多層網孔結構抑爆性能的研究進展

多層網孔結構抑爆性能的研究進展

1 網孔結構對燃燒波的抑製作用

1.1 火焰淬熄原因

闡明阻火結構能使火焰發生淬熄的理論有兩種，一種是器壁效應理論(連鎖反應理論)，一種是熱理論。

(1)器壁效應理論。認為燃燒與爆炸並不是分子間的直接反應，而是由於分子鍵遭到自由基的碰撞而產生活化分子，而活化分子又分裂為壽命很短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞生成新的產物，同時也產生新的自由基再繼續與其它分子發生反應，如此循環，形成穩定的燃燒；當火焰通過阻火結構的狹窄通道時，由於自由基與通道壁的碰撞幾率增大，因與器壁碰撞而被銷毀的自由基數量變多，參加反應的自由基減少。當阻火結構的通道寬度減小到一定程度時，自由基與通道壁的碰撞占主導地位，自由基數量急劇減少，反應不能繼續進行，火焰發生淬熄。

(2)熱理論。認為燃燒的必要條件之一就火焰的溫度要高於淬熄溫度。當火焰進入阻火結構的細小通道時被細分成若幹細小的火焰，在設計阻火結構時要盡可能擴大火焰和通道壁的接觸麵積，強化傳熱，使火焰的熱量盡可能多地傳給金屬元件，從而使火焰溫度快速降到淬熄溫度以下發生淬熄，阻止火焰的傳播^[1，2]。

1.2 網孔結構的淬熄性能

多層網孔結構具有體積小、重量輕、淬熄性能好的優點，日本的北條英光、津田健等人曾對管內多層網孔結構的淬熄性能做過較為係統的實驗研究。

(1)網孔尺寸對淬熄性能的影響。當火焰接觸到絲網結構時，火焰被細分後進入各個網孔。

由於火焰的溫度要遠高於金屬絲的溫度，火焰與金屬絲接觸後，會產生溫差傳熱。火焰的一部分熱量傳給金屬絲後，其溫度因熱量的損失而降低，當溫度降至其淬熄溫度以下時就會發生淬熄。金屬絲散熱能力是影響多層網孔結構淬熄性能的重要因素。因此，就絲網本身來說，網孔越小(即目數越大)，金屬絲越粗，開口比及體積空間率越小，絲網的阻火性能就越好。也就是說，在單位麵積或單位體積中，金屬所占的比例越大阻火性能就越好。因為金屬的比例增大，火焰的流動空間減小，火焰的細分程度加大，火焰與金屬絲的接觸麵積變大，傳熱得以強化，火焰因被絲網結構奪走的熱量變多而快速降溫到其淬熄溫度以下而發生淬熄。臨界淬熄速度是衡量某一阻火結構阻火性能的重要指標。若火焰的傳播速度較慢，通過阻火結構時就會因阻火結構的散熱作用而發生淬熄。當火焰的速度較快時，因其與阻火結構的接觸時間短，其溫度還未降到淬熄溫度以下就已通過阻火結構了。火焰能通過阻火結構的最小速度稱為該阻火結構的臨界淬熄速度，用Vc表示。用不同尺寸的絲網進行試驗，得出關於臨界淬熄速度Vc與金屬絲網幾何參數之間的經驗公式為^[3]：

Vc·d/ε=3.52×10^－3(d/ωε)^1.28(1)

式中 ε—體積空間率；

ω—絲網目數；

d—金屬絲直徑。

在設計多層網孔結構時，所選網孔的直徑要小於管中可燃氣的熄滅直徑^[4]。但隨著金屬比例的增大，氣體的流動阻力也在增大^[5]。設計時應同時考慮到設備正常工作時氣體的流動阻力和發生爆炸時多層網孔結構的阻火性能，不能顧此失彼。

(2)絲網材質對淬熄性能的影響。常見的絲網材質有鐵、不鏽鋼、銅、黃銅等。從實驗結果來看，絲網的淬熄性能與其材質基本無關。雖然各種金屬的熱容不同，但基本上處於同一數量級。加之火焰的傳播速度很快，火焰與絲網的接觸時間為毫秒級，在如此短暫的接觸中，熱容的差異體現得不明顯。

