金屬絲網(wǎng)對(duì)甲烷/空氣爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h1>
2020-10-20 08:12:34孫瑋康陳先鋒馮夢(mèng)夢(mèng)黃楚原智雪珂
高壓物理學(xué)報(bào) 2020年5期
孫瑋康，陳先鋒，馮夢(mèng)夢(mèng)，黃楚原，劉 靜，趙 齊，智雪珂
（武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070）
甲烷作為天然氣、煤層氣、頁巖氣、瓦斯的主要成分，因其儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保、熱值大等優(yōu)勢(shì)，被視為21 世紀(jì)最有可能替代化石能源、解決世界能源危機(jī)的燃料之一。我國在“十三五”、“十四五”規(guī)劃中明確提出要在21 世紀(jì)大力發(fā)展天然氣工業(yè)，增加天然氣在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例[1-2]。但在天然氣開采、輸運(yùn)的過程中，天然氣泄漏導(dǎo)致的爆炸事故一直是制約天然氣行業(yè)發(fā)展的重要阻礙。天然氣泄漏到空氣中，與空氣形成一定濃度的預(yù)混氣體，當(dāng)濃度處在爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，遇到具有一定能量的物質(zhì)，易造成天然氣爆燃甚至爆轟事故，對(duì)作業(yè)人員的生命安全和設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此，開展天然氣爆炸安全防護(hù)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。
絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、廉價(jià)、易制、對(duì)爆炸具有良好的抑制效果，因而受到國內(nèi)外研究人員的青睞[3-6]，并開展了大量的研究工作，主要包括金屬絲網(wǎng)層數(shù)與目數(shù)[7-11]、金屬絲網(wǎng)材料[12]、泡沫陶瓷和泡沫金屬[13-15]、理論推導(dǎo)[16]、多孔區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)[17]等因素對(duì)可燃性氣體爆炸特性的影響。陳鵬等[7]利用自行設(shè)計(jì)的水平管道及相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，研究了金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰前鋒的變化以及超壓峰值的影響。喻健良等[8]通過設(shè)計(jì)的爆炸實(shí)驗(yàn)水平長管道系統(tǒng)，開展了兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的金屬絲網(wǎng)對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c超壓峰值的影響，建立了這些參數(shù)與絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。張巨峰等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了金屬絲網(wǎng)對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，多層金屬絲網(wǎng)可以明顯地影響預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰在管道內(nèi)的傳播，可以完全淬熄較弱的爆炸火焰。程方明等[10]通過實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬技術(shù)研究了安裝金屬絲網(wǎng)的管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸约傲鲌?chǎng)、溫度場(chǎng)的變化，發(fā)現(xiàn)40 目4 層的金屬絲網(wǎng)可以使火焰淬熄，30 目4 層的金屬絲網(wǎng)無法淬熄火焰，但可以使火焰停滯3 ms。Yang 等[11]開展了網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰的影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的位置和尺寸對(duì)火焰的發(fā)展有非常重要的影響，當(dāng)網(wǎng)孔靠近點(diǎn)火位置時(shí)對(duì)火焰發(fā)展有激勵(lì)作用。顧濤等[12]在自行設(shè)計(jì)的箱體結(jié)構(gòu)中研究了金屬絲網(wǎng)與點(diǎn)火源之間的距離、金屬絲網(wǎng)材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)火焰波阻隔效果的影響，由此提出了金屬熱導(dǎo)系數(shù)與阻隔火焰波時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。孫建華等[13]在長管道中開展了不同參數(shù)的金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷材料及二者組合體抑爆效果的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一定參數(shù)的金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷組合體對(duì)爆炸火焰超壓峰值和溫度峰值的衰減效果都優(yōu)于單體。魏春榮[14]通過自主設(shè)計(jì)的長管道系統(tǒng)，研究了金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷與泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)爆炸火焰超壓峰值、溫度峰值的影響。Chen 等[15]開展了金屬泡沫網(wǎng)對(duì)預(yù)混氣體在封閉管道內(nèi)傳播的影響研究，結(jié)果表明：孔隙率對(duì)爆炸的嚴(yán)重性有很大的影響，能使超壓降低33.3%～46.6%，且隨著孔隙率的增大，最大壓力上升速率呈線性減小的規(guī)律，但對(duì)火焰尖端的速度和形狀影響較小。吳征艷等[16]在多層金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯爆炸傳播的抑制作用機(jī)理上建立了多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)抑燃抑爆的數(shù)學(xué)模型，表述了火焰?zhèn)鞑?shù)、爆炸反應(yīng)波參數(shù)與絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。Ciccarelli 等[17]使用直徑為1.27 cm 的球珠組成不同厚度的多孔區(qū)域，研究了多孔區(qū)域厚度和孔隙對(duì)預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰前鋒反應(yīng)區(qū)厚度的影響。
