瓦斯爆炸是我国煤矿事故中最严重的灾害之一。随瓦斯抽采量的增大，瓦斯抽采管路越来越长，管网越来越复杂，潜在的危险因素也越来越多，开展低浓度瓦斯抑爆技术研究对瓦斯抽放和输送安全具有十分重要的现实意义。

可燃气体抑爆有主动和被动两种方式，干粉、气溶胶等均是在产生爆炸后快速释放抑爆剂;细水雾是常用的主动抑爆方式，通过在瓦斯输送管道中加入水雾，影响可燃气的爆炸极限和点火能等。已有的国内外相关研究表明:细水雾主要通过汽化吸热降温、稀释未燃气体、阻隔和衰减火焰热辐射等抑制火焰传播。粒径对细水雾抑爆效果有重要影响，例如G.O.THOMAS[1]研究结果认为直径50 μm以下的液滴在抑爆过程中起主要作用，且水雾在实际爆炸中的有效性与初始爆炸强度有关;WINGERDEN等[2]的研究表明雾滴粒径在20～200 μm的细水雾的抑爆效果最好。唐建军[3]、陈晓坤[4]、林滢[5]、谷睿[6]、秦文茜[7]、毕明树[8]、高旭亮[9],ZHANG Pengpeng 等[10]指出充足的水雾量将有效抑制火焰传播，当超细水雾不足时会有爆炸增强效果。

围绕提高细水雾抑爆效率，当前国内外学者主要通过添加剂和荷电等方式提高细水雾的抑爆性能。余明高等[11]研究了含MgCl2,FeCl2和NaHCO3添加剂细水雾和超细水雾抑制瓦斯爆炸有效性，表明细水雾含添加剂后，火焰传播速度，水雾区火焰长度大为减少，火焰温度明显降低，FeCl2抑制效果最好。李定启等[12]开展了含添加剂降低瓦斯爆炸下限的实验研究。陈晓坤等[4]通过在超细水雾中添加不同浓度NaCl,KCl,NaCO3等碱金属盐类可以提高超细水雾的抑爆效果。CAO Xingyan等[13]开展了在密闭容器中含NaCl超细水雾抑制甲烷/空气爆炸实验研究，发现NaCl明显提高了超细水雾的热冷却能力和散热阻挡效果。然而，添加盐类添加剂同样也会有些负面因素，比如会降低液滴与火焰相互作用过程中的蒸发速率，例如INGRAM等[14]开展的含碱金属添加剂的超细水雾抑制氢气爆炸实验研究，认为抑制效果主要是均匀气相机理和添加剂参与抑制自由基化学反应，只有全部水雾迅速蒸发足够快，蒸发的添加剂才能发挥抑爆作用。再者，如果爆炸强度很高，大部分雾滴被冲击波吹散，化学作用在抑爆过程中将不能很好发挥[15]。梁栋林等[16]进行了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸研究。

可以看出，细水雾抑爆效果受到爆炸强度、水雾密度和粒径等因素的影响。如水雾不足还会产生爆炸增强效应，而当水雾量增大到一定程度后，抑爆效果提高幅度减小，出现“平台效应”。含化学添加剂的细水雾抑爆也会受到添加剂的浓度、种类等影响。因此，有必要研究结合其他手段，提高细水雾的抑爆效率，笔者基于搭建的气液两相介质抑爆实验平台，研究气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸的协同增效作用与原因。

1 实验设计

1.1 实验系统简介

实验系统主要由配气系统、超细水雾发生与输送系统、温度测试系统、压力测试系统、高压点火系统、高速摄像系统、数据采集仪及同步控制组成，如图1所示。通过该实验系统，可对管道瓦斯爆炸过程中的爆炸超压、火焰传播形态与速度以及火焰温度等动态特性参数进行测试。

爆炸管道尺寸为0.84 m×0.12 m×0.12 m，为了能拍摄到爆炸火焰图像，采用壁厚为20 mm的透明有机玻璃制作，耐压达到2.0 MPa。管道左侧端是进气孔和点火电极，甲烷气瓶和空气气瓶通过输气软管与进气孔相连，通过安装在输气管路上的两个Alicat质量流量控制器来调整甲烷和空气的体积流率;两个点火电极之间间距约为5 mm，通过高压放电方式实现点火，点火电压为6 kV。爆炸管道一侧壁面开有小孔，分别用来安装压力传感器、热电偶、排气孔、RL-1光电传感器，感光口对着点火电极以捕捉点火电火花确定点火时间;MD-HF型压力传感器测量范围为-0.1～0.1 MPa，误差为0.25%，动态响应时间为1 ms，光电传感器和压力传感器通过USB-1608FS数据采集卡与电脑相连，数据采集卡记录数据工作频率为15 kHz;超细水雾发生与输送系统，主要由超声波雾化装置、方形储水盒、出入管道等组成。其中超声雾化装置采用的是3头全铜雾化器，雾化片工作频率1 700 kHz。雾化器的工作原理是通过超声波雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生水雾颗粒。实验中，超细水雾随惰性气体从进气口流入爆炸腔体。经过PDA测试，本文实验中的超声波细水雾雾滴的粒径范围为0～20 μm，由图2可以看出，大部分的水雾粒径在10 μm以下，属于超细水雾范围。

