CH4/O2/CO2 預(yù)混體系爆炸動(dòng)力學(xué)研究*

鐘飛翔，鄭立剛,2，馬鴻雁，杜德朋，王 璽，潘榮錕,2

（1. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；2. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003）

天然氣作為我國(guó)最主要的化石能源之一，在工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，但是天然氣在燃燒過程中會(huì)使CO和其他NO的排放量大大增加，造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)與大氣污染問題。因此，為了降低有害氣體的排放率，富氧燃燒（oxygen-enriched combustion, OEC）技術(shù)可以作為一種備選方案。OEC 技術(shù)不僅可以提高燃料的利用效率，還能獲得高純度的CO，更有利于碳捕獲(carbon capture,utilisation and storage, CCUS）技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。采用OEC 技術(shù)能夠顯著提高低碳燃料CH的燃燒效率，因此富氧燃燒廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和燃?xì)廨啓C(jī)中，以期達(dá)到節(jié)能減排的效果。采用OEC 技術(shù)，可提高燃料利用率，對(duì)環(huán)境保護(hù)也具有積極影響，但同時(shí)提高了預(yù)混體系的層流燃燒速度，降低了預(yù)混氣的爆炸下限，所以其本身存在的危險(xiǎn)性是不容忽視的。

與傳統(tǒng)燃燒相比，氧氣體積分?jǐn)?shù)的提升強(qiáng)烈影響預(yù)混體系自身的反應(yīng)性。Benedetto 等在非絕熱5 L 圓柱形容器中對(duì)CH/O/N預(yù)混體系進(jìn)行了爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在燃燒過程中產(chǎn)生的水與容器壁接觸后發(fā)生冷凝和蒸發(fā)的再循環(huán)現(xiàn)象，這種循環(huán)在燃燒誘導(dǎo)的快速相變中達(dá)到高潮，從而導(dǎo)致超絕熱壓力峰值；除此之外，他們還研究了CH/O/N/CO和H/O/N/CO這2 種預(yù)混體系在不同CO含量下的爆炸行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO的含量使絕熱火焰溫度降低至1 500 K 左右時(shí)，燃燒速率降低，從而導(dǎo)致火焰熄滅。Xia 等研究了NH/O/N預(yù)混體系在富氧條件下的層流和湍流燃燒速度，發(fā)現(xiàn)考慮熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和湍流的影響對(duì)預(yù)測(cè)NH燃燒場(chǎng)中湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅Ｖ匾ai 等通過化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)CH/O/N進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高氧氣含量的混合物，火焰失穩(wěn)主要是由于流體力學(xué)不穩(wěn)定性所引起的。所以氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，不僅會(huì)增強(qiáng)火焰不穩(wěn)定性和最大爆炸壓力，還會(huì)降低反應(yīng)物的爆炸下限，從而增加預(yù)混體系的危險(xiǎn)性。而CO的物理和化學(xué)性質(zhì)都不同于N，首先，N作為雙原子惰性氣體，比熱容低于CO，展現(xiàn)出較弱的吸熱作用，并且CO為非惰性氣體，在燃燒過程中與重要的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)競(jìng)爭(zhēng)自由基，因此，與N相比，CO抑制作用更強(qiáng)。Zhang 等在封閉矩形管道中考察了N和CO對(duì)火焰爆炸特性的影響，發(fā)現(xiàn)CO對(duì)火焰加速和升壓速率具有更強(qiáng)的削弱作用，并且從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度解釋了N與CO在燃燒過程中的抑制機(jī)理。Hu 等使用圓柱形石英玻璃管道測(cè)量了氣體混合物的可燃性下限（lower flammability limits, LFL），發(fā)現(xiàn)在同一氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下，CH/O/CO預(yù)混體系的LFL 高于CH/O/CO預(yù)混體系，另外，Hu 等以CH/O/CO預(yù)混體系為研究對(duì)象，對(duì)CO在富氧條件下產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)CO的化學(xué)效應(yīng)隨氧氣體積分?jǐn)?shù)和當(dāng)量比的變化而改變。

季節(jié)變化導(dǎo)致初始環(huán)境溫度波動(dòng)，而不同的預(yù)混體系對(duì)這種波動(dòng)表現(xiàn)出不同程度的敏感性，并且改變當(dāng)量比時(shí)，爆炸壓力隨溫度的降低呈現(xiàn)出非單調(diào)性的變化趨勢(shì)。Grabarczyk 等通過設(shè)置不同的初始溫度（333～413 K），對(duì)各種燃料在20 L 球中開展爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)初始環(huán)境溫度的升高會(huì)使最大爆炸超壓減小；而Bai 等在中心點(diǎn)火的20 L 球形爆炸容器中，通過不同初始環(huán)境溫度（263～293 K）下對(duì)3 種燃料/空氣混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)最大爆燃指數(shù)和最大升壓速率都會(huì)隨著初始環(huán)境溫度的降低而減小。這說明初始環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)爆炸極限范圍和爆炸強(qiáng)度都有不同程度的影響。