上述研究工作主要針對(duì)可燃性氣體爆炸過程中火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、超壓峰值與溫度峰值隨實(shí)驗(yàn)條件的變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)超壓、溫度隨時(shí)間總體變化過程的研究較少，而實(shí)際情況下，爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)的壓力、溫度隨時(shí)間的變化過程是影響人員逃生的重要因素之一?；谝陨锨闆r，本工作利用方形管道火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)，開展不同目數(shù)、層數(shù)的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰超壓、溫度的影響研究，利用溫度峰值衰減率、超壓峰值衰減率來表征金屬絲網(wǎng)的抑制效果，為實(shí)際工作中絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)選用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由5 部分組成，分別是燃燒主管道、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及同步控制系統(tǒng)，各部分之間的連接關(guān)系如圖1 所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of experimental system
燃燒主管道由3 節(jié)截面尺寸為110 mm × 110 mm、長度為1 m（壁厚20 mm）的方管通過法蘭-螺栓結(jié)構(gòu)連接而成。高壓點(diǎn)火系統(tǒng)由高壓放電器、兩根純鎢絲電極針組成，電極針安裝在離管道左端25 cm處（圖1 中位置7），高壓放電器能產(chǎn)生14 kV 的高壓。實(shí)驗(yàn)選用體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣體作為研究對(duì)象。采用抽真空法（利用配氣儀預(yù)先配置所需濃度的可燃性氣體）進(jìn)行配氣，實(shí)驗(yàn)條件為298 K、0.1 MPa。數(shù)據(jù)采集儀為HIOKI 公司的8861-50 型存儲(chǔ)記錄儀。壓力傳感器為CYG409 型水冷式齊平封裝高頻動(dòng)態(tài)高溫壓力傳感器（量程為0 ～1 MPa），使用Pt/Rh13-Pt（R）型精細(xì)熱電偶測(cè)試爆燃火焰溫度，壓力傳感器和熱電偶分別安裝在距離管道右端50 cm 處（圖1 中的8、9 位置）。實(shí)驗(yàn)過程如下：（1）對(duì)管道進(jìn)行清潔；（2）對(duì)燃燒管道進(jìn)行氣密性檢查；（3）利用抽真空法進(jìn)行配氣，配氣結(jié)束后，靜置5 min，確保管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體混合均勻；（4）點(diǎn)火觸發(fā)，在同步控制系統(tǒng)的控制下觸發(fā)各系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。
實(shí)驗(yàn)使用的金屬絲網(wǎng)目數(shù)分別為10、20、30，層數(shù)分別為1、2、3。圖2 為金屬絲網(wǎng)實(shí)物，表1 列出了金屬絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過鋼制夾板固定在距離管道左端2 m（圖1 中的位置13）的位置處。
圖2 金屬絲網(wǎng)實(shí)物Fig. 2 Picture of wire mesh
表1 金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Mesh structure parameters
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 對(duì)爆燃火焰溫度的影響
2.1.1 目數(shù)對(duì)爆燃溫度的影響
金屬絲網(wǎng)層數(shù)固定、目數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過程如圖3 所示，其中“0”對(duì)應(yīng)于無金屬絲網(wǎng)。由圖3 可得，當(dāng)管道內(nèi)無金屬絲網(wǎng)時(shí)，溫度在70 ms 時(shí)開始急速上升，239 ms 時(shí)達(dá)到溫度峰值1 588 ℃，之后溫度快速下降。增加金屬絲網(wǎng)目數(shù)時(shí)，除1 層金屬絲網(wǎng)工況下20 目較10 目的溫度峰值有微弱增加之外，其他工況條件下溫度峰值都隨目數(shù)的增加而降低，所有工況條件下，溫度峰值較無金屬絲網(wǎng)條件均出現(xiàn)降低，金屬絲網(wǎng)為3 層、30 目時(shí)，測(cè)得的溫度峰值為759 ℃，相較于無金屬絲網(wǎng)時(shí)測(cè)得的1 588 ℃，溫度峰值下降了52.51%，說明放置金屬絲網(wǎng)后，管道內(nèi)爆燃火焰溫度得到了明顯的抑制。安裝金屬絲網(wǎng)時(shí)管道內(nèi)溫度下降過程較未安裝金屬絲網(wǎng)時(shí)也出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，并且溫度起始時(shí)間出現(xiàn)明顯的延后。這是因?yàn)?，?shí)驗(yàn)過程中，熱電偶布置在金屬絲網(wǎng)后部，火焰通過金屬絲網(wǎng)時(shí)，金屬絲網(wǎng)本身良好的導(dǎo)熱性能使部分熱量被金屬絲網(wǎng)吸收，并且金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使火焰鋒面出現(xiàn)褶皺并破損[10]，破壞了反應(yīng)中的熱平衡。金屬絲網(wǎng)目數(shù)越大，孔徑越小，與火焰的接觸面積越大，破壞作用越明顯，導(dǎo)致熱量向前傳遞的時(shí)間變長，熱電偶測(cè)得的溫度起始時(shí)間越延后，并且相較于無金屬絲網(wǎng)時(shí)快速、無波動(dòng)下降的溫度曲線，放置金屬絲網(wǎng)后各工況下測(cè)得的溫度曲線在溫度下降過程中出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，也進(jìn)一步說明金屬絲網(wǎng)的存在打破了管道內(nèi)反應(yīng)的熱平衡。
圖3 不同目數(shù)時(shí)管道內(nèi)溫度-時(shí)間變化曲線Fig. 3 Temperature-time curves with different mesh numbers
由圖3 各工況條件下溫度-時(shí)間曲線中得到的溫度峰值，使用溫度峰值衰減率來表征絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰溫度的抑制效果，計(jì)算公式為
