作者：胡晓慧
众所周知，甲烷爆炸传播规律的研究是爆炸灾害防控的理论基础，许多国内外学者在该领域做了大量的理论和实验研究。J．H．S．Lee等第一次比较全面的概述了火焰加速及其转变为爆轰的过程，D．Bjerketvedt等系统地总结了气体爆炸的基本常识和1 997年之前的大量实验成果。G．Ciccarelli等较为系统地论述了近年来DDT( Deflagration-to-Detonation Transition)过程的研究成果。S．B．Doro-feev。简述了火焰加速机理及其应用到爆炸安全的最新成果。林柏泉教授等提出障碍物的作用主要是诱导湍流的产生，从而引发爆炸传播的正反馈机制，最终导致爆炸强度加剧。S．M. Frolov等通过对U型管道内的爆炸和爆轰传播特性进行研究，发现U型管道可以极大的推进SDT( Shock - to- Detonation Transition)过程。萨文科分别在直径为125mm和300mm的管道内开展了爆炸实验，得出了空气冲击波通过管道分岔和转弯处的衰减系数。
先前出版的成果大多集中在爆燃转爆轰和拐弯分岔的衰减特性等方面，有关非绝热开口钢管内甲烷爆炸的火焰和压力变化规律的研究少见报道，特别地，该条件下的火焰厚度变化特征的研究更少。为此，本文利用非绝热钢管开展甲烷爆炸实验，进而研究甲烷爆炸压力及火焰厚度的变化规律，以期对甲烷爆炸的防控研究有所裨益。
1 实验系统
甲烷爆炸实验系统如图1所示。该系统主要由爆炸管道、配气装置、真空泵、高能点火器、动态数据采集储存设备等组成。爆炸管道采用截面为0. 08m×0. 08m的方形钢管，总长20m，耐压在20MPa以上，管道一端封闭，另一端敞开。在闭口端布设高能点火器，它的点火能量为20J，点火延迟时间为0. 774s。配气装置包括气袋、甲烷气源、甲烷检测仪等，可以配置各种甲烷浓度的甲烷空气预混气体。真空泵作用是将钢管抽成真空状态，以方便甲烷空气预混气体泄放到钢管中，并用甲烷检测仪读取管道甲烷浓度，保证每次实验的甲烷浓度均为10%。动态数据采集储存设备包括压力传感器（见图2）、火焰传感器（见图2）、数据采集器、计算机等。火焰传感器为光电式，响应光谱为340~980nm，响应时间约为4.5 ms。压力传感器为压阻式，量程为0—1. SMPa，精确度为0.067%~0.375% FS。各个火焰传感器和压力传感器远离点火源的距离分别见表1和表2。
2 实验结果与分析
非绝热开口钢管内的甲烷与空气预混气体被点燃后，火焰传感器采集到的火焰信号如图3所呈现。从图中可看出火焰存在着明显的传播现象。火焰前锋到达各测点的时间一般有两种计算方法，即火焰信号起始上升时刻和火焰信号最强时刻。众所周知，一维火焰前锋结构由预热区和反应区组成，预热区内温度和浓度的变化主要由于导热和扩散的作用，在此新鲜的甲烷空气预混气得到加热，而化学反应是在略低于燃烧温度的高温下发生的，反应速度、温度和活化中心的浓度在火焰前锋结构的反应区内达到最大值。火焰信号最强时刻对应于火焰前锋反应区内某时刻，不宜作为火焰前锋到达该点的时刻。而火焰信号起始上升时刻与火焰前锋预热区起始时刻接近，故在此选其作为火焰前锋到达时间。
各测点得到的火焰到达时间和火焰信号最强时间分别见图4和图5。随着远离点火源距离的增加，火焰到达时间逐渐增大，火焰信号最强的时间也基本增大。从图3和图5容易看出，在7. 32m测点处的火焰信号最强的时间230. 72ms略小于6.67m测点的时间232ms，验证了火焰信号最强时刻不能作为火焰到达时间这一判断的正确性。
