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摘要：为研究敞口端点火条件下的甲烷-空气爆炸火焰传播特性，采用GB/T12474-2008气体爆炸极限测定系统，结合高速摄影仪，以甲烷-空气预混气体为实验介质，在相同点火能量和点火位置条件下，研究了7%，9.5%，11% CH4Air爆炸火焰传播特性及变化规律。结果表明：在半封闭实验管道敞口端点火条件下，CH4Air爆炸火焰传播呈现出显著的震荡特点，火焰锋面在正向-反向-正向的循环中不断向管内蔓延。自敞口端向实验管道封闭端传播的过程中，锋前未燃混合气体依次经历了被火焰锋面压缩-反向拉伸-再压缩的过程，使得预混CH4Air体系中CH4的体积分数被稀释、减小，导致后期火焰封面传播速度减小。已燃区域内水蒸气在爆炸高温环境和带电离子的作用下发生分解，产生的H2和O2改变了气体组分并使其进一步发生氧化反应，导致不规则光斑持续地出现-消失。关键词：甲烷爆炸；点火位置；火焰传播；震荡；锋面速度
中图分类号：TD 7127文献标志码： A
Experiment on methaneair flame propagation
characteristics by igniting at venting area
WANG Tao1，2，WEN Hu1，2，LUO Zhenmin1，2，REN Junying1，3，
DENG Jun1，2，GUO Zhengchao4，
CHENG Fangming1，2
（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China
；
2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China；
3.Safety Supervision Bureau of Shigatse，Shigatse 857000，China；
4.School of Civil Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100，China）
Abstract：In order to research the flame propagation characteristics of methaneair mixture which ignited at venting area，methane was taken as experimental medium.A standard quartz tube test system and highspeed camera were employed to conduct the experiment.Flame characteristics of 7%，9.5% and 11% CH4Air mixture with same test conditions were tested.Results showed that premixed methaneair flame presented significant fluctuant features being ignited at venting area.The flame front spread to tube end from the venting area in a circle of forwardbackwardforward.During the flame spread process from venting area to the closed end of tube，the unburned gas mixture in flame front area was compressed first and then drawn reversely，resulting in the volume fraction of methane diluted，which decreased