式中： τ為溫度峰值衰減率，Tmax0為無金屬絲網(wǎng)時(shí)的溫度峰值，Tmax為各工況下的溫度峰值。將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性擬合，如圖4 所示。
由圖4 可得，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，溫度峰值衰減率隨著金屬絲網(wǎng)目數(shù)的增加而增大，金屬絲網(wǎng)層數(shù)越多，溫度峰值衰減率增大的幅度越大。根據(jù)金屬絲網(wǎng)層數(shù)的不同，可以將抑制效果分成3 個(gè)階段。第1 階段為金屬絲網(wǎng)目數(shù)小于13 時(shí)，層數(shù)越大，抑制效果反而越弱，但是隨著目數(shù)的增加，抑制效果之間的差距減小。這是因?yàn)椋饘俳z網(wǎng)目數(shù)較小時(shí)，火焰能順利通過金屬絲網(wǎng)，金屬絲網(wǎng)使下游流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，?duì)火焰表現(xiàn)為一定的激勵(lì)作用[10]，單位時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的氣體增多，釋放的熱量增大，從而對(duì)衰減效果進(jìn)行了部分補(bǔ)償，導(dǎo)致溫度峰值衰減率降低，但是整體上還是表現(xiàn)出對(duì)溫度的衰減效果。第2 階段為金屬絲網(wǎng)目數(shù)大于13 且小于20 時(shí)，2 層金屬絲網(wǎng)的溫度峰值衰減率一直小于1 層金屬絲網(wǎng)，3 層金屬絲網(wǎng)溫度峰值衰減率快速增加，在16 目之后，高于另外兩種工況。第3 階段為金屬絲網(wǎng)目數(shù)大于20 時(shí)，3 層金屬絲網(wǎng)的溫度峰值衰減率隨著目數(shù)的增加呈快速增大趨勢(shì)，而1 層和2 層時(shí)增大較緩慢。
圖4 溫度峰值衰減率-目數(shù)擬合曲線Fig. 4 Fitted curves of the relationship between peak temperature decay rate and mesh number
2.1.2 層數(shù)對(duì)爆燃溫度的影響
金屬絲網(wǎng)目數(shù)固定、層數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過程如圖5 所示，其中“0”表示無金屬絲網(wǎng)。由圖5 可得，當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)為10、20 時(shí)，相較于無金屬絲網(wǎng)，各工況下溫度峰值出現(xiàn)輕微降低；金屬絲網(wǎng)目數(shù)為30 時(shí)，溫度峰值顯著降低，說明管道內(nèi)的火焰得到了抑制，并且當(dāng)目數(shù)為30 時(shí)，抑制效果最好。隨著層數(shù)的增加，除10 目1 層和10 目2 層這兩種工況之外，其他工況溫度起始時(shí)間均隨層數(shù)的增加出現(xiàn)明顯的延后，與2.1.1 節(jié)中目數(shù)使溫度起始時(shí)間延后的原因類似。
圖5 不同層數(shù)時(shí)管道內(nèi)溫度-時(shí)間變化曲線Fig. 5 Temperature history curves with different layer numbers
利用實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到溫度峰值衰減率，對(duì)溫度峰值衰減率隨層數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，擬合曲線如圖6 所示。由圖6 可得：當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)較小時(shí)，溫度峰值衰減率隨層數(shù)的增加無明顯變化或略有下降；當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)較大時(shí)，溫度峰值衰減率隨層數(shù)的增加顯著增加。與2.1.1 節(jié)分析的目數(shù)對(duì)溫度峰值衰減率的影響相比，目數(shù)的增加對(duì)溫度峰值的衰減效果更加顯著。
2.2 對(duì)爆燃火焰超壓的影響
2.2.1 目數(shù)對(duì)爆燃超壓的影響
圖6 溫度峰值衰減率-層數(shù)變化關(guān)系擬合曲線Fig. 6 Fitted curves of the relationship between peak temperature decay rate and layer number
金屬絲網(wǎng)層數(shù)固定、目數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)超壓隨時(shí)間變化的過程如圖7 所示，其中0 表示無金屬絲網(wǎng)。由圖7 可得：當(dāng)管道內(nèi)無金屬絲網(wǎng)時(shí)，超壓快速上升，在26 ms 時(shí)達(dá)到超壓峰值375.5 kPa，之后超壓快速下降。放置金屬絲網(wǎng)后，各工況下測(cè)得的超壓峰值均低于無金屬絲網(wǎng)情況，并且除1 層金屬絲網(wǎng)條件下超壓峰值下降幅度較小外，其他工況下管道內(nèi)超壓峰值顯著降低，當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)為3，目數(shù)分別為10、20、30 時(shí)，管道內(nèi)測(cè)得的超壓峰值分別為236.2、221.4、124.8 kPa，超壓峰值分別衰減了37.55%、41.14%、88.84%，說明爆燃超壓得到了有效的抑制。在30 目2 層、10 目3 層和20 目3 層這3 種工況下，會(huì)出現(xiàn)兩次超壓峰值，是因?yàn)樵? 種工況金屬絲網(wǎng)目數(shù)或?qū)訑?shù)相對(duì)較大，火焰在通過金屬絲網(wǎng)時(shí)，金屬絲網(wǎng)本身的吸熱、吸波效應(yīng)[7]以及對(duì)火焰鋒面進(jìn)行破壞、切割，導(dǎo)致管道內(nèi)超壓降低，隨著火焰的傳播，火焰通過金屬絲網(wǎng)后，網(wǎng)后燃燒反應(yīng)速率突然加快，超壓又一次上升，直至反應(yīng)結(jié)束。當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)或?qū)訑?shù)較小時(shí)（10 目1 層、20 目1 層、30 目1 層、10 目2 層、20 目2 層），相較于無金屬絲網(wǎng)條件，管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間縮短；當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)或?qū)訑?shù)適中時(shí)（30 目2 層、10 目3 層、20 目3 層），管道內(nèi)到達(dá)超壓峰值的時(shí)間相較于無金屬絲網(wǎng)延長；當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)、目數(shù)較大時(shí)（30 目3 層），管道內(nèi)的超壓得到明顯抑制。