直徑變化對阻火器阻火速度的影響

實(shí)驗(yàn)中，我們首先采用丙烷、乙烯空氣混合氣體在D=32mm、D=80mm、D=150mm、D=400mm的阻火器進(jìn)行阻爆測試。爆炸管道長徑比為50，每組實(shí)驗(yàn)測試20次，記錄13次有效阻火速度值(火焰?zhèn)鞲衅魑恢萌鐖D2.1所示)。

圖3.31為丙烷阻火速度的分布圖，從圖中可以看出，隨著管徑的增加(DN32~DN150)，阻火速度不斷增大。其中D=32mm管道的最大阻火速度為33m/s，D=80mm為55m/s，D=150mm為91m/s。當(dāng)管徑增大到400mm時，其速度虧損明顯增加，最大阻火速度僅為28m/s。

D=400mm管道阻火器的阻火速度較低主要有以下幾方面原因：首先，管道內(nèi)壓力沖擊波遇到阻火單元或壁面時會發(fā)生反射，產(chǎn)生反射壓力波。反射壓力波與火焰陣面相交，導(dǎo)致與火焰?zhèn)鞑シ较蛳喾吹臍饬鲿种苹鹧嫠俣取５谠诨鹧鎮(zhèn)鞑コ跗?，反射壓力波較小，并不足以影響火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娼Y(jié)構(gòu)。隨著管道長度的不斷增加(L/D=50)，燃燒化學(xué)反應(yīng)逐漸加快，爆炸能量釋放速率、爆炸壓力增大，反射壓力波強(qiáng)度也隨之增大。在反射壓力波的作用下，氣流產(chǎn)生劇烈逆向流動，火焰?zhèn)鞑ナ艿矫黠@抑制。隨著反射壓力波不斷疊加，其對火焰?zhèn)鞑サ囊种埔裁黠@增強(qiáng)，從而使傳播至阻火器時的火焰速度迅速減小。因此可見壓力波對火焰作用的表觀特征是影響火焰速度，而其內(nèi)在作用是導(dǎo)致層流向湍流轉(zhuǎn)變，影響火焰陣面結(jié)構(gòu)的變化。

其次，火焰在管道阻火器系統(tǒng)內(nèi)傳播時，火焰鋒面內(nèi)燃燒化學(xué)反應(yīng)在邊界上產(chǎn)生了很高的溫度和很大的濃度梯度，從而與管道壁面發(fā)生了強(qiáng)烈的熱量和能量交換。由于粘性力與熱量傳遞正比于潤濕面積。而與爆燃波相關(guān)的總動量取決于體積(管道截面積乘以反應(yīng)區(qū)長度)，所以可以看到爆燃速度的虧損依賴于表面積與體積之比。由于熱量損失，臨近管壁的混合物層中的化學(xué)反應(yīng)速率將明顯下降。因此在混合物層內(nèi)，用于維持燃燒波的總化學(xué)能將減少。同樣，這種機(jī)制也與表面積與體積之比有關(guān)。因此，隨著管道體積的逐漸增加，將會產(chǎn)生較大的速度虧損，從而抑制了火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

另外，由于實(shí)驗(yàn)管道采用分段連接，氣流經(jīng)過法蘭連接部分時，會產(chǎn)生局部阻力，當(dāng)點(diǎn)火位置距離阻火器較遠(yuǎn)時(D=400mm、L/D=50)，阻力較大；管道壁面的粗糙度會對高速傳播的火焰區(qū)也產(chǎn)生影響，即摩擦阻力。隨著幾何粗糙度越大，產(chǎn)生的管道總阻力值也就越大。

圖3.32為乙烯阻火速度分布圖，其中D=32mm管道最大阻火速度為55m/s，D=80mm管道最大阻火速度為71m/s，D=150mm管道最大阻火速度為102m/s，D=400mm管道最大阻火速度為122m/s。

與丙烷-空氣混合氣體不同，乙烯-空氣的阻火速度隨著管徑增加，不斷增大。由于丙烷的化學(xué)活性較小，在點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔皇呛芸臁Ｒ虼?，混合氣體被點(diǎn)燃后，前驅(qū)壓力波與火焰之間的距離較大。當(dāng)前驅(qū)壓力波到達(dá)阻火單元、封閉終端或與壁面接觸時，產(chǎn)生反射波逆向傳播，與火焰波面相交，隨著管徑不斷增加，對火焰有明顯抑制作用。而乙烯的化學(xué)活性相對較大，混合氣體爆炸時火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^高，前驅(qū)壓力波與火焰鋒面間距很小。當(dāng)反射波傳播到某一截面時，火焰鋒面已過該截面，即反射壓力波不與火焰鋒面相交，因此，當(dāng)火焰到達(dá)阻火器前端時，其對阻火速度也就沒有什么影響。但由于火焰厚度較大，反射波可能與火焰在其內(nèi)部某處相交，從而對火焰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，造成火焰內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分離。氫氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與乙烯基本相同。