the velocity of flame propagation.The Vapor within the burned area decomposed to H2 and O2，changed the gas components and resulted in their further oxidation，leading to the irregular spots occurred and disappeared continuously.Key words：methane explosion；ignited area；flame propagation；fluctuant feature；flame velocity
第5期王濤等：敞口端点火条件下甲烷-空气爆炸火焰传播实验
0引言为防控可燃性气体爆炸事故所带来的严重危害，众多学者对其展开了大量研究，如初始环境条件的改变对气体爆炸特性的影响[1-2]，泄爆作用下的爆炸传播规律[3-5]，煤尘-瓦斯混合组分爆炸特点[6-7]，以及不同点火位置下的爆炸火焰传播特性[8]等。作为气相爆炸主要致灾因素之一的爆炸火焰，其传播与蔓延特性一直受到较多的关注。菅从光、林柏泉[9-10]等通过实验研究了管道截面积突变、管道分叉等引发的湍流对瓦斯爆炸火焰传播的影响，发现了湍流的诱导促进作用。余明高[11]等实验发现，实验管道的开口阻塞比对于瓦斯爆炸“郁金香形”火焰（即“Tulip”火焰）的形成和转化具有重要作用。聂百胜[12]等运用图像相关系数法计算分析了瓦斯爆炸火焰传播的动态变化规律，并将该方法推广至火焰传播速度的全流场计算。陈鹏[13]等通过实验与数值模拟结合的手段研究了甲烷-空气预混火焰在障碍物影响下的微观转捩特性，验证了Powerlaw模型应用于预混火焰传播研究的可行性。罗振敏[14-15]采用自行设计的点火端封闭，另一端用聚乙烯薄膜封闭的小型瓦斯爆炸实验管道，其结果表明瓦斯爆炸的火焰传播有一个突变过程，瓦斯浓度越大，达到突变的时间越短。点火源位置对可燃气体爆炸火焰传播的影响方面，郑立刚[16]等开展了变点火源位置下的甲烷爆炸实验，结果表明点火源距离实验管道封闭端越远，爆炸超压的震荡特点愈强，且泄爆口一侧的火焰锋面具有触发超压震荡的作用。工业生产灾变发生时，如厂区输气体管道发生泄漏，在泄漏处遇到火源，将引发滞留于管道内部的可燃气体爆炸事故；矿井掘进工作面瓦斯突出后，突出瓦斯在井巷运移过程中遇火源也会引发爆炸事故等等，对其爆炸传播及致灾效应的研究可以简化为半封闭管道中敞口端点火引发的爆炸模型。因此，对敞口端点火条件下气体爆炸火焰传播展开研究具有一定的理论与实际意义。文中拟在前人的研究基础上，以甲烷为介质，运用点火源设在敞口端的半封闭石英玻璃爆炸管道，对甲烷燃烧爆炸传播特性进行实验研究，以期研究结果对工矿企业生产现场的安全防范工作有所参考借鉴。 1实验系统与实验方法实验系统由石英玻璃爆炸管道、配气装置、点火装置和高速摄影仪等组成。结构简图如图1所示。爆炸管道内径60 mm，长1 400 mm，长径比L/D为23.33，壁厚2 mm.將底部通径为25 mm的泄压阀作为开口端，上端装有温度湿度计。点火装置为位于距管道底端100 mm的中轴线上。实验用高速摄影仪为NAC Memrecam HX-6高速摄像机，拍摄速度最高可达4600幅/s。实验过程中高速摄影仪拍摄速度为1 000幅/s，此时成像效果500万像素，可满足实验需求。相邻两张图片间隔1 ms，每组实验高速摄影仪总拍摄时长4 000 ms.实验在常温、常压下进行，湿度40%～60%RH.实验所用介质是CH4体积分数分别为7%，9.5%和11%的CH4Air混合气体，以下简称7%CH4，9.5%CH4和11%CH4.实验进行时，首先按分压比配气法配制所需CH4Air混合气体，配气完成后，启动密闭循环泵1 min以保证混合气体的均匀性；其次，系统点火前，打开管道底部泄压阀的同时手动开启高速摄影仪，以保证实验过程的安全性，同时方便记录自点火开始至爆炸结束期间的火焰传播过程；最后，采集高速摄影仪记录到的火焰传播图像并进行分析。