实验中所用的热电偶由美国Omega公司生产直径为的25 μm的Pt/Rh13-Pt细丝制成，数据采集仪则采用了美国Nanmac公司的ESC信号调理仪，用于采集瓦斯爆炸火焰温度。管道末端有一个直径为40 mm的小圆孔用于泄爆，充气时小圆孔用PVC薄膜密封。高速摄像机为Lavision公司生产的High Speed Star 4 G型高速摄像机，摄像机拍摄速度可以达到2 000 fps用来记录爆炸的火焰图像。

为了排尽管道内原有的空气，本实验采用通入4倍体积的预混气体的办法[17]，设定好各质量流量控制器的参数后，使用预混气体冲洗管道和方形储水盒。配气或通水雾过程结束后，按下高能点火器开关引爆预混气体，同时高速摄像机开始记录爆炸火焰图像，数据采集系统记录爆炸过程中的超压、温度数据。

1.2 实验工况

经过精密电子天平测量测定，实验中采用雾化器的平均雾化速率经约为4.2 mL/min，设定超细水雾通雾时间分别为20 s,1 min,2 min,3 min，可得到通入量分别为1.4,4.2,8.4,12.6 mL，相应的超细水雾质量浓度为115.7,347.2,694.4和1 041.7 g/m3。惰性气体选取了N2,CO2,He,Ar 4种，根据管道总体积，通入氮气的体积分数设定为6%,10%,14%和18%。笔者开展了气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸对比实验研究，每个工况均进行3～5次实验，以保证结果的可靠性。

2 实验结果与分析

2.1 对瓦斯爆炸最大火焰传播速度的影响

图3为不同细水雾通入量对气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸最大火焰传播速度的影响。可以看出，对于纯细水雾抑爆，当水雾通量增至12.6 mL(质量浓度1 041.7 g/m3)后，最大火焰传播速度下降幅度微小，体现出“平台效应”。然而，在少量惰性气体和超细水雾的共同作用下，最大火焰传播速度有显著下降，尤其是CO2和超细水雾的协同抑爆增效作用十分明显。例如对于N2,He和Ar，当稀释体积分数增至14%，水雾通入量增至8.4 mL后，最大火焰传播速度下降幅度达65%～80%;在10%CO2-4.2 mL超细水雾作用下，最大火焰传播速度下降幅度达90%，甚至在控制参数增至18%CO2-12.6 mL超细水雾后，预混气无法点燃，实现了完全惰化9.5%甲烷/空气预混气。

2.2 对瓦斯爆炸火焰最大温度的影响

图4为惰性气体种类、体积分数和水雾通入量对气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸火焰最大温度的影响。可以看出，气液两相介质对最大温度的抑制也要远远优于单一抑制剂作用的情况。惰性气体抑爆中CO2对火焰温度冷却作用最好，在18%CO2作用下，最大火焰温度为1 246 ℃;在16.8 mL超细水雾作用下，最大火焰温度为1 114 ℃。然而，在气液两相介质作用下，当在N2,He和Ar稀释体积分数14%、水雾通入量8.4 mL时，最大火焰温度降至870～903 ℃;14%CO2-8.4 mL超细水雾的协同作用下，最大火焰温度降至752 ℃。可见，在气液两相介质作用下，管道内火焰温度有了明显的下降，有利于降低因爆炸引发燃烧等二次灾害的致灾程度。

2.3 对瓦斯爆炸最大超压的影响

图5为不同惰性气体种类与体积分数对9.5%甲烷/空气预混气爆炸最大超压的影响，可看出，由于水雾量太少时，气液两相抑爆的协同增效作用不明显;而当超细水雾的通入量增至8.4 mL、4种惰性气体稀释体积分数增至10%后，爆炸超压下降均可达70%;气液两相介质控制参数继续，其对超压抑制作用的增长幅度逐渐缩小，这说明气液两相介质协同抑爆增效作用不随惰性气体体积分数、超细水雾通入量的增加而线性增长。另外，也可看出气液两相介质在提高了抑爆效果，同时减少了惰性气体和细水雾的用量，对惰性气体种类的限制程度也有降低。

2.4 气液两相介质对瓦斯爆炸火焰传播形状的影响

由于实验中使用的黑白高速相机具有伪彩色图像处理功能，图片色彩与光源的强度有关，其中低温物体(蓝色)，中低温物体(绿色)，中温物体(黄色)和高温物体(红色)[18]。因此可以认为在实验条件、拍摄参数(曝光时间、背景光源等)一致的情况下，火焰图片的颜色越亮代表爆炸火焰的辐射温度越高。