在燃燒過程中，自由基，尤其是H、O、OH 自由基，主導(dǎo)著鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且這些自由基的化學(xué)反應(yīng)速率決定了預(yù)混氣的爆炸強(qiáng)度。Chu 等認(rèn)為H+O= OH+O 對(duì)中間自由基的生成有重要作用，但是Nie 等發(fā)現(xiàn)自由基對(duì)CH+O= OH+CHO 最敏感，這說明當(dāng)改變預(yù)混體系的成分時(shí)，自由基對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的敏感程度也會(huì)發(fā)生很大的變化；Li 等研究了氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)氨氣燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)氧含量的增加會(huì)促使反應(yīng)區(qū)H、O、OH 以及NH自由基含量增加，最終導(dǎo)致快速提高。因此，為了深入了解甲烷在富氧條件下的反應(yīng)機(jī)制，找到抑制此類燃燒爆炸事故強(qiáng)度的最有效途徑，有必要對(duì)其進(jìn)行敏感性分析。

綜上，目前對(duì)富氧條件下火焰動(dòng)力學(xué)的研究主要集中在氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響規(guī)律，以及不同稀釋劑對(duì)富氧體系爆炸參數(shù)的影響。因此，本文中選用CH/O/CO預(yù)混體系為研究對(duì)象，設(shè)置不同的當(dāng)量比和氧氣體積相對(duì)比，在初始環(huán)境溫度分別為273 和303 K 的條件下開展爆炸實(shí)驗(yàn)，旨在探討富氧條件下火焰結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，分析初始環(huán)境溫度對(duì)富氧甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱挠绊?，并通過敏感性分析找出影響富氧甲烷爆炸強(qiáng)度的反應(yīng)機(jī)制，以期為相關(guān)事故的預(yù)防提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1 所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由配氣系統(tǒng)、爆炸管道、點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰與壓力采集系統(tǒng)及同步控制系統(tǒng)5 部分組成。配氣系統(tǒng)中，由美國(guó)Alicat 公司生產(chǎn)的質(zhì)量流量控制器控制預(yù)混體系組成；爆炸管道內(nèi)部尺寸為100 mm×100 mm×1 000 mmm，體積為10 L，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，厚度為20 mm，最大承壓為2 MPa，其中管道左端為開口端，使用單層聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）薄膜密封，管道右端為封閉端，使用厚度為5 mm 的鋼板密封。實(shí)驗(yàn)過程中，每次實(shí)驗(yàn)使用同一規(guī)格的聚氯乙烯材質(zhì)PVC 保鮮膜密封，密封時(shí)PVC 膜的初始彈性模量相同，并且彈性拉伸程度基本相同，而單層PVC 薄膜對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊戄^小，主要體現(xiàn)在對(duì)較低反應(yīng)性預(yù)混體系的火焰?zhèn)鞑デ捌?，該影響作用將在文中討論；點(diǎn)火系統(tǒng)使用直流電壓為 6 V 的自制電子點(diǎn)火器，放電電極材料采用直徑為0.3 mm 的鉑絲，點(diǎn)火電極之間的間隙為6 mm，點(diǎn)火器的初始能量估計(jì)為100 mJ；火焰?zhèn)鞑D像由德國(guó)生產(chǎn)的高速攝像機(jī)（Lavision 4G）拍攝，圖像采集頻率為2 000 s，分辨率為1 024×1 024；壓力采集系統(tǒng)的2 個(gè)壓力傳感器由上海銘控公司生產(chǎn)，采集頻率為15 kHz，精度為2.5%FS，分別安裝在距離點(diǎn)火電極0 mm 和距離泄爆口20 mm 的位置；數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為USB-1608Plus。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental facility

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

CH、O和CO的純度分別為99.995%、99.995%和99.99%，采用4～5 倍排空氣法進(jìn)行配氣，首先利用四通通過質(zhì)量流量計(jì)將3 種氣體預(yù)混至同一條橡膠軟管中，進(jìn)氣口設(shè)置在管道封閉端（即管道右端），排氣口設(shè)置在管道開口端（即管道左端），同時(shí)打開進(jìn)氣口和排氣口，并使用橡膠軟管將排出的預(yù)混氣通至安全區(qū)域，以此狀態(tài)持續(xù)通氣5 min，配氣單位為 L/min，每分鐘通入10 L 的預(yù)混氣，可以保證管道內(nèi)的10 L 空氣完全排出。通氣完成后，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口與排氣口，點(diǎn)火之前靜置30 s，保證氣體均勻混合并且處于靜止?fàn)顟B(tài)（忽略分子自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)），目的是降低通氣湍流效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。為便于反映不同季節(jié)（冬季與夏季）的真實(shí)環(huán)境，所有實(shí)驗(yàn)工作均在室外完成，以研究初始環(huán)境溫度對(duì)爆炸特性的影響。為了保證采集的火焰圖像達(dá)到最佳觀測(cè)效果，所有實(shí)驗(yàn)在黑暗環(huán)境中進(jìn)行，每個(gè)工況進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰結(jié)構(gòu)演變

