| CQUST |泄爆夹层与多孔材料耦合作用下掺氢天然气爆炸火焰和冲击波演化动力学特性

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2025-03-03 15:56

1.实验背景

掺氢天然气作为一种清洁能源在能源领域发挥着重要作用。通过提高天然气的燃烧值，有效地提高了天然气的能源利用效率。该技术利用现有的天然气管道和基础设施为建筑物、企业和工厂提供新的能源供应途径。掺氢天然气可直接用于工业和民用，大大加快了氢能资源的增长。

利用自行搭建的可视化爆炸实验平台，研究了泄爆夹层对综合管廊内掺氢天然气的抑制效果。通过试验分析，研究了泄爆孔位置、泄爆孔尺寸和多孔材料孔隙率对掺氢天然气在综合管廊内爆炸特性的影响。在此基础上，进一步深入分析了不同淬灭方式对隔爆层泄爆措施效果的影响及其抑制机理。本文研究成果可为综合管廊泄爆设计提供理论支持，使综合管廊泄爆设计更加高效、合理，以降低掺氢瓦斯爆炸危险性。

2.实验系统

图1为综合管廊夹层泄爆实验装置，包括爆炸试验管道、气体配置系统、点火控制系统、压力采集系统和火焰采集系统。爆炸试验管道分为主隔室和泄爆夹层段。

考虑到实验的爆炸危险性，在本次研究的爆炸实验中，选取了实际尺寸的一半综合走廊作为密闭实验空间，并按照1：30的比例进行设计。考虑到在实际工程中采用预制节段施工，本次实验将气体隔室分为三段，每段长度相等，每段隔室的泄爆孔位置和规格相同，以保证每段隔室的泄爆孔位置和尺寸相同，每段隔室均设有泄爆孔。因此，主隔室由三段爆炸试验管道组成，每段管道尺寸为1000 mm × 100 mm× 100 mm，分别称为Combustion 1、Combustion 2和Combustion 3。在每个隔室的相同位置打开相同尺寸（36 cm²和64 cm²）的泄爆口。泄爆口的位置如图1（b）所示。在泄爆口处安装了多孔材料，以防止火焰进入夹层。泡沫镍因其出色的导热性和可重复使用性而被使用，尺寸为60 mm × 60 mm（36 cm²）和80 mm × 80 mm（64 cm²）。管道在最左边有一个入口和一个点火头，而出口位于Combustion 1下方。夹层按比例尺寸为3000 mm × 40 mm × 100 mm，以便于在主舱室内进行检查。气体配置系统包括氢气瓶、甲烷瓶、空气瓶、质量流量计（美国Alicat公司生产）和气体管道。点火控制系统包括点火开关、电源和能量输出为6J的脉冲点火器。

实验前进行了气体配置。本实验假设爆炸发生在局部泄漏的初始阶段。为了模拟这一点，我们用PVC膜密封了“Combustion 1”。实验掺氢天然气爆炸是在当量比为1时进行的，因为这是爆炸压力最高和最危险的时候，符合安全学科中“最危险爆炸效应”研究的概念。掺氢比为10%。灌装前，用PVC膜密封Combustion 1的端部和侧部泄爆口。Combustion 1中的气体混合使用4倍体积的方法在8分钟内进行。点火后，火焰收集系统和压力采集系统同时启动。根据表1中概述的实验条件进行实验。每个实验条件重复3-5次，以确保实验误差在5%以内。

图1 综合管廊夹层泄爆实验装置

表1 实验条件表

3.结果及讨论

3.1夹层泄爆措施对掺氢甲烷爆炸特性的影响

图2示出了在不同泄爆口位置处的爆炸火焰结构的变化，使用36 cm²的泄爆口尺寸。在图2中，火焰分别在27 ms、37 ms、40 ms和50 ms到达侧泄爆口。在穿过泄爆口后，火焰前缘向内凹陷，呈现扭曲的郁金香形火焰，特别是在位置2、3和4处。这是因为火焰在到达泄爆口时发展良好，导致传播速度增加。泄爆口的反向作用增强了火焰前缘的不稳定性，导致褶皱的形成。随后，火焰逐渐过渡到倾斜形状，并缓慢传播到Combustion 1的末端。火焰分别在192 ms、115 ms、96 ms和78 ms时到达燃烧室1的末端，随着泄爆口和点火源之间的距离增加，时间减少。然后，火焰从PVC膜的端部喷出并进入下游隔室。进入Combustion 2的火焰迅速膨胀，一部分返回Combustion 1，而其余部分迅速向下游蔓延。然而，火焰传播在所有四个位置都受到限制，并且不会延伸到整个隔室。从图2中还可以看出，当火焰在四个位置泄爆时，都没有进入泄爆夹层。

