定容硫磺粉尘爆炸的实验研究

摘要

尘火焰已经研究了几十年，因为他们在工业安全和事故预防的重要性。近日，粉尘火焰已经成为一个有前途的候选人来对抗生物战。硫特别是所关注的元件中的一个，但硫粉尘火焰不能很好地理解。Flame temperature and flame speed were measured for sulfur flames with particle concentrations of 280 and 560 g/m^3.10％和42体积％之间和氧浓度。的flame temperature increased with oxygen concentration from approximately 900 K for the 10% oxygen cases to temperatures exceeding 2000 K under oxygen enriched conditions. The temperature was also observed to increase slightly with particle concentration. The flame speed was observed to increase from approximately 10 cm/s with 10% oxygen to 57 and 81 cm/s with 42% oxygen for the 280 and 560 g/m^3.的情况下，分别。缩放分析确定火焰在21％和42％的氧气燃烧是扩散限制。最后，它被确定的压力 - 时间数据可以容易被用来测量在恒定体积粉尘爆炸的火焰速度。

1.介绍

硫磺粉尘云燃烧来对付生物武器的潜在候选。硫灰尘已被用作杀虫剂[1]。然而，硫的尘云的更有趣的方面是它们产生的硫氧化物它们的化学前体，以硫酸[1]。众所周知，硫酸具有极强的腐蚀性，对生物很危险。其原理是燃烧硫云将产生硫氧化物。在水的存在下，可以形成硫酸。人们认为，产生的硫酸，加上高温和紫外线辐射，会杀死孢子。其他强酸已被证明具有杀孢子倾向[2]。

近年来，成分已经研究了biodefeat应用。铝和碘[机械合金3.,4]以及铝 - 五氧化二碘thermites已经研究[5]，并显示出有效地杀死生物的孢子，至少部分，由于碘的释放。钛，硼等机械合金也进行了研究为此目的[3.,6,7]。

从根本上说，硫磺粉尘火焰是唯一的。Sulfur is one of two elemental dusts whose combustion products are gaseous at standard conditions (298 K, 1 atm) with carbon being the other. Unlike carbon, the melting and boiling points of sulfur are much lower than the adiabatic flame temperature of a sulfur-air flame. This combination of factors provides conditions for a dust flame with a potentially strong gas-phase component.

迄今为止，很少有研究调查了硫的尘埃云。通过普鲁斯特[硫粉尘火焰的有限的工作8]是唯一的出版物这么做之间;然而，这项工作提供了一些细节到燃烧机理。因此，对于当前的工作的主要目的是在测量基本量（例如，火焰速度）和增益洞察的字词相关的物理和化学机制硫尘云燃烧的基本方面。此外，使用压力 - 时间数据的从恒定体积粉尘爆炸，以确定火焰速度进行了研究。

2.实验方法

目前的研究使用了一个31升的立方体室来最大化光学访问。五个侧面(包括门)有直径6.7的圆形观景区域的压克力玻璃。每个窗口都用一个6号的管道法兰夹在腔室的一侧。气体、真空和压力换能器端口位于腔体的顶部和侧面。采用压阻式Kulite压力传感器(XTM-190-250G)，信号由Endevco型调节器调节。底部(第六侧)有五个1直径的端口。一个端口被放置在中心与其他四个是3英寸远离中心，每个在不同的方向(即。左、右、前、后)。一个单独的偏心端口用于导线馈通的火源。

的port in the center of the chamber has a nozzle with forty, 0.889 mm diameter holes (number 65 drill bit) at a 45 degree angle. The two-piece particle injector is mounted underneath the center port of the chamber. The first piece is attached to the chamber through在-20螺丝。它包含一个侧面的端口连接到压缩空气管路和在一个延伸至所述中心，并且向下弯曲90度的不锈钢管。将粉末置于铝支座的锥形的底部（从1英寸钻头），其附接至所述第二片的喷射器。居中英寸管弯头引导空气爆破向下进入粉架。加压爆破从粉末容器的底部反弹，并携带颗粒通过喷嘴向上进入燃烧室。腔室由窗户、喷油器和门上的o形环密封。分庭的其他说明载于[9]。