2实验结果与分析
2.1管道内甲烷爆炸火焰传播过程半封闭管道敞口端点火条件下，CH4的爆炸火焰传播过程如图2所示，由于3组混合气体的传播趋势类似，在此仅以9.5% CH4为例进行表述。如图，根据爆炸过程中火焰锋面的运动规律，可将半封闭管道敞口端点火条件下的甲烷爆炸传播分为
3个阶段：第一阶段，自点火时刻开始，火焰锋面正向传播直至首次出现“驻停”；第二阶段，自“驻停”
的火焰锋面反向传播开始，直至再次“驻停”；第三阶段，火焰锋面再次正向传播开始，直至传播到管道封闭端，火焰熄灭。
可以看出，点火后火焰自探针处呈球形迅速向四周扩展，运移至管壁处时受到其阻滞作用，随后沿管道轴向朝敞口端与封闭端两侧传播。传播过程中，在管壁的摩擦作用与流体自身黏性的共同影响下，贴近管壁处火焰的运动速率小于轴心处，锋面不断被拉伸，呈椭球状向管道两端传播。其中，往敞口端一侧传播的火焰锋面（此后称为反向传播），到达端口后经由泄压阀冲出管道。朝封闭端一侧运动的火焰锋面（此后称为正向传播，如图2标注），传播过程中加热并压缩锋前未燃混合气体，使其体积减小。由于受到前驱压力波的反射和叠加作用，以及另一侧反向传播火焰的扰动影响，其运动速度逐渐递减，火焰锋面发生褶皱变形，导致中心凹陷形成明显的“Tulip”火焰。与此同时，正向传播的火焰锋面首次出现“驻停”现象（图3中标注的S点）。即图3中7% CH4爆炸传播的第40 ms，9.5% CH4爆炸传播的第34 ms，11% CH4爆炸传播的第33 ms，对应时刻各组火焰锋面分别运动至第234，315，219像素，传播第一阶段结束。
此后，“驻停”的火焰锋面继续在反射前驱压力波的作用下朝反向传播，火焰亮度降低，速度逐渐减小，火焰的“Tulip”形状开始耗散。而自点火伊始就沿反向传播的火焰，经由泄压阀冲出管道敞口端时引发的紊流以及负压诱导作用加剧了上述过程，使得“驻停”的火焰锋面再次发生“驻停”现象（图4中标注的S点）。即图4中7%，9.5%，11%CH4爆炸传播分别对应的第 80，70，74 ms，对应时刻各组火焰锋面分别反向运动至第79，126，95像素，火焰传播的第二阶段结束。在这一过程中，火焰锋面前部的未燃混合气体被反向拉伸，体积增大。由点火开始至火焰传播第二阶段结束，锋前未燃混合气体的体积依次经历了被火焰锋面压缩减小-反向拉伸增大的过程，原预混CH4Air体系中CH4的体积分数被稀释、减小。传播的第三阶段，在前一阶段驱动火焰锋面反向传播的反射压力波与负压诱导作用减弱，火焰自二次“驻停”处再次转为正向传播，并出现若干次小范围震荡现象。由于锋前未燃混合气体中CH4体积分数的减小与反应体系能量的耗散，传播速度逐渐降低，火焰锋面呈现不规则形状，尾焰被逐步拉长。传至管道封闭端后，火焰熄灭，爆炸反应结束。
由图4，图5还可观测到，在7%，9.5%，11% CH4爆炸火焰传播过程的第二、第三阶段，火焰发光区域内部持续产生光强较大的不规则光斑，分布在火焰锋面后部已燃区域，随着火焰的传播其形态不断发生变化并很快消失。根据王从银[17]等人的研究，反应区内的主要发光体分布并不均匀，在低温下具有极高的内聚力，高温时瓦解，并指出这些发光体主要由CHO+，C3H+3，H3O+，C2H3O+，CH+3等带电离子组成。该文献所指的反应区发光体主要为高速摄影仪记录下的明亮火焰，而非而实验中观测到的光斑，因此等离子体理论并不能解释这一现象。笔者认为，CH4完全氧化反应后生成的H2O（g）在爆炸超高温环境和上述带电离子的作用下发生分解，产生的H2和O2改变了已燃区域的气体组分并使其进一步发生氧化反应，导致这种不规则光斑持续地出现和消失。
2.2管道内甲烷爆炸火焰传播速度变化为进行量化分析，将高速摄影仪拍摄图像按相似原理进行计算，以求火焰锋面的传播速度与位移大小，式中Sg为火焰锋面在管道中的位移，m；Sp为火焰锋面在图片中的位移，m；Hg为图片中的管道长度，m；Hp为图片长度，m；V为火焰传播速度，m/s；ΔT为时间间隔，ms.
SgHg=
SpHp，（1）
V=SgΔT.
