N_%282%29对甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播稳定性的影响.pdf

第51卷第4期2023 年8 月D0I:10.7631/issn.1000-2243.22465N,对甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播稳定性的影响福州大学学报（自然科学版）Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol.51 No.4Aug.2023文章编号：10 0 0-2 2 43(2 0 2 3)0 4-0 58 2-0 7王金贵，何伟杰，张成名，张苏1（1.福州大学环境与安全工程学院，福建福州350 10 8；2.32 50 4部队，江西上饶33410 0）摘要：基于自主搭建的1m球形爆炸实验系统，通过分析火焰结构与传播过程来探究不同体积分数下的甲烷和氮气对火焰不稳定性的影响及其机制.研究结果表明，甲烷-空气预混气体火焰发展过程与甲烷体积分数直接相关，当甲烷体积分数接近爆炸极限，火焰明显上浮，浮力不稳定性是火焰失稳的主要因素当甲烷体积分数在7%13%范围内时，火焰总体呈规则球形，在热-质扩散因素和流体力学因素相互促进或制约作用下，火焰总体不稳定性呈现先迅速增强后缓慢减弱的趋势.通过改变氮气添加比，发现流体力学不稳定性对氮气添加比的变化更为敏感，当氮气添加比（体积分数）大于8%时，在流体力学不稳定性因素的主导影响下火焰稳定性迅速增强.关键词：甲烷爆炸；惰化；马克斯坦长度；火焰不稳定性中图分类号：X932Influence of N,on the flame stability of methane-air premixed gasWANG Jingui,HE Wejie,ZHANG Chengming,ZHANG Su(1.College of Environment and Safety Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China;2.Unit 32504,Shangrao,Jiangxi 334100,China)Abstract:Based on the self-developed 1 m spherical explosion experimental system,investigating theeffect of methane and nitrogen on flame instability at different volume fractions and their mechanisms byanalyzing flame structure and propagation processes.The results show that the flame development processof methane-air premixed gas is directly related to the volume fraction of methane,and when the volumefraction of methane is close to the explosion limit,the flame obviously floats upward and buoyancy insta-bility is the main factor of flame destabilization.When the volume fraction of methane is in the rangefrom 7%to 13%,the flame has a regular spherical shape in general,and the overall instability of theflame shows a trend of rapid enhancement and then slow weakening under the effect of heat-massdiffusion factors and hydrodynamic factors promoting or constraining each other.By changing the volumefraction of nitrogen,it was found that the hydrodynamic instability was more sensitive to the change ofvolume fraction of nitrogen,and when the volume fraction of nitrogen was greater than 8%,the flamestability was enhanced rapidly under the dominant influence of hydrodynamic instability factors.Keywords:methane explosion;inerting;Markstein length;flame instability0引言甲烷作为当前较为低碳并广泛使用的清洁能源 1，其储存、运输和使用等环节依然面临爆炸的风险.