圖2 為在273 K 的環(huán)境溫度下實(shí)驗(yàn)工況所呈現(xiàn)的火焰狀態(tài)，圖中●表示該工況下預(yù)混氣不能被點(diǎn)燃，●表示郁金香火焰，●表示非郁金香火焰。界限A1 視為點(diǎn)火邊界，A1 以下區(qū)域?yàn)椴荒鼙稽c(diǎn)火的工況，與Zheng 等的研究（=303 K）結(jié)果相比可以發(fā)現(xiàn)，在較高的環(huán)境溫度下，富氧甲烷更容易點(diǎn)火（如 φ =0.8～1.0 且γ=0.25 和 φ =1.2 且γ=0.30 的工況），但是受浮力影響，會(huì)使火焰產(chǎn)生浮力型火焰，而預(yù)混氣不能被點(diǎn)燃的原因是混合氣體中存在的CO氣體體積分?jǐn)?shù)過高，具有較強(qiáng)的抑爆性。Hu 等在環(huán)境溫度為300 K 的條件下，測(cè)得當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)在10%～50% 變化時(shí)，CH/O/CO預(yù)混體系的燃燒下限（LFL）為6.875%～7.875%，表1 展示了臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系（由圖2 中●可知）的氧氣體積分?jǐn)?shù)和甲烷體積分?jǐn)?shù)，可以發(fā)現(xiàn)，臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系的氧氣體積分?jǐn)?shù)為22.73%～25.43%，該氧氣體積分?jǐn)?shù)范圍處于10%～50%之間，因此可以以Hu 等測(cè)量的可燃性下限 （ LFL）作為參照對(duì)象，在環(huán)境溫度下降近20 ℃的條件下，臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系中甲烷的最小體積分?jǐn)?shù)（9.09%）依舊大于Hu 等測(cè)量的最高LFL 值（7.875%）。并且在本實(shí)驗(yàn)條件下，預(yù)混體系被點(diǎn)燃時(shí)的CH體積分?jǐn)?shù)分別為10.71%、13.04%與17.36%，這說明較低的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度（273 K）下將使預(yù)混氣的燃燒下限升高，使得CH含量不能滿足升高的LFL 而無法被點(diǎn)燃。而界限A1 與界限A2 之間的區(qū)域?yàn)榭梢孕纬捎艚鹣慊鹧娴墓r，界限A2 之上的區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)生非郁金香火焰的工況，因此，本文中對(duì)于未被點(diǎn)燃的工況將不再開展研究，重點(diǎn)對(duì)產(chǎn)生郁金香火焰和非郁金香火焰的工況進(jìn)行分析。

圖2 火焰狀態(tài)統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of flame status

表1 臨界未點(diǎn)火預(yù)混體系甲烷體積分?jǐn)?shù)Table 1 Critical volume fractions of methane in unignited premixed systems

Clanet 等提出了郁金香火焰發(fā)展4 個(gè)階段的動(dòng)力模型，因此這里不再對(duì)郁金香火焰的演變過程進(jìn)行討論。圖3 分別展示了3 種不同發(fā)展模式的郁金香火焰演變過程，其差異主要體現(xiàn)在郁金香火焰的結(jié)構(gòu)和火焰凹陷尖端的運(yùn)動(dòng)方式上。這與火焰的浮力作用和膨脹作用密切相關(guān)，火焰前鋒在向未燃?xì)夥较騻鞑サ耐瑫r(shí)，反應(yīng)區(qū)由于溫度和壓力的升高不斷發(fā)生膨脹，為火焰凹陷尖端向前傳播提供了動(dòng)力。因此，改變膨脹作用強(qiáng)度，會(huì)影響火焰尖端在管道內(nèi)的傳播方式。其中圖3(a)（ φ =0.8，γ=0.30）中的凹陷尖端位置始終保持不變，而圖3(c)（ φ =1.0，γ=0.30）中的凹陷尖端位置出現(xiàn)短暫的停滯，這可能是因?yàn)榛鹧驿h面附近的渦動(dòng)作用與膨脹作用達(dá)到了相互抵消的狀態(tài)；而在圖3(c)中出現(xiàn)了火焰凹陷尖端短時(shí)間向管道封閉端運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，這可能是渦動(dòng)作用大于膨脹作用導(dǎo)致的，并且凹陷尖端最后在169.0 ms 時(shí)停滯，形成了T 形郁金香火焰。而這種火焰類型一般出現(xiàn)在封閉管道中，Shen 等認(rèn)為壓力反射波強(qiáng)烈影響郁金香火焰反轉(zhuǎn)后的結(jié)構(gòu)演變特征，從而加深了主尖端深度形成T 形郁金香火焰，而在本實(shí)驗(yàn)條件下（管道左端為半開放狀態(tài)）并不能產(chǎn)生壓力反射波與火焰鋒面相互作用，但是依然觀察到類似的火焰結(jié)構(gòu)類型，說明T 形郁金香火焰的產(chǎn)生不依賴于管道的邊界條件。相比于圖3(a)、3(c)，圖3(b)（ φ =0.8，γ=0.35）中參與反應(yīng)的氧氣含量要高于前兩者，因此出現(xiàn)了火焰膨脹作用大于渦動(dòng)作用的現(xiàn)象，同時(shí)火焰的凹陷程度相對(duì)較弱，并且形成初始凹陷尖端的位置與點(diǎn)火電極的距離也相對(duì)較遠(yuǎn)。由此可知，γ 越大，預(yù)混氣體的反應(yīng)活性越強(qiáng)，膨脹作用對(duì)前部火焰結(jié)構(gòu)演變的影響越強(qiáng)。因此，膨脹作用與渦動(dòng)作用之間的相互競(jìng)爭(zhēng)，使郁金香火焰具有3 種不同的演變模式。另外，對(duì)于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢的預(yù)混體系，浮力作用將強(qiáng)烈影響火焰結(jié)構(gòu)的演變過程，如圖3 所示，受浮力作用的影響，并未出現(xiàn)平面火焰，而是形成了傾斜的準(zhǔn)平面火焰（如圖3(a)中142.5 ms、圖3(b)中75.0 ms 以及圖3(c)中108.5 ms 所示），并且 φ =0.8，γ=0.30 預(yù)混體系在火焰?zhèn)鞑ズ笃谶€出現(xiàn)了火焰上唇傳播速度快于火焰下唇的現(xiàn)象（如圖3(a)中236.0 ms所示），最終形成不對(duì)稱郁金香火焰。

