344 工程科学学报，第44卷，第3期 K;YM为预混气体的体积分数，%；Per为参考压 大爆炸压力，相关系数为0.947，均方根误差0.147 力，MPa;Ter为参考温度，K;Per=0.lMPa,Ter= 图6对比了不同初始条件下甲烷体积分数为 273K.在初始温度以及预混气体体积分数不同的 7%与11%的甲烷-空气混合物的最大爆炸压力的 情况下，通过式(1)可以计算甲烷体积分数为 试验值和通过等式获得的计算值，具有良好的一 7%的甲烷-空气混合物的最大爆炸压力.相关系 致性.因此，由等式预测的最大爆炸压力是合理 数为0.945，均方根误差为0.152.通过式(2)可以计 的.但是，不在试验条件范围内，该公式所得结果 算甲烷体积分数为11%的甲烷-空气混合物的最 可能不准确或不理想 0 (a) 10 (b) 65 6.5 ■PPt ■PPret 当6.0 ◆ 5.0 ■ 4.5 4.5 4.0 4. .0 4.5 5.05.56.0 6.5 7.0 4.0 4.5 5.05.5.6.0 6.5 7.0 Experimental value Experimental value 图6甲烷最大爆炸压力试验值和计算值的比较.(a)甲烷体积分数为7%：(b)甲烷体积分数为11% Fig.6 Comparison between the predicted and experimental values:(a)volume fraction of CHa is 7%;(b)volume fraction of CH is 11% 3模拟结果分析 够提高活化中心浓度，从而促进甲烷爆炸.当甲烷 体积分数为7%时，自由基摩尔分数峰值随预混气 3.1混合气体组分对自由基摩尔分数的影响 体体积分数的变化如图7(a)所示.随着预混气体 根据甲烷爆炸链式反应机理，整个爆炸过程 体积分数的增加.H和OH自由基摩尔分数的峰 中生成大量的H、O和OH等活性自由基，在反 值有所上升.此外，对于贫燃富氧情况下，0自由 应链中形成活化中心，进而促进甲烷爆炸.气体爆 基在加入体积分数为1.6%的可燃气体时达到最 炸过程中，维持链式反应的自由基浓度低，存留时 大值，O自由基摩尔分数峰值多于H,而在加入体 间短.在爆炸瞬间，自由基由于能量积聚，浓度急 积分数为2.0%的可燃气体时H自由基摩尔分数 刷上升达到峰值，自由基发生碰撞后，其浓度迅速 峰值多于0.当甲烷体积分数为11%时，如图7(b) 降低，随后维持在稳定值.随着预混气体体积分数 所示，随着预混气体体积分数的增加，H自由基摩 的增加，生成H、O和O自由基的时间提前.加 尔分数峰值有所上升.值得注意的是，O和·OH自 入预混气体会使反应产生的高活性H自由基增 由基摩尔分数峰值有所下降.这也说明了富燃料 加，同时H自由基与O自由基能反应生成OH自 的甲烷-空气混合物提供了过多的燃料，耗氧量增 由基，从而加速氧化反应，所以H自由基的增加能 大，O和·OH自由基浓度峰值相应减少 1.7 1.8 (a) 724 HO 28 b 1.7 41.1 2.3 11 1.7 22 2.3 1.0 1.6 2.7 2.2 0.9 1.5 1.6 2.2 )6 09 21 1.4 -H- 。--0 1.6 一H 2.2 --0H 1.3 1.6 unun xe 2.6 0 0.8 -0H 2.0 2.1 25 04 0.8 1.2 1.6 2.0 04 0.8 1.2 1.6 2.0 Volume fraction of gas mixture/% Volume fraction of gas mixture/% 图7不同甲烷体积分数下各自由基最大摩尔分数随预混气体体积分数的变化曲线.()甲烷体积分数为7%：(b)甲烷体积分数为11% Fig.7 Variation in the maximum molar fractions of free radicals with other combustible gas volume fractions under different volume fractions of CHa: (a)volume fraction of CHa is 7%;(b)volume fraction of CHa is 11%K；YM 为预混气体的体积分数，%；Pref 为参考压 力 ，MPa；Tref 为参考温度，K；Pref = 0.1 MPa，Tref = 273 K. 在初始温度以及预混气体体积分数不同的 情况下 ，通过式 （ 1）可以计算甲烷体积分数 为 7% 的甲烷−空气混合物的最大爆炸压力. 相关系 数为 0.945，均方根误差为 0.152. 通过式（2）可以计 算甲烷体积分数为 11% 的甲烷−空气混合物的最 大爆炸压力，相关系数为 0.947，均方根误差 0.147. 