管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑毫εc溫度特性

王秋紅，王二飛，陳曉坤，蔣軍成，張明廣

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，710054；2.南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京，210009)

礦井瓦斯爆炸事故是煤礦生產(chǎn)最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，傷亡人數(shù)眾多，設(shè)備破壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[1-3]。研究瓦斯爆炸特性可對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和防爆控爆提供依據(jù)。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于瓦斯爆炸特性及其規(guī)律進(jìn)行了諸多實(shí)驗(yàn)研究。GIERAS等[4]采用40 dm3爆炸罐研究了甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)，得出初始溫度升高，甲烷/空氣混合物的爆炸壓力降低，爆炸極限增加。ZHU等[5]利用平行長(zhǎng)管道進(jìn)行了預(yù)混甲烷/空氣爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆炸超壓在2 個(gè)相等長(zhǎng)度的分支管道中相接近，在交匯點(diǎn)處爆炸超壓明顯增強(qiáng)，在2 個(gè)長(zhǎng)度不等的分支管道中傳播時(shí)，當(dāng)火焰相遇時(shí)超壓峰值更高。HISKEN 等[6]在管道中進(jìn)行了丙烷氣體爆炸實(shí)驗(yàn)，并與FLACS 數(shù)值模擬結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)FLACS 燃燒速度模型中，當(dāng)量比小于1.4時(shí)模擬的最大超壓與實(shí)驗(yàn)值相類(lèi)似；當(dāng)量比大于1.4時(shí)模擬最大超壓值遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)值，加入Markstein 模型后超壓值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差在±10%以?xún)?nèi)。SALZANO 等[7]在5 L 的封閉容器中進(jìn)行氫氣與甲烷在空氣中的混合爆炸實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)氫氣與甲烷在空氣中的配比爆炸過(guò)程中，氫氣含量對(duì)最大壓力、最大壓力上升速率和燃燒速度有顯著的影響。MITTAL[8]對(duì)比了甲烷空氣混合氣體在20 L球形、27 L立方體、0.8 m3矩形管道和25.6 m3球形裝置中的爆炸結(jié)果，得到了在一定范圍內(nèi)，爆燃指數(shù)隨著試驗(yàn)容器尺寸的增加而增加。李潤(rùn)之等[9-11]在20 L近球形中研究了瓦斯爆炸最大爆炸壓力、最大壓力上升速率等特征參數(shù)。尉存娟等[12-13]利用水平管道研究了不同體積分?jǐn)?shù)甲烷爆炸最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率，其中蔚存娟等[12]采用內(nèi)徑為140 mm、長(zhǎng)度為3.1 m的水平管道，張迎新等[13]采用爆炸管內(nèi)徑×長(zhǎng)度為300 mm×1 500 mm 的水平管道。牛芳等[14]用10 m3圓角圓柱體爆炸罐進(jìn)行甲烷/空氣預(yù)混氣的爆炸實(shí)驗(yàn)，分析了爆炸罐中壓力的成長(zhǎng)過(guò)程及火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴ｊ悥|梁等[15]利用高速紋影技術(shù)對(duì)密閉管道(長(zhǎng)×寬×高為500 mm×80 mm×80 mm)內(nèi)的甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ヌ卣鬟M(jìn)行了研究，分析了火焰陣面由向未燃區(qū)彎曲到已燃區(qū)彎曲轉(zhuǎn)折，由層流燃燒向湍流燃燒轉(zhuǎn)變并形成“Tulip”火焰的過(guò)程。李鵬等[16]用瓦斯管網(wǎng)(長(zhǎng)度為2 m、直徑為159 mm抗爆管道)分析了體積分?jǐn)?shù)對(duì)瓦斯爆炸的溫度峰值和壓力峰值的影響及溫度峰值和壓力峰值隨管道距離的變化規(guī)律(采用C2-1-K 型溫度傳感器測(cè)量溫度)。綜上分析，研究瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)裝置大多為球形或管道型，研究?jī)?nèi)容多數(shù)集中在爆炸壓力方面。因探測(cè)爆炸瞬間火焰溫度對(duì)溫度傳感器快速響應(yīng)時(shí)間有極高的要求，研究瓦斯爆炸火焰溫度方面非常少，李鵬等[16]采用C2-1-K型溫度傳感器測(cè)量的瓦斯爆炸火焰溫度也偏低。本文作者采用高頻壓力傳感器和直徑為25μm的R型微細(xì)熱電偶探測(cè)瓦斯爆炸瞬間過(guò)程的壓力和溫度變化規(guī)律，并且結(jié)合高速攝像儀采集的火焰?zhèn)鞑ニ矐B(tài)圖像進(jìn)行分析，綜合得到管道中瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑毫εc溫度特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電磁閥、爆炸管道、同步控制器、高壓脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集儀、高速攝像儀和計(jì)算機(jī)等組成。爆炸管道是1 個(gè)長(zhǎng)方體容器，內(nèi)部長(zhǎng)×寬×高為80 mm×80 mm×600 mm，如圖1所示。為了便于觀測(cè)爆炸過(guò)程，管道的2個(gè)側(cè)面分別是厚度為20 mm 的不銹鋼板，在不銹鋼板的一側(cè)距離管道底部550 mm 處有直徑為40 mm 的圓形泄爆口，其余2 個(gè)側(cè)面分別是厚度為10 mm 石英玻璃。在距離管道底部上面250 mm 和400 mm 處分別裝有微細(xì)熱電偶，熱電偶采用直徑為25 μm 的Pt/Rh13-Pt絲制作。在裝有熱電偶一側(cè)并且距離管道頂部60 mm 處裝有壓力傳感器(輸出電壓為0～5 V，輸入電壓為24 V，量程為0～2 MPa)。點(diǎn)火電極為2 根直徑為0.4 mm 的鎢絲，其間距為2 mm，點(diǎn)火電極距離燃燒管道底部50 mm。同步控制器可以對(duì)電磁閥、高壓脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集儀和高速攝像儀精確控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：用真空泵抽取配氣罐里的氣體，真空度抽至為0.05 MPa，根據(jù)分壓配比法向配氣罐充入所需瓦斯量，然后用壓縮機(jī)向配氣罐打入空氣使瓦斯/空氣混合氣體壓力達(dá)到0.1 MPa，配氣罐內(nèi)氣體進(jìn)入爆炸管道后，剛好使真空度為0.09 MPa 的爆炸管道內(nèi)達(dá)到常壓。啟動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，電磁閥、高壓脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集儀、高速攝像儀依次被觸發(fā)，點(diǎn)火電極引燃瓦斯燃燒，實(shí)現(xiàn)爆炸過(guò)程。單組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行排放并記錄保存數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備下一組實(shí)驗(yàn)。