圖3 郁金香火焰的3 種演變模式Fig. 3 Three patterns of evolution process of tulip flames

關(guān)于郁金香火焰產(chǎn)生的原因，Xiao 等討論了氫氣/空氣郁金香火焰和扭曲郁金香火焰的形成機(jī)理，他們更傾向于流體流動(dòng)性和超壓等因素綜合作用造成火焰形態(tài)改變的觀點(diǎn)。另外，Rayleigh-Taylor 失穩(wěn)、燃燒氣體近壁面渦動(dòng)以及火焰與燃燒流體的相互作用都可能是郁金香火焰產(chǎn)生的原因，一般認(rèn)為，郁金香火焰是由多種機(jī)制共同作用，而不是單一機(jī)制作用的結(jié)果。在這里主要從失穩(wěn)的角度來分析郁金香火焰的演變機(jī)理，而火焰失穩(wěn)主要是由于熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性引起的，如圖4(a)、(b)所示分別以Lewis 數(shù)和膨脹比σ 與火焰厚度δ 之比（σ/δ）來表征熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性。其中Lewis 數(shù)、膨脹比以及火焰厚度的計(jì)算式分別為：

式中：Le為各組分氣體的 Lewis 數(shù)，α 為熱擴(kuò)散系數(shù)，D為各組分氣體的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，σ 為膨脹比，ρ為未燃?xì)怏w密度，ρ為已燃?xì)怏w密度，δ 為火焰厚度，為絕熱火焰溫度，為預(yù)混氣初始溫度，(d/d)為層流火焰反應(yīng)區(qū)最大溫度梯度。其中是根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)預(yù)混體系在環(huán)境溫度為273 K、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下模擬所得。

從圖4(a)可以看出，相同當(dāng)量比的Lewis 數(shù)都會(huì)隨著氧氣相對(duì)比γ 的增大呈線性增大，并且隨著當(dāng)量比的增大，其斜率不斷增大，而每個(gè)工況的Lewis 數(shù)都沒有超過1，這意味著每個(gè)工況下的火焰?zhèn)鞑ザ际艿搅藷釘U(kuò)散不穩(wěn)定性的影響，且當(dāng)量比和氧氣相對(duì)比越小，熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性越強(qiáng)；從圖4 (b)中可以看到相同當(dāng)量比的σ/δ 隨γ 的增大而不斷增大，并且 φ =1.0 時(shí)的σ/δ 始終大于 φ =0.8 和 φ =1.2 時(shí)的σ/δ。因此，可以得出流體力學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)隨著γ 的增大而不斷增強(qiáng)，且 φ =1.0 時(shí)的流體力學(xué)不穩(wěn)定性一直比 φ =0.8 和 φ =1.2 時(shí)的強(qiáng)。結(jié)合圖2 來看，在出現(xiàn)郁金香火焰的工況中（即 φ =0.8，γ=0.30～0.35； φ =1.0，γ=0.30；φ=1.2，γ=0.35），其γ 都比較低，因而火焰失穩(wěn)主要是由熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性引起的，而流體力學(xué)不穩(wěn)定性的影響較?。辉诋a(chǎn)生非郁金香火焰的工況中（ φ =0.8，γ=0.40～0.50；φ =1.0，γ=0.35～0.50；φ =1.2，γ=0.40～0.50），隨著γ 的增大，熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性雖然不斷減弱，但是在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中依然受其影響，且流體力學(xué)不穩(wěn)定性快速增強(qiáng)，因此非郁金香火焰在傳播過程中也會(huì)因受到熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性的影響致使火焰失穩(wěn)，只是由于實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)度的限制，并未將火焰失穩(wěn)現(xiàn)象呈現(xiàn)出來。

