Page 188 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 黄钰雄，等： 硬脂酸包覆铝粉爆炸火焰传播机理研究 第 9 期

Special
Hartmann tube High-speed Computer
camera

High-pressure
air pipeline
Spark energy Ignition
generator Spark generator electrodes
Solenoid Pressure
Mushroom valve regulating Air High-pressure air cylinder
Dust dust dispersion inlet
storage bin nozzle Air valve valve
High-voltage storage vessel
High-voltage
storage capacitor accumulator

图 5 改进的哈特曼管实验装置示意图
Fig. 5 Improved Hartmann tube explosion experimental device
2 结果与分析

2.1 SA@Al 的爆炸火焰传播规律
以 5% SA@Al、10% SA@Al 和 15% SA@Al 粉尘及纯铝粉为研究对象，开展爆炸火焰传播实验，研
究粉尘浓度对 SA@Al 粉尘爆炸火焰传播特性的影响，结果如图 6～9 所示。理论粉尘浓度由 c=m/V 计
3
3
算，其中，c 为粉尘浓度（g/m ），m 为粉尘质量（g），V 为半开放燃烧管的体积（m ）。
从图 6 可以看出：Al 粉尘云燃烧反应剧烈，爆炸火焰发出刺眼的黄白亮光，火焰前锋扩散特征显
著。随着粉尘浓度的增大，爆炸火焰传播的连续性及火焰的饱满度不断增强，火焰前锋传播至燃烧管道
3
顶端的时间呈先缩短后延长的趋势。当粉尘浓度为 250 g/m 时，粉尘浓度较低，热量传递效率较低，反
应过程中燃料的持续消耗使得火焰在 171 ms 时燃烧强度骤然降低，火焰下方连续性减弱，亮度及饱满度
急剧下降，火焰于 190 ms 时停止向上扩散传播，逐渐消逝。当粉尘浓度为 750 g/m 时，Al 粉尘云火焰整
3
体发光强度较高，连续性和饱满度较好，火焰传播时间最短，燃烧强度最高。当粉尘浓度为 1 000 g/m 3
时，粉尘颗粒过量，形成贫氧燃烧，未燃区内的粒子数增加，铝微粒燃烧不够充分，此时火焰虽然仍较饱
满，但亮度略有降低。
从图 7 可以看出：对于 5% SA@Al 粉尘，当粉尘浓度为 250 g/m 时，由于粉尘浓度较低，火焰强度
3
低，火焰前锋未能传播至燃烧管顶端。当粉尘浓度增大至 500 g/m 时，参与反应的粒子数增多，粒子间
3
距离缩短，铝粉表面的硬脂酸热解产生的挥发分相互融合，在铝粒子周围形成较连续的橙色预混气相火
3
焰，可促进铝核的氧化燃烧进程，火焰内部颜色分布较均匀，火焰亮度及饱满度较 250 g/m 时显著提升，
3
火焰前锋于 100 ms 时传播至燃烧管顶端。当粉尘浓度继续增大到 750 和 1 000 g/m 时，火焰传播不规则
性增强，火焰亮度和传播连续性均有所减弱，火焰传播后期均出现了明显断层，火焰内部出现大量向上
聚集的明暗相间的纹理，火焰前锋离散特征显著。这可能是由于，当粉尘浓度增大时，单位体积内粉尘
颗粒数量激增，单个 SA@Al 粒子可利用的氧气相对较少，同时高浓度下，硬脂酸包覆层燃烧需要消耗更
多的氧气，导致铝核燃烧不充分。750 和 1 000 g/m 的 3 5% SA@Al 粉尘云火焰分别于 110 和 131 ms 时传
播至燃烧管顶端，传播时间显著延长。
从图 8 可以看出：不同粉尘浓度下的 10% SA@Al 爆炸火焰均能较连续地传播至燃烧管口，火焰整
体亮度及传播时间随粉尘浓度的增大呈现先增大后减小的趋势。当粉尘浓度为 250 g/m 时，参与燃烧
3

095401-5