随着天然气、石油等传统能源的逐渐枯竭以及愈发严重的环境问题，开发利用可再生、绿色能源是未来能源经济发展的主流。合成气被视为一种有效的清洁燃料^[1]，与传统能源相比，合成气不仅可以提高能量利用效率，还能显著减少污染物的排放。但合成气可燃成分主要是H₂和CO，其中H₂具有较低的点火能（约0.02 mJ）和较宽的爆炸极限（4%～75%）^[2]，所以合成气混合物中的H₂会极大影响火焰结构和爆炸压力，增加爆炸风险和爆炸强度^[3-5]。因此如果合成气燃料在生产、储存、运输和利用过程中泄漏，容易导致严重的火灾和爆炸事故。

迄今为止，学者对合成气爆炸特性的影响因素进行了大量的研究。如Olm等^[6]和Zhang等^[7]对合成气火焰的传播特性进行了大量的实验和模拟，分析了合成气火焰的燃烧和熄灭机理。Bouvet等^[8]和Zhang等^[9]对稀薄H₂预混火焰和球形膨胀火焰在不同H₂-CO气体当量比和H₂体积分数下所产生的层流火焰速度进行了相关研究。Cao等^[10]对爆炸火焰在不同高度（H）和长度（L）的管道中传播时的爆炸特性进行了研究，发现L/H对爆炸火焰行为有显著影响。余明高等^[11-12]和Yang等^[13]研究了在不同的点火位置和H₂体积分数下燃烧产生的“郁金香”火焰或者扭曲“郁金香”火焰，发现点火位置越靠近开口端，压力振荡越剧烈，且障碍物的存在会改变合成气的火焰结构，在火焰通过障碍物开口后会形成“郁金香”火焰，并产生加速作用^[14-15]。此外，Diao等^[16]和Yao等^[17]研究了合成气预混火焰传播过程，发现扭曲的“郁金香”火焰只出现在稀薄的混合物中，并且认为压力波与火焰传播结构关系密切。大量研究表明，合成气因为H₂和CO的特殊性质和组分变化在生产应用中会产生较高的爆炸风险^[18-19]。

多孔材料作为天然气管网的主要抑爆材料，也是许多学者研究的重点。段玉龙等^[20-21]探究了多孔材料对甲烷/空气预混气体爆炸的影响，发现孔隙度和厚度均会对火焰传播产生较大影响。Shao等^[22]研究发现多孔材料能够抑制爆炸火焰和超压，并且发现如果改变多孔材料的组合情况、孔径和厚度，对气体爆炸也能够起到很好的抑制作用。Long等^[23]也发现多孔材料可以显著降低超压，而孔隙密度较高的多孔材料在抑制火焰爆炸和“郁金香”火焰形成方面效果更为显著。此外，也有学者认为多孔材料可以实现火焰的熄灭和爆炸超压的衰减，进而有效抑制爆炸的传播^[24]。

虽然多孔材料影响气体爆炸方面的研究有丰富的研究成果，但是研究大多集中在多孔材料对单一组分气体燃烧过程的影响，缺少对合成气爆炸特性影响的相关研究。因此，本文通过自主搭建的小尺寸实验平台，实验研究不同配比的H₂-CO合成气与空气以当量比为1混合时，泡沫铜孔隙密度对合成气爆炸火焰结构、传播速度和超压等参数的影响。

1.   实验装置与步骤

本实验所采用的系统平台如图1所示，主要由配气与集气模块、数据采集模块、高速摄像模块和点火模块组成。利用分压法计算预混气体中不同H₂比例下H₂、CO和空气的体积分数，由三个流量控制器Alicat MCE精确控制进气流量，预混后通入管道，共通入4倍管道体积的预混气体，通气时间为6 min。利用排空气法，配置所需测试气体^[17]，控制混合气体通过钢板的入口进入管道，并通过出气口排出，从而排出管道内空气。管道长1000 mm，截面100 mm × 100 mm，管道两端采用TP304不锈钢板封闭。实验中爆炸火焰图像由Phantom VEO710高速摄像仪（拍摄频率为4 kHz，像素尺寸为0.9 mm）采集装置观测。采用一个安装在进气口附近、点火器上方的PCB11325型高频压力传感器测量超压随时间变化特征，采样频率为1 MHz。点火器使用自制电火花点火装置，提供约30 mJ的点火能量。有关实验装置的更多详细信息见文献[16]。

