【摘 要】
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天然气是一种清洁、高效、优质的能源,其主要成分是烷烃,其中甲烷占绝大部分。天然气具有无毒、热值高、燃烧过程稳定、对周边环境污染小等特点,是城市民用燃气的最佳气源。然而,天然气也具有易燃、易爆的特性,当作为天然气的主要成分甲烷在应用过程中一旦疏忽发生泄漏,在封闭空间内就可能会形成危及周边群众生命及财产安全的爆炸性混合气体。本文通过自主设计与搭建的小尺寸甲烷爆炸实验平台,开展了管道内非均匀甲烷空气爆炸
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天然气是一种清洁、高效、优质的能源,其主要成分是烷烃,其中甲烷占绝大部分。天然气具有无毒、热值高、燃烧过程稳定、对周边环境污染小等特点,是城市民用燃气的最佳气源。然而,天然气也具有易燃、易爆的特性,当作为天然气的主要成分甲烷在应用过程中一旦疏忽发生泄漏,在封闭空间内就可能会形成危及周边群众生命及财产安全的爆炸性混合气体。本文通过自主设计与搭建的小尺寸甲烷爆炸实验平台,开展了管道内非均匀甲烷空气爆炸实验。系统的研究了管道内甲烷自由扩散后浓度分布、空管内非均匀甲烷爆炸特性、含不同阻塞率障碍物及甲烷浓度梯度共同作用下管道内甲烷爆炸火焰传播特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷浓度分布、火焰传播结构、甲烷爆炸超压及进一步分析得出火焰传播速度、爆炸压升曲线等数据。实验结果表明:管道内甲烷自由扩散时,受浮力作用形成自上而下的甲烷浓度梯度场,扩散时间越短,浓度梯度越大。且随扩散时间不断延长,浓度趋于稳定后,管道内甲烷沿顶部横向浓度梯度为12%～11.6%～11.4%～10.8%,纵向浓度梯度为12%～11.2%～8.8%,甲烷浓度随泄漏点距离增长而递减。同时,障碍物的存在会严重影响甲烷自由扩散的浓度分布,使得甲烷更多的积聚在障碍物前方,将障碍物前后划分成两个不同的甲烷浓度区域。相同实验条件下,空管内甲烷沿管道顶部横向浓度梯度为19.0%～18.2%～16.1%～14.0%时,障碍物阻塞率50%工况下甲烷沿管道顶部横向浓度梯度为18.9%～13.0%～12.0%,且该浓度梯度随障碍物阻塞率的增加而增大。甲烷浓度梯度对管道内甲烷爆炸火焰传播结构及爆炸超压有显著影响。火焰结构方面,浓度梯度场下形成的非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰四个阶段。当甲烷沿管道纵向形成浓度梯度时,管道内出现三重火焰,且浓度梯度越大,三重火焰结构越明显;三重火焰形态出现后,火焰传播速度、爆炸超压迅速下降。管道内甲烷纵向浓度梯度为16%～4.6%～0%时,三重火焰稳定传播时火焰速度约为4.8m/s。随三重火焰继续传播,火焰传播速度、爆炸超压略有上升趋势。管内甲烷空气非均匀预混时爆炸超压呈现两个峰值,后波峰峰值约为前波峰2/3,压力峰值间隔时间随自由扩散时间增大而减小。障碍物对管道内甲烷非均匀爆炸产生显著影响。火焰结构方面,障碍物的存在促使管道内的非均匀爆炸火焰结构呈现五个阶段:球形火焰阶段、指形火焰阶段、三重火焰阶段、三重火焰受挤压变形阶段、湍流火焰阶段,每个阶段的火焰结构持续时间与管内甲烷浓度分布及障碍物阻塞率有关。火焰速度方面,障碍物及甲烷浓度梯度会促使管道内火焰前锋速度产生波动,出现多个波峰,速度峰值与自由扩散时间成正比关系,障碍物阻塞率50%工况下速度峰值随自由扩散时间增长（10s～20s～30s～60s）依次为11.40m/s～12.08m/s～13.68m/s～39.44m/s。爆炸超压方面,障碍物的存在的会倍数般的增大管道内非均匀预混甲烷爆炸的超压峰值,障碍物阻塞率70%时超压峰值达到150k Pa,为相同甲烷空气预混工况下（DT=60s）空管内峰值超压25k Pa的6倍。
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