硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用（可编辑）

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用（可编辑） 硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用 Vo1(33。No(4 第 33卷 第 4期 爆 炸 与 冲 击 EXPLOS10N AND SHOCK W AVES Ju1(，2013 2013年 7月 文章编号:1001―1455 2013 04―0363―06 硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用 喻健良，闫兴清 大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连 116024 摘要:为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律，进行了硅酸铝棉抑制管 道内预混气体爆炸实验，在管路内置人硅酸铝棉，以室温常压下化学计量浓度的 CzHz,air预混气体为介质。 结果表明，当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时，能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长 度时，能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入 口 火焰速度有关。压力临界长度的大小与 硅酸铝棉入口爆炸超压有关 。压力临界长度小于速度临界长度，说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。 关键词:爆炸力学;爆炸抑制;火焰速度;爆炸超压;硅酸铝棉 中图分类号:0381 国标学科代码 :1303510 文献标志码:A 可燃气体爆炸造成的灾害损失均与火焰和爆炸冲击波有关，因此抑制火焰速度和消弱爆炸波强度， 一 直是气体爆炸防灾减灾领域关注的课。许多学者开展了关于火焰及压力波抑制的研究。其中，平 板狭缝口]和多孔丝网[2结构作为典型的阻火材料已经成功应用于阻火器中。近年来，多孔、可压缩材料 对爆炸火焰及压力波的抑制性能成为新兴热点 ，如高分子材料『6和泡沫陶瓷等口_8]。 硅酸铝棉是一种典型的多孑L可压缩材料，其孔隙率高，比表面积大， 作为绝热保温材料在工业中被 广泛应用。研究表明，硅酸铝棉对爆炸火焰传播具有抑制效果。但迄今为止关于硅酸铝棉抑爆特性的 研究开展较少。本文中拟通过开展硅酸铝棉抑制管道内预混火焰传播实验，研究硅酸铝棉对预混火焰 速度和爆炸超压的抑制规律，以期对实际应用提供指导。 l 实验装置及 1(I 实验设备及流程 实验装置如图 1所示，主要由实验管路、配气系统、点火系统、测量系统、数据采集系统组成。 CombinedDIlessureandvacuum gauge S Explosioncontrolbox Dataacquisitionsystem 图 1气体爆炸抑制装置流程图 Fig(1Schematicofgasexplosionsuppressionexperimentsystem * 收稿 日期 :2012―03―12;修 回日期 :2012,06―28 基金项目:国家自然科学基金项目 50974027 作者简介:喻健 良 1963一 ，男，博士，教授，博士生导师。 第 4期 喻健良等:硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑 制作用 2 实验结果及 2(1 硅酸铝棉对火焰速度的抑 制 潦 p p 图5所示为硅酸铝棉置于管路 0(4m处，出口 lI lI一 火焰速度 。随硅酸铝棉长度L的变化。 L一0处的出口火焰速度即代表入口火焰速度。 由图 5中曲线可知，随着硅酸铝棉长度的增加，出口 几 n 一?n I"1 一一 火焰速度先增大后减小;与不放置硅酸铝棉的管路 f+ o 相比，硅酸铝棉对出口火焰速度有加速和减速双重 p。 po 效果:内衬管道中引起预混火 焰流通截面积减小，起 -一 。 。 || 到类似障碍物加速的效果;特有的高孑L隙率及大表 O 面积结构能有效减小活化分子 自由基之间的碰撞概 率，降低燃烧反应速度，对火焰起到淬熄作用，具有 图 4硅酸铝棉抑爆实验方案 Fig(4 Schematicofsuppressionexperiment 减速效果。当硅酸铝棉长度小 于 0(4in时加速效 果占主导，当长度高于 0(4in 时，减速效果占主导。 定义硅酸铝棉加速与减速效果相当 时的长度为速度临界长度。即当硅酸铝 棉布置在距离点火端 0(4m 硅酸铝棉 入口火焰速度为143m,s 时，速度临界 长度 L一0(4m。棉长大于速度临界长 度时，硅酸铝棉对火焰速度具有抑制效 果 。当火焰 经过 0(6m 长度 的硅酸铝 棉时出口火焰速度为 280m,s，不放置 硅酸铝棉的管路中相同位置处的火焰速 度为346m,s，可见放置硅酸铝棉时火 LIm 图 5出口火焰速度与硅酸铝棉长度的关系 19 。 焰速度降低约 Fig(5 Relationbetweenoutletflamespeedand 改变硅酸铝棉位置 L ，出口火焰速 aluminum silicatewoollength 度与硅酸铝棉长度的关系如图 6所示。 改变 L位置，出口火焰速度与棉长的规 律与 L 一0(4m时相同，均随棉长增加 先增大后减小。这说明将硅酸铝棉布置 在管道不同位置，对火焰的加速与减速 双重效果依然存在。但是，置于不同位 置时 ，硅酸铝棉速度临界长度 L并不相 同。分析发现，速度临界长度 L与硅酸 铝棉入口火焰速度 i有关，且几乎呈线 性关系。这说明，随着人 口火焰速度的 增大，需要更长的硅酸铝棉才能对火焰 LIm 速度有抑制效果。 图6不同位置处出口火焰速度与硅酸铝棉长度的关系 Fig(6 Relationbetweenoutletflamespeedand aluminum silicatewoollengthatdifferentpositions 366 爆 炸 与 冲 击 第 33卷 2(2 硅酸铝棉对爆炸超压的抑制 图 7所示为硅酸铝棉置于管路 0(4nl处时，出口爆炸超压 P。随着硅酸 铝棉长度 L的变化关系。爆炸超压随 着硅酸铝棉长度的增加出现先增大后减 小的趋势，与火焰速度类似。