图  1  实验系统示意

Figure  1.  Schematic of experimental system

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实验选取截面尺寸为100 mm × 100 mm、孔隙密度分别15、25和40 ppi的三组泡沫铜，泡沫铜垂直于管道壁面并固定在距点火点500 mm处，同时设置未装泡沫铜的工况作为对照组。为了突出孔隙密度对合成气爆炸特性的影响，特地采用了不同厚度的泡沫铜，其中泡沫铜的孔隙密度越小其厚度越大（20、29、64 mm）。所有的泡沫铜均产自昆山电子材料有限公司，纯度大于99.99%，如图2所示。采用H₂-CO合成气与空气以当量比为1进行混合并点火，为分析合成气组分变化的影响，采用3种不同配比的合成气，其中H₂占合成气的体积分数$\varphi$分别为10%、50%、90%（$\varphi ={V}_{{\mathrm{H}}_{2}}/({V}_{{\mathrm{H}}_{2}}+{V}_{\mathrm{C}\mathrm{O}})$，其中${V}_{{\mathrm{H}}_{2}}$与${V}_{\mathrm{C}\mathrm{O}}$分别为混合气体中H₂与CO的体积）。为保证实验数据的重复性、准确性，每个工况条件进行3～5次实验。所有实验均在环境压力（一个大气压）与温度（298 K）下进行。实验提供的H₂、CO的体积纯度均大于99.99%。压缩空气中氧气和氮气分别占比21%、79%。

图  2  不同孔隙密度的泡沫铜

Figure  2.  Copper foams with different pore densities

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2.   结果与讨论

2.1   火焰形态

图3～6分别显示了$\varphi$分别为 10%、50%和90%时的合成气爆炸火焰在无泡沫铜的管道中以及使用孔隙密度为15、25和40 ppi的泡沫铜后的传播过程。其中，鉴于过去已经对合成气爆炸特性做了较多的讨论^[11-14]，这里着重分析泡沫铜的存在对火焰传播形态的影响。在图4(a)中，可以看到在40 ppi时，火焰首先在没有受到壁面影响的情况下以半球形自由膨胀，逐渐向前发展。随后火焰逐渐开始受到侧壁的挤压，火焰的半球形前端结构发生变化，并逐渐于32.0 ms呈指状，且此时的火焰表面积呈指数形式增长^[20]。这一过程中的火焰演化与经典的“郁金香”火焰形成的前两个阶段相一致且是一个纯流体力学现象^[25]。随后由于火焰接触壁面而产生的膨胀波使火焰尖端速度开始降低^[26]，火焰侧边逐渐追上火焰尖端，火焰表面积大幅度减少，并最终在约40.5 ms形成平板火焰。但与传统“郁金香”火焰形成过程不一致的是平板结构火焰穿过泡沫铜后并没有形成“郁金香”火焰，而是形成了湍流不规则形状火焰。而在孔隙密度为25和15 ppi（图4(b)～(c)）时也有类似的现象。火焰在泡沫铜上游时，它同样经由半球形和指形两个阶段后，分别于39.0和40.0 ms左右发展成平板火焰。可以看到，不同孔隙密度条件下火焰形成平板火焰的时间基本一致，这是因为光滑管道内“郁金香”火焰的形成时间主要受燃料层流火焰速度与管道截面半宽的影响^[27]。在泡沫铜下游时，孔隙密度为25 ppi时会发生火焰反转，火焰向已燃区域凹陷，如图4(b)中的43.0 ms。接下来火焰在穿过泡沫铜之后形成了“郁金香”火焰并以相对稳定的“郁金香”形态向前发展（45.0～59.0 ms）。不同的是，图4(c)中孔隙密度为15 ppi时的火焰在穿过泡沫铜后，存在明显的火焰振荡现象（44.3～46.0 ms），并在46 ms时第二次形成平板火焰，随后发展成“郁金香”火焰。可以看到，在$\varphi$=10%时孔隙密度为40 ppi的火焰发展最慢，火焰到达出口所需的时间最长，孔隙密度为25 ppi次之，孔隙密度为15 ppi时最短，且孔隙密度为40 ppi时没有形成“郁金香”火焰，而孔隙密度为25和15 ppi时“郁金香”火焰分别持续18.5、8.0 ms。