參數(shù)設(shè)置：數(shù)據(jù)采集儀設(shè)置采集時(shí)間為1 s，采樣速度設(shè)置為10μs/采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。高速攝像儀的拍攝速率為2 000 幀/s，高速攝像儀分辨率為1 280×800，曝光時(shí)間為30μs。泄爆膜為4 層油面紙、2層復(fù)印紙疊加制作，總厚度為0.3 mm，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，此種安裝方式可使爆炸管道內(nèi)真空度達(dá)到0.09 MPa。高壓脈沖發(fā)生器采用電容儲(chǔ)能放電原理，通過(guò)交流電對(duì)電容充電，電容放電后，按1:50 的變壓器升壓，最后由電極放電點(diǎn)火，電極放電時(shí)的點(diǎn)火能可用公式E=CU2計(jì)算得到。實(shí)驗(yàn)中所用電容C為200μF，電壓U為600 V，點(diǎn)火能E為36 J。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 管道內(nèi)瓦斯爆炸壓力分析

對(duì)體積分?jǐn)?shù)為6%，7%，8%，9%，10%，11%，12%和13%的瓦斯可燃?xì)獗▔毫M(jìn)行分析，爆炸壓力隨時(shí)間的變化如圖2所示。在點(diǎn)火發(fā)生后，壓力不是迅速上升，而是有一段極短的感應(yīng)時(shí)間，這段時(shí)間就是瓦斯爆炸點(diǎn)火延遲時(shí)間(即爆炸緩慢氧化階段)。從圖2可知：不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯爆炸感應(yīng)時(shí)間不同，文獻(xiàn)[9-10]中也反映了這一點(diǎn)。爆炸管道內(nèi)不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯爆炸時(shí)，壓力上升時(shí)間、上升速率與最大爆炸壓力pmax均不同。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6%和7%時(shí)，壓力上升較緩慢，到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間tmax較長(zhǎng)；當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為8%～13%時(shí)則相反。這也表明在有限爆炸空間中，并不是瓦斯體積分?jǐn)?shù)越大，產(chǎn)生的爆炸壓力就越大，每個(gè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)都有對(duì)應(yīng)1個(gè)最大壓力的點(diǎn)，超過(guò)這個(gè)點(diǎn)壓力就會(huì)減小。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，爆炸壓力上升速率最快。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6%和7%時(shí)，瓦斯爆炸產(chǎn)生的壓力較小并且上升緩慢，未能擊穿泄爆膜。由于能量積聚在管道內(nèi)，燃燒反應(yīng)又在密閉的受限空間內(nèi)進(jìn)行，只能通過(guò)管壁和泄爆膜的冷卻效應(yīng)和熄火作用來(lái)消耗能量，所以，壓力下降到外界環(huán)境壓力需要較長(zhǎng)時(shí)間。

