| BIT |浓度梯度对管道内甲烷爆炸动力学及火焰传播影响的实验研究

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2025-07-05 18:58

1 研究背景

甲烷在工业生产和日常生活中被广泛应用，具有较高的爆炸风险，因此对其爆炸特性的研究至关重要。在气体爆炸中，甲烷通常在泄漏后受到气体密度变化的影响产生不均匀地扩散。这种非均匀性对爆炸行为的影响尚未得到足够的重视。浓度梯度的存在可能导致冲击波传播和火焰动力学的显著变化。因此，研究非均匀条件下甲烷爆炸具有重要的工程意义。本研究提出了一种能够精确定量浓度梯度的实验系统。在甲烷体积和点火处浓度相同的条件下进行甲烷爆炸实验，重点研究了正负浓度梯度对受限管道内甲烷爆炸动力学的影响，为预防和缓解甲烷泄漏爆炸事故提供有价值的参考。

2 方法

2.1 实验设置

图1介绍了自行设计和搭建的甲烷爆炸及传播过程中浓度梯度定量实验平台。该平台能够实现甲烷的非均匀横向分布。如图所示，整个实验装置包括水平封闭爆炸管道、气体配置系统、点火系统、数据采集系统和同步控制系统。

图1 气体爆炸及传播的浓度梯度定量实验平台示意图

爆炸管道长6米，内径0.1米，长径比为60。为了增强浓度梯度对爆炸特性的影响，在实验开始前，在靠近点火点的第一段管道中安装环形障碍物。障碍物的阻挡比为0.45，内径为74.1 mm，外径为100 mm，穿孔板间距为100 mm，总长为600 mm，为观察爆炸过程中火焰阵面的形态和动态演化特征在第四段管道上安装了一个20毫米厚的亚克力观察窗。

使用分压法，将不同浓度（体积分数）的甲烷气体注入到点火端附近的管道的两个封闭段中，这两个封闭段具有相等的体积，从而建立浓度梯度。同时，通过调节排气阀的开启，将空气引入第三密封段管道，完成整体配气设置。在注入气体后，使系统静置30分钟以确保气体的均匀混合。

2.2 实验条件

整个管道被抽空后，将特定体积的甲烷气体注入管道的两个封闭部分。当来自真空计的读数与使用分压法计算的压力匹配时，停止气体注入。随后，打开空气注入阀，将空气引入封闭管道的两段中。第三密封部分完全充满空气。为了促进甲烷和空气在管道内的充分混合，在实验之前将密封系统静置30分钟。

在注入甲烷量不变的情况下，调整两段封闭管道内的浓度分布，在浓度均匀和五个正浓度梯度的条件下进行甲烷爆炸实验（5%、4%、3%、2%和1%）以及四个负浓度梯度（-1%、-2%、-3%和-4%）。此外，在点火位置的甲烷浓度固定为9.5%的条件下进行了爆炸试验，探索了三个正浓度梯度（3%，2%和1%）和三个负浓度梯度（-1%，-2%和-3%）。实验条件总结于表1中。

通过控制甲烷的总体积，在管道的两个部分内建立浓度梯度分布。该实验条件可以模拟密闭空间内泄漏后气体的自由扩散过程。据研究，随着扩散时间的增加，管道内的浓度梯度逐渐减小，逐渐形成均匀的气体分布状态。

表1 实验条件设置

图2示出了在0%浓度梯度条件下由管道中传感器记录的爆炸超压曲线。超压曲线大致可分为三个阶段。第一阶段，受限空间内的甲烷气体被点燃，燃烧释放的热量超过热传导和热损失，导致超压上升。该阶段主要受火焰传播速度和化学反应动力学的影响。在第二阶段，由于管道内的气体逐渐被燃烧消耗，化学反应释放的热量与热传导和损失平衡，形成超压峰值。第三阶段的特点是，由于壁面反射和温度升高引起的膨胀波的综合作用，以及化学反应释放的热量减少，超压逐渐下降。

通过对超压-时间曲线求一阶导数，可获得压力随时间的上升速率。结果表明，在超压波动过程中，最大压力上升速率存在一个明显的峰值，超压先升后降。管道内冲击波特性的后续分析将基于图2所示的最大超压和最大压力上升率。

