细水雾与欠膨胀氢气喷射火相互作用的实验研究

章智慧, 王昌建, 刘 义, 李 冰, 周鹏刚

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国石油大学(华东) 化学化工学院,山东 青岛 266580; 3.兖矿国宏化工有限责任公司,山东 邹城 273512)

氢气作为一种洁净无污染的二次能源,越来越受到人们的重视,并在工业领域得到了广泛的应用[1]。然而,由于高压氢气的意外泄漏并被点燃所形成的欠膨胀氢气喷射火通常会很长,并可能产生高温和热辐射危害,危及人们的生命和财产安全[2]。因此,为了减弱氢气喷射火带来的危害,迫切需要寻找一种行之有效的方法来扑灭或阻隔氢气喷射火。文献[3]研究表明,细水雾具有较高的热容和汽化潜热,可以有效地降低火焰的热辐射。与此同时,细水雾还可以显著降低局部的氧浓度,从而降低火焰的燃烧效率。文献[4-5]对细水雾的研究和应用进行了较为全面的综述,包括细水雾的发展趋势、面临的挑战以及其在抑爆、灭火和除烟中的应用;文献[6]研究了细水雾与大尺寸(1.10 MW)亚音速甲烷扩散火焰之间的相互作用,发现细水雾可以增加火焰的抬升距离,降低火焰的最高温度和热辐射。通过研究细水雾与甲烷气体扩散火焰之间的相互作用,文献[7]研究发现细水雾蒸发形成的水蒸气在衰减热辐射方面具有显著作用,实验测得的火焰辐射热通量明显小于没有细水雾作用时的辐射热通量,但细水雾作用前后火焰的高度和温度没有明显变化;文献[8]使用红外摄像仪来评估细水雾对高速非预混甲烷喷射火的影响,实验发现尽管细水雾无法扑灭火灾,但细水雾与火焰之间的热交换以及细水雾对氧气的稀释隔离作用对火焰燃烧效率的降低有显著的影响。细水雾与火焰的相互作用是极为复杂的过程,并且与燃料的种类密切相关[9]。然而,关于细水雾与欠膨胀氢气喷射火相互作用的研究较少。因此,本文通过一系列的实验来探究细水雾对水平欠膨胀氢气喷射火的影响,进而评估细水雾在削弱氢气喷射火危害方面的有效性和合理性。

1 实验部分

实验装置主要由氢气喷射火系统、瓶组式细水雾发生系统、数据测量及采集系统组成,如图1所示。

实验选用瓶组式细水雾发生系统,通过调节高压氮气瓶上的减压阀来调节耐高压储水罐中的压力,储水罐上配有数显压力表(型号为PUST.PLD.0201,测量范围为0～6 MPa,精度为0.5%)来实时显示细水雾压力。采用单个实心锥形细水雾喷嘴垂直向下喷射,并与氢气喷嘴轴线垂直正交,细水雾雾性参数见表1所列。

表1 不同压力和高度下细水雾雾性参数

氢气喷射火系统主要由高压储氢罐、减压阀、缓冲罐、压力传感器、波纹管、喷嘴等组成,氢气由储氢罐上的减压阀进行调节,通过波纹管流入缓冲罐进行降速稳压,然后通过喷嘴喷出。

因为本文主要考察实心锥形细水雾在不同施加高度以及施加压力下对欠膨胀氢气喷射火的影响,所以在所有测试场景中,氢气压力始终保持在0.5 MPa,并使用直径为3 mm的圆形喷嘴。

实验将细水雾喷嘴水平设置在欠膨胀氢气喷射火火焰水平长度的中间位置处,设置高度H分别为30、 50、 70 cm,分别记作实验A、B、C,不同的细水雾压力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa,分别记为1、2、3、4,以此来描述实验工况。实验采用K型热电偶来测量温度,由于氢气喷射火火焰温度可能超过2 000 ℃[4],远远超出了所选热电偶的测量范围0～1 300 ℃。因此,本文通过测量火焰轴线末端羽流区域及周围环境温度,来反映喷射火对环境的热危害。热电偶在距离氢气喷嘴80 cm的位置开始布置,之后相邻热电偶间隔10 cm布置,共计11根,如图2所示。使用4个完全相同的TS-34C辐射热流计(光谱响应为0.3～50 μm,输入范围为±200 kW/m2,灵敏度为优于2 μV/(W/m2),来采集细水雾施加前后不同位置处的热辐射数据。

图2 数据采集装置位置示意图

实验过程中使用佳能ESO6D相机来记录细水雾与喷射火相互作用过程中火焰的行为变化,由于氢气火焰亮度相对较弱,同时为了减小火焰长度测量的误差,所有测试均在夜间进行,并使用黑色遮光布来消除背景光。所有的测试均在长为30.2 m、宽为8.4 m、高为6.5 m的封闭房间内进行,有效地避免了环境条件对本实验的影响。