這是因?yàn)?，金屬絲網(wǎng)除了具有吸熱、吸波效應(yīng)，還可以看作障礙物，增加了管道內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度，導(dǎo)致火焰在管道內(nèi)的傳播速度加快，這種激勵(lì)作用與金屬絲網(wǎng)的層數(shù)與目數(shù)密切相關(guān)，所以當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)或目數(shù)較小時(shí)，火焰通過金屬絲網(wǎng)時(shí)，這種激勵(lì)作用起主導(dǎo)因素，從而加快了管道內(nèi)火焰的傳播速度，使到達(dá)壓力峰值的時(shí)間提前，而當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)、目數(shù)較大時(shí)，這種激勵(lì)作用較弱，金屬絲網(wǎng)本身的吸熱、吸波效應(yīng)起主導(dǎo)因素，使得壓力達(dá)到峰值的時(shí)間延后。說明最大壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻也與火焰-湍流耦合效應(yīng)發(fā)生時(shí)刻有關(guān)[18]。
圖7 不同目數(shù)時(shí)管道內(nèi)超壓-時(shí)間變化曲線Fig. 7 Overpressure history curves with different mesh numbers
使用超壓峰值衰減率來判斷金屬絲網(wǎng)對(duì)管道內(nèi)甲烷爆炸阻隔防爆效果，計(jì)算公式為
圖8 超壓峰值衰減率-目數(shù)變化擬合曲線Fig. 8 Fitted curves of the relationship between peak overpressure decay rate and mesh number
式中： λ為超壓峰值衰減率，pmax0為無金屬絲網(wǎng)條件下的超壓峰值，pmax為各工況下的超壓峰值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果利用線性擬合的方式進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可得：當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)為1 時(shí)，超壓峰值衰減率隨目數(shù)的增大增幅較小；絲網(wǎng)層數(shù)為2、3 時(shí)，超壓峰值衰減率隨目數(shù)的增大顯著增大，當(dāng)金屬絲網(wǎng)為30 目3 層時(shí)，超壓峰值衰減率達(dá)到66.84%。
2.2.2 層數(shù)對(duì)爆燃超壓的影響
圖9 不同層數(shù)時(shí)管道內(nèi)超壓-時(shí)間變化曲線Fig. 9 Overpressure history curves with different layer numbers
金屬絲網(wǎng)目數(shù)固定、層數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)超壓隨時(shí)間的變化過程如圖9 所示，其中0 對(duì)應(yīng)于無金屬絲網(wǎng)。由圖9 可得，金屬絲網(wǎng)層數(shù)對(duì)管道內(nèi)爆燃超壓的影響規(guī)律與不同目數(shù)作用下爆燃超壓變化規(guī)律相似，隨著金屬絲網(wǎng)層數(shù)的增加，超壓峰值降低，特別是當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)為3 時(shí)，超壓峰值下降顯著，金屬絲網(wǎng)為30 目3 層時(shí)，管道內(nèi)達(dá)到的超壓峰值降低到124.8 kPa，下降了66.84%，說明金屬絲網(wǎng)能有效抑制管道內(nèi)的爆燃超壓。并且從圖9（a）、圖9（b）中可以明顯看出，當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)較?。? 層、2 層）時(shí)，管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間提前，當(dāng)層數(shù)增加到3 層時(shí)，管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間延后，也證明了2.2.1 節(jié)中的解釋。
超壓峰值衰減率隨層數(shù)的變化擬合曲線如圖10 所示。由圖10 可得：隨著金屬絲網(wǎng)層數(shù)的增加，超壓峰值衰減率顯著增大，與2.2.1 節(jié)分析的目數(shù)對(duì)超壓峰值衰減率的影響相比，層數(shù)的增加對(duì)超壓的衰減效果更加顯著。
圖10 超壓峰值衰減率-層數(shù)變化擬合曲線Fig. 10 Fitted curves of the relationship between peak overpressure decay rate and layer number
3 結(jié) 論
通過自主搭建的方形管道火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)，開展了不同目數(shù)、層數(shù)的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論。
（1）在管道中安裝絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，管道內(nèi)測(cè)得的甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰的溫度峰值與超壓峰值相較于無金屬絲網(wǎng)時(shí)均降低，目數(shù)與層數(shù)越大，抑制效果越好，當(dāng)金屬絲網(wǎng)為3 層30 目時(shí)，溫度峰值衰減率達(dá)到52.37%，超壓峰值衰減率達(dá)到66.84%。
（2）金屬絲網(wǎng)抑制爆燃火焰超壓變化的過程表現(xiàn)為：層數(shù)或目數(shù)較小時(shí)（1 層或10 目），管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間提前；層數(shù)或目數(shù)適中時(shí)（2 層或20 目），超壓曲線出現(xiàn)兩個(gè)超壓峰值；層數(shù)或目數(shù)較大時(shí)（3 層或30 目），爆燃火焰超壓能得到有效的抑制；金屬絲網(wǎng)的存在破壞了管道內(nèi)的熱平衡，導(dǎo)致熱量向前傳遞的時(shí)間變長，熱電偶測(cè)得的溫度起始時(shí)間延后，并且相較于無金屬絲網(wǎng)條件下快速、無波動(dòng)下降的溫度曲線，安裝金屬絲網(wǎng)后各工況下測(cè)得的溫度曲線在溫度下降過程中出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。
（3）甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰通過金屬絲網(wǎng)后，金屬絲網(wǎng)后部的流場(chǎng)湍流強(qiáng)度增大，對(duì)火焰具有一定的激勵(lì)作用，從而對(duì)爆燃超壓衰減進(jìn)行一定的補(bǔ)償，進(jìn)而影響金屬絲網(wǎng)的抑爆效果。