图2 泄爆夹层措施下泄爆口尺寸为36 cm²时爆炸火焰结构的变化

图3示出了具有64cm²喷口尺寸的火焰结构的变化。与36 cm²的情况类似，火焰在接近泄爆口之前迅速发展，并被有效地熄灭。火焰在26 ms、36 ms、42 ms和52 ms时到达泄爆口，比36 cm²泄爆口稍快，这可能是由于具有较大泄爆口尺寸的隔室内的气流效率提高，尽管对火焰加速的影响最小。在通过泄爆口后，火焰结构被破坏。四个位置的火焰都没有显示出明显的郁金香形结构。由于侧泄爆口的影响，火焰逐渐呈下坡形状。火焰到达Combustion 1结束的时间为241 ms、121 ms、100 ms和81 ms，与36 cm²泄爆口相比略有延迟，延迟时间随着与泄爆的距离增加而减小。

图3 泄爆夹层措施下泄爆口尺寸为64 cm²时爆炸火焰结构的变化

在破膜激励效应的影响下，火焰向下游快速传播到Combustion 2。值得注意的是，为了模拟实验中由局部气体泄漏引起的爆炸，Combustion 1的端部使用PVC膜密封。这种PVC薄膜起到了加速火焰传播的障碍物的作用。然而，在没有薄膜影响的真实的综合管廊场景中，实验结果往往被高估，如图4（a）所示。相反，如图4（B）所示，在没有PVC膜的情况下，火焰可以相对较慢的速度朝向下一个泄爆口传播，随后被释放到爆炸泄爆夹层中。

图4 PVC薄膜对爆炸的影响

图5示出了火焰位置随时间的演变。在没有夹层泄爆措施的情况下，火焰迅速向下游传播，最终包围隔室的整个端部。在通过泄爆口后，Combustion 1内火焰位置的变化明显减慢。在位置1处，与当其为36 cm²时相比，当泄爆口尺寸为64 cm²时火焰位置经历延迟。然而，随着泄爆口远离点火源，火焰传播的时间延迟减小。考虑到隔室中的气流主要向下游移动，并且距离点火源更远，火焰已经达到相当大的速度，导致惯性推动它向前。因此，泄爆口抑制火焰的能力在这一点上减弱。

图5 夹层泄爆措施下掺氢天然气爆炸火焰位置随时间的变化

3.2淬火失效分析

在Combustion 1末端的PVC膜破裂后，隔室中的流动方向主要朝向下游隔室转移，如图6所示。对于36 cm²的泄爆口尺寸，减小的尺寸导致较少的未燃烧气体排放到隔室中，从而仅导致少量的火焰。然而，较大的泄爆口尺寸有利于更多的火焰和气体通过多孔材料。在位置1处，只有少量未燃烧气体进入泄爆夹层，导致扩散火焰。在位置3处，更多的未燃气体在火焰到达泄爆口之前进入泄爆夹层，导致逸出的火焰点燃车厢内的未燃气体，导致二次爆炸。

图6 泄爆夹层内火焰变化

图7（a）显示了在10 PPI孔隙率的层间泄爆措施下火焰传播速度和位置的变化。在位置1处，对于36 cm²的泄爆口尺寸，记录的最大火焰速度为42.96 m/s，对于64 cm²的泄爆口尺寸，记录的最大火焰速度为27.63 m/s。在位置3处，对于36 cm²的泄爆口尺寸，记录的最大火焰速度为79.20 m/s，对于64 cm²的泄爆口尺寸，记录的最大火焰速度为57.10 m/s。图8比较了各种多孔材料的最大火焰速度。当泄爆口尺寸为36 cm²时，两个位置的最大火焰速度变化较小，分别为-5.93%和4.92%。相比之下，对于64 cm²的泄爆口，变化分别为-31.83%和-14.38%。这是由于较大的泄爆口尺寸导致淬火故障后夹层中未燃烧气体的耗尽，从而减少了回流过程中的燃料。

图7 夹层泄爆措施下的火焰传播特性

图8 不同孔隙率多孔材料最大火焰传播速度的比较

3.3抑制机制分析

泄爆夹层的抑制机理如图9所示。在爆炸过程中，气体迅速膨胀，并以高速向下游隔室和泄爆夹层传播。随着体积的增加，更多的未燃烧气体和能量被释放。在泄爆口的影响下，特别是在爆炸的早期阶段，两个因素共同作用以抑制燃烧反应。一方面，持续的泄爆削弱了燃烧的驱动力。另一方面，冲击波使未燃烧气体扩散到下游隔室中，降低了主隔室中的燃料浓度。结果，燃烧室压力和火焰传播速度都显著降低。当火焰通过泄爆口排出时，多孔材料的火焰抑制机制，特别是冷壁淬灭效应开始发挥作用。在与多孔材料接触时，火焰由于独特的孔结构而被剪切和破碎，从而引起与内部孔的多次碰撞。这增加了火焰和孔壁之间的接触面积，通过热传递有效地削弱了火焰的湍流和振荡特性。此外，泡沫镍的优异导热性促进了火焰温度的降低，最终将其降低至熄灭温度，从而熄灭火焰。此外，多孔材料的孔结构在热交换过程中起关键性作用，这种独特的结构增加了自由基与孔壁之间的碰撞频率，减少了有效参与燃烧反应的自由基的数量，从而抑制了火焰的形成和传播。