壓力的這種變化是因?yàn)殡姌O點(diǎn)火后，電極周?chē)耐咚箽怏w燃燒，壓力波面迅速向外擴(kuò)張，由于受到管壁的限制，火焰橫向傳播受阻，縱向傳播愈明顯，產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體，受到管壁的摩擦作用，沖擊波的相互擠壓和疊加，導(dǎo)致火焰加速，超壓增強(qiáng)，并且沿著管道方向傳播，直到擊穿泄爆膜，壓力恢復(fù)到與外界環(huán)境壓力平衡狀態(tài)。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，與空氣的混合程度達(dá)到了最佳狀態(tài)，并且可以完全燃燒。隨著化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中能量不斷積累，燃燒最為強(qiáng)烈，超壓明顯增強(qiáng)。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，過(guò)量的空氣作為惰性氣體阻礙了瓦斯與氧氣分子的有效碰撞，不利于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中積累的能量就越少；并且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于瓦斯氣體變得比較稀薄，不能維持后續(xù)的反應(yīng)，所以壓力較低，達(dá)到最大值所用時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，混合氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)減少，處于貧氧狀態(tài)，在很短的時(shí)間內(nèi)，氧氣被消耗殆盡，燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的能量和超壓遠(yuǎn)低于體積分?jǐn)?shù)為10%瓦斯下所產(chǎn)生的能量和超壓。

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯爆炸壓力-時(shí)間曲線Fig.2 Explosion pressure-time curves of gas at different volume fractions

瓦斯爆炸對(duì)pmax、最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max和tmax的影響，如圖3所示。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)對(duì)瓦斯爆炸pmax，(dp/dt)max和tmax的影響Fig.3 Effect of different volume fractions on pmax，(dp/dt)max and tmax of gas explosion

從圖3可知：pmax與(dp/dt)max隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小，但tmax隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加先減小后增大；當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，pmax和(dp/dt)max均最大，分別為0.74 MPa 和11.059 MPa/s，tmax最短為0.323 s。

2.2 爆炸火焰溫度分析

對(duì)體積分?jǐn)?shù)為6%，7%，%，9%，10%，11%，12%和13%的瓦斯可燃?xì)膺M(jìn)行火焰溫度分析。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)1號(hào)熱電偶和2號(hào)熱電偶，分別測(cè)量管道下部和上部火焰的溫度，由于熱電偶的熱慣性效應(yīng)，溫度的測(cè)量值與實(shí)際值之間有一定的誤差，為了得到準(zhǔn)確的溫度，假設(shè)熱電偶接點(diǎn)處對(duì)流換熱量多與輻射傳熱量，實(shí)測(cè)的溫度可以通過(guò)下列公式進(jìn)行修正[17-19]：

式中：T為修正的熱電偶接點(diǎn)處的溫度；Tm為熱電偶測(cè)量溫度；τ為熱電偶的時(shí)間常數(shù)；t為時(shí)間；ρ和cp分別為Pt/Rh13-Pt 金屬的密度和比定壓熱容；Nu為努塞爾數(shù)；kf為熱電偶周?chē)鷼怏w的熱傳導(dǎo)系數(shù)；d為接點(diǎn)直徑；在本實(shí)驗(yàn)條件下，Nu=2；

kf=0.081W/(m ?K)，ρ=2.14 × 104kg/m3，cp=159 J/(kg ?K)，d=50×10-6m，將參數(shù)代入式(2)得τ=8.75 ms，所以，修正公式變?yōu)?/p>

下文中所有熱電偶測(cè)得的溫度均用式(3)進(jìn)行修正。在該實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，微細(xì)熱電偶的最高瞬態(tài)溫度可到1 700°C 左右，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%，11%和12%時(shí)，2號(hào)熱電偶測(cè)量的溫度超出了這個(gè)界限，故未給出溫度峰值。