图  3  不添加泡沫铜时的火焰形态

Figure  3.  Flame without copper foam

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图  4  $\varphi$=10%下受不同孔隙密度泡沫铜抑制的火焰形态

Figure  4.  Flame at $\varphi$=10% and different pore densities

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图  5  $\varphi$=50%下不同孔隙密度时的火焰形态

Figure  5.  Flame at $\varphi$=50% and different pore densities

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图  6  $\varphi$=90%下不同孔隙密度时的火焰形态

Figure  6.  Flame at $\varphi$=90% and different pore densities

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如图5所示，在$\varphi$=50%时，不同孔隙密度下的火焰结构经历了相似的“郁金香”火焰形成的前三个阶段，并分别于16.5、16.0、15.0 ms形成平板火焰。但是与$\varphi$=10%时不同的是，火焰在穿过泡沫铜前便分别于19、18、16 ms发生火焰反转现象，开始形成“郁金香”火焰。在“郁金香”火焰形成后，火焰穿越泡沫铜继续传播形成了变形“郁金香”火焰（图5(a)中22.5 ms、图5(b)中21.5 ms和图5(c)中18.5 ms）。文献[26, 28]表明火焰后期的形状变化与周期性振荡现象是火焰前锋与压力波相互作用的结果，即当火焰侧边接触壁面时，产生压力波，压力波被管道末端的挡板或者管道侧壁所反射在管道内反复传播。而且在孔隙密度较低时会发生火焰锋面后移，表现出更为明显的火焰振荡现象（图5(b)中21.5～22.3 ms和图5(c)中18.2～18.5 ms）。

如图6所示，当$\varphi$=90%时也有与图5类似的规律。即在泡沫铜上游时，受“郁金香”火焰的影响，不同孔隙密度下火焰结构经历了同样火焰传播阶段。但是与$\varphi$=50%时的不同之处在于，图6中的平板火焰消失得更早，且“郁金香”火焰形成得更快，分别约于11.5、11.0、9.5 ms。这是因为“郁金香”火焰的形成时间与层流火焰速度存在紧密联系，而$\varphi$的增加会显著提升层流火焰速度。并且在火焰穿过泡沫铜之后，火焰发生了极大的加速，“郁金香”的形状也在极短的时间内发生了变形。另外还可以观察到，$\varphi$=90%、孔隙密度为40和25 ppi时的火焰振荡现象更为明显。

总结上述规律可以发现：在孔隙密度相同时，H₂体积分数$\varphi$越大，“郁金香”火焰形成得越早，火焰也越快抵达出口。在$\varphi$相同的情况下，孔隙密度为40 ppi时火焰持续时间最长，孔隙密度为25 ppi时次之，孔隙密度为15 ppi最短。这是因为泡沫铜会通过固相销毁的形式抑制链式反应的链传递过程，狭窄的孔隙会增加孔壁与自由基碰撞的概率，破坏参与反应的自由基。同时吸收自由基所需的能量，进一步消耗主要活性自由基(H、OH、O、HCO)^[29]。泡沫铜中孔隙的大小与固相结构的占比成反比，所以孔隙密度为40 ppi的泡沫铜具有更高的比表面积和固相结构占比，这将在火焰通过时产生更大的接触面积，在吸收更多的热能的同时及时销毁链式反应中的自由基，从而降低燃烧反应速率，延长火焰传播时间。