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孫瑋康，陳先鋒，馮夢(mèng)夢(mèng)，黃楚原，劉 靜，趙 齊，智雪珂
（武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070）
甲烷作為天然氣、煤層氣、頁巖氣、瓦斯的主要成分，因其儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保、熱值大等優(yōu)勢(shì)，被視為21 世紀(jì)最有可能替代化石能源、解決世界能源危機(jī)的燃料之一。我國在“十三五”、“十四五”規(guī)劃中明確提出要在21 世紀(jì)大力發(fā)展天然氣工業(yè)，增加天然氣在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例[1-2]。但在天然氣開采、輸運(yùn)的過程中，天然氣泄漏導(dǎo)致的爆炸事故一直是制約天然氣行業(yè)發(fā)展的重要阻礙。天然氣泄漏到空氣中，與空氣形成一定濃度的預(yù)混氣體，當(dāng)濃度處在爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，遇到具有一定能量的物質(zhì)，易造成天然氣爆燃甚至爆轟事故，對(duì)作業(yè)人員的生命安全和設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此，開展天然氣爆炸安全防護(hù)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。
絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、廉價(jià)、易制、對(duì)爆炸具有良好的抑制效果，因而受到國內(nèi)外研究人員的青睞[3-6]，并開展了大量的研究工作，主要包括金屬絲網(wǎng)層數(shù)與目數(shù)[7-11]、金屬絲網(wǎng)材料[12]、泡沫陶瓷和泡沫金屬[13-15]、理論推導(dǎo)[16]、多孔區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)[17]等因素對(duì)可燃性氣體爆炸特性的影響。陳鵬等[7]利用自行設(shè)計(jì)的水平管道及相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，研究了金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰前鋒的變化以及超壓峰值的影響。喻健良等[8]通過設(shè)計(jì)的爆炸實(shí)驗(yàn)水平長管道系統(tǒng)，開展了兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的金屬絲網(wǎng)對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c超壓峰值的影響，建立了這些參數(shù)與絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。張巨峰等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了金屬絲網(wǎng)對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，多層金屬絲網(wǎng)可以明顯地影響預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰在管道內(nèi)的傳播，可以完全淬熄較弱的爆炸火焰。程方明等[10]通過實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬技術(shù)研究了安裝金屬絲網(wǎng)的管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦砸约傲鲌?chǎng)、溫度場(chǎng)的變化，發(fā)現(xiàn)40 目4 層的金屬絲網(wǎng)可以使火焰淬熄，30 目4 層的金屬絲網(wǎng)無法淬熄火焰，但可以使火焰停滯3 ms。Yang 等[11]開展了網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸火焰的影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的位置和尺寸對(duì)火焰的發(fā)展有非常重要的影響，當(dāng)網(wǎng)孔靠近點(diǎn)火位置時(shí)對(duì)火焰發(fā)展有激勵(lì)作用。顧濤等[12]在自行設(shè)計(jì)的箱體結(jié)構(gòu)中研究了金屬絲網(wǎng)與點(diǎn)火源之間的距離、金屬絲網(wǎng)材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)火焰波阻隔效果的影響，由此提出了金屬熱導(dǎo)系數(shù)與阻隔火焰波時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。孫建華等[13]在長管道中開展了不同參數(shù)的金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷材料及二者組合體抑爆效果的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一定參數(shù)的金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷組合體對(duì)爆炸火焰超壓峰值和溫度峰值的衰減效果都優(yōu)于單體。魏春榮[14]通過自主設(shè)計(jì)的長管道系統(tǒng)，研究了金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷與泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)爆炸火焰超壓峰值、溫度峰值的影響。Chen 等[15]開展了金屬泡沫網(wǎng)對(duì)預(yù)混氣體在封閉管道內(nèi)傳播的影響研究，結(jié)果表明：孔隙率對(duì)爆炸的嚴(yán)重性有很大的影響，能使超壓降低33.3%～46.6%，且隨著孔隙率的增大，最大壓力上升速率呈線性減小的規(guī)律，但對(duì)火焰尖端的速度和形狀影響較小。吳征艷等[16]在多層金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯爆炸傳播的抑制作用機(jī)理上建立了多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)抑燃抑爆的數(shù)學(xué)模型，表述了火焰?zhèn)鞑?shù)、爆炸反應(yīng)波參數(shù)與絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。Ciccarelli 等[17]使用直徑為1.27 cm 的球珠組成不同厚度的多孔區(qū)域，研究了多孔區(qū)域厚度和孔隙對(duì)預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰前鋒反應(yīng)區(qū)厚度的影響。
