直径变化对阻火器阻火速度的影响

实验中，我们首先采用丙烷、乙烯空气混合气体在D=32mm、D=80mm、D=150mm、D=400mm的阻火器进行阻爆测试。爆炸管道长径比为50，每组实验测试20次，记录13次有效阻火速度值(火焰传感器位置如图2.1所示)。

图3.31为丙烷阻火速度的分布图，从图中可以看出，随着管径的增加(DN32~DN150)，阻火速度不断增大。其中D=32mm管道的最大阻火速度为33m/s，D=80mm为55m/s，D=150mm为91m/s。当管径增大到400mm时，其速度亏损明显增加，最大阻火速度仅为28m/s。

D=400mm管道阻火器的阻火速度较低主要有以下几方面原因：首先，管道内压力冲击波遇到阻火单元或壁面时会发生反射，产生反射压力波。反射压力波与火焰阵面相交，导致与火焰传播方向相反的气流会抑制火焰速度。但在在火焰传播初期，反射压力波较小，并不足以影响火焰传播和火焰结构。随着管道长度的不断增加(L/D=50)，燃烧化学反应逐渐加快，爆炸能量释放速率、爆炸压力增大，反射压力波强度也随之增大。在反射压力波的作用下，气流产生剧烈逆向流动，火焰传播受到明显抑制。随着反射压力波不断叠加，其对火焰传播的抑制也明显增强，从而使传播至阻火器时的火焰速度迅速减小。因此可见压力波对火焰作用的表观特征是影响火焰速度，而其内在作用是导致层流向湍流转变，影响火焰阵面结构的变化。

其次，火焰在管道阻火器系统内传播时，火焰锋面内燃烧化学反应在边界上产生了很高的温度和很大的浓度梯度，从而与管道壁面发生了强烈的热量和能量交换。由于粘性力与热量传递正比于润湿面积。而与爆燃波相关的总动量取决于体积(管道截面积乘以反应区长度)，所以可以看到爆燃速度的亏损依赖于表面积与体积之比。由于热量损失，临近管壁的混合物层中的化学反应速率将明显下降。因此在混合物层内，用于维持燃烧波的总化学能将减少。同样，这种机制也与表面积与体积之比有关。因此，随着管道体积的逐渐增加，将会产生较大的速度亏损，从而抑制了火焰传播。

另外，由于实验管道采用分段连接，气流经过法兰连接部分时，会产生局部阻力，当点火位置距离阻火器较远时(D=400mm、L/D=50)，阻力较大；管道壁面的粗糙度会对高速传播的火焰区也产生影响，即摩擦阻力。随着几何粗糙度越大，产生的管道总阻力值也就越大。

图3.32为乙烯阻火速度分布图，其中D=32mm管道最大阻火速度为55m/s，D=80mm管道最大阻火速度为71m/s，D=150mm管道最大阻火速度为102m/s，D=400mm管道最大阻火速度为122m/s。

与丙烷-空气混合气体不同，乙烯-空气的阻火速度随着管径增加，不断增大。由于丙烷的化学活性较小，在点火后的火焰传播速度不是很快。因此，混合气体被点燃后，前驱压力波与火焰之间的距离较大。当前驱压力波到达阻火单元、封闭终端或与壁面接触时，产生反射波逆向传播，与火焰波面相交，随着管径不断增加，对火焰有明显抑制作用。而乙烯的化学活性相对较大，混合气体爆炸时火焰传播速度相对较高，前驱压力波与火焰锋面间距很小。当反射波传播到某一截面时，火焰锋面已过该截面，即反射压力波不与火焰锋面相交，因此，当火焰到达阻火器前端时，其对阻火速度也就没有什么影响。但由于火焰厚度较大，反射波可能与火焰在其内部某处相交，从而对火焰的内部结构产生影响，造成火焰内部结构的分离。氢气的实验结果与乙烯基本相同。