（2）自点火时刻开始，选取时间间隔为5 ms的2张图片，计算其在管道中的实际位移，由此可得火焰锋面在这一ΔT内的平均速度值，然后依次求得爆炸火焰传播过程中的速度变化曲线，如图6所示。
由图6可知，各组CH4Air混合气体的爆炸火焰速度呈现正弦曲线的特点，借此能够更为直观地表述爆炸火焰3个阶段的震荡传播趋势。现以9.5% CH4为例进行说明，在其第一阶段即0～34 ms，火焰速度自0 m/s上升到峰值28.55 m/s，再减小至0 m/s，正向传播的火焰发生首次“驻停”；随后第34～70 ms，火焰速度自0 m/s增大到峰值-11.52 m/s（负号表示反向传播），再减小至0 m/s，火焰再次“驻停”；第70～830 ms，火焰速度在上升-下降-上升的循环中继续传播，直至熄灭。 表征爆炸剧烈程度的火焰传播时间、火焰正向速度峰值与火焰反向速度峰值等参数见表1.火焰传播的第一阶段，7%，9.5%和11%的CH4Air混合气体锋面速度峰值分别为19.79，28.55，1453 m/s；第二阶段时，7%，9.5%和11%的CH4Air混合气体锋面速度峰值分别达到9.77，11.52，601 m/s；各组分气体爆炸火焰传播的总时间依次为1 946，830，1381 ms.因此就混合气体爆炸剧烈程度而言，9.5%CH4Air最大，其次为7%CH4Air，11%CH4Air最小。
3结论
1）管道敞口端点火条件下，CH4爆炸火焰传播呈现出显著的震荡特点，火焰锋面在正向-反向-正向的循环中不断向管道内蔓延；
2）在火焰锋面震荡传播的影响下，锋前未燃混合气体依次经历了被火焰锋面压缩反向拉伸的过程，原预混CH4Air体系中CH4的体积分数被变相稀释、减小，导致后期火焰封面传播速度变得缓慢；
3）CH4完全氧化反应后生成的水蒸气在爆炸高温环境和带电离子的作用下发生分解，产生的H2和O2改变了已燃区域的气体组分并使其进一步发生氧化反应，导致了不规则光斑持续地出现和消失的现象。参考文献References
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第5期王濤等：敞口端点火条件下甲烷-空气爆炸火焰传播实验
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2实验结果与分析
2.1管道内甲烷爆炸火焰传播过程半封闭管道敞口端点火条件下，CH4的爆炸火焰传播过程如图2所示，由于3组混合气体的传播趋势类似，在此仅以9.5% CH4为例进行表述。如图，根据爆炸过程中火焰锋面的运动规律，可将半封闭管道敞口端点火条件下的甲烷爆炸传播分为
3个阶段：第一阶段，自点火时刻开始，火焰锋面正向传播直至首次出现“驻停”；第二阶段，自“驻停”
的火焰锋面反向传播开始，直至再次“驻停”；第三阶段，火焰锋面再次正向传播开始，直至传播到管道封闭端，火焰熄灭。
可以看出，点火后火焰自探针处呈球形迅速向四周扩展，运移至管壁处时受到其阻滞作用，随后沿管道轴向朝敞口端与封闭端两侧传播。传播过程中，在管壁的摩擦作用与流体自身黏性的共同影响下，贴近管壁处火焰的运动速率小于轴心处，锋面不断被拉伸，呈椭球状向管道两端传播。其中，往敞口端一侧传播的火焰锋面（此后称为反向传播），到达端口后经由泄压阀冲出管道。朝封闭端一侧运动的火焰锋面（此后称为正向传播，如图2标注），传播过程中加热并压缩锋前未燃混合气体，使其体积减小。由于受到前驱压力波的反射和叠加作用，以及另一侧反向传播火焰的扰动影响，其运动速度逐渐递减，火焰锋面发生褶皱变形，导致中心凹陷形成明显的“Tulip”火焰。与此同时，正向传播的火焰锋面首次出现“驻停”现象（图3中标注的S点）。即图3中7% CH4爆炸传播的第40 ms，9.5% CH4爆炸传播的第34 ms，11% CH4爆炸传播的第33 ms，对应时刻各组火焰锋面分别运动至第234，315，219像素，传播第一阶段结束。