上述研究工作主要針對(duì)可燃性氣體爆炸過程中火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、超壓峰值與溫度峰值隨實(shí)驗(yàn)條件的變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)超壓、溫度隨時(shí)間總體變化過程的研究較少，而實(shí)際情況下，爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)的壓力、溫度隨時(shí)間的變化過程是影響人員逃生的重要因素之一?；谝陨锨闆r，本工作利用方形管道火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)，開展不同目數(shù)、層數(shù)的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰超壓、溫度的影響研究，利用溫度峰值衰減率、超壓峰值衰減率來表征金屬絲網(wǎng)的抑制效果，為實(shí)際工作中絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)選用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由5 部分組成，分別是燃燒主管道、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及同步控制系統(tǒng)，各部分之間的連接關(guān)系如圖1 所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of experimental system
燃燒主管道由3 節(jié)截面尺寸為110 mm × 110 mm、長度為1 m（壁厚20 mm）的方管通過法蘭-螺栓結(jié)構(gòu)連接而成。高壓點(diǎn)火系統(tǒng)由高壓放電器、兩根純鎢絲電極針組成，電極針安裝在離管道左端25 cm處（圖1 中位置7），高壓放電器能產(chǎn)生14 kV 的高壓。實(shí)驗(yàn)選用體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣體作為研究對(duì)象。采用抽真空法（利用配氣儀預(yù)先配置所需濃度的可燃性氣體）進(jìn)行配氣，實(shí)驗(yàn)條件為298 K、0.1 MPa。數(shù)據(jù)采集儀為HIOKI 公司的8861-50 型存儲(chǔ)記錄儀。壓力傳感器為CYG409 型水冷式齊平封裝高頻動(dòng)態(tài)高溫壓力傳感器（量程為0 ～1 MPa），使用Pt/Rh13-Pt（R）型精細(xì)熱電偶測(cè)試爆燃火焰溫度，壓力傳感器和熱電偶分別安裝在距離管道右端50 cm 處（圖1 中的8、9 位置）。實(shí)驗(yàn)過程如下：（1）對(duì)管道進(jìn)行清潔；（2）對(duì)燃燒管道進(jìn)行氣密性檢查；（3）利用抽真空法進(jìn)行配氣，配氣結(jié)束后，靜置5 min，確保管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體混合均勻；（4）點(diǎn)火觸發(fā)，在同步控制系統(tǒng)的控制下觸發(fā)各系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。
實(shí)驗(yàn)使用的金屬絲網(wǎng)目數(shù)分別為10、20、30，層數(shù)分別為1、2、3。圖2 為金屬絲網(wǎng)實(shí)物，表1 列出了金屬絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過鋼制夾板固定在距離管道左端2 m（圖1 中的位置13）的位置處。
圖2 金屬絲網(wǎng)實(shí)物Fig. 2 Picture of wire mesh
表1 金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Mesh structure parameters
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 對(duì)爆燃火焰溫度的影響
2.1.1 目數(shù)對(duì)爆燃溫度的影響
金屬絲網(wǎng)層數(shù)固定、目數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過程如圖3 所示，其中“0”對(duì)應(yīng)于無金屬絲網(wǎng)。由圖3 可得，當(dāng)管道內(nèi)無金屬絲網(wǎng)時(shí)，溫度在70 ms 時(shí)開始急速上升，239 ms 時(shí)達(dá)到溫度峰值1 588 ℃，之后溫度快速下降。增加金屬絲網(wǎng)目數(shù)時(shí)，除1 層金屬絲網(wǎng)工況下20 目較10 目的溫度峰值有微弱增加之外，其他工況條件下溫度峰值都隨目數(shù)的增加而降低，所有工況條件下，溫度峰值較無金屬絲網(wǎng)條件均出現(xiàn)降低，金屬絲網(wǎng)為3 層、30 目時(shí)，測(cè)得的溫度峰值為759 ℃，相較于無金屬絲網(wǎng)時(shí)測(cè)得的1 588 ℃，溫度峰值下降了52.51%，說明放置金屬絲網(wǎng)后，管道內(nèi)爆燃火焰溫度得到了明顯的抑制。安裝金屬絲網(wǎng)時(shí)管道內(nèi)溫度下降過程較未安裝金屬絲網(wǎng)時(shí)也出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，并且溫度起始時(shí)間出現(xiàn)明顯的延后。這是因?yàn)?，?shí)驗(yàn)過程中，熱電偶布置在金屬絲網(wǎng)后部，火焰通過金屬絲網(wǎng)時(shí)，金屬絲網(wǎng)本身良好的導(dǎo)熱性能使部分熱量被金屬絲網(wǎng)吸收，并且金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使火焰鋒面出現(xiàn)褶皺并破損[10]，破壞了反應(yīng)中的熱平衡。金屬絲網(wǎng)目數(shù)越大，孔徑越小，與火焰的接觸面積越大，破壞作用越明顯，導(dǎo)致熱量向前傳遞的時(shí)間變長，熱電偶測(cè)得的溫度起始時(shí)間越延后，并且相較于無金屬絲網(wǎng)時(shí)快速、無波動(dòng)下降的溫度曲線，放置金屬絲網(wǎng)后各工況下測(cè)得的溫度曲線在溫度下降過程中出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，也進(jìn)一步說明金屬絲網(wǎng)的存在打破了管道內(nèi)反應(yīng)的熱平衡。
圖3 不同目數(shù)時(shí)管道內(nèi)溫度-時(shí)間變化曲線Fig. 3 Temperature-time curves with different mesh numbers
由圖3 各工況條件下溫度-時(shí)間曲線中得到的溫度峰值，使用溫度峰值衰減率來表征絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰溫度的抑制效果，計(jì)算公式為