图2 爆炸超压及压力上升速率随时间的变化曲线

3 结果及讨论

3.1 浓度梯度对爆炸超压的影响

图3为10个传感器记录的压力-时间曲线的爆炸超压最大值。在传感器1和5之间，最大超压表现出微小的波动。从传感器5到7，爆炸超压增加加速，传感器7和8之间突然下降。在传感器8和10之间，爆炸超压以略微上升的趋势稳定。当甲烷扩散均匀时，传感器7处的超压与传感器6相比增加240 kPa，相对增加155%。除传感器7外，其它传感器的超压波动保持在67 kPa以内。总体而言，在距离着火点3.75 m处的传感器7处存在显著的超压峰值。在封闭管道中，随着火焰传播，所产生的冲击波从封闭端反射并沿管道反射传播。当反射波遇到前进的火焰前锋，压力波的相干叠加发生，导致局部压力显著增加，随后导致形成的最大超压峰值。

图3 不同浓度梯度下甲烷爆燃冲击波最大爆炸超压的轴向演化

不同浓度梯度条件下的最大超压轴向演化曲线具有一致性，峰值出现在距点火点3.75 m处。图4给出了不同浓度梯度条件下爆炸超压峰值的分析结果。总之，无论是相同的甲烷体积还是相同的着火点甲烷浓度，最大超压始终出现在浓度梯度值为0%的条件下。此时，前两段的甲烷浓度相等，爆炸前气体处于均匀分布状态。

图4 甲烷气体爆燃冲击波峰值超压与浓度梯度的关系

3.2 浓度梯度对压力上升速率的影响

图5给出了最大爆炸超压上升速率的轴向演化曲线。与最大爆炸超压的演化规律相似，大多数情况下在距监测点3.75 m处出现峰值。

图5 不同浓度梯度下甲烷爆燃最大爆炸超压上升速率的轴向演化

当甲烷总体积保持不变时，如图5（a）所示，浓度梯度值在-1%至3%范围内，观察到类似于最大爆炸超压演变的模式，峰值出现在距监测点3.75 m处。对于甲烷浓度进一步偏离均匀状态的其他工况，整个管道的最大爆炸超压上升速率变化相对平稳，仅在封闭端附近略有增加，爆炸超压峰值出现在管道末端。当着火点浓度相同时，如图5（b）所示，浓度梯度值在-1%~ -2%之间时，最大爆炸超压随轴向距离的增加先增大后减小，最大压力上升速率也出现在3.75 m处。在其它工况下，最大超压发生在管道末端。

3.3 浓度梯度对冲击波传播速度的影响

除爆炸超压和爆炸超压上升速率之外，冲击波的传播速度是评估爆炸后果的关键参数之一。根据第一个和最后一个传感器位置之间的距离和时间计算冲击波的平均传播速度。在不同浓度梯度下得到的冲击波平均传播速度如图6所示。

图6 不同浓度梯度下甲烷爆燃冲击波平均传播速度

冲击波平均传播速度的最大值出现在浓度分布均匀条件下，达到431 m/s，超过声速，进入超音速爆燃状态。在甲烷总体积相同的条件下，如图6（a）所示，对于负浓度梯度，当梯度从0%减小到-4%时，平均冲击波传播速度从431 m/s下降到314 m/s，降低了27%。对于正浓度梯度，当梯度从0%增加到5%时，平均冲击波传播速度从431 m/s减小到340 m/s，减小21%。当浓度梯度变化4%时，正梯度平均冲击波传播速度降低12%，负梯度平均冲击波传播速度降低27%。类似地，在点火点甲烷浓度相同的条件下，如图6（b）所示，对于负浓度梯度，当梯度从0%减小到-3%时，平均冲击波传播速度从431 m/s减小到371 m/s，减小了14%。对于正浓度梯度，当梯度从0%增加到3%时，平均冲击波传播速度从431 m/s减小到397 m/s，减小8%。

3.4 浓度梯度对火焰速度的影响

图7提供了由高速摄像机在观察窗内记录的火焰图像，该观察窗位于充气管道的第二段，距离点火端2.225 m至2.575 m。如图8（c）所示，爆炸过程中火焰前缘的形态是不均匀的。在0.02 ms时，火焰呈现出“Г”形，这是浮力和壁面粘性力共同作用的结果。在浮力的影响下，甲烷倾向于向管道的上侧上升，导致局部富燃料区域，并形成不对称的火焰形态。在0.10 ms时，管道内出现“郁金香”火焰形状。这种火焰形态可能与火焰和压力波之间的相互作用以及壁的粘性效应和淬火现象有关。与此同时，火焰开始显示出大面积的明亮的白色着色，表明燃烧过程的强化。0.16 ms后，火焰前锋变得无序，颜色变暗，脱离火焰主体，这是典型湍流燃烧。