此后，“驻停”的火焰锋面继续在反射前驱压力波的作用下朝反向传播，火焰亮度降低，速度逐渐减小，火焰的“Tulip”形状开始耗散。而自点火伊始就沿反向传播的火焰，经由泄压阀冲出管道敞口端时引发的紊流以及负压诱导作用加剧了上述过程，使得“驻停”的火焰锋面再次发生“驻停”现象（图4中标注的S点）。即图4中7%，9.5%，11%CH4爆炸传播分别对应的第 80，70，74 ms，对应时刻各组火焰锋面分别反向运动至第79，126，95像素，火焰传播的第二阶段结束。在这一过程中，火焰锋面前部的未燃混合气体被反向拉伸，体积增大。由点火开始至火焰传播第二阶段结束，锋前未燃混合气体的体积依次经历了被火焰锋面压缩减小-反向拉伸增大的过程，原预混CH4Air体系中CH4的体积分数被稀释、减小。传播的第三阶段，在前一阶段驱动火焰锋面反向传播的反射压力波与负压诱导作用减弱，火焰自二次“驻停”处再次转为正向传播，并出现若干次小范围震荡现象。由于锋前未燃混合气体中CH4体积分数的减小与反应体系能量的耗散，传播速度逐渐降低，火焰锋面呈现不规则形状，尾焰被逐步拉长。传至管道封闭端后，火焰熄灭，爆炸反应结束。
由图4，图5还可观测到，在7%，9.5%，11% CH4爆炸火焰传播过程的第二、第三阶段，火焰发光区域内部持续产生光强较大的不规则光斑，分布在火焰锋面后部已燃区域，随着火焰的传播其形态不断发生变化并很快消失。根据王从银[17]等人的研究，反应区内的主要发光体分布并不均匀，在低温下具有极高的内聚力，高温时瓦解，并指出这些发光体主要由CHO+，C3H+3，H3O+，C2H3O+，CH+3等带电离子组成。该文献所指的反应区发光体主要为高速摄影仪记录下的明亮火焰，而非而实验中观测到的光斑，因此等离子体理论并不能解释这一现象。笔者认为，CH4完全氧化反应后生成的H2O（g）在爆炸超高温环境和上述带电离子的作用下发生分解，产生的H2和O2改变了已燃区域的气体组分并使其进一步发生氧化反应，导致这种不规则光斑持续地出现和消失。
2.2管道内甲烷爆炸火焰传播速度变化为进行量化分析，将高速摄影仪拍摄图像按相似原理进行计算，以求火焰锋面的传播速度与位移大小，式中Sg为火焰锋面在管道中的位移，m；Sp为火焰锋面在图片中的位移，m；Hg为图片中的管道长度，m；Hp为图片长度，m；V为火焰传播速度，m/s；ΔT为时间间隔，ms.
SgHg=
SpHp，（1）
V=SgΔT.
（2）自点火时刻开始，选取时间间隔为5 ms的2张图片，计算其在管道中的实际位移，由此可得火焰锋面在这一ΔT内的平均速度值，然后依次求得爆炸火焰传播过程中的速度变化曲线，如图6所示。
由图6可知，各组CH4Air混合气体的爆炸火焰速度呈现正弦曲线的特点，借此能够更为直观地表述爆炸火焰3个阶段的震荡传播趋势。现以9.5% CH4为例进行说明，在其第一阶段即0～34 ms，火焰速度自0 m/s上升到峰值28.55 m/s，再减小至0 m/s，正向传播的火焰发生首次“驻停”；随后第34～70 ms，火焰速度自0 m/s增大到峰值-11.52 m/s（负号表示反向传播），再减小至0 m/s，火焰再次“驻停”；第70～830 ms，火焰速度在上升-下降-上升的循环中继续传播，直至熄灭。 表征爆炸剧烈程度的火焰传播时间、火焰正向速度峰值与火焰反向速度峰值等参数见表1.火焰传播的第一阶段，7%，9.5%和11%的CH4Air混合气体锋面速度峰值分别为19.79，28.55，1453 m/s；第二阶段时，7%，9.5%和11%的CH4Air混合气体锋面速度峰值分别达到9.77，11.52，601 m/s；各组分气体爆炸火焰传播的总时间依次为1 946，830，1381 ms.因此就混合气体爆炸剧烈程度而言，9.5%CH4Air最大，其次为7%CH4Air，11%CH4Air最小。
3结论
1）管道敞口端点火条件下，CH4爆炸火焰传播呈现出显著的震荡特点，火焰锋面在正向-反向-正向的循环中不断向管道内蔓延；
2）在火焰锋面震荡传播的影响下，锋前未燃混合气体依次经历了被火焰锋面压缩反向拉伸的过程，原预混CH4Air体系中CH4的体积分数被变相稀释、减小，导致后期火焰封面传播速度变得缓慢；
3）CH4完全氧化反应后生成的水蒸气在爆炸高温环境和带电离子的作用下发生分解，产生的H2和O2改变了已燃区域的气体组分并使其进一步发生氧化反应，导致了不规则光斑持续地出现和消失的现象。参考文献References
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