另外泡沫铜的小孔把火焰分成若干个小喷射火焰，增加火焰和孔壁之间的接触面积，造成更多的热量损失^[30]。但据观察，泡沫铜也会对爆炸火焰产生促进作用，即火焰在穿过泡沫铜之后会发生火焰加速现象。同时可以发现，虽然孔隙密度为15 ppi的泡沫铜更厚，但在$\varphi$相同时孔隙密度为15 ppi的泡沫铜对火焰的促进作用要比孔隙密度为25和40 ppi时更强。这是因为虽然泡沫铜的厚度会对爆炸压力和火焰传播有一定的影响，且泡沫铜越厚，抑制效果越强^[20-21]，但是本文主要分析泡沫铜的孔隙密度对合成气爆炸动力学的影响。实验结果表明，具有更高厚度（64 mm）的孔隙密度为15 ppi的泡沫铜并没有表现出比孔隙密度为25 ppi时（29 mm）更强的抑制作用，反而表现出了促进作用。这进一步表明，孔隙密度越低对爆炸的促进作用越显著。之后将开展关于泡沫铜厚度对合成气爆炸火焰传播及超压影响的研究。这可能是因为孔隙密度较低的泡沫铜会在流场中诱发更为强烈的湍流效应，进一步加快层流火焰转变为湍流火焰，提高火焰的燃烧速率和放热速率^[22]。同时火焰在穿过泡沫铜时被分割，如图4(b)～(c)中的40 ms和41 ms所示，加快了火焰向湍流燃烧转变，大大增加其化学反应速率，最终引起火焰加速甚至爆燃^[30-31]。

2.2   火焰速度

为了进一步研究火焰传播的过程，定义火焰前锋为位于火焰前端沿管道轴向有最大投影距离的点，测量不同时刻火焰前锋位置（x）与点火点之间的距离，由此计算出火焰尖端速度（v）随火焰前锋位置（x）的变化。

图7给出了在$\varphi$分别为 10%、50%和90%时火焰在不同工况下的火焰尖端速度变化，其中对照组为未装泡沫铜时的工况。从图7可看出在不同工况下，火焰尖端速度发生了相似的变化，并且与图4～6中火焰形态的变化相关联。不同$\varphi$时的火焰尖端速度的曲线呈现了相同的变化趋势，即先增大后减小然后振荡。以图7中$\varphi$=50%时为例分析其共性。首先，泡沫铜对半球形与指形阶段的火焰尖端速度影响较小，传播速度随着火焰表面积的增长而相应地在纵向上增长；并且不同孔隙密度乃至不同$\varphi$时，火焰尖端速度均会于约240 mm处达到第一个速度峰值^[14,27]；可以看到这一速度峰值几乎不受孔隙密度的影响，仅与$\varphi$有关，且随着$\varphi$的增加这个速度峰值也会增加。其次，火焰侧边开始接触壁面后火焰尖端速度随火焰前锋面积的大幅减少而急剧降低。在火焰前端形成平板结构时火焰尖端速度下降到其极小值，约400 mm处^[14,27]。很明显，在$\varphi$相同时火焰在管道上游的行为完全是因为受到“郁金香”火焰形成过程的影响，从而产生变化规律一致的、基本重合的速度曲线。

图  7  火焰尖端速度随火焰前锋位置的变化

Figure  7.  Measured flame tip speed as a function of flame tip location

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火焰在泡沫铜下游传播时，也具有一定的相似性。首先火焰在穿过泡沫铜后，产生火焰加速现象，火焰尖端速度先急剧增大随后逐渐减小。此时火焰速度的增长幅度要远大于“郁金香”火焰形成时的增长速度^[32]，而且火焰速度的增长幅度一方面会随着$\varphi$的增加而增加，另一方面还会随着孔隙密度的降低而增加。此外，在图7中可看出火焰速度穿过泡沫铜后会振荡前进，与图4～6中的火焰振荡现象相对应。且这一振荡幅度不仅与$\varphi$有关，还受泡沫铜孔隙密度的影响。在孔隙密度相同时，火焰在穿过泡沫铜之后速度振荡的幅度随着$\varphi$的增加而增加；而在$\varphi$相同时，孔隙密度越小速度振荡幅度越大。同时，火焰在穿过泡沫铜后火焰尖端速度总是会迅速增加并达到更高的峰值，这也与前文所介绍的泡沫铜引起的湍流效应造成火焰加速的现象相吻合，也进一步说明了泡沫铜对下游的火焰产生了极大的促进作用，且孔隙密度越低促进作用越显著。