(3)絲網層數對淬熄性能的影響。絲網層數是多層絲網結構淬熄性能的重要因素。在一定條件下，當絲網層數增加時，其淬熄性能也隨之變好。根據實驗結果可得出絲網層數情形臨界淬熄速度之間的關係式：

(Vc)_N/(Vc)₁=exp[0.64(N－1)] N≤6 (2)

式中 N——絲網層數；

(Vc)_N——絲網層數為N層時的Vc值。

(Vc)₁可由式(1)求出，因此根據式(1)、(2)可求出任意層數和任意尺寸下的多層絲網結構的臨界淬熄速度(Vc)_N。當層數>6時臨界淬熄速度已不再增大，即使增加層數其淬熄性能也變化不大，同時還會因層數的增加而使氣體的流動阻力增大，甚至會因絲網引起的湍流而使火焰速度加快，出現DDT過程(爆燃轉爆轟)，加劇火焰的傳播^[6]。根據實驗，單層40目絲網的臨界淬熄速度為幾米每秒，而6層絲網的監界淬熄速度可達110 m/s。

(4)絲網間距對淬熄性能的影響。通常，多層絲網比單層絲網的淬熄性能好，但這又涉及到絲網間距的問題。研究發現其間距對淬熄性能的影響很大。當兩張絲網相距較近時淬熄性能最好，間距變大後其淬熄性能下降，當間距大於某一值時淬熄性能又保持穩定。由此可見，多層金屬絲網間的間距存在2個臨界值；第一臨界間距稱為允許間距(Sa)，即兩絲網間距小於這個值時，其阻火性能同兩張網緊靠在一起時的淬熄能力相同。第二臨界值稱為界限間距(Sc)，即兩絲網間距大於這個值時，其淬熄性能同一張網的性能相同。

絲網的目數越大，允許間距和界限間距越大。設計多層絲網結構時要考慮到間距的問題，盡量使絲網間距小於第一臨界間距即允許間距(Sa)。絲網間距為零時安裝較容易，但易堵塞網眼，清洗率高，影響生產。為避免堵網，多認為兩網有少許間距比緊貼在一起好。根據實驗，對於20目的絲網，其第一臨界間距為2mm，第二臨界間距為15mm。而40目的絲網的第一臨界間距為6mm，第二臨界間距為40mm。

2 網孔結構對爆轟波的抑製作用

爆轟波之所以能自持穩定地傳播是由於橫波的產生和發展。網孔結構具有吸收橫波的能力，因此可以有效地破壞爆轟波的傳播條件，使爆轟波蛻變成爆燃波。

對於給定的混合氣體和網孔結構，在截麵形狀和尺寸確定的管道中，存在一個初始壓力的臨界值Pc。初壓高於臨界值時穩定自持傳播的爆轟波仍能通過阻尼段；初壓降至臨界值時，爆轟波通過阻尼段時是不穩定的，即可能蛻變也可能尚未蛻變成強爆燃；初壓低於臨界值時，爆轟波肯定蛻變成強爆燃。臨界值的高低反映了某種網孔材料對爆燃波的衰減能力的大小。

3 總 結

火焰和壓力波同時作用所產生的耦合效果是產生災害的主要原因，也是揭示爆燃氣體在複雜網孔通道中變化規律不可分割的因素。目前開展的研究工作多為隻研究火焰的淬熄或隻研究壓力波的抑製，而同時將淬熄和壓力波抑製作為目標的研究工作還很少。因此，應該對火焰和壓力的共同效果給予足夠的重視，力求找出網孔結構對火焰與壓力波之間的耦合作用的抑製效果。網孔結構對爆炸波的抑製具有深遠的理論意義和廣闊的應用前景。解決這一問題，將使爆炸波的研究從宏觀走向微觀、從實驗研究走向實驗和理論結合的高級研究階段，逐步形成新的抑製爆炸波的理論，並開發出具有實用價值的抑爆技術和產品。