以瓦斯體積分?jǐn)?shù)為8%和10%為例，說(shuō)明熱電偶測(cè)得的溫度隨時(shí)間變化特征，如圖4所示。

從圖4可知：溫度測(cè)量值與修正值隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，1號(hào)和2號(hào)熱電偶對(duì)溫度的響應(yīng)速率都很快，2 號(hào)熱電偶測(cè)得的溫度比1 號(hào)熱電偶的高，說(shuō)明管道上部燃燒比下部劇烈。從圖4(a)與4(b)可知：瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)比8%時(shí)對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間要早，并且對(duì)于同一位置熱電偶測(cè)得的溫度，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)比8%時(shí)的高。

不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)爆炸火焰溫度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線如圖5所示。

從圖5可知：不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)的爆炸火焰溫度隨時(shí)間的推移先增大后減??；當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，1號(hào)和2號(hào)熱電偶對(duì)火焰溫度的上升速率最快；當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，火焰溫度的上升速率最慢。在2 號(hào)熱電偶處，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%，11%和12%時(shí)的溫度曲線頂部出現(xiàn)異常，這是因?yàn)樵谶@3個(gè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)下測(cè)得溫度峰值超出了熱電偶的測(cè)量范圍，故對(duì)應(yīng)的修正溫度曲線也未獲得修正值。在1號(hào)熱電偶處測(cè)得的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，火焰溫度修正峰值為1 704.26 °C；當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，火焰溫度修正峰值為653.96°C，其他體積分?jǐn)?shù)下的溫度峰值均在這2個(gè)溫度之間。

圖4 火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中熱電偶溫度測(cè)量曲線(實(shí)線)與溫度修正曲線(虛線)Fig.4 Temperature measuring curves(solid lines)and temperature correction(dotted lines)by thermocouples during flame propagation process

圖5 不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)瓦斯爆炸火焰溫度的影響Fig.5 Effect of different gas volume fractions on flame temperatures of gas explosion

1 號(hào)和2 號(hào)熱電偶測(cè)得的火焰溫度測(cè)量峰值與修正峰值如表1所示。

表1 熱電偶測(cè)得的火焰溫度峰值Table 1 Flame temperature peaks measured by thermocouples °C

溫度變化特點(diǎn)如下：由于在密閉空間中，瓦斯爆炸產(chǎn)生的火焰在傳播過(guò)程中，側(cè)向擴(kuò)展受到抑制，燃燒繼續(xù)向上傳播，形成兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)，已燃區(qū)的火焰受到管壁的摩擦和剪切及壓力波的反射作用，擾動(dòng)火焰峰面，增加了與可燃?xì)怏w的接觸面積，未燃?xì)怏w被點(diǎn)燃，溫度急劇升高，直到泄爆膜被擊穿，通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流以及管壁的冷卻效應(yīng)，溫度才緩慢降下來(lái)。從圖5(a)可知：當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，溫度上升速率最快，說(shuō)明反應(yīng)速率最快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多。

當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為8%，10%和12%時(shí)，火焰?zhèn)鞑デ闆r如圖6所示。

圖6 不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)時(shí)的火焰?zhèn)鞑DFig.6 Images of flame propagation at different gas volume fractions

從圖6可知：當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，產(chǎn)生的火焰比較暗，在點(diǎn)火的初始階段，管道內(nèi)的火焰開(kāi)始向四周擴(kuò)散，形成球形火焰，這段時(shí)間火焰自由膨脹不受限制，后續(xù)因管道壁面的限制呈指尖型向上傳播，并且上升速度呈指數(shù)形式上升。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%和12%時(shí)，在燃燒初期也出現(xiàn)相似的現(xiàn)象，之后火焰加速導(dǎo)致壓力波產(chǎn)生，而且已燃區(qū)的氣體產(chǎn)物不斷膨脹，這將導(dǎo)致溫度升高?；鹧嬖谏仙焦艿乐泻蠖螘r(shí)，速度明顯減慢，火焰峰面發(fā)生了變形。由于火焰前方的壓縮波越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致火焰速度減慢，形成向已燃區(qū)凹陷的形狀，這種火焰被稱(chēng)為“Tulip”火焰[15,17,20]。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，“Tulip”火焰出現(xiàn)的時(shí)間較晚，70～100 ms 仍處于“Tulip”火焰階段，110 ms 時(shí)火焰峰面發(fā)生了變化。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，“Tulip”火焰的形成不明顯。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，在40～60 ms 時(shí)有“Tulip”火焰峰面形成，而且形成時(shí)間比較早，70 ms時(shí)火焰峰面已經(jīng)變形。在“Tulip”火焰之后，峰面開(kāi)始發(fā)生變化，出現(xiàn)湍流燃燒現(xiàn)象[15]。根據(jù)火焰?zhèn)鞑デ闆r，可知火焰在1 號(hào)熱電偶處還未充分發(fā)展，在2號(hào)熱電偶處已經(jīng)充分發(fā)展，大量高溫氣體產(chǎn)物存在于管道中，高溫燃燒產(chǎn)物會(huì)在浮力作用下發(fā)生對(duì)流作用[17]，所以上部火焰溫度高。