甲烷的燃爆、抑爆研究大致分为两类，一类是测定火焰燃烧速度、爆炸超压、爆炸温度及其他基础参数探究气体配比、点火能量或障碍物等对爆炸特性的影响 2-5，另类主要是使用高速摄像、纹影摄像等技术研究各工况对火焰结构、火焰褶皱、爆炸波形态等火焰演化过程的影响 6-8 .Hu等 9 在定容燃烧弹内对甲烷-氢气-空气预混火焰的胞状不稳性进行实验研究，发现火焰不稳定性与初始压力呈正相关，而初始温度对火焰不稳定性影响较小.苗海燕等 10 在定容燃烧弹内研究惰性气体抑制下掺氢天然气-空气预混气收稿日期：2 0 2 2-11-0 6通信作者：张苏（198 7-），博士，副教授，主要从事安全与应急管理领域研究，基金项目：福建省自然科学基金面上资助项目（2 0 2 0 J01505）文献标识码：A第4期体的火焰特性，结果表明：氢气的马克斯坦长度与惰性气体的添加比呈反比，而天然气的实验结果与氢气的相反，惰性气体的添加有利于天然气燃烧火焰的稳定.Prathap等 1研究CO，和N，对H,/CO预混气体燃烧速度和火焰不稳定性的影响，发现CO，对预混气体反应的抑制作用要强于N2.Kwon等12 1 则在高压条件下研究压力对于H,/O2/N，混合物火焰不稳定性的影响，发现初始压力的增加会导致火焰厚度降低，即火焰的不稳定性增强.预混火焰的火焰不稳定性有3种：流体力学不稳定性、热-质扩散不稳定性和浮力不稳定性 13-15。以往研究大多将3种火焰不稳定性单独进行分析，并且浮力不稳定性的研究缺乏实验现象的支撑，本研究将利用中尺寸（1m）球形容器，通过高速摄像机记录火焰结构演化过程，更好地呈现出浮力对火焰结构的影响，研究不同甲烷体积分数及不同氮气配比下球形燃烧扩展火焰的失稳机理，分析3种火焰不稳定性的竞争及影响机制，研究成果对于完善甲烷抑爆机制具有重要意义.1实验系统实验系统由1m球形爆炸容器、高速摄影系统、数据采集系统、配气系统及点火系统5部分组成.实验系统如图1所示.CHN,王金贵，等：N，对甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播稳定性的影响真空压力表1m球形爆炸容器点火电极250mm泄压口coAirHD15-10型数显高压脉冲放电电源583压力传感器信号采集系统高速摄像机回电脑DDS信号发生器X真空泵图11m球形爆炸实验系统Fig.1 1 m spherical explosion test system为研究爆炸火焰结构，在1m球形爆炸容器前后两侧装有2 面直径2 50 mm、厚度35mm的光学石英玻璃视窗，为高速摄影机广角拍摄火焰提供光学通道.DDS信号发生器可同时触发高速摄像机及压力信号采集系统.配气系统包括真空泵、配气柱、气瓶及数字压力表等.点火系统由脉冲式点火器和铂金点火电极组成，点火电极位于容器中心，两根电极间隙为3mm，点火电压为15kV.所有实验均在一个大气压和285K的初始温度下进行.2火焰稳定性理论及参数计算方法2.1马克斯坦长度在密闭容器中心点火，混合气火焰呈球形扩散.随着火焰的发展，火焰表面积逐渐增大，火焰锋面持续拉伸，导致表面开始出现胞状火焰引起燃烧速率的增加从而造成火焰的不稳定.在球型火焰尚未受到其他因素影响时，拉伸层流火焰传播速度S，和拉伸率K存在线性关系16 .即S。-S,=L,K式中：S。为未拉伸火焰速度；S，为拉伸层流火焰速度；L，为未燃烧预混气体的马克斯坦长度；K为拉伸率.从式（1)可知马克斯坦长度是拉伸层流火焰速度与拉伸率直线的斜率相反数.马克斯坦长度表征了层流预混火焰对拉伸响应的敏感程度，反应了气体爆炸初期层流火焰的稳定性，马克斯坦长度越小，火焰越容易受火焰不稳定性影响.(1)http:/5842.2刘易斯数刘易斯数Le是混合物的热扩散率与贫反应物质量扩散率的比值.在富燃料区域，质量扩散率取氧气的质量扩散率；而在贫燃料区域，则取燃料的质量扩散率刘易斯数用于表征火焰的热-质扩散不稳定性，刘易斯数越大，火焰表面的扰动越强，火焰稳定性就越差.当Le1时，即热扩散系数 质量扩散系数.火焰向未燃区凸起部分，热量耗散大，火焰传播速度随即减小，凸起部分逐渐趋于平缓，使火焰褶皱面趋于稳定，当Le1时，即热扩散系数 1 3%7%1 2%1 1%9%10%.从图4 可知，各甲烷体积分数火焰上浮率从高到低依次为：6%7%1 3%1 2%1 1%9%1 0%.综合图3 4 可知，上浮率随着甲烷体积分数的增大先减后升，而火焰速度（S，）随着甲烷体积分数的增大而先增后减.火焰速度越低，浮力不稳定性的影响越明显，如图5 所示.由图5 可知各甲烷体积分数火焰上浮率均大于0，说明各体积分数下均存在浮力不稳定性，但火焰速度较低时，浮力不稳定性的影响更明显，对比图3中各体积分数下的甲烷火焰上浮情况也可看出，甲烷接近爆炸极限（6%与1 3%）时，火焰速度小，火焰受浮力不稳定性作用增强而导致明显上浮.