,點火電極、高速相機和壓力傳感器通過信號發生器同步觸發。具體實驗操作步驟與方法詳見團隊前期研究[1]。

圖1 爆炸實驗艙及其示意圖(單位:mm)Fig. 1 Explosion experiment chamber and its schematic diagram(unit:mm)

2 實驗結果與分析

2.1 甲烷-空氣泄爆典型特征分析

圖2為9%濃度甲烷-空氣預混氣體火焰演化圖像。氣體被點燃后,火球從點火電極處迅速向四周膨脹,內部超壓呈指數型增長至大于破膜壓力后,鋁膜破碎,容器內氣體從泄爆口快速泄放。當泄放引起的壓力下降速率等于內部燃燒引起的壓力上升速率時[1],容器內產生第一個超壓峰值P1,如圖3所示。隨后,泄放氣體速率大于內部氣體燃燒速率,內部超壓逐漸降低。在這過程中氣體燃燒速率逐漸增大,泄放氣體速率逐漸減小,當兩者再次相等時,由于容器內部氣體的過度泄放產生負壓峰值Pneg,壓力的增減由該競爭機制決定,依次循環往復,在壓力波形上表現為劇烈周期性振蕩,如圖3所示。此時可以觀察到火焰底部在容器內上下跳躍,該現象稱為亥姆霍茲振蕩[1],經換算單位時間內壓力振蕩次數可得此時的亥姆霍茲振蕩頻率約為63 Hz,如圖2(b)～(c)所示。當火焰向下運動時,火焰內部已燃氣體和容器內部未燃氣體密度不同,將觸發泰勒不穩定現象[1,8],導致火焰底部出現胞狀結構,如圖2(d)所示。此外,亥姆霍茲振蕩會導致火焰表面的泰勒不穩定性,而泰勒不穩定性又會加劇亥姆霍茲振蕩[2]。這種正反饋機制進一步促進火焰表面出現大量細胞狀結構,會極大地增加火焰與未燃氣體的接觸面積,再次加速火焰的燃燒及傳播。頂部點火為火焰的向下傳播提供較長的燃燒路徑,同時大量未燃氣體被限制于容器內,為火焰向下傳播提供大量可燃質,使頂部點火時火焰有著較長且較強的燃燒行為。隨著火焰的進一步傳播,容器外部火焰強度減弱,火焰逐漸接觸容器底部,迅速點燃容器底部殘余的未燃氣體,發出耀眼的光,如圖2(g)所示,此時形成圖3所示的第二個壓力峰值P2,稱為聲學振蕩峰值[1],經換算該階段單位時間內壓力振蕩次數可得其頻率約為440 Hz。最后隨著容器內氣體的燃盡,容器內部超壓逐漸恢復到常壓。

圖2 9%濃度爆炸火焰演化圖Fig. 2 Flame evolutions for methane concentration of 9%

圖3 9%濃度泄爆容器內部超壓時程圖Fig. 3 Overpressure-time history inside the vessel for methane concentration of 9%

2.2 甲烷濃度對內部超壓的影響

經對所有實驗濃度下的壓力圖像匯總發現在整個泄爆過程中[8],爆炸超壓主要由兩種峰值主導:一是在泄爆初期由于初始火焰傳播、外部爆炸、亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩定性等因素綜合影響形成前期主導峰值P1;二是在泄爆后期由于火焰和聲波的耦合作用產生的第二個主導壓力峰值P2[1,8]。因此后續主要針對濃度對峰值P1和P2的影響展開研究。

2.2.1 甲烷濃度對壓力峰值P1的影響

圖4為峰值P1及其出現時間隨著甲烷濃度變化趨勢。隨著濃度的增加,峰值P1先增大后減小,其出現時間卻先減小后增大,兩者均在10%取得最值。該濃度下的第一個壓力峰值最大為8.4 kPa,達到峰值所需時間最短為106 ms。前人曾發現當初始溫度相同時,甲烷在當量比為1.1時層流燃燒速度最快[10]。在本實驗設置濃度中濃度10%的當量比最接近1.1(僅相差0.05),該組濃度下早期甲烷層流燃燒速度最快,容器內部壓力率先超過破膜壓力,泄爆膜最早破裂,燃燒爆炸產生的破壞威力最大,火焰的壓力峰值P1最大。當甲烷濃度低于或高于10%時,反應分別受甲烷濃度或空氣的限制,均導致燃燒不劇烈,故該峰值較小并出現較晚。

圖4 甲烷濃度對P1及其出現時間的影響曲線Fig. 4 P1 and its appearance time for various methane concentrations

2.2.2 甲烷濃度對壓力峰值P2的影響

在7%～13%濃度中,僅9%濃度下出現P2?；鹧娼佑|容器底部燃燒殘余的未燃氣體,發出耀眼的光[1],此時產生P2。為分析濃度對P2的影響機制,圖5選取各濃度下火焰接觸底部瞬間的圖片。由圖可知9%濃度下火焰接觸底部時的明亮程度明顯高于其他濃度,這是由于此濃度下泄爆膜破裂后引起氣流的擾動,會導致流體熱力學參數的改變,并導致熱釋放率的波動;熱釋放率的波動激起了聲壓的振動,而聲波在容器壁內多次反射形成了爆炸波,從而加強了聲波的振動;聲波的振動又再次引起容器內流體熱力學參數的改變,從而形成了正反饋循環系統[1]。這種正反饋循環系統最終導致高頻周期振動的劇烈燃燒現象,火焰劇烈燃燒發出耀眼的光,最終觸發容器的高幅值振蕩[1],從而產生超壓峰值P2。而濃度低于9%或高于10%,由于燃燒后期甲烷濃度或空氣不足,過量的空氣或甲烷氣體又會吸收容器內部分能量,導致未能形成正反饋循環系統,故火焰燃燒不劇烈,在容器底部觀察不到耀眼的光,超壓峰值P2消失,其典型壓力圖像如圖6所示。