硅酸铝棉 是 对爆炸超压依然具有增压和降压双重效 果:管路内流通截面突然变化对火焰起 到强烈扰动，使预混气体爆炸超压增加; 7 硅酸铝棉的高弹多孔特性能够有效吸收 LIm 压力波，降低爆炸超压。这 2种效果在 图7出口爆炸超压随硅酸铝 棉长度变化 硅酸铝棉长度 为0(3In处时相互抵消 ， Fig(7Relationbetweenoutletexplosionoverpressureand 定义此时长度达到压力临界长度 L 。 aluminum silicatewoollength 对比速度临界长度 L 和压力临界长度 L。可知，抑制压力所需的压力临界长度 要低于抑制速度所需的速度临界长度。 这说明在火焰传播过程中，硅酸铝棉对 压力的抑制效果更加显著。 当硅酸铝棉长度大于压力临界长度 霎 时，对爆炸压力具有抑制效果。当经过 长度 0(6m的硅酸铝棉时，出口爆炸超 压为 160kPa，不放置硅酸铝棉的管道 内相同位置处的爆炸超压为 351kPa， 硅酸铝棉使爆炸超压降低了约 55 。 图8为改变硅酸铝棉位置 L时出 图 8不同位置处出口爆炸超压与 硅酸铝棉长度的关系 Fig(8 Relationbetweenoutletexplosionoverpressureand 口爆炸超压与硅酸铝棉长度的关系。硅 aluminum silicatewoollengthatdifferentpositions 酸铝棉位置变化时，爆炸超压随棉长变 化与前述类似。不同位置处抑制超压所需的压力临界长度不同。分析发现，压力临界长度 L与硅酸铝 棉人口处爆炸超压Pi几乎呈线性关系，说明要抑制更高的爆炸超压，必须采用更长的硅酸铝棉。 3 硅酸铝棉抑制火焰速度和爆炸超压机理 预混气体爆炸火焰在管路内传播时，压力波先于火焰波传播。(当压力波进入多孔结构时，在纤维表 面反射、散射，因硅酸铝纤维内部复杂的三维多孑L骨架结构以及良好的弹性与可压缩性，被反射、散射的 压力波将在硅酸铝棉内部被多次反射、散射。在此过程中部分压力波引起气孔内部的空气与硅酸铝纤 维发生摩擦，能量被转化为热能;另一部分压力波直接以压力冲量的形式作用于硅酸铝棉，引起棉纤维 变形、断裂。对爆炸后的硅酸铝棉显微结构进行扫描电镜结构分析，如图9 所示。硅酸铝棉在火焰及压 力波过后，虽然外观几乎无变化，但微观结构已经有很大改变:纤维网孔结构已经破碎，气孔面积减小， 孔隙率降低。这说明硅酸铝棉能够有效吸收压力波冲量。可燃气体爆炸过程中，火焰波与压力波互相 作用。压力波被硅酸铝棉吸收后，对火焰锋面的扰动降低，同时多孔硅酸铝棉将与火焰发生热交换，产 生不可逆的能量损失，降低了化学反应的速率，从而降低火焰速度。但是，在硅酸铝棉长度较小时，上述 吸波降速效果并不明显，作为障碍物引起管道截面变化导致的增速增压效果较为明显，故当长度较小 时，反而能够增加火焰速度和爆炸超压。速度临界长度和压力临界长度是硅酸铝棉能够抑制火焰速度 和爆炸超压的临界长度。 368 爆 炸 与 冲 击 第 33卷 andexplosionoverpressure Suppressionofflamespeed byaluminum silicatewool YuJian―liang，YahXing―qing Sch00ZofChemicalMachinery，DalianUniversityofTechnology， Dalian 116024，Liaoning，China Abstract:Anexperimentaldevicewasestablishedanditincludedatestpipelinewith89一mm diameter， 4(5一mm wal1thicknessand300一mm length(BychoosingthestoichiometricpremixedC2H2一airgasas theobiective， theestablisheddevicewasusedtoexperimentallyexplorethesuppression effectofthe premixedgasflamepropagation andexplosion overpressurebythedifferent―length aluminum silicate woo1atthedifferentpositionsinthepipeline(Theresultsdemonstratethatwhenthelengthofthea― luminum si?catew0o1surpassesthecriticallengthfortheflamespeed， thealuminum silicatewoolcan suppresstheflamespeed(W henthelengthofthealuminum silicatewoolsurpassesthecriticallength fortheDressure，thealuminum silicatewoolcan suppresstheexplosion overpressure?? 上heertcal lengthofthealuminum silicatewoolfortheflamespeed isrelated tO theflame speedattheinlet， whereasthecriticallengthofthealuminum silicatewoolfortheexplosionoverpressure1Srelevantto theexplosionoverpressureattheinlet(Thecriticallengthforthepressureissmallerthanthatforthe flamespeed(Itcandisplaythatthealuminum silicatewoolcansuppressthepressurewavesmoreen卜 ciently( Keywords:mechanicsofexplosion;explosionsuppression;flamespeed; explosionoverpressure;alu― mjnt1m silicateWOOl Received12March2012;Revised28June2012 SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina 50974027 Correspondingauthor:YuJian―liang，yujianliang@d1(cn 责任编辑 王易难