图 6 对比了不同初始条件下甲烷体积分数 为 7% 与 11% 的甲烷−空气混合物的最大爆炸压力的 试验值和通过等式获得的计算值，具有良好的一 致性. 因此，由等式预测的最大爆炸压力是合理 的. 但是，不在试验条件范围内，该公式所得结果 可能不准确或不理想. 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 (a) Predicted value Experimental value Pmax/Pref (b) Pmax/Pref 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Predicted value Experimental value 图 6    甲烷最大爆炸压力试验值和计算值的比较. （a）甲烷体积分数为 7%；（b）甲烷体积分数为 11% Fig.6    Comparison between the predicted and experimental values：(a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11% 3    模拟结果分析 3.1    混合气体组分对自由基摩尔分数的影响 根据甲烷爆炸链式反应机理，整个爆炸过程 中生成大量的 H·、O·和·OH 等活性自由基，在反 应链中形成活化中心, 进而促进甲烷爆炸. 气体爆 炸过程中，维持链式反应的自由基浓度低，存留时 间短. 在爆炸瞬间，自由基由于能量积聚，浓度急 剧上升达到峰值，自由基发生碰撞后，其浓度迅速 降低，随后维持在稳定值. 随着预混气体体积分数 的增加，生成 H·、O·和·OH 自由基的时间提前. 加 入预混气体会使反应产生的高活性 H·自由基增 加，同时 H·自由基与 O·自由基能反应生成·OH 自 由基，从而加速氧化反应，所以 H·自由基的增加能 够提高活化中心浓度，从而促进甲烷爆炸. 当甲烷 体积分数为 7% 时，自由基摩尔分数峰值随预混气 体体积分数的变化如图 7（a）所示. 随着预混气体 体积分数的增加，H·和·OH 自由基摩尔分数的峰 值有所上升. 此外，对于贫燃富氧情况下，O·自由 基在加入体积分数为 1.6% 的可燃气体时达到最 大值，O·自由基摩尔分数峰值多于 H·，而在加入体 积分数为 2.0% 的可燃气体时 H·自由基摩尔分数 峰值多于 O·. 当甲烷体积分数为 11% 时，如图 7（b） 所示，随着预混气体体积分数的增加，H·自由基摩 尔分数峰值有所上升. 值得注意的是，O·和·OH 自 由基摩尔分数峰值有所下降. 这也说明了富燃料 的甲烷−空气混合物提供了过多的燃料，耗氧量增 大，O·和·OH 自由基浓度峰值相应减少. 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 (a) (b) Volume fraction of gas mixture/% 1.6 1.6 1.6 1.6 1.7 1.7 1.7 2.1 2.2 2.2 2.3 2.3 2.4 H· ·O ·OH Maximun molar fraction of ·OH/10−2 Maximun molar fraction of ·O/10−2 Maximun molar fraction of H·/10−2 Maximun molar fraction of ·OH/10−2 Maximun molar fraction of ·O/10−2 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.5 2.6 2.6 2.7 2.7 2.8 Maximun molar fraction of H·/10−2 H· ·O ·OH Volume fraction of gas mixture/% 0.8 0.8 0.9 0.9 1.0 1.0 1.1 1.1 2.0 2.1 2.1 2.2 2.2 2.3 2.3 图 7    不同甲烷体积分数下各自由基最大摩尔分数随预混气体体积分数的变化曲线. （a）甲烷体积分数为 7%；（b）甲烷体积分数为 11% Fig.7    Variation in the maximum molar fractions of free radicals with other combustible gas volume fractions under different volume fractions of CH4： (a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11% · 344 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期