2 结果与讨论

2.1 火焰变化

实验工况A-2中的火焰形态随时间的变化情况如图3所示。

图3 实验工况A-2中火焰形态随时间的变化情况

细水雾施加前的自由喷射火阶段记为t=0 ms,此时火焰颜色主要为淡黄色,由于浮力的作用,火焰末端略微向上倾斜,火焰整体为水平射流状态。在t=20 ms时,细水雾阀门被打开,此时极少量的雾滴到达射流火表面,火焰整体形态未发生明显变化。

在t=60 ms时,雾滴被高温的氢气喷射火加热,雾滴迅速吸热汽化,体积迅速膨胀,使得火焰受到强烈干扰,火焰形态发生剧烈波动[10]。此外,具有一定动量的细水雾对燃烧区周围的空气具有卷吸作用,将氧气带入火焰内部,从而使火焰燃烧更加充分。在t=80 ms时,细水雾的流动状态已经稳定,其流量也几乎保持不变,此时火焰的颜色发生了明显的改变,变为明亮的黄色。在t=100 ms时,火焰形态发生改变,可以明显看到火焰水平长度被细水雾所抑制。

在t=200 ms时,火焰的形态开始趋于稳定,在细水雾的巨大冲击下,火焰被打折,在细水雾与火焰相互作用的地方开始形成一定的折角。随着时间的进一步推移,在t=400 ms时,喷射火火焰偏折的角度几乎保持不变,同样的现象出现在其余实验工况中。

2.2 火焰折角与水平长度

以细水雾喷嘴轴线与喷射火轴线垂直正交的点为原点,向下偏折的火焰部分与火焰射流轴线所形成的夹角定义为火焰折角。细水雾在不同施加高度和施加压力下,火焰折角大小的变化情况如图4所示。从图4可以看出,随着细水雾压力的增大,火焰折角逐渐增大,这是由于细水雾压力增大,使得细水雾流量随之增大,细水雾的动能也随着增大,进而在细水雾的冲击作用下,火焰发生偏折。随着细水雾施加高度的增加,火焰折角逐渐变小,这是由于细水雾施加高度的增大,使得其有效雾通量减小进而导致细水雾动量减小造成的。

图4 火焰折角变化情况

不同实验工况下施加细水雾后喷射火水平火焰长度的变化情况如图5所示。

在细水雾压力较小时(0.5 MPa),由于细水雾施加后而产生的火焰膨胀现象,使得火焰水平长度反而有所增大,最大变为原来的118%,并且随着细水雾施加高度的增大而膨胀效果逐渐减小。随着细水雾压力的增大,火焰水平长度开始逐渐缩短,并且压力越大长度越短,在细水雾压力为2.0 MPa时,火焰水平长度最大缩短为原来的62%,而在细水雾施加高度为50、70 cm时,火焰水平长度分别缩短为原来的66%、69%。

从图5可以看出,在相同的细水雾压力下,细水雾的施加高度越低,水平火焰长度缩短得越显著。综上所述,细水雾的施加会导致火焰发生偏折,进而会对火焰下方区域造成潜在的危害,此外,不当地施加细水雾还可能会导致火焰出现膨胀现象,使得火焰长度有所增大,带来更为严重的危害。因此,为了有效缩短火焰长度,细水雾的释放位置应尽可能靠近火焰,除此之外,还应增大细水雾的施加压力。

2.3 温度

不同实验工况下的温度变化曲线如图6所示。从图6a可以看出,实验工况A-1的细水雾施加前后温度的变化情况。在自由喷射火阶段,沿轴线方向上的温度随着远离氢气泄露喷嘴距离的增加而降低。细水雾施加后,距离氢气喷嘴较近的热电偶T1～T8所测量到的温度开始降低,而后方的热电偶T9～T11所测量到的温度反而略有升高。在热电偶T11处,测量温度显著升高,最高约210 ℃(比原来的温度高出近110 ℃)。从图6b、图6c可以看出,在细水雾压力为0.5 MPa的其他实验工况B-1、C-1中,也出现了温度升高的现象。一方面,低压细水雾的施加导致射流火火焰燃烧强化和膨胀现象的出现[11];另一方面,由于此时的细水雾流量相对较小,冷却效果相对较弱。因此,在这2个因素的共同作用下导致温度升高。

