障碍物对瓦斯煤尘火焰传播过程影响的实验研究(二)

1．3火焰速度测量系统

该系统采用光电二极管作为火焰速度传感器，

光电二极管的响应时间为10-7s，光电流大于2．0mA，

暗电流小于0．3lLA。该系统即使在低浓度的甲烷燃

烧的淡蓝色火焰下，也能够准确地采集到火焰信号，

其采集速度为微秒级，完全能够满足实验精度的需

要。在实验的过程中，根据实验条件和该光电二极管

的光电流的要求，特设计每个光电二极管与一个电

阻串联，利用电阻的限流来控制电路中电流不超过

光电二极管的最大光电流。

1．4点火系统

该系统采用简易操作型的电容储能电火花点火

装置，其输出能量在250-500MJ。点火电极的两极相

距1．5mm，当储能电容器充电完毕后将开关旋到放

电档位时，电容器便在点火电极间放电，点燃火焰加

速管里的预混甲烷气。

1．5输配气系统

该系统根据静态简易压力配比法及实验各项参

数的具体要求，选用标准的高压气瓶、精度高的压力

表和真空表、闸阀，设计』口工成混合气配制系统。实

验时，需先在管道底部均匀地铺上一定比例的煤尘，

再放上障碍物，然后将火焰加速管两端封闭，再将管

内抽成真空(真空度达0．098MPa以上)。此时调试动

态数据采集分析系统，根据需要设定相应的采样频

率、采样长度及相关参数，使之处于等待采集状态。

然后打开手阀，把预先配置好的一定浓度的甲烷一

空气混合气体充人火焰加速管，当达到一个大气压

时，开口端轻质堵头自动脱离，充气完毕，此时利用

高压电火花点火装置点火引燃，然后测定瓦斯煤尘

燃烧过程中的有关参数。

2实验结果及分析

2．1障碍物对瓦斯煤尘燃烧过程中火焰传播速度的

影响

为了研究瓦斯煤尘燃烧过程中火焰的传播规

律，实验前先用0．5mm厚的矩形铜板做了A、B、C、D

共4种类型的障碍物。A型、C型障碍物的高度都为1．0

cm，每两挡板之间的间距分别为20cm和30cm，A型

共有7片矩形挡板，C型共有5片矩形挡板。B、D型障

碍物的高度都为2．0cm，B型障碍物每两挡板之间的

间距为20cm，共7片矩形挡板，D型障碍物每两挡板

之间的间距为30cm，其矩形挡板数为5个。实验时在

管底均匀地铺上煤尘(煤尘的有关参数见表1)，并用

储能电容器点燃甲烷一空气的混合气体，在火焰加

速管中加障碍物和不加障碍物两种情况进行了实验

研究，实验结果表明障碍物对瓦斯煤尘燃烧的火焰

传播具有重要的影响。

图2是浓度为9．65％的甲烷气体诱导煤尘发生燃

烧时，障碍物对火焰传播速度影响的实验结果，其中

A、B、C、D是上述4种类型的障碍物，点火时从闭口端

向开口端点火。

图2 障碍物对甲烷诱导煤尘燃烧的火焰速度的加速作用

从图2中可以看出，在没有障碍物存在时，火焰

的传播速度变化不明显，而当存在A、B、C、D等4种类

型的障碍物时，火焰传播速度都随着离点火端距离

的增大而增大，这是由于障碍物的存在，提高了火焰

传播过程中的湍流现象，湍流使火焰阵面发生褶皱，

增大了火焰燃烧面积，从而提高了火焰的传播速度，

与此同时，火焰推动前方未燃气体向前运动，卷起管

底铺上的煤尘，使煤尘参与反应，放出大量的热量，

不仅补充了壁面的热损失，而且使气体膨胀进一步

加剧，进一步提高了湍流度，从而使火焰传播速度进

一步提高，这种正反馈的结果导致火焰传播速度不

断加大，最终导致爆炸。另外，放置的障碍物数目、特

征尺寸对火焰传播速度的大小也具有重要的影响。

对于挡板间距都为20cm的A、B障碍物，由于B型障碍

物的高度大于A型障碍物的高度，从图2中可以看出，

在火焰加速管的同一位置处，B型障碍物下的火焰传

播速度大于A型障碍物的火焰传播速度，并且随着火

焰由闭口端向开口端传播，两者的速度差越来越大。

从图2Z火焰传播的速度曲线上还可以看出，接近管

口处，对于B型障碍物，其火焰速度超过210m／s，而对

于A型障碍物，其火焰速度只达到110m／s左右，即此时

B型障碍物下的火焰速度大约是A型障碍物下火焰速

度的两倍。B型障碍物和D型障碍物的高度都为2．0

Em，但B型障碍物挡板间距为20cm，D型障碍物的挡

板间距为30cm，且B型障碍物的挡板数比D型障碍物

的挡板多2片，从图2还可以看出，在火焰加速管的同

一位置处，B型障碍物下的火焰传播速度大于D型障