直徑變化對阻火器阻火速度的影響

實驗中，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的阻火器進行阻爆測試。爆炸管道長徑比為50，每組實驗測試20次，記錄13次有效阻火速度值(火焰傳感器位置如圖2.1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，管道內壓力沖擊波遇到阻火單元或壁面時會發生反射，產生反射壓力波。反射壓力波與火焰陣面相交，導致與火焰傳播方向相反的氣流會抑制火焰速度。但在在火焰傳播初期，反射壓力波較小，并不足以影響火焰傳播和火焰結構。隨著管道長度的不斷增加(L/D=50)，燃燒化學反應逐漸加快，爆炸能量釋放速率、爆炸壓力增大，反射壓力波強度也隨之增大。在反射壓力波的作用下，氣流產生劇烈逆向流動，火焰傳播受到明顯抑制。隨著反射壓力波不斷疊加，其對火焰傳播的抑制也明顯增強，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，而其內在作用是導致層流向湍流轉變，影響火焰陣面結構的變化。

其次，火焰在管道阻火器系統內傳播時，火焰鋒面內燃燒化學反應在邊界上產生了很高的溫度和很大的濃度梯度，從而與管道壁面發生了強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。而與爆燃波相關的總動量取決于體積(管道截面積乘以反應區長度)，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反應速率將明顯下降。因此在混合物層內，用于維持燃燒波的總化學能將減少。同樣，這種機制也與表面積與體積之比有關。因此，隨著管道體積的逐漸增加，將會產生較大的速度虧損，從而抑制了火焰傳播。

另外，由于實驗管道采用分段連接，氣流經過法蘭連接部分時，會產生局部阻力，當點火位置距離阻火器較遠時(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也產生影響，即摩擦阻力。隨著幾何粗糙度越大，產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。由于丙烷的化學活性較小，在點火后的火焰傳播速度不是很快。因此，混合氣體被點燃后，前驅壓力波與火焰之間的距離較大。當前驅壓力波到達阻火單元、封閉終端或與壁面接觸時，產生反射波逆向傳播，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。而乙烯的化學活性相對較大，混合氣體爆炸時火焰傳播速度相對較高，前驅壓力波與火焰鋒面間距很小。當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，當火焰到達阻火器前端時，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部某處相交，從而對火焰的內部結構產生影響，造成火焰內部結構的分離。氫氣的實驗結果與乙烯基本相同。