图6 不同实验工况下温度变化情况

随着细水雾施加高度的增加,细水雾的冷却效果逐渐降低,这是由于细水雾施加高度增加导致其平均有效雾通量开始逐渐减少,细水雾分布得更加分散进而导致细水雾的冷却效果逐渐减弱。从图6d可以看出,随着细水雾压力的增大,在细水雾压力为1 MPa时,细水雾施加后,火焰轴线后方温度快速下降,在较短的时间内,温度不再趋于稳定,而是随着时间推移在不断降低,可以发现距离火焰越近的热电偶,温度降低的速率越快。这主要是细水雾的冲击作用使得火焰发生偏折,进而导致火焰远离热电偶。此外,由于细水雾压力的增大,使得其流量增大,细水雾的冷却效果也起着重要影响。当细水雾的压力大于等于1 MPa时,将不再出现温度升高的情况,并且还可以发现,温度的降低与细水雾的流量成正相关,类似的现象也出现在其他的实验工况B、实验工况C中。

2.4 辐射

细水雾施加前后,不同工况下辐射强度变化情况如图7所示。从图7a可以看出,细水雾压力为2 MPa时,施加细水雾后辐射热流计R1出现了辐射增大情况,细水雾施加高度为70 cm时,R1的辐射密度从原来的1.83 kW/m2增加到约2.52 kW/m2,并且随着细水雾施加高度的降低,辐射密度增大的幅度越来越大。施加高度为50 、30 cm时,R1的辐射密度分别增大到约2.84 kW/m2和3.15 kW/m2。 在高压细水雾的冲击作用下,使得火焰发生偏折,而且随着施加高度的降低,在相同的细水雾压力下,火焰偏折的角度更大,使得火焰越发靠近辐射热流计R1,进而采集到的辐射密度就越大。

因此,在实际的工程应用中,使用较高压力的细水雾非但不会起到保护泄漏源安全的效果,相反可能会造成更为严重的二次危害。此外,在正对火焰轴线方向位置上的辐射密度,在施加细水雾后也出现了辐射增大的情况(图7b)。

当细水雾的压力为0.5 MPa时,细水雾的施加导致火焰膨胀现象的出现。此外,在细水雾压力较低的情况下,其有效雾通量相对较低,进而导致细水雾隔绝和衰减辐射的能力也相对较弱,因此在这2个因素的共同影响下导致了辐射热流计R4位置处的辐射出现增大的情况。这说明,当施加的细水雾压力较低时,会带来更为严重的热辐射危害,对火焰轴线下游区域的设施设备以及人员带来严重的威胁。而随着细水雾压力的增大,火焰下游区域辐射增大的情况开始消失,同样的现象出现在其他实验工况中。

比较在细水雾轴线位置左右各15 cm相同距离处辐射热流计R2、R3所测得的辐射变化情况,如图8所示。

图8 不同实验工况下R2和R3的辐射强度衰减情况

从图8可以看出,随着细水雾压力的增大,细水雾对辐射热流计R2、R3处的辐射强度的衰减效果逐渐显著,当细水雾的压力从 0.5 MPa提升至2.0 MPa,其对辐射热流计R2、R3位置处的辐射衰减效果分别提升20.0%、32.8%。

此外,在相同的细水雾压力下,细水雾对辐射热流计R3位置处的辐射衰减效果要优于辐射热流计R2位置处;因为欠膨胀氢气喷射火在水平方向上具有很大的动量[12],所以使得垂直向下喷洒的细水雾流场发生偏移和改变,雾滴在火焰吹扫的作用下开始向R3位置处汇聚,进而使得此处的辐射衰减的效果更加显著。

3 结 论

本文通过一系列的实验对细水雾与欠膨胀氢气喷射火之间的相互作用进行了研究。主要结论如下:

1) 虽然细水雾不能熄灭欠膨胀氢气喷射火,但火焰的折角随着细水雾压力的增加而增加,与自由欠膨胀氢气喷射火相比,火焰的水平长度最大缩减为原来的62%。这意味着细水雾虽然可以缩短火焰的水平长度,但会对喷射火下方区域带来危害。

2) 细水雾的施加会导致辐射出现增大或者减小2种截然不同情况的发生。如细水雾压力为0.5 MPa时,在火焰轴线后方位置,会出现辐射增大的情况,随着细水雾压力的增大,这种情况开始消失。但是在较高的细水雾压力下,氢气源位置处的辐射强度又会有所增大,进而可能产生意想不到的二次危害。

3) 细水雾对欠膨胀氢气喷射火的影响不仅与细水雾的压力有着密切关系,还与细水雾的施加高度密不可分。细水雾压力较小时(0.5 MPa),其施加高度越高,火焰膨胀的效果就越弱,就越有利于安全。但在较高的细水雾压力下,细水雾的施加高度越高,对火焰长度的缩减效果就越弱,这又是不利的一面。

4) 细水雾一方面可以降低射流火的温度场和辐射场,另一方面又会导致射流火燃烧的强化和火焰的膨胀。这2种作用机理同时存在、共同作用,并且与细水雾的压力和释放高度密切相关。