甲烷–煤粉混合爆燃過程中火焰結(jié)構(gòu)的連續(xù)演化過程使用千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)NEO 25捕捉。

1 實(shí)驗(yàn)背景

甲烷–煤粉混合爆燃是煤礦開采過程中典型且危害嚴(yán)重的災(zāi)害類型之一，其瞬態(tài)傳播行為、兩相混合反應(yīng)的特征對(duì)事故致因追溯和防控技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。

既有研究多依賴壓力信號(hào)或爆后殘留物分析來間接推斷，難以捕捉爆燃過程中的火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)、傳播速度、形態(tài)演化等關(guān)鍵災(zāi)害特征，制約爆燃機(jī)理深入研究。

重慶大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)以高速攝像機(jī)為核心觀測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合壓力測(cè)試與ReaxFF分子動(dòng)力學(xué)模擬，從宏觀行為與微觀機(jī)制兩個(gè)層面揭示甲烷-煤粉混合爆燃的演化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

科研團(tuán)隊(duì)搭建包含爆燃管道、氣粉混合系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)以及高速攝像系統(tǒng)在內(nèi)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。核心為一臺(tái)中科君達(dá)視界自研的千眼狼（Revealer）高靈敏度高速攝像機(jī)NEO 25，核心參數(shù)1280×1024分辨率下25,000幀/秒采集頻率（實(shí)驗(yàn)中采用5,000幀/秒捕捉），對(duì)爆燃過程連續(xù)記錄，并與壓力采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步，保證火焰動(dòng)態(tài)行為與壓力演化之間嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)21組工況，通過控制甲烷體積分?jǐn)?shù)（7 vol%、9.5 vol%、11 vol%）及煤粉濃度（0~300 g/m3），系統(tǒng)性研究燃料濃度對(duì)爆燃特性的影響。實(shí)驗(yàn)通過時(shí)間繼電器精確控制噴粉與點(diǎn)火時(shí)序，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性與可重復(fù)性。

2.3 微觀反應(yīng)機(jī)制模擬

實(shí)驗(yàn)采用ReaxFF反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建甲烷-煙煤分子模型，對(duì)煤粉熱解及氣相反應(yīng)路徑進(jìn)行模擬分析，從而實(shí)現(xiàn)宏觀觀測(cè)結(jié)果與微觀反應(yīng)機(jī)制之間的關(guān)聯(lián)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖(原Fig.2)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 高速攝像機(jī)捕捉爆燃火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)演化瞬態(tài)過程

千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)NEO 25捕獲的火焰演化過程（圖2）為甲烷-煤粉混合爆燃動(dòng)力學(xué)提供具有高時(shí)間分辨率的圖像序列證據(jù)，助力研究人員對(duì)爆燃機(jī)制進(jìn)行可視化解析。

圖2 高速攝像機(jī)NEO 25捕獲的各工況下火焰演化過程（原Fig.6）

圖2火焰圖像涵蓋了不同甲烷濃度與煤粉濃度條件下的多組典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。盡管各工況在火焰亮度、傳播速度及不穩(wěn)定程度方面存在差異，但其結(jié)構(gòu)演化模式表現(xiàn)出良好一致性，根據(jù)演化過程，可以歸納出甲烷-煤粉混合爆燃具有穩(wěn)定的階段性傳播規(guī)律，包括“點(diǎn)火與火焰核形成階段、球形火焰擴(kuò)展階段、指狀火焰發(fā)展階段以及火焰前沿失穩(wěn)階段“。上述四個(gè)階段在各工況下均可觀測(cè)到，僅發(fā)展速率與形態(tài)復(fù)雜程度存在差異。

為進(jìn)一步揭示火焰結(jié)構(gòu)演化機(jī)制，選取9.5 vol%甲烷與50 g/m3煤粉條件作為典型工況進(jìn)行分析。該工況對(duì)應(yīng)最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?，能夠表征混合爆燃過程中反應(yīng)劇烈時(shí)的傳播行為。該工況下，火焰初期呈規(guī)則球形結(jié)構(gòu)，隨后逐漸沿軸向發(fā)展為指狀形態(tài)，表明傳播過程由相對(duì)均勻狀態(tài)向局部強(qiáng)化轉(zhuǎn)變。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ凉艿兰s1/3高度時(shí)，火焰前沿出現(xiàn)明顯褶皺、分叉及局部突起，標(biāo)志火焰進(jìn)入失穩(wěn)階段。

機(jī)理分析，火焰失穩(wěn)源于煤粉熱解的參與。高溫作用下，煤粉釋放揮發(fā)性氣體及活性自由基，這些組分進(jìn)入氣相后強(qiáng)化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，同時(shí)其空間分布的不均勻?qū)е路磻?yīng)速率與溫度場(chǎng)產(chǎn)生梯度，從而誘發(fā)火焰前沿的流動(dòng)與熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性。