式中： τ為溫度峰值衰減率，Tmax0為無金屬絲網(wǎng)時(shí)的溫度峰值，Tmax為各工況下的溫度峰值。將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性擬合，如圖4 所示。
由圖4 可得，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，溫度峰值衰減率隨著金屬絲網(wǎng)目數(shù)的增加而增大，金屬絲網(wǎng)層數(shù)越多，溫度峰值衰減率增大的幅度越大。根據(jù)金屬絲網(wǎng)層數(shù)的不同，可以將抑制效果分成3 個(gè)階段。第1 階段為金屬絲網(wǎng)目數(shù)小于13 時(shí)，層數(shù)越大，抑制效果反而越弱，但是隨著目數(shù)的增加，抑制效果之間的差距減小。這是因?yàn)椋饘俳z網(wǎng)目數(shù)較小時(shí)，火焰能順利通過金屬絲網(wǎng)，金屬絲網(wǎng)使下游流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，?duì)火焰表現(xiàn)為一定的激勵(lì)作用[10]，單位時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的氣體增多，釋放的熱量增大，從而對(duì)衰減效果進(jìn)行了部分補(bǔ)償，導(dǎo)致溫度峰值衰減率降低，但是整體上還是表現(xiàn)出對(duì)溫度的衰減效果。第2 階段為金屬絲網(wǎng)目數(shù)大于13 且小于20 時(shí)，2 層金屬絲網(wǎng)的溫度峰值衰減率一直小于1 層金屬絲網(wǎng)，3 層金屬絲網(wǎng)溫度峰值衰減率快速增加，在16 目之后，高于另外兩種工況。第3 階段為金屬絲網(wǎng)目數(shù)大于20 時(shí)，3 層金屬絲網(wǎng)的溫度峰值衰減率隨著目數(shù)的增加呈快速增大趨勢(shì)，而1 層和2 層時(shí)增大較緩慢。
圖4 溫度峰值衰減率-目數(shù)擬合曲線Fig. 4 Fitted curves of the relationship between peak temperature decay rate and mesh number
2.1.2 層數(shù)對(duì)爆燃溫度的影響
金屬絲網(wǎng)目數(shù)固定、層數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過程如圖5 所示，其中“0”表示無金屬絲網(wǎng)。由圖5 可得，當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)為10、20 時(shí)，相較于無金屬絲網(wǎng)，各工況下溫度峰值出現(xiàn)輕微降低；金屬絲網(wǎng)目數(shù)為30 時(shí)，溫度峰值顯著降低，說明管道內(nèi)的火焰得到了抑制，并且當(dāng)目數(shù)為30 時(shí)，抑制效果最好。隨著層數(shù)的增加，除10 目1 層和10 目2 層這兩種工況之外，其他工況溫度起始時(shí)間均隨層數(shù)的增加出現(xiàn)明顯的延后，與2.1.1 節(jié)中目數(shù)使溫度起始時(shí)間延后的原因類似。
圖5 不同層數(shù)時(shí)管道內(nèi)溫度-時(shí)間變化曲線Fig. 5 Temperature history curves with different layer numbers
利用實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到溫度峰值衰減率，對(duì)溫度峰值衰減率隨層數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，擬合曲線如圖6 所示。由圖6 可得：當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)較小時(shí)，溫度峰值衰減率隨層數(shù)的增加無明顯變化或略有下降；當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)較大時(shí)，溫度峰值衰減率隨層數(shù)的增加顯著增加。與2.1.1 節(jié)分析的目數(shù)對(duì)溫度峰值衰減率的影響相比，目數(shù)的增加對(duì)溫度峰值的衰減效果更加顯著。
2.2 對(duì)爆燃火焰超壓的影響
2.2.1 目數(shù)對(duì)爆燃超壓的影響
圖6 溫度峰值衰減率-層數(shù)變化關(guān)系擬合曲線Fig. 6 Fitted curves of the relationship between peak temperature decay rate and layer number
金屬絲網(wǎng)層數(shù)固定、目數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)超壓隨時(shí)間變化的過程如圖7 所示，其中0 表示無金屬絲網(wǎng)。由圖7 可得：當(dāng)管道內(nèi)無金屬絲網(wǎng)時(shí)，超壓快速上升，在26 ms 時(shí)達(dá)到超壓峰值375.5 kPa，之后超壓快速下降。放置金屬絲網(wǎng)后，各工況下測(cè)得的超壓峰值均低于無金屬絲網(wǎng)情況，并且除1 層金屬絲網(wǎng)條件下超壓峰值下降幅度較小外，其他工況下管道內(nèi)超壓峰值顯著降低，當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)為3，目數(shù)分別為10、20、30 時(shí)，管道內(nèi)測(cè)得的超壓峰值分別為236.2、221.4、124.8 kPa，超壓峰值分別衰減了37.55%、41.14%、88.84%，說明爆燃超壓得到了有效的抑制。在30 目2 層、10 目3 層和20 目3 層這3 種工況下，會(huì)出現(xiàn)兩次超壓峰值，是因?yàn)樵? 種工況金屬絲網(wǎng)目數(shù)或?qū)訑?shù)相對(duì)較大，火焰在通過金屬絲網(wǎng)時(shí)，金屬絲網(wǎng)本身的吸熱、吸波效應(yīng)[7]以及對(duì)火焰鋒面進(jìn)行破壞、切割，導(dǎo)致管道內(nèi)超壓降低，隨著火焰的傳播，火焰通過金屬絲網(wǎng)后，網(wǎng)后燃燒反應(yīng)速率突然加快，超壓又一次上升，直至反應(yīng)結(jié)束。當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)或?qū)訑?shù)較小時(shí)（10 目1 層、20 目1 層、30 目1 層、10 目2 層、20 目2 層），相較于無金屬絲網(wǎng)條件，管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間縮短；當(dāng)金屬絲網(wǎng)目數(shù)或?qū)訑?shù)適中時(shí)（30 目2 層、10 目3 層、20 目3 層），管道內(nèi)到達(dá)超壓峰值的時(shí)間相較于無金屬絲網(wǎng)延長；當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)、目數(shù)較大時(shí)（30 目3 層），管道內(nèi)的超壓得到明顯抑制。這是因?yàn)?