圖5 7%～13%濃度火焰接觸底部時的圖片Fig. 5 Images of the flame touching the vessel bottom for methane concentration of 7%～13%

圖6 8%濃度壓力時程曲線Fig. 6 Pressure-time history for methane concentration of 8%

結合圖4和圖5發現,在本實驗條件下稍富燃(10%濃度)峰值P1最大(見圖4)卻未產生P2,而稍貧燃(9%濃度)P2出現最顯著(見圖5)。分析認為由于在燃燒早期,稍富燃(10%濃度)下燃燒較劇烈,在106 ms時產生峰值為8.4 kPa的P1,而稍貧燃(9%濃度)燃燒較緩慢,在124 ms時產生峰值為6.2 kPa的P1。比較而言,前者燃燒劇烈容器內部超壓較迅速達到破膜壓力,破膜后容器內外壓力差較大導致容器內氣體較多地被泄放出去,產生較大峰值P1,容器內留存的氣體量不足以產生P2。而后者燃燒較緩慢,破膜后向外泄放的氣體量較少,容器內留存的氣體量較多,為燃燒后期產生P2提供了能量。

2.2.3 甲烷濃度對最大內部超壓的影響

圖7為不同濃度下對應的最大內部超壓,由圖可知,Pmax先隨甲烷濃度增大呈現遞增趨勢,直至甲烷濃度為9%時達到最大值,此后,Pmax又降低。當濃度為9%時,由于火焰和聲波的耦合作用產生第二個壓力峰值P2,其數值遠大于該濃度下的P1,故Pmax由P2決定。而在其余濃度下的Pmax仍是由泄爆膜破裂后產生的第一個壓力峰值P1。因此可得出聲學振蕩現象的破壞能力更強。

圖7 最大超壓與甲烷濃度的關系曲線Fig. 7 Maximum inner overpressure vs.methane concentration

2.3 甲烷濃度對火焰傳播的影響

圖8為以點火電極為起點,結合容器及窗口真實尺寸和火焰演化圖像分析不同濃度火焰抵達特殊位置(下部火焰鋒面抵達容器的上窗口中和下部,中窗口上、中和下部,下窗口上、中和下部)所對應的時間,得到的火焰在各階段的位移-時間曲線,規定火焰向下傳播為正方向。從圖可以發現,稍富燃(10%和11%濃度)狀態時燃燒較快。分析認為燃燒初期,火球均從點火電極以較慢的層流燃燒速度進行燃燒,各濃度下此時曲線相差不大。隨著泄爆膜破裂,由于各濃度下亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩定等機制影響程度不同,火焰逐漸失穩出現細胞狀結構的皺褶程度也不同,導致各濃度曲線的差異變大。稍富燃(10%和11%濃度)火焰燃燒較快是因為泄爆膜未破碎前,由于濃度10%和11%的當量比分別為1.05和1.16,最接近當量比1.1,其層流燃燒速度較快[10];泄爆膜破碎后,容器內大量氣體泄放,容器內產生負壓,導致部分外界空氣回流至容器內,使容器內稍富燃甲烷得到空氣補充后趨于當量濃度,有利于后續燃燒反應,故燃燒較快。此外,各曲線斜率(即火焰傳播速率)整體呈現先增加后減小趨勢,這也是因為燃燒初期各濃度下火焰層流燃燒速度較慢;燃燒中期火焰出現細胞狀結構增大火焰與未燃氣體的接觸面積,故燃燒速度變快;燃燒后期,亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩定等影響減弱,火焰細胞狀結構皺褶程度減小,燃燒速率變慢。

圖8 7%～13%濃度下火焰位移-時間曲線Fig. 8 Displacement-time curve vs.methane concentration

3 結論

利用甲烷-空氣預混氣體矩形泄爆系統,實驗研究了頂部點火條件下濃度對甲烷-空氣預混氣體泄爆特性的影響,并結合容器內部超壓、火焰結構與演化等特征,探究其影響機制。研究發現:(1)濃度對甲烷-空氣預混氣體的泄爆特性有顯著影響,在特定甲烷濃度下,容器內部超壓出現雙峰現象,在各濃度下均出現壓力峰值P1,而壓力峰值P2僅在濃度為9%出現。(2)峰值P1主要由于初始火焰傳播、外部爆炸、亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩定性等因素綜合影響形成,隨著濃度的增加,其幅值先增大后減小,而出現該峰值的時間卻先減小后增大。(3)峰值P2主要由于火焰和聲壓的相互促進與擾動觸發熱聲耦合作用,在泄爆最后階段猛烈燃燒,進而產生的聲學峰值P2。