1 號(hào)和2 號(hào)熱電偶溫度修正峰值與瓦斯體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖7所示。進(jìn)一步對(duì)1號(hào)位置的火焰溫度修正峰值進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7(a)所示。所得出的擬合曲線方程式為

其中：X為瓦斯體積分?jǐn)?shù)；Y為火焰溫度峰值。

從圖7可知：當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6%～13%時(shí)，1號(hào)熱電偶所測(cè)的溫度峰值隨著體積分?jǐn)?shù)的增加先增加后減小。這些最高溫度點(diǎn)的分布符合圖7中的溫度擬合曲線表達(dá)式，表達(dá)式呈4 次函數(shù)表達(dá)式，說(shuō)明溫度在瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)達(dá)到最高值。表1所示為不同體積分?jǐn)?shù)瓦斯爆炸的溫度測(cè)量峰值與修正峰值，這為瓦斯爆炸事故和瓦斯含量評(píng)估及防爆控爆提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 最大爆炸壓力、火焰溫度峰值與瓦斯體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

瓦斯爆炸對(duì)最大爆炸壓力、火焰溫度峰值的影響如圖8所示。

從圖8可知：在該實(shí)驗(yàn)裝置下，隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰溫度峰值與pmax有相同變化的趨勢(shì)；當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，1號(hào)熱電偶測(cè)得的火焰溫度與管內(nèi)爆炸壓力都取得最大值。結(jié)合圖6中體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)的瓦斯火焰最亮，說(shuō)明該狀態(tài)下化學(xué)反應(yīng)最劇烈。由于火焰在傳播過(guò)程中，已燃區(qū)的高溫導(dǎo)致未燃區(qū)的溫度升高，瓦斯體積分?jǐn)?shù)越接近10%，未然氣體的點(diǎn)火延滯時(shí)間越縮短，新產(chǎn)生的壓力波與前驅(qū)壓力波不斷疊加，導(dǎo)致超壓驟然增強(qiáng)，溫度急劇攀升。

圖7 不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)瓦斯爆炸火焰溫度峰值的影響Fig.7 Effect of different gas volume fractions on flame temperature peaks of gas explosion

圖8 不同體積分?jǐn)?shù)的瓦斯對(duì)pmax和火焰溫度峰值的影響Fig.8 Effect of different volume fractions on pmax and flame temperature peak of gas

3 結(jié)論

1)在瓦斯爆炸極限范圍內(nèi)，該管道內(nèi)pmax隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加先增大后減??；到達(dá)tmax時(shí)，隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加，pmax先減小后增大。在該管道內(nèi)體積分?jǐn)?shù)為10%的瓦斯爆炸威力最大，pmax為0.74 MPa，(dp/dt)max為 11.059 MPa/s，tmax為0.323 s。

2)在瓦斯爆炸極限范圍內(nèi)，管道內(nèi)火焰溫度峰值隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加先增大后減?。?號(hào)熱電偶測(cè)得的火焰溫度高于1號(hào)測(cè)得的溫度，說(shuō)明管道上部燃燒反應(yīng)比下部劇烈。1號(hào)熱電偶測(cè)得的火焰溫度符合4次函數(shù)表達(dá)式，且當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，火焰最明亮，火焰溫度峰值最高，為1 704.26°C。

3)在該管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，火焰峰面初期發(fā)生變化，在短時(shí)間內(nèi)由球形火焰峰面轉(zhuǎn)變?yōu)橹讣庑突鹧妗Ｍ咚贵w積分?jǐn)?shù)越接近10%，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中越易形成火焰峰面由未燃區(qū)向已燃區(qū)凹陷的“Tulip”火焰。

4) 在爆炸管道內(nèi)，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近10%時(shí)，溫度和壓力都最大，爆炸越猛烈，破壞越強(qiáng)，偏離該濃度時(shí)，溫度和壓力都會(huì)降低。所以，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中一定要控制瓦斯體積分?jǐn)?shù)，避免井下瓦斯爆炸的發(fā)生。