结合图6(a)，可将9.5%甲烷/空气预混气爆炸火焰在半封闭管道内的传播过程分为3个阶段:①半球型火焰;② 指型火焰;③ 泄爆膜破裂之后2次火焰。根据高速摄像图片，PVC膜大约在48 ms时发生破裂，因新鲜空气进入管道，残余可燃气体发生二次燃烧，管内湍流扰动现象越加明显，火焰图片呈现红色，说明燃烧温度相当高。从6(b)可以看出，在4.2 mL超细水雾作用下，火焰阵面和已燃区的温度分布形成胞格状分区，这是由于水雾会引发火焰锋面“湍流化”，部分雾滴穿过火焰阵面留在已燃区，然而因雾滴较少且蒸发不均匀引起火焰面和已燃区胞格化。根据前人的研究，水雾不足时湍流会加快火焰锋面和未燃气体的传热、传质进程，甚至增强爆炸强度[19]。

由图6(c)～(f)可以看出，首先，在气液两相介质的作用下，初期火焰结构中的胞格几乎消失，这是由于惰性气体在管道中扩散比细水雾雾滴更快，分布也更均匀，惰性气体作为稳定的惰性体，增加了瓦斯爆炸链反应中活性成分的销毁几率，有效降低了初始火焰传播速度;当火焰锋面再次遇到雾滴群时，引发的湍流强度势必降低，也就减低了水雾群对火焰阵面的扰动程度;同时，细水雾对火焰锋面的降温作用明显，燃烧反应速度进一步降低。可见，在惰性气体和超细水雾协同作用下产生了良好的抑爆效果。其次，火焰温度与惰性气体种类有关，CO2-超细水雾共同作用下，火焰颜色呈绿色和蓝色，表明温度较低;而其他3种惰性气体与超细水雾共同作用下，在180 ms左右时，火焰颜色呈橙红色和绿色，表明温度仍相对较高，说明CO2-超细水雾的协同降温作用更好。再次，火焰形状也有很大变化。在气液两相介质作用下，火焰形状产生了“斜面型”，甚至“蛇型”等不对称结构。由于管道瓦斯爆炸是从点火源开始不断传播，在管壁约束下火焰阵面与压力波的相互作用下形成正反馈，导致火焰不断加速。根据薄膜理论得出的强迫气流中液滴蒸发时间计算公式[20]为

(1)

(2)

式中，λm为混合气体的导热系数;cpm为混合气体比定压热容;BT为传热数;Pe为贝克莱数，Pe=vl/Dm，其中v为流体的特征速度，l为流场的特征尺寸，Dm为分子扩散系数，反映了强迫扩散与分子扩散之比;Nu为努塞尔数;ds为当前液滴直径;d0为初始液滴直径。

可见，在惰性气体优先扩散和稀释效应下，初始层流燃烧速度降低，Nu数减小，Km随之减小，液滴蒸发时间延长，进而允许液滴在火焰区有更长的停留时间使雾滴蒸发，增强了对火焰阵面和已燃气体的冷却作用，导致瓦斯爆炸反应速率大大降低。因此，气液两相介质抑爆存在相间耦合作用。

另外，在水雾的拥塞和吸热作用下，进一步加剧了对火焰的拉伸作用，火焰出现不对称结构，导致压力波对未燃气体的压缩作用必然降低，如此继续，削弱了火焰波和压力波之间相互促进的加速机制。

3 结 论

(1)在CO2,N2,He和Ar四种惰性气体与超细水雾共同作用下，其对9.5%甲烷/空气预混气爆炸抑制表现出了明显的协同增效作用。

(2)在少量惰性气体和超细水雾下，最大火焰传播速度及其峰值来临时间、最大超压及其峰值来临时间均出现了明显的下降与延迟;最大火焰温度较单一抑爆剂作用时也有明显下降;火焰结构中的胞格消失，火焰形状出现“斜面型”、“蛇型”等不对称结构。

(3)气液两相介质协同抑制9.5%甲烷/空气爆炸增效作用并不是随着惰性气体的体积分数与超细水雾通入量的增加而线性增长的。当4种惰性气体稀释体积分数达到14%、细水雾通入量8.4 mL(质量浓度694.4 g/m3)后，均能对9.5%甲烷/空气爆炸产生良好的抑制效果;控制参数继续增加，抑爆增效作用的增长幅度缩小;其中CO2与超细水雾下的协同抑爆效果最好，N2次之，He,Ar与超细水雾的协同抑爆水平相差不大。

(4)提出气液两相介质抑爆存在相间耦合作用，即惰性气体优先扩散稀释预混气，降低瓦斯爆炸火焰锋面的气相反应速率和火焰传播速度，当火焰锋面以较低的速度遇到细水雾液滴群时，允许更长的停留时间使雾滴在火焰区蒸发，增强了对火焰阵面和已燃区的冷却作用。

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