圖4 Lewis 數(shù)和σ/δ 隨γ 的變化趨勢(shì)Fig. 4 Variation of Lewis number and σ/δ with γ

2.2 火焰動(dòng)力學(xué)分析

圖5 中給出了歸一化的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?(=/(σ))與火焰前鋒位置之間的關(guān)系。因?yàn)椴煌?dāng)量比的ˉ 隨的變化趨勢(shì)相同，所以在這里只展示 φ =1.0 的圖像并進(jìn)行分析。從圖5 可以看出，速度變化曲線分為2 類。第1 類速度曲線包含2 次上升2 次下降的變化趨勢(shì)，例如當(dāng) φ= 0.8，γ=0.30～0.35； φ= 1.0，γ=0.30～0.35； φ =1.2，γ=0.35 時(shí)，皆為這類速度曲線。且這些工況下的火焰都能呈現(xiàn)出郁金香火焰的演變過程，在傳播過程中因火焰接觸管壁，火焰表面積快速減小，且氧氣體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低不能提供足夠的傳播動(dòng)力，造成火焰速度的第1 次下降；隨著火焰陣面發(fā)生凹陷形成郁金香火焰，其凹陷尖端的產(chǎn)生使火焰表面積再次增大，因此火焰開始了第2 次加速。而其他工況均為第2 類速度曲線，由于氧氣體積分?jǐn)?shù)較高、反應(yīng)活性較強(qiáng)并且沒有郁金香火焰結(jié)構(gòu)形成等原因，火焰速度只有先上升后下降的趨勢(shì)，這是非郁金香火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓赜械??；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁俏慈細(xì)庀鄬?duì)于火焰鋒面的速度與層流燃燒速度之和，因此2 種不同類型的速度曲線與有緊密的關(guān)系。在該實(shí)驗(yàn)條件下，火焰平均傳播速度表現(xiàn)為第1 類速度曲線的范圍為： φ =0.8 時(shí)，≤20.69 cm/s； φ =1.0 時(shí)，≤25.08 cm/s； φ =1.2 時(shí)，≤22.91 cm/s。火焰平均傳播速度表現(xiàn)為第2 類速度曲線的范圍為： φ =0.8 時(shí)，＞20.69 cm/s；φ =1.0 時(shí)，＞25.08 cm/s； φ =1.2 時(shí)，＞22.91 cm/s。

圖5 歸一化火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰前鋒位置之間的關(guān)系Fig. 5 Relation between the normalized flame propagation velocity and the flame front position

圖6 展示了 φ =0.8 時(shí)2 種不同的爆炸超壓演變曲線，即單峰曲線和雙峰曲線。雙峰曲線在超壓曲線中占大多數(shù)，如 φ =0.8，γ=0.40 對(duì)應(yīng)的曲線存在2 個(gè)超壓峰值，分別為第1 峰值以及第2 峰值。爆炸發(fā)生時(shí)，管道內(nèi)氣體體積急劇膨脹，壓力快速上升，導(dǎo)致PVC 薄膜破裂，管內(nèi)氣體隨即泄放，造成體積膨脹率及壓力突然下降，形成第1 波峰，且為動(dòng)態(tài)壓力而非靜態(tài)壓力；第1 峰值形成后，爆炸持續(xù)進(jìn)行，并且已燃?xì)馀蛎浰俾蚀笥诠艿篱_口端氣體泄放速率，因此超壓曲線繼續(xù)上升，直至已燃?xì)馀蛎浰俾试俅蔚扔跉怏w泄放速率，產(chǎn)生第2 峰值。通常來講，最大超壓峰值由第2 峰值控制。當(dāng)管道內(nèi)氣體膨脹速率始終大于開口端氣體泄放速率時(shí)，第1 波峰將不會(huì)出現(xiàn)在超壓曲線上，就形成了單峰曲線。這通常表現(xiàn)在高γ、高反應(yīng)活性體系中，比如 φ =0.8，γ=0.50。由此可知，超壓峰值、都與膨脹速率有很大的關(guān)系，隨著γ 的不斷增大，預(yù)混體系的反應(yīng)活性增強(qiáng)，膨脹率不斷增大，這是爆炸超壓由雙峰曲線向單峰曲線轉(zhuǎn)變的根本原因。另外，從圖6 可以看出，當(dāng) φ =0.8 時(shí)，爆炸超壓曲線的最大壓力峰值隨氧氣相對(duì)比的增大而增大（其他當(dāng)量比下也是如此），即：在相同當(dāng)量比下，氧氣富集對(duì)最大爆炸超壓具有促進(jìn)作用。

圖6 當(dāng)量比為0.8 時(shí)各氧氣相對(duì)比下爆炸超壓曲線Fig. 6 Explosion overpressure-time history for various oxygen fractions at φ =0.8

層流燃燒速度是衡量層流火焰基本燃燒特性的重要參數(shù)，其作為預(yù)測(cè)氣體燃燒特性的單一指標(biāo)具有優(yōu)越潛力。圖7 展示了最大爆炸超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度的相關(guān)性。從圖7 可以觀察到，-曲線的斜率不斷增大，當(dāng)γ≤0.35 時(shí)，二者之間的擬合斜率較小，而當(dāng)γ＞0.35 時(shí)，其斜率快速增大。也就是說，相同當(dāng)量比下，隨著γ 的增大，對(duì)的敏感性不斷增強(qiáng)。與的相關(guān)性更強(qiáng)，且二者之間呈線性相關(guān)，即相比于爆炸超壓，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c之間的關(guān)系更緊密，更容易受的影響。

