摘要
为建立甲烷爆炸初期微观化学反应机理与宏观爆炸压力之间的联系，利用20L标准球型爆炸测试装置和光栅光谱仪采集了甲烷爆炸初期爆炸压力数据，采用光谱分析和数据同步分析方法研究了CO2、C2、CHO•、OH•、C3等关键激发态自由基及分子的光谱强度和爆炸压力的耦合变化关系。研究表明，CO2在爆炸升压阶段大量生成；C2、CHO•在爆炸感应期内大量产生，在爆炸升压阶段大量消耗；OH•含量在整个甲烷爆炸的过程中处于较高水平。微观角度CO2大量生成在宏观上部分表现为爆炸压力的迅速上升，其含量变化趋势与升压过程呈正相关关系；C2、CHO•迅速消耗在宏观上部分表现为爆炸压力的迅速上升，其含量变化趋势与升压过程呈负相关关系。在爆炸感应期减少C2、CHO•的生成，降低其含量；在整个甲烷爆炸的过程中抑制OH•产生，降低其含量；减少或抑制CO2的生成，可以减缓或抑制爆炸进程，有效减小甲烷爆炸的压力。
图文摘要
Spectral analysis and data synchronization analysis methods were used to analyze the relationship between initial flame emission spectra and explosion pressure of methane explosions obtained by experiments. A relation between the microscopic chemical reaction mechanism and the macroscopic explosion pressure in the early stage of methane explosion was established.
甲烷氧化机理的研究是实现甲烷抑爆的基础。目前，对于甲烷爆炸的相关研究，宏观层面多采用实验、数值模拟或计算机模拟等方法，分析爆炸压力、升压速率、火焰传播速度等宏观参
甲烷氧化机理的研究可分为详细机理研究和简化机理研究。详细机理几乎涵盖了甲烷氧化过程中所有组分及其基元反应，可适用于所有情况，目前，最受广大研究人员认可的是美国Lawrence Livermore国家实验室通过实验和理论分析给出的包括53种组分、325个反应的甲烷燃烧化学动力学的详细机
氧化机理的研究使关键自由基在反应过程中发挥的作用受到关注。20世纪70年代，Gaydo
综上所述，现有研究成果中，详细机理研究较为成熟，适用范围较广，简化机理对于具体情况的适用度好，计算简便。但是对于爆炸过程中自由基的变化与爆炸压力等宏观参数变化的联系尚不明确，缺乏相关实验验证。为此，本研究采用光谱分析和数据同步分析方法，分析通过甲烷爆炸实验采集到的甲烷爆炸过程中火焰发射光谱和爆炸压力，分析CO2、C2、CHO•、OH•、C3等关键自由基或分子与爆炸压力的变化，得出相关自由基含量与甲烷爆炸压力发展过程之间的耦合变化关系，为进一步研究微观抑爆机理与宏观抑爆效果之间的耦合作用关系打下基础，为有针对性地改进抑爆剂的抑爆效果提供参考。
实验系统示意图如
图1 实验设备示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental set‑up
第二部分用于光谱采集，光谱采集系统包括光栅光谱仪、光谱采集探头和配套的光谱数据采集软件，本实验使用光谱仪为英国产Newton Andor Shamrock 500i光栅光谱仪光栅，其光栅分辨率为0.3 nm，单次拍摄波长宽度为350 nm，可以实现对于同一种工况分别进行187~534 nm、520~874 nm、860~1210 nm三个波段拍摄，拍摄频率为1000 Hz。
采用光谱比较
图2 甲烷爆炸压力与光谱时间分析耦合图
Fig.2 Coupling analysis diagram of methane explosion pressure and spectral time
对于某一种粒子而言，受甲烷爆炸的不稳定性影响，并非其所有特征波长或特征谱带处均能探测到稳定的光谱信号。故选取每种粒子光谱信号较为稳定的特征波长处的光谱强度与爆炸压力变化进行耦合分析。通过多个特征波长的变化反映其含量的总体变化趋势。
a. 403.0 nm
b. 452.7 nm
图3 CO2特征光谱强度与爆炸压力变化耦合关系图
Fig.3 Coupling relationship between spectral intensity of CO2 and explosion pressure
a. 544.8 nm
b. 554.1 nm
c. 606.0 nm
d. 667.6 nm
图4 C2特征光谱强度与爆炸压力变化耦合关系
Fig.4 Coupling relationship between spectral intensity of C2 and explosion pressure
a. 329.8 nm
b. 408.8 nm
图5 CHO•特征光谱强度与爆炸压力变化耦合关系
Fig.5 Coupling relationship between spectral intensity of CHO and explosion pressure
a. 260.9 nm
b. 282.9 nm
c. 306.4 nm
d. 827.8 nm
e. 1014.3 nm
f. 1027.3 nm
图6 OH•自由基特征光谱强度与甲烷爆炸压力耦合关系
Fig.6 Coupling relationship between spectral intensity of OH• radical and methane explosion pressure
由于光谱仪得出的光谱强度是一个相对光谱强度，特征光谱强度相对稳定，只能得出自由基含量保持在一定水平，但无法得出自由基含量是在较高水平还是在较低水平。结合前人的研究结
a. 396.7 nm
b. 402.3 nm
c. 405.0 nm
d. 407.2 nm
图7 C3自由基特征光谱强度与爆炸压力变化耦合关系
Fig.7 Coupling relationship between spectral intensity of C3 radical and explosion pressure
由
（1）CO2在爆炸升压阶段大量生成；C2、CHO•在爆炸感应期内大量产生，在爆炸升压阶段大量消耗；OH•含量在整个甲烷爆炸的过程中处于较高水平。
（2）微观角度CO2大量生成在宏观上部分表现为爆炸压力的迅速上升，其含量变化趋势与升压过程呈正相关关系；C2、CHO•迅速消耗在宏观上部分表现为爆炸压力的迅速上升，其含量变化趋势与升压过程呈负相关关系；OH•、C3含量的变化无法在宏观上通过甲烷爆炸压力变化趋势反映出来。
（3）在爆炸感应期减少C2、CHO•的生成，降低其含量；在整个甲烷爆炸的过程中抑制OH•产生，降低其含量；减少或抑制CO2的生成，可以减缓或抑制爆炸进程，有效减小甲烷爆炸的压力。
（4）CO2含量变化趋势与甲烷升压过程呈正相关关系。甲烷爆炸压力的升压阶段是CO2大量生成的宏观表征。实验结果与基本理论一致，证明了本研究方法和技术路线的正确性。
(责编： 王艳秀）
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