由图3可得到各测点的火焰信号最强值，如图6所示。随着远离点火源距离的增加，火焰信号最强值逐渐增大，说明甲烷爆炸化学反应不断加剧。
本实验中，火焰传播速度用下列公式(1)进行计算。
式中：xi为第i+1个火焰传感器与第i个火焰传感器之间的距离；ti为火焰前锋到达第i个火焰传感器的时刻；ti+1为火焰前锋到达第i+1个火焰传感器的时刻。
图7给出了计算后的各测点火焰传播速度。从图中看出，充满甲烷与空气预混气体的非绝热钢管内发生爆炸后，火焰传播速度随着远离点火源距离的增加先逐渐增大然后降低。即随着距离的增大，火焰传播速度呈现先增大后减小的变化趋势。随着爆炸不断向前发展，越来越多的可燃物加入到化学反应中，使得甲烷爆炸化学反应不断加剧，火焰传播速度起初也逐渐增大，但是受非绝热钢管条件的影响火焰传播速度上升速率不断减小，使火焰传播速度在距离点火源14m位置附近取得最大值，随后又受开口条件（化学反应能量容易散失）影响开始减小。
各测点得到的最大爆炸超压呈现于图8中。随着远离点火源距离的增加，最大爆炸超压呈现先减小、后增大、再减小的变化趋势。在爆炸前期（距离点火源7m之前），前驱冲击波强度较弱，火焰产生的声速压缩波又受钢管封闭端附近的稀疏波影响强度不断减弱，导致最大爆炸超压逐渐减小。随着越来越多的可燃物加入到化学反应中，甲烷爆炸化学反应不断加剧，冲击波强度逐渐增强（开始强于声速压缩波），最大超压开始增大，在距离点火源14m位置附近取得最大值，随后又受开口条件影响开始减小。
火焰厚度可以用火焰对某点的作用时间来度量。针对本实验，某测点的火焰厚度即可用该测点火焰信号的消失时刻与起始上升时刻之间的时间差来度量。利用该方法获得各个测点的火焰厚度，如图9所示。随着远离点火源距离的增加，火焰厚度呈现先变薄后变厚的变化趋势。甲烷爆炸发生后，火焰传播速度逐渐增大，火焰前锋在各个测点的停留时间逐渐变短，造成火焰厚度逐渐变薄；距离点火源lOm以后，由于钢管封闭端的稀疏波作用，压力最大值前方的火焰向前运动速度大，而压力最大值后方的火焰向前运动慢（甚至向后运动），火焰厚度开始变厚。
3结论
1)火焰信号最强的时刻对应于火焰前锋反应区内的某时刻，而火焰信号起始上升时刻与火焰前锋预热区起始时刻接近，故应选择某点的火焰信号起始上升时刻作为该点的火焰到达时间。火焰信号最强值随着远离点火源距离的增大逐渐增大。
2)长为20m、截面为0.08mx0.08m非绝热开口钢管内充满的甲烷与空气预混气体被点燃后，随着远离点火源距离的增加，最大爆炸超压呈现先减小、后增大、再减小的变化趋势，而火焰传播速度则呈先增大后减小的趋势变化。非绝热开口钢管的实验条件对爆炸超压和火焰传播速度的影响较大。
3)随着远离点火源距离的增加，火焰厚度呈现先变薄后变厚的变化趋势。爆炸前期火焰前锋在各个测点的停留时间较短，火焰厚度较薄，爆炸后期由于钢管封闭端的稀疏波作用，火焰厚度开始变厚。
4摘要：
通过搭建长为20m、截面为0.08m x0.08m的非绝热开口钢管，研究了甲烷与空气预混气体发生爆炸后的火焰和压力发展特征。实验结果表明：火焰信号最强的时刻对应于火焰前锋反应区内某时刻，而火焰信号起始上升时刻与火焰前锋预热区起始时刻接近，应选择某点火焰信号起始上升时刻作为该点的火焰到达时间。随着远离点火源距离的增加，火焰厚度呈现先变薄后变厚的变化趋势，最大超压呈现先减小、后增大、再减小的趋势，火焰传播速度则呈先增大后减小的变化过程。非绝热开口钢管的实验条件对爆炸超压和火焰传播速度的影响较大。研究成果可为甲烷爆炸致灾机制及防控的研究提供参考。
