Page 195 - 《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

图 12、 14 和 15 可 以 发 现 ， R5 的 敏 感 度 系 数 随 粉 尘 浓 度 的 增 加 逐 渐 减 小 ， 因 此 ， 在 缓 慢 升 温 阶 段 ，

SA@Al 粉尘浓度越高，O 自由基浓度变化越小，升温速率增幅越小。

1.0 R2, Al+O 2 ⇌AlO+O 1.0 R2, Al+O 2 ⇌AlO+O
R4, AlO+O 2 ⇌AlO 2 +O R4, AlO+O 2 ⇌AlO 2 +O
R5, Al 2 O 3 ⇌Al 2 O 2 +O R5, Al 2 O 3 ⇌Al 2 O 2 +O
0.8 R7, Al 2 O 2 ⇌AlO+AlO 0.8 R7, Al 2 O 2 ⇌AlO+AlO
R10, AlO 2 ⇌AlO+O 0.6 R10, AlO 2 ⇌AlO+O
0.6
Sensitivity 0.4 Sensitivity 0.4

0.2 0.2
0 0

−0.2 −0.2
10 −11 10 −10 10 −9 10 −8 10 −7 10 −6 10 −5 10 −11 10 −10 10 −9 10 −8 10 −7 10 −6 10 −5
Time/s Time/s
(a) 250 g/m 3 (b) 500 g/m 3
1.0 R2, Al+O 2 ⇌AlO+O 1.0 R2, Al+O 2 ⇌AlO+O
R4, AlO+O 2 ⇌AlO 2 +O R5, Al 2 O 3 ⇌Al 2 O 2 +O
R5, Al 2 O 3 ⇌Al 2 O 2 +O R7, Al 2 O 2 ⇌AlO+AlO
0.8 R7, Al 2 O 2 ⇌AlO+AlO 0.8 R10, AlO 2 ⇌AlO+O
R10, AlO 2 ⇌AlO+O 0.6 R11, Al 2 O⇌AlO+Al
0.6
Sensitivity 0.4 Sensitivity 0.4

0.2 0.2

0 0
−0.2 −0.2
10 −11 10 −10 10 −9 10 −8 10 −7 10 −6 10 −5 10 −11 10 −10 10 −9 10 −8 10 −7 10 −6 10 −5
Time/s Time/s
(c) 750 g/m 3 (d) 1 000 g/m 3
图 15 不同粉尘浓度下 10% SA@Al 粉尘爆炸过程中的 O 自由基敏感度分析
Fig. 15 O radical sensitivity analysis during explosion of 10% SA@Al dust
under different dust concentrations

2.3 SA@Al 粉尘爆炸火焰传播机理
综合考虑 SA@Al 粒子中硬脂酸包覆层和铝核从热解到燃烧的全过程，结合 Al 粉尘云和 SA@Al 粉
尘云爆炸火焰传播特性及爆炸反应动力学分析，建立了描述 SA@Al 粉尘云火焰传播机理的物理模型，
如图 16 所示。该模型将 SA@Al 粉尘云火焰阵面传播结构分为 4 个区域进行阐述。在预热区，铝颗粒表
面的硬脂酸涂层开始被加热，逐渐熔化，随着燃烧区的接近，熔化的硬脂酸层首先受热分解为小分子可
燃气体，产生 C H 、C H 和 5 C H 等有机小分子，这些可燃气体迅速与空气混合形成可燃预混气，粉尘浓
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2
3
2
4
度越大，包覆层吸热越强，初始降温越明显。与此同时，由于硬脂酸的剥离导致铝表面暴露在空气中，且
由于预混气体与铝颗粒之间发生热量和质量传递，促使铝核在较早时间内迅速发生初始氧化反应，爆炸
体系中的铝和 O 含量有所下降。在燃烧区，可燃预混气发生氧化燃烧反应，在铝颗粒周围形成预混气
2
相火焰，火焰的热传递和热辐射作用促使铝表面温度迅速升高，加快了铝核熔化和氧化膜的破裂进
程 [20] 。当温度达到 Al O 的熔点时，氧化膜开始发生晶型转变 [21] ，熔化的铝核心向外扩散；当温度达到铝
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2
的沸点时，铝粒子开始蒸发并进行气相燃烧，在预混气相火焰内部形成大量发光点。因此，SA@Al 粒子
3
的传播火焰类似于可燃预混气相火焰耦合铝粒子的扩散燃烧火焰。粉尘浓度低于 500 g/m 时，反应空
间内氧气相对充足，包覆层挥发分形成的预混气相火焰与铝核燃烧之间相互促进效果明显，火焰强度与
传播速度随粉尘浓度增加而增大。当粉尘浓度高于 500 g/m ，单位空间内粒子数增多，氧气相对不足，能
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够产生的 O 自由基有限，随着粉尘浓度增大，SA 形成的预混气相火焰会消耗较多的 O 自由基，阻碍铝核
燃烧的进一步扩大，因此，在较高的粉尘浓度下，火焰传播速度减小，爆炸平衡温度更低。

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