圖7 最大爆炸超壓和最大火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c層流燃燒速度之間的關(guān)系Fig. 7 Dependence of the maximum explosion overpressure and the maximum flame propagation velocity on laminar burning velocity

初始環(huán)境溫度對(duì)預(yù)混氣體爆炸強(qiáng)度有一定的影響。圖8 中比較了初始環(huán)境溫度為273 和303 K 時(shí)CH/O/CO混合物的爆炸強(qiáng)度。從圖8 可以看出，在保持當(dāng)量比和氧氣相對(duì)比都不變的情況下，環(huán)境溫度為273 K 時(shí)的和ˉ(=/(σ))始終高于環(huán)境溫度為303 K時(shí)的。這說明提高環(huán)境溫度降低了爆炸強(qiáng)度。表2 中展示了當(dāng)環(huán)境溫度由273 K 升高至303 K時(shí)，和ˉ的下降百分比，例如：當(dāng)從273 K升高到303 K 時(shí)， φ =0.8, γ=0.35 時(shí)的CH/O/CO混合物的爆炸壓力降低了43.38%， φ =1.0, γ=0.35 的爆炸壓力降低了38.82%， φ =1.2, γ=0.35 時(shí)的爆炸壓力降低了16.43%?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著當(dāng)量比的增大，和ˉ下降百分比逐漸減小，這說明貧燃對(duì)初始環(huán)境溫度的波動(dòng)更敏感。另外，當(dāng)=273 K 時(shí)，最大始終出現(xiàn)于 φ =1.0 時(shí)；但是當(dāng)=303 K 時(shí)，0.35＜γ≤0.45 時(shí)的最大和ˉ出現(xiàn)在富燃側(cè)（ φ =1.2），當(dāng)γ=0.50 時(shí)， φ =1.0 時(shí)的才超過 φ =1.2 時(shí)的，而 φ =0.8 時(shí)的始終最?。弧サ倪@種趨勢(shì)更明顯。這意味著，提高初始環(huán)境溫度對(duì)富燃條件下的爆炸強(qiáng)度具有促進(jìn)作用，并且在γ 處于0.35～0.50 時(shí)，富燃料甚至?xí)^化學(xué)當(dāng)量比的爆炸強(qiáng)度。

圖8 不同初始環(huán)境溫度對(duì)pmax 和 vˉmax 的影響Fig. 8 Influence of different initial ambient temperatures on pmax and vˉmax

表2 pmax 和 vˉmax 在環(huán)境溫度由 273 K 升高到 303 K 影響下的下降百分比Table 2 Decrease percentage of pmax and vˉmax affected by ambient temperature from 273 K to303 K

由Hernandez 等和Bychkov 等的研究可得：

綜上，圖9 展示了不同初始環(huán)境溫度下最大升壓速率(d/d)與σ(σ-1)/(σ+1)之間的擬合關(guān)系。從圖9 中可以看出，二者之間具有一定的相關(guān)性，并且當(dāng)初始環(huán)境溫度升高至303 K 時(shí)，其擬合優(yōu)度并無太大改變，當(dāng)σ(σ-1)/( σ +1)增大時(shí)，其離散程度也都會(huì)增大。由圖9 可知，氧氣相對(duì)比γ 的增大會(huì)提高和膨脹比σ，從而使σ(σ-1)/(σ+1)增大，也就是說在相同當(dāng)量比下，(d/d)會(huì)隨著γ 的增大而不斷升高。但是對(duì)于所有的當(dāng)量比，當(dāng)γ ≤0.30 時(shí)，(d/d)會(huì)隨初始環(huán)境溫度的升高而升高，而在γ≥0.35 的條件下，(d/d)會(huì)隨初始環(huán)境溫度的升高而降低。

圖9 2 種初始環(huán)境溫度下(dp/dt)max 與SLσ2(σ-1)/(σ+1)的關(guān)系Fig. 9 Relationship between (dp/dt) max and SLσ2(σ-1)/(σ+1)for two initial ambient temperatures

2.3 敏感性分析

為了探討甲烷在富氧條件下的爆炸機(jī)理，本節(jié)中利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對(duì)該預(yù)混體系的物性參數(shù)等進(jìn)行敏感性分析，進(jìn)而從微觀機(jī)理角度來分析郁金香火焰產(chǎn)生的原因以及初始環(huán)境溫度對(duì)爆炸參數(shù)的影響機(jī)制。