分析认为火焰受拉伸力、浮力和重力的耦合作用，但在慢速燃烧扩散过程中，因热释放速率低，热损失大，浮力是导致火焰出现不稳定性的主要因素，因此火焰几何中心随着燃烧速率的降低而逐渐上移，呈现不规则形状.3.1.2甲烷体积分数对热-质扩散、D-L不稳定性的影响采用前述公式计算不同甲烷体积分数火焰的不稳定性参数，结果如表2 所示.图6 7 分别为马克斯坦长度(L)刘易斯数(Le)和火焰厚度(L)随着甲烷体积分数变化曲线.Tab.2Parameter calculation results(no inerting)参数6Ly/mm20.91Le0.887 600./mm从图3 可以看出，甲烷体积分数为7%1 3%范围内时，火焰总体为球形，对于球形火焰可用马克斯坦长度衡量火焰总体不稳定性。观察图6 可以发现，甲烷体积分数小于1 0%时，甲烷燃烧球形火焰的马克斯坦长度随着甲烷体积分数的增大而快速减小，当甲烷体积分数大于1 0%时，马克斯坦长度也随之缓慢6%CH1.87%CH.9%CH.1.410%CH.-11%CH12%CH,1.013%CH0.60.2-0.2025 5075100125150175200R,/mm图4各甲烷体积分数上浮率变化曲线图Fig.4Variation curve of upwelling rate at eachmethane volume fractions2.52.01.S.w/1.51.00.50567 891011121314图5火焰传播速度和上浮率变化曲线图Fig.5Variation curves of flame propagationspeed and uplift rate表2 参数计算结果(无惰化)PcH,/%799.502.460.876 280.853 790.104 50.051 2http:/1.50一一火焰传播速度-上浮率1.251.000.750.500.250-0.2510110.340.490.921 430.919 130.048 20.0520120.860.916 970.066 4131.420.914 760.118 8586增大.对比图5 可知，火焰不稳定性与火焰速度随着甲烷体积分数变化的规律吻合，证实马克斯坦长度衡量火焰总体不稳定性的准确性.根据节3.1.1 所述，甲烷体积分数位于7%1 3%范围内时，火焰受浮力不稳定性影响小，热-质扩散不稳定性和流体力学不稳定性是影响火焰发展的主要因素由图7 中可知，甲烷体积分数在9%1 0%时，刘易斯数突然增大，说明热-质扩散不稳定性对贫燃料区域火焰的影响大于富燃料区域.但无论当量比小于或大于1，刘易斯数与甲烷体积分数均呈反比，即热-质扩散不稳定性随着甲烷体积分数的增大而增大，这与马克斯坦长度衡量的火焰总体稳定性不相符.经过计算火焰热扩散厚度（8），如图7 所示，发现火焰热扩散厚度呈马鞍形趋势变化，并且在甲烷体积分数为1 0%附近时最小.因此流体力学不稳定性随着甲烷体积分数的增大呈现先增大后减小的趋势，与马克斯坦长度衡量的火焰总体稳定性相符.2520151050-55福州大学学报（自然科学版）0.930.920.910.9000.890.880.870.860.8567891011121314第5 1 卷0.14Le火焰厚度0.120.10uu/0.080.060.045678910111213314图6 各甲烷体积分数的马克斯坦长度Fig.6 Markstein length at differentmethane volume fractions综合两种不稳定性因素，可以发现甲烷-空气球形火焰传播不稳定性是热-质扩散、流体力学因素共同作用的结果.当量比小于1 时，随着甲烷体积分数增大，热-质扩散因素和流体力学因素逐渐增强，两者的协同作用是火焰不稳定性快速增强的主要原因当量比大于1 时，随着甲烷体积分数增大，在流体力学因素作用下，火焰不稳定性快速减弱，但热-质扩散因素使火焰不稳定性有缓慢增强的趋势，因此，在热-质扩散因素的制约作用下，火焰总体不稳定性随着甲烷体积分数增大而缓慢增加.3.2氮气添加比对火焰不稳定性的影响为深人探索惰性物质对甲烷-空气预混气体爆炸特性的影响，在1 0%甲烷体积分数的初始条件下进行氮气抑爆实验，研究氮气添加比对火焰不稳定性的影响.3.2.1不同氮气添加比对浮力不稳定性的影响图8 9 分别为不同氮气添加比下火焰结构演化图和火焰上浮率的变化图，图1 0 为不同氮气添加比下火焰传播速度和上浮率变化曲线.图8 1 0 中均可发现在甲烷体积分数1 0%体系下，火焰的上浮率随着氮气添加比的增加而不断上升，说明氮气的加人增强火焰的浮力不稳定性氮气添加比位于014%范围内时，浮力因素对火焰的传播影响较小，火焰保持球形扩散，对于球形火焰，可用马克斯坦长度衡量火焰总体不稳定性.