为了进一步分析泡沫铜对管道内火焰传播特性的影响，图8给出了不同工况下的最大火焰尖端速度（v_max）和平均火焰传播速度（v_a）。首先，对图8(a)和图8(b)进行纵向比较可以看到，在$\varphi$=10%时，孔隙密度为40 ppi的泡沫铜对v_max和v_a的提升作用有限，相比于对照组时的v_max和v_a仅提升了1.2%和0.4%。进一步地，当孔隙密度减小到25 ppi之后，v_max和v_a会有较大提升，分别提升了90%和17.5%，但是孔隙密度为15 ppi的泡沫铜对v_max和v_a的促进作用相比于孔隙密度为25 ppi时提升不大。然而，在$\varphi$=90%时会出现不同的情况，此时孔隙密度为40和25 ppi的泡沫铜对v_max和v_a均有较大提升，但二者的提升程度相似。此外，对图8进行横向比较可以发现，在存在不同孔隙密度的泡沫铜的工况下，v_max和v_a均会随着$\varphi$的增加而增加，但是增加幅度有所差别，比如在图8(a)中孔隙密度为40 ppi的泡沫铜对v_max的提升程度在不同$\varphi$=10%, 50%和90%的情况下分别为1.2%、42.5%、80.9%，而孔隙密度为25和15 ppi时对火焰传播速度的提升比例与$\varphi$并不呈线性关系，而是随着$\varphi$的增加先增加后变小。但总体来说在孔隙密度相同的情况下，v_max和v_a均会随着$\varphi$的增加而增加。

图  8  不同孔隙密度下的火焰速度参数

Figure  8.  Measured flame speed parameters at different ppi

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2.3   超压

图9展示了$\varphi$改变时不同工况下管道中的爆炸压力随时间的变化，其中超压在泡沫铜前所达到的峰值定义为第一个峰值（p₁），将超压历史中达到的最大值定义为最大超压（p_max）。可以看到，在管道上游，超压所呈现出的趋势与火焰形态和火焰尖端速度的变化趋势相吻合，且在$\varphi$相同时不同工况下会产生基本重合的压力曲线。同时在图9中可以发现在$\varphi$不同时，不同孔隙密度下的p₁基本一致，分别约为0.15、0.30和0.37 MPa。这一峰值会随着$\varphi$的增加而增加，是因为随着$\varphi$的增加，H₂含量越来越多，气体反应活性增加，p₁也随之增大。同时这也说明泡沫铜的存在对管道上游的超压变化影响很小。

图  9  超压（p）随时间变化

Figure  9.  Measured overpressure (p) changing with time

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但是当压力波传播到泡沫铜所在位置之后，超压大小就会发生剧烈变化。在图9中可以看到超压会先上升然后发生振荡，这也与上面所述的火焰尖端速度的变化趋势相吻合，如图10所示。图9(a)中$\varphi$=10%时，孔隙密度为15和25 ppi时的压力分别于32.5和34.5 ms开始上升，在达到峰值后开始下降，随后产生压力振荡现象。但是在孔隙密度为40 ppi时压力在40 ms后出现的新的压力峰值并不明显，且要低于泡沫铜上游的p₁。同时，在图9(b)和图9(c)中$\varphi$=50%和90%时，孔隙密度为15、25和40 ppi时的压力急剧上升的时间点也有所变化，分别于16、17.6、19.1 ms和9.8、11.5、11.75 ms开始上升。总体上$\varphi$相同时压力开始急剧上升的时间点会随着孔隙密度的减小而提前，此外压力急剧上升后所达到的新的压力峰值也随着孔隙密度的减小而增加。而在孔隙密度相同时，这一压力峰值随着$\varphi$的增加而增加。注意，这里所说的压力急剧上升后所达到的新的压力峰值不一定是p_max，例如图9(a)中$\varphi$=10%、孔隙密度为40 ppi时。可以发现此时管道内超压在压力波穿过泡沫铜后急剧上升的幅度相对较低，且这一压力值低于p₁。这说明虽然$\varphi$=10%时、孔隙密度为40 ppi的泡沫铜对下游超压有一定的促进作用，但相对于整个管道的超压来说较为有限，但是观察发现随着$\varphi$的增加，孔隙密度为40 ppi的泡沫铜对下游超压所表现出的促进作用也越来越显著。