甲烷空氣預(yù)混氣體的爆炸過程中，H、O、OH 這3 種自由基在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起到了至關(guān)重要的作用，與火焰?zhèn)鞑?、爆炸?qiáng)度、爆炸機(jī)理有著密切的關(guān)系。圖10 采用GRI-Mech 3.0 機(jī)理得到了不同工況下主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)對(duì)層流燃燒速度的敏感度系數(shù)，其中基元反應(yīng)R11、R38、R99、R119、R135、R166 的敏感度系數(shù)始終為正，說明這些反應(yīng)可以提高層流燃燒速度，而其他幾個(gè)反應(yīng)敏感系數(shù)始終為負(fù)，說明這幾種反應(yīng)將會(huì)削弱層流燃燒速度。結(jié)合表3 可知，敏感系數(shù)為正的反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生大量H、O 或者OH 自由基，而敏感系數(shù)為負(fù)的反應(yīng)大都會(huì)消耗大量H、O、OH 自由基。在CH/O/CO預(yù)混體系所有的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，對(duì)層流燃燒速度影響最大的2 個(gè)分別為：R38，H+O=O+OH；R52，H+CH(+M)=CH(+M)（其中M 為第3 體效應(yīng)，即M 通過與自由基的碰撞促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，但是其本身不參與化學(xué)反應(yīng)）。值得注意的是，提高氧氣體積分?jǐn)?shù)抑制了反應(yīng)R38 和R52 的進(jìn)行，而提高當(dāng)量比促進(jìn)了反應(yīng)R38 和R52 的進(jìn)行。這是因?yàn)?，R 3 8 和R 5 2 的反應(yīng)物需要大量的H 和CH自由基，而這2 種自由基在該反應(yīng)體系中只能由CH產(chǎn)生，并且氧氣體積相對(duì)比γ 的提高顯著提高了預(yù)混體系的反應(yīng)活性，從而提高了各鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)程度。因此，H 自由基的產(chǎn)生量不足以維持原來的反應(yīng)平衡，削弱了R38 和R52對(duì)層流燃燒速度的敏感度。

圖10 各種氧氣相對(duì)比下主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)對(duì)層流燃燒速度的敏感度系數(shù)Fig. 10 Sensitivity coefficients of the main chain reactions to laminar burning velocity for various oxygen fractions

通過對(duì)圖10 和表3 的分析，可以看出，H、O、OH、CH這4 種自由基對(duì)反應(yīng)體系物性參數(shù)的影響最大。在這里改變Chemkin 初始環(huán)境溫度，對(duì)比了不同工況下4 種自由基生成速率（rate of production, ROP,）的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)其他3 種自由基的生成速率所表現(xiàn)出來的變化趨勢(shì)與OH 自由基的相同。由圖11可以看出，在相同當(dāng)量比下，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大，OH 自由基的生成速率不斷提高，并且初始環(huán)境溫度由273 K 升高至303 K，對(duì)自由基的生成速率具有一定的促進(jìn)作用。結(jié)合圖12(a)發(fā)現(xiàn)升高至303 K 時(shí)，層流燃燒速度變大，而在圖7 中，層流燃燒速度的增大提升了最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约白畲蟊ǔ瑝海@與圖8 所呈現(xiàn)出來的初始溫度的升高對(duì)ˉ和有削減作用的結(jié)果相反。這意味著初始溫度的改變對(duì)預(yù)混體系物性參數(shù)的影響是多方面的，如在圖12(b)中可以觀察到，相同當(dāng)量比下，初始溫度升高會(huì)使膨脹比顯著減小，這與初始溫度對(duì)層流燃燒速度的影響作用正好相反，而膨脹比的減小會(huì)抑制火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约氨ǔ瑝?。說明當(dāng)升高時(shí)，對(duì)反應(yīng)體系的物性參數(shù)都有不同方向、不同程度的影響，它們之間相互競(jìng)爭(zhēng)，最終呈現(xiàn)出環(huán)境溫度升高會(huì)削弱和ˉ的現(xiàn)象。

表3 預(yù)混體系中主要的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)Table 3 Main chain reactions in the premixed system

圖11 不同初始環(huán)境溫度下OH 自由基的生成速率Fig. 11 Rates of production of the free radical OH at different initial ambient temperatures

為了更深入地分析甲烷在富氧條件下爆炸強(qiáng)度的影響因素，對(duì)H、O、OH、CH自由基的生成速率與層流燃燒速度和膨脹比之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。發(fā)現(xiàn)層流燃燒速度與OH 自由基的生成速率存在良好的正相關(guān)性（見圖12(a)），且不依賴于當(dāng)量比；但膨脹比與OH 自由基的生成速率之間的關(guān)系受當(dāng)量比的影響（見圖12(b)）。從圖12 還可以看出，當(dāng)OH 自由基的生成速率不斷提高時(shí)，層流燃燒速度和膨脹比都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但曲線斜率不斷減小，即OH 自由基 的生成速率越高，對(duì)層流燃燒速度的影響程度越低。其他3 種自由基（H、O、CH）與層流燃燒速度和膨脹比之間也具有相似的變化趨勢(shì)，但隨著當(dāng)量比的改變，數(shù)據(jù)的離散程度變大。這意味著，相對(duì)于H、O、CH自由基，層流燃燒速度對(duì)OH 自由基 的生成速率更敏感。并且提高初始環(huán)境溫度時(shí)，層流燃燒速度對(duì)OH 自由基的生成速率也更敏感（見圖12(a)）。

圖12 層流燃燒速度和膨脹比隨自由基OH 的生成速率變化Fig. 12 Variation of laminar burning velocity and expansion ratio with the rate of production of OH free radical