因此，圖2不僅揭示火焰?zhèn)鞑サ碾A段性特征，更建立了宏觀火焰結(jié)構(gòu)與微觀反應(yīng)過程之間的聯(lián)系，為爆燃過程分析提供了直接圖像證據(jù)，表明高速攝像技術(shù)能夠有效支撐混合爆燃機(jī)理研究，為事故過程重建與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供關(guān)鍵依據(jù)。

3.2 高速攝像機(jī)助力火焰?zhèn)鞑?shù)測(cè)量

在千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)NEO 25觀測(cè)圖像基礎(chǔ)上，通過對(duì)火焰序列圖像進(jìn)行處理，提取火焰?zhèn)鞑ジ叨扰c速度變化規(guī)律（圖3），并獲得最大火焰?zhèn)鞑ニ俣燃捌涑霈F(xiàn)時(shí)間（圖4）。

圖3 不同工況下火焰?zhèn)鞑ジ叨龋ㄗ罅校?、火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄓ伊校?原Fig.7)

圖4 不同工況下火焰?zhèn)鞑プ畲笏俣龋ㄗ螅┖蛯?duì)應(yīng)時(shí)間（右）(原Fig.8)

結(jié)果表明，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S甲烷濃度增加顯著提高，在9.5 vol%甲烷條件下達(dá)到峰值。其中9.5 vol%甲烷與50 g/m3工況下，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值35.08 m/s。傳播參數(shù)基于千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)NEO 25直接測(cè)量的時(shí)間戳數(shù)據(jù)測(cè)量而來，而非傳統(tǒng)基于壓力信號(hào)的間接推算，保障了火焰?zhèn)鞑?shù)的測(cè)量精度與可信度。

此外，火焰?zhèn)鞑ジ叨扰c速度的演化規(guī)律與圖2中觀察到的火焰結(jié)構(gòu)變化具有良好一致性，即在火焰進(jìn)入指狀發(fā)展階段后，傳播速度明顯增加，而在前沿失穩(wěn)階段，傳播行為呈現(xiàn)更強(qiáng)的不穩(wěn)定性與波動(dòng)性。

3.3 爆燃?jí)毫憫?yīng)特征

爆燃?jí)毫ψ兓卣魅鐖D5所示，結(jié)果表明，隨著甲烷濃度增加，最大爆燃?jí)毫Τ尸F(xiàn)先增后減趨勢(shì)，在9.5 vol%時(shí)達(dá)到峰值。這一結(jié)果與基于千眼狼（Revealer）高速攝像機(jī)NEO 25捕捉的序列圖像數(shù)據(jù)測(cè)量的火焰?zhèn)鞑ピ鰪?qiáng)趨勢(shì)總體一致，表明9.5 vol%甲烷附近對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的爆燃反應(yīng)條件。

煤粉的加入對(duì)爆燃?jí)毫Ρ憩F(xiàn)出雙重影響，低甲烷濃度條件下，煤粉通過釋放揮發(fā)物促進(jìn)反應(yīng)，從而提高爆燃強(qiáng)度；而在高甲烷濃度條件下，煤粉熱解導(dǎo)致氧氣不足，從而抑制爆燃過程。

總體看，甲烷濃度對(duì)爆燃特性的影響顯著大于煤粉濃度，說明氣相反應(yīng)在混合爆燃過程中占主導(dǎo)地位，這與高速攝像機(jī)NEO 25所揭示的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律一致，宏觀層面驗(yàn)證了氣相控制機(jī)制。

圖5 甲烷–煤粉混合爆燃在不同工況下的壓力演化特征(原Fig.4)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

研究通過融合高速攝像實(shí)驗(yàn)與多參數(shù)耦合分析，揭示了甲烷-煤粉混合爆燃的傳播特征與災(zāi)害機(jī)制：

I. 使用高速攝像機(jī)可完整記錄爆燃過程中火焰結(jié)構(gòu)的演化過程，清晰揭示火焰由球形擴(kuò)展向指狀發(fā)展再到前沿失穩(wěn)的多階段傳播規(guī)律，構(gòu)建爆燃過程的原始圖像證據(jù)鏈。

II. 火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?.5 vol%甲烷條件下達(dá)到最大值，其中9.5 vol%甲烷與50 g/m3煤粉條件下速度最高35.08 m/s，該條件下火焰?zhèn)鞑プ顬檠杆佟?/span>

III. 爆燃?jí)毫εc高速攝像機(jī)NEO 25揭示的火焰?zhèn)鞑バ袨榫哂辛己靡恢滦?，甲烷濃度?duì)爆燃強(qiáng)度影響顯著大于煤粉濃度，說明氣相反應(yīng)在混合爆燃過程中占主導(dǎo)地位。

 IV. 高速攝像技術(shù)不僅是重要觀測(cè)手段，更為爆燃機(jī)理研究中火焰?zhèn)鞑?shù)的精 準(zhǔn)測(cè)量、火焰?zhèn)鞑C(jī)制的揭示提供關(guān)鍵可視化證據(jù)鏈。將高速攝像技術(shù)納入安  全工程領(lǐng)域安全實(shí)驗(yàn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，對(duì)于提升災(zāi)害預(yù)測(cè)能力與事故精準(zhǔn)防控  水平具有重要意義。