图7 各甲烷体积分数的刘易斯数与火焰厚度Fig.7 Lewis number and flame thickness atdifferent methane volume fractions058101214161252921241641782262965280t/ms图8 氮气添加比对1 0%甲烷体系爆炸火焰结构演化的影响Fig.8 Effect of nitrogen addition ratio on the evolution ofexplosion flame structure of 10%methane systemhttp:/第4 期1.41.21.00.80.60.40.20-0.20255075100125150175R,/mm图9各氮气添加比时上浮率变化曲线图Fig.9Variation curve of uplift rate under each nitrogenaddition ratio3.2.2不同氮气添加比对热-质扩散、D-L不稳定性的影响在甲烷体积分数为1 0%的初始条件下，计算不同氮气添加比时的火焰不稳定性参数，结果如表3 所示.图1 1 1 2 分别为马克斯坦长度随着氮气添加比变化曲线，以及刘易斯数/火焰厚度随着氮气添加比变化曲线.观察图1 1 可以发现，球形火焰的马克斯坦长度随着氮气添加比的增加而增加，说明添加氮气可以减弱火焰的不稳定性，该结论与图1 0 中火焰速度变化的规律基本吻合，证实马克斯坦长度衡量惰化作用下火焰总体不稳定性的准确性.Tab.3Parameter calculation results(nitrogen inerting)参数0L,/mm0.34Le0.921 430./mm0.048 22.52.01.51.00.500246810121416182/%图1 1 马克斯坦长度变化曲线Fig.11Variation curve of Markstein length with nitrogenaddition ratio观察图1 0 1 1，氮气添加比为8%左右，上浮率与马克斯坦长度开始快速增加，说明氮气添加比大于8%时，火焰不稳定性受氮气影响的敏感程度要大于低氮气添加比时.观察图1 2 可以发现，随着氮气添加王金贵，等：N，对甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播稳定性的影响-10%CH,10%CH,+5%N,10%CH,+8%N,10%CH,+10%N,10%CH,+12%N,10%CH,+14%N,10%CH,+16%N,5870一火焰传播速度-上浮率2.40.82.00.6.S.u/1.61.20.80.40246810121416180%/%图1 0各氮气添加比时火焰传播速度和上浮率变化曲线Fig.10Variation curves of flame propagation speed and upliftrate under different nitrogen addition ratios表3 参数计算结果(氮气惰化)PN,/%580.720.820.923 590.924880.049 30.051 1http:/.0.40.20-0.210121.501.700.925 780.926 740.053 00.055 50.9290.9280.9270.9260.92500.9240.9230.9220.9210.9200246810121416180%/%图1 2 各氮气添加比时刘易斯数与火焰厚度Fig.12 Lewis number and flame thickness at differentnitrogen addition ratios141.800.927 680.058 9-o-Le-火焰厚度162.400.928 800.065 10.0650.0600.0550.0500.045588比的增加，刘易斯数呈直线上升，而火焰厚度呈指数上升，说明火焰不稳定性在热-质扩散和流体力学因素协同作用下逐渐增强，且流体力学因素是点火及燃烧初期氮气抑制甲烷爆炸的主要影响因素.4结语1）1 m 球形容器中，甲烷体积分数越接近化学计量浓度，火焰受浮力不稳定性的作用越弱，反之甲烷体积分数越接近爆炸极限，火焰速度越小，火焰受浮力不稳定性作用越强.2）当甲烷体积分数小于1 0%，在热-质扩散性不稳定性与流体力学不稳定性的协同作用下，火焰不稳定性随着甲烷体积分数的增加迅速增强，火焰表面的扰动增加，最终导致火焰传播速度的增加.当甲烷体积分数达到1 0%，流体力学不稳定性成为主导因素，并在热-质扩散因素的制约下，火焰总体不稳定性随着甲烷体积分数增大呈现缓慢增加的趋势.3）1 m 球形容器中改变氮气添加比时，相较于热-质扩散不稳定性，流体力学不稳定性对氮气添加比的变化更为敏感。当氮气添加比大于8%，流体力学不稳定性大幅度减弱是氮气抑制甲烷爆炸的重要因素，参考文献：1 】马业超，杨真子，王远航能源转型下天然气产业发展前景及启示J.石油石化绿色低碳，2 0 2 1，6(6)：1-4.【2】姜延欢.合成气预混火焰稳定性及传播特性研究D.北京：北京交通大学，2 0 1 9.3】程方明，南凡，肖旸，等.CF,1和CO，抑制甲烷-空气爆炸实验研究J.爆炸与冲击，2 0 2 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