，金屬絲網(wǎng)除了具有吸熱、吸波效應(yīng)，還可以看作障礙物，增加了管道內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度，導(dǎo)致火焰在管道內(nèi)的傳播速度加快，這種激勵(lì)作用與金屬絲網(wǎng)的層數(shù)與目數(shù)密切相關(guān)，所以當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)或目數(shù)較小時(shí)，火焰通過金屬絲網(wǎng)時(shí)，這種激勵(lì)作用起主導(dǎo)因素，從而加快了管道內(nèi)火焰的傳播速度，使到達(dá)壓力峰值的時(shí)間提前，而當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)、目數(shù)較大時(shí)，這種激勵(lì)作用較弱，金屬絲網(wǎng)本身的吸熱、吸波效應(yīng)起主導(dǎo)因素，使得壓力達(dá)到峰值的時(shí)間延后。說明最大壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻也與火焰-湍流耦合效應(yīng)發(fā)生時(shí)刻有關(guān)[18]。
圖7 不同目數(shù)時(shí)管道內(nèi)超壓-時(shí)間變化曲線Fig. 7 Overpressure history curves with different mesh numbers
使用超壓峰值衰減率來判斷金屬絲網(wǎng)對(duì)管道內(nèi)甲烷爆炸阻隔防爆效果，計(jì)算公式為
圖8 超壓峰值衰減率-目數(shù)變化擬合曲線Fig. 8 Fitted curves of the relationship between peak overpressure decay rate and mesh number
式中： λ為超壓峰值衰減率，pmax0為無金屬絲網(wǎng)條件下的超壓峰值，pmax為各工況下的超壓峰值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果利用線性擬合的方式進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可得：當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)為1 時(shí)，超壓峰值衰減率隨目數(shù)的增大增幅較小；絲網(wǎng)層數(shù)為2、3 時(shí)，超壓峰值衰減率隨目數(shù)的增大顯著增大，當(dāng)金屬絲網(wǎng)為30 目3 層時(shí)，超壓峰值衰減率達(dá)到66.84%。
2.2.2 層數(shù)對(duì)爆燃超壓的影響
圖9 不同層數(shù)時(shí)管道內(nèi)超壓-時(shí)間變化曲線Fig. 9 Overpressure history curves with different layer numbers
金屬絲網(wǎng)目數(shù)固定、層數(shù)改變時(shí)，管道內(nèi)超壓隨時(shí)間的變化過程如圖9 所示，其中0 對(duì)應(yīng)于無金屬絲網(wǎng)。由圖9 可得，金屬絲網(wǎng)層數(shù)對(duì)管道內(nèi)爆燃超壓的影響規(guī)律與不同目數(shù)作用下爆燃超壓變化規(guī)律相似，隨著金屬絲網(wǎng)層數(shù)的增加，超壓峰值降低，特別是當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)為3 時(shí)，超壓峰值下降顯著，金屬絲網(wǎng)為30 目3 層時(shí)，管道內(nèi)達(dá)到的超壓峰值降低到124.8 kPa，下降了66.84%，說明金屬絲網(wǎng)能有效抑制管道內(nèi)的爆燃超壓。并且從圖9（a）、圖9（b）中可以明顯看出，當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)較?。? 層、2 層）時(shí)，管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間提前，當(dāng)層數(shù)增加到3 層時(shí)，管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間延后，也證明了2.2.1 節(jié)中的解釋。
超壓峰值衰減率隨層數(shù)的變化擬合曲線如圖10 所示。由圖10 可得：隨著金屬絲網(wǎng)層數(shù)的增加，超壓峰值衰減率顯著增大，與2.2.1 節(jié)分析的目數(shù)對(duì)超壓峰值衰減率的影響相比，層數(shù)的增加對(duì)超壓的衰減效果更加顯著。
圖10 超壓峰值衰減率-層數(shù)變化擬合曲線Fig. 10 Fitted curves of the relationship between peak overpressure decay rate and layer number
3 結(jié) 論
通過自主搭建的方形管道火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)，開展了不同目數(shù)、層數(shù)的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論。
（1）在管道中安裝絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，管道內(nèi)測(cè)得的甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰的溫度峰值與超壓峰值相較于無金屬絲網(wǎng)時(shí)均降低，目數(shù)與層數(shù)越大，抑制效果越好，當(dāng)金屬絲網(wǎng)為3 層30 目時(shí)，溫度峰值衰減率達(dá)到52.37%，超壓峰值衰減率達(dá)到66.84%。
（2）金屬絲網(wǎng)抑制爆燃火焰超壓變化的過程表現(xiàn)為：層數(shù)或目數(shù)較小時(shí)（1 層或10 目），管道內(nèi)達(dá)到超壓峰值的時(shí)間提前；層數(shù)或目數(shù)適中時(shí)（2 層或20 目），超壓曲線出現(xiàn)兩個(gè)超壓峰值；層數(shù)或目數(shù)較大時(shí)（3 層或30 目），爆燃火焰超壓能得到有效的抑制；金屬絲網(wǎng)的存在破壞了管道內(nèi)的熱平衡，導(dǎo)致熱量向前傳遞的時(shí)間變長，熱電偶測(cè)得的溫度起始時(shí)間延后，并且相較于無金屬絲網(wǎng)條件下快速、無波動(dòng)下降的溫度曲線，安裝金屬絲網(wǎng)后各工況下測(cè)得的溫度曲線在溫度下降過程中出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。
（3）甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰通過金屬絲網(wǎng)后，金屬絲網(wǎng)后部的流場(chǎng)湍流強(qiáng)度增大，對(duì)火焰具有一定的激勵(lì)作用，從而對(duì)爆燃超壓衰減進(jìn)行一定的補(bǔ)償，進(jìn)而影響金屬絲網(wǎng)的抑爆效果。
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