火焰?zhèn)鞑ミ^程除受預(yù)混體系的層流燃燒速度和膨脹比影響外，還受熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性的影響，因此這里分析了H、O、OH 等3 種主要自由基對(duì)這2 種不穩(wěn)定性的影響。由圖13 可知，熱擴(kuò)散系數(shù)與H、O、OH 自由基的最大摩爾分?jǐn)?shù)之和存在非常好的正相關(guān)性，而σ/δ 與其更是存在線性關(guān)系。在同一初始環(huán)境溫度下，熱擴(kuò)散系數(shù)和σ/δ 都會(huì)隨著自由基含量的增加而不斷增大，并且從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，有效Lewis 數(shù)都小于1，說明熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性對(duì)火焰都具有失穩(wěn)效應(yīng)，因此 H、O、OH 自由基最大摩爾分?jǐn)?shù)的增大對(duì)有效Lewis 數(shù)的增大有促進(jìn)作用，導(dǎo)致熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的失穩(wěn)效應(yīng)逐漸減弱；而σ/δ 用來衡量流體力學(xué)不穩(wěn)定性的強(qiáng)弱，因此當(dāng)H、O、OH 自由基的最大摩爾分?jǐn)?shù)增大時(shí)，流體力學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)不斷增強(qiáng)。另外，當(dāng)升至303 K 時(shí)，相同工況下的熱擴(kuò)散系數(shù)會(huì)大幅度增大，而對(duì)σ/δ 會(huì)有減小的效果，說明環(huán)境溫度的升高會(huì)削弱熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性。

圖13 火焰不穩(wěn)定與H、O、OH 自由基最大摩爾分?jǐn)?shù)的擬合關(guān)系Fig. 13 Fitting relationship between the flame instability and the maximum mole fraction of H, O and OH radicals

3 結(jié) 論

為研究甲烷在富氧條件下的爆炸動(dòng)力學(xué)，以CH/O/CO預(yù)混體系為研究對(duì)象，在不同的初始環(huán)境溫度下開展了爆炸實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論如下。

（1）氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)火焰結(jié)構(gòu)類型以及火焰?zhèn)鞑ツＪ骄哂酗@著影響。受火焰失穩(wěn)和管道長(zhǎng)度限制的綜合影響，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大，每種當(dāng)量比下都依次出現(xiàn)郁金香和非郁金香2 種火焰結(jié)構(gòu)類型。由于膨脹作用與渦流作用相互競(jìng)爭(zhēng)，使郁金香火焰上下唇和主尖端出現(xiàn)3 種運(yùn)動(dòng)模式，并產(chǎn)生不對(duì)稱型郁金香火焰和T 形郁金香火焰，并且在這里認(rèn)為T 形郁金香火焰的形成不依賴于管道邊界條件。

（2）火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆炸超壓曲線類型與氧氣體積相對(duì)比γ 密切相關(guān)。隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增大，歸一化的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€分為“兩升兩降”和“一升一降”2 種類型，且第1 類曲線對(duì)應(yīng)為郁金香火焰，第2 類曲線對(duì)應(yīng)為非郁金香火焰；氧氣體積分?jǐn)?shù)強(qiáng)烈影響預(yù)混體系的反應(yīng)性，當(dāng)層流燃燒速度＞37.53 cm/s 時(shí)，破膜壓力消失，導(dǎo)致爆炸超壓-時(shí)間曲線由雙峰曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏迩€。

（3）初始環(huán)境溫度的波動(dòng)會(huì)對(duì)爆炸強(qiáng)度產(chǎn)生影響。與Hu 等在環(huán)境溫度為300 K 條件下測(cè)得的可燃性下限相比可知，環(huán)境溫度的降低，將提高CH/O/CO預(yù)混體系的爆炸下限。最大爆炸壓力和歸一化最大火焰?zhèn)鞑ニ俣取?=/(σ) ) 都隨的升高而降低，而對(duì)于最大升壓速率(d/d)，只有在較高的氧氣體積相對(duì)比下（γ ≥0.35），的升高才會(huì)對(duì)其呈現(xiàn)抑制作用。另外，和ˉ的下降百分比隨當(dāng)量比的增大而減小，這說明貧燃預(yù)混體系的爆炸強(qiáng)度更容易受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。

（4）由敏感性分析可知，在CH/O/CO預(yù)混體系中，對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)R38（即H+O=O+OH）和R52（即H+CH(+M)=CH(+M)）分別表現(xiàn)出最大正敏感度和最大負(fù)敏感度，而氧氣體積分?jǐn)?shù)的提高會(huì)削弱對(duì)R38 和R52 的敏感度，并且發(fā)現(xiàn)與OH 自由基的生成速率相關(guān)性最強(qiáng)。H、O、OH 這3 種自由基的總摩爾分?jǐn)?shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)和σ/δ 呈線性相關(guān)，并且這種線性關(guān)系不受的影響，通過提高H、O、OH 自由基的總摩爾分?jǐn)?shù)可以削弱熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性，增強(qiáng)流體力學(xué)不穩(wěn)定性。