图  10  不同条件的时超压（p）与火焰前锋速度（v）的关系

Figure  10.  Relationship between overpressure (p) and flame tip speed (v) under different conditions

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总的来说，孔隙密度的降低和$\varphi$的增加一方面会导致超压上升速度加快，到达压力峰值的时间提前，另一方面还会造成最大超压上升，压力振幅升高，增加爆炸风险。这是因为多孔材料中存在的孔隙引起火焰向湍流的转变，会造成极大的火焰加速和超压提升，并迅速达到最大超压。同时泡沫铜的孔隙越大，固相结构的占比就越小，而孔隙密度为15 ppi的泡沫铜具有更大的孔径，所以爆炸区域内的超压上升速率受其固相结构的阻碍就更小^[21,23]。

为进一步分析火焰爆炸过程中超压的变化情况，图11给出了不同$\varphi$情况下各工况的最大超压p_max。可以看到孔隙密度为40 ppi的泡沫铜在$\varphi$=10%时的p_max与无泡沫铜时的p_max变化不大，这是因为孔隙密度为40 ppi时压力达到第一个峰值即为p_max，而孔隙密度为25与15 ppi时压力穿过泡沫铜后才达到最大值。而随着$\varphi$的增加，孔隙密度为40 ppi的泡沫铜对p_max的促进作用也会越来越显著，同时孔隙密度为25和15 ppi的泡沫铜对p_max的促进作用也随着$\varphi$的增加而增加。另外，纵向来看，即在$\varphi$相同时泡沫铜对管道内的p_max促进作用与孔隙密度成反比，孔隙密度越小p_max提升的越明显。总体上泡沫铜会引起管道内超压的极大提升，对火焰爆炸产生促进作用，且孔隙密度越小，$\varphi$越大，火焰穿过泡沫铜后压力上升幅度越大，超压峰值越高。

图  11  最大超压（p_max）与H₂体积分数（$\varphi$）的关系

Figure  11.  Measured maximum overpressure (p_max) changing with volume fracture of H₂ ($\varphi$)

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3.   结　论

在自主搭建的小尺寸实验平台上，分析了管道中泡沫铜的孔隙密度对不同组分合成气爆炸特性的影响。主要结论如下：

(1) 管道内泡沫铜上游的火焰形态、火焰尖端速度和超压变化受“郁金香”火焰形成过程的影响，仅与燃料组分有关，与泡沫铜无关；

(2) 除H₂占合成气的体积分数为10%、泡沫铜孔隙密度为40 ppi的情况下没有“郁金香”火焰形成外，在泡沫铜的孔隙密度相同时，H₂体积分数越高“郁金香”火焰形成的越早，火焰越快抵达出口，并且孔隙密度和H₂体积分数的耦合作用还会影响变形“郁金香”火焰的形成；

(3) 泡沫铜会诱发湍流效应促使层流火焰转化为湍流火焰，极大地加速了爆炸火焰传播过程，提高最大火焰尖端速度和平均火焰传播速度。且在H₂体积分数相同时，泡沫铜的孔隙密度越小，促进作用越显著；

(4) 泡沫铜会引起管道内超压的极大提升，对火焰爆炸产生促进作用，且孔隙密度越小，H₂体积分数越大，火焰穿过泡沫铜后压力上升幅度越大，超压峰值越高。