使用Alfa Aesar公司生产的325目硫粉。采用Jeol 6060LV扫描电子显微镜(SEM)进行粒径分析。这些颗粒的平均直径为22.4平均直径为30.4采用了一种防结块剂Evonik (Aerosil 200)来改善硫的分散特性。根据制造商的要求，Aerosil 200粉末的平均直径为12纳米。由于颗粒太小，无法用扫描电镜分辨，无法测量颗粒的尺寸分布。将硫与质量为1%的Aerosil 200在低能玻璃杯中混合3小时。研究发现，防结块剂的加入对硫的流动性和分散性有显著影响。有关防结剂选择的进一步详情载于[9]。

已知质量的硫磺混合物被放置在喷射器内。测量测试后在喷射器中残留的粉末质量，以确定实际的粉末注入量。点火杆上的鳄鱼夹将点火器固定在燃烧室中心。采用4j点火器(热原覆盖桥丝，Estes)进行了引燃试验。电荷是通过放电1点燃的F capacitor at 4000 V from an RISI fireset (Model FS-43).

在测试之前，腔室置于真空下并（以Hg 2）填充到稍低于大气压力，使得用于注射的气体带来的总压力1个大气压。甲100psig的突发的空气被用于注入粉末。注射在恒定压力下共一秒的持续。Ignition occurred 400 ms after injection had ended to allow for a uniform cloud to form and turbulence to dissipate.

的该点火时间的确定是由二维粒子浓度测量的分析作出。这些激光的消光测量设置在粒子浓度在时间和空间是如何发展的定量信息。从之前的粉末注射拍摄的图像的像素强度进行平均，并作为入射强度，在啤酒法：

在后续图像中的每个像素的允许的颗粒浓度强度，，因消光效率(）从米氏理论，索特平均直径，， 路径长度，(355 mm), and density of sulfur,是所有已知的。对于所有像素中的颗粒浓度的算术平均值和标准偏差计算，以提供所述云的均匀性的统计分析。点火时间取为时间点，其中所述空间平均浓度接近预期值（基于粉末的量注射）和标准偏差接近最小或减少。

这种方法还提供了散热动荡的视觉证据。尽管湍流从未直接测量，但据信所述颗粒浓度的这种定量测量产生足够洞察注射过程。此外，所有的在此工作的实验条件具有相同的喷射和点火的条件（例如，点火延迟和注射背压）。从各个条件的结果的比较应该看到动荡的影响最小。读者被引导至[9]，以了解有关这些测量的更多细节和讨论。

2.1。诊断

火焰速度测量使用电离探针，类似于奈尔和Gupta [工作作出10，但被应用于灰尘火焰，而不是他们研究的气体火焰。两个偏心1在直径孔被用于馈通电线的电离探针，电线被r型热电偶连接器(Omega)终止。两根直径为0.01英寸的钨丝通过一个双孔，在外径氧化铝管。约每根线的延长英寸陶瓷管的外部。各电线的另一端连接到互补连接器的热电偶。电离探针的放置显示在图1两个电离探针梳的相对位置被选择来提供火焰的对称信息。每个梳中探针之间的距离为毫米。

用一对Picoscope 4424示波器记录信号，在2秒的时间内采集20万个样本。一对来自硫火焰的电离探针痕迹如图所示3.。当第一电压降达到对每个跟踪的最小的时间作为时间当火焰前沿到达探针。激光阴影定性确认这到来，如图2。红色的曲线表示火焰前沿的位置。这一特征被观察到同时到达电离探针(即电离探针)。,within the temporal resolution of the camera) the voltage trace spiked from the ionization probe (Figure3.)。阴影测量也提供了关于火焰形状的定性信息。虽然部分前面是平滑的，火焰的前面是不对称的。造成这种现象的原因可能是残留的湍流和自然对流的结合。

的如图3.用于计算的火焰速度。的不确定性标称值的用其中大部分是由于时间的到达测量每次测量相关联。密度校正用坎蒂拉[计算11]从英国利兹大学[在SOx机制12]。

温度测量使用热电偶和测温制成。热电偶（50 μ米R型，欧米茄部分P13R-002）中的薄涂层的氧化铝喷漆（ZYP涂层，气雾剂），以尽量减少催化效应覆盖。热电偶附着到相同的方式与先前描述的电离探针的粉尘爆炸腔室内的连接器。热电偶延长线连接到一个数据欧米茄acquasition（DAQ）系统（欧米茄部分OMB-DAQ-3005）。每100温度进行取样 μS对于在最初2秒每个测试的。该数据采集系统是由延迟发生器产生一个TTL脉冲触发。测量是为辐射和传导损耗修正。

高温计通过比较热背景普朗克公式（与包括发射率）测量凝结相的温度。A three-color pyrometer was used to obtain time-resolved temperature information by monitoring the emission at 700, 825, and 900 nm. Hamamatsu R928 photomultiplier tubes (PMT) were used for the 700 and 825 nm channels, while an R636-10 PMT was used for the 900 nm channel. Light was collected into a trifurcated fiber optic cable where each of the three branches went to a different PMT. A Stanford Research System (SRS) 300 MHz quad preamplifier (SRS model SR445) conditioned each signal before being recorded by the Picoscope.

一种光纤耦合海洋光学的Jaz光谱仪也用于高温计测量。This spectrometer records spectra from 200 to 870 nm. However, due to spectral features from,,from the ultraviolet into the visible region of the spectrum, only the thermal emission in the range of 600 to 850 nm was used to determine the condensed phase temperature. The intensity calibration for both devices was conducted with a tungsten lamp (Ocean Optics LS Cal 1) with a known spectral intensity for the spectral regions studied.

3.结果与讨论

压力上升，温度和火焰速度的测量值6种不同条件下作了。Two different concentrations of the sulfur/anticaking agent mixture were used (280 and 560 g/m^3.）和三个不同浓度的氧（10，21，并且按体积计42％）。气体的剩余余额为氮气。的stoichiometric conditions were 280 g/m^3.in 21% oxygen and 560 g/m^3.在42％的氧气。这些条件的选择是基于在考虑应用（即，燃烧在空气中），并且能够以分离的颗粒浓度和化学计量的影响。困难在较低的粒子浓度建立火焰避免使用那些浓度的。硫与附聚物的趋势，特别是在较高浓度的硫，产生所使用的粒子浓度的上限。结块问题在更详细地讨论[9]。

3.1。压力数据

代表性的压力 - 时间曲线和它的第一时间导数显示在图4。最大压力上升显示在图5与理论最大压力上升，从NASA的CEA程序确定[13]下恒定的体积。据观察，所述压力上升与颗粒浓度和增加氧浓度增加。该数据是由Cashdollar [工作相一致14]后缩放它们的压力数据以说明在每一个相应的研究中使用的设施之间的不同腔室容积。

560 g / m^3.一个21％的氧气的环境中的条件导致的压力上升大于的最大压力。这个结果可能是由于颗粒在实验期间从增加的聚集体沉淀。在以较高的颗粒负载结块增加报告了[9]。如果有更多的粒子从悬浮液中掉出来，就会使等效比接近这些条件下的化学计量比。最大压力会增加，接近较低颗粒载荷时的值。在10%和42%的氧气条件下，也会产生类似的粒子沉降效果。最大压力差上升了10%可以忽略不计，因为理论上的最大压力上升几乎是相同的。数字5示出的是，如果颗粒沉降加大了在富氧情况下，最大压力（虚线）将是低。这一下降是与所观察到的实验一致。对于所有这些条件，它是具有挑战性的量化多大的压力理论上应该改变，因为沉降的颗粒的实际质量是未知的。

压力上升，图的最大速率6，被认为与氧浓度单调增加。对于氧浓度高于按体积计算，颗粒浓度越高，压力上升的速率越大。压力上升的速度表明热量释放的速度有多快。这个数量的重要性将在(2），其中，最大压力上升速率是成正比的火焰速度。

3.2。火焰速度测量压力-时间数据的有效性

压力-时间数据也可用来确定火焰速度。Dahoe and de Goey [15从热力学角度分析了定容爆炸(不一定是粉尘爆炸)，将压力-时间数据与层流火焰速度联系起来。这个方程表示为 哪里 和是瞬时压力，和初始压强和最大压强分别是多少是成为球体与相同体积的在目前的研究中使用的腔室中的半径而采取的等效球面半径。比热之比，，被认为是恒定的（并且约等于1.4这里，因为空气的使用的），和是层流火焰速度。分析Dahoe和德Goey [15]在此方法包括进行线性相关的压力的附加假设为质量分数燃烧，(3.)。Luijten等人的研究[16]采用多区域的方法来制定更严格的定义，虽然由于其长度，这里没有显示。

的推导(2）是基于理想的假设，在实践中未必是粉尘爆炸如此。它们如下。(1)箱体绝缘良好，并假定充满了完全混合和停滞的反应物。(2)将混合物从中心点燃并产生的火焰前是球形的，无限薄的，而不是褶皱。(3)火焰前缘断室分成两个区域，燃烧和未燃烧气体，其中，每个区域内的混合物是均匀的（例如，成分和温度）。(4)由于燃烧室的体积是固定的，而且由于隔热良好的壁面，热量不能散失，所以压力会因热量的增加而上升。球形火焰内的热燃烧产物会膨胀，从而对未燃气体进行等熵压缩。

硫混合物的两种浓度进行测试，以确定是否使用压力 - 时间数据来测量火焰速度是适当的粉尘爆炸。的接近化学计量浓度 g/m^3.和富燃料的条件 g/m^3.由烟火点火器在空气中点燃。能量释放由点火器没有对测量一个显著的影响[9]。浓度的不确定度是由所测得的注入粉末质量的分布决定的。

电离探针的两个频率梳以上讨论了用于直接测量火焰传播速度，并且与那些从计算（2)和(3.)。基于图中所示的压力 - 时间数据计算出的火焰速度4被显示在图7。

所计算出的层流火焰速度最初由于从压力换能器信号的低信噪比显著振荡。这些振荡阻尼随着压力上升。尽管振荡特性，每个计算出的曲线，观察到振荡围绕一个恒定值，直到时间，其中最大。压力上升的最大速率的时间是由在图的垂直线所指示4和7。的层flame speed from the pressure data was taken as the average speed from 20 ms after ignition to the time where是达到了。20毫秒的时间被用来限制非常接近点火瞬间的压力数据的低信噪比的影响。层流火焰速度下降后还通过Santhanam等人观察到。[17]。之所以在火焰速度的下降很可能是由于热损失。由于火焰接近容器壁，额外的热量损失到那些接近室温壁。压力上升，这是关系到热释放速率的速率，降低，因为一些能量被室壁吸收。压力上升的速度是成正比的火焰速度（见（2这样可以观察到火焰速度的下降。下文将对火焰传热的主要方式进行分析。

3.2.1。热损分析

火焰速度下降后被认为是由于热损失。从尘埃的火焰的热辐射量的增加，有必要确定的热传递，特别是传导和辐射的各种模式的重要性。

能量损失室壁量是困难，因为问题的复杂性进行量化。然而，传导与辐射损失的相对重要性可以定性分析。导电的以辐射损失的比率，（4)，为不同火焰温度和位置的近似值(即:如火焰与墙壁之间的距离)是热导率，是发射率，是斯忒藩 - 玻耳兹曼常数，是火焰与壁之间的距离，和为下标所示位置的温度。的变量为火焰内颗粒的表面积与火焰前表面积之比。由于粉末的发射率是未知的，热损失的比率被计算作为发射率的函数。数字8给出了计算结果。考虑

所计算出的比率显示在图8假设粒子表面积与火焰表面积之比为单位。这种假设是不现实的，因为粒子只构成了一个给定的火焰厚度的火焰前沿的一部分。的价值可以利用几何学上的考虑，其平均粒径，和火焰厚度来确定。Santhanam等。[17通过将火焰速度乘以单个铝粒子的燃烧时间，计算了铝尘火焰的火焰厚度。由于单个颗粒的燃烧时间是未知的，因此对硫尘进行同样的估算更具挑战性。讨论了火焰厚度的影响。

高温和大的辐射率值有利于辐射的热损失，这是意料之中的，因为热辐射依赖于这两个参数。在这个计算集的大多数情况下，辐射是主要的或可与传导比较，如图所示8。然而，当被认为相比于火焰前沿的颗粒的实际表面积，的值decreases from unity to approximately 0.35 and 0.038 when the flame is 1 and 10 mm thick, respectively. This factor will drive the ratio from (4对导电)。因此，如果火焰厚度实际上在几毫米或更大的数量级上，观察到的计算火焰速度的下降是不太可能的占主导地位通过除非发射率，温度和火焰直径辐射损失（即，靠近壁）都大。虽然需要进一步的信息以准确地确定火焰厚度，这一发现是仍然显著。从硫尘火焰的热损失可以不被其相反的是已经结束关于其他尘埃火焰（例如Al），其中产品也固体[辐射支配17]。

3.2.2。讨论

从所有的测试两种测量技术的测量的火焰速度显示在图9。在两种浓度下都可以看到大量的数据分散。据信，观察到的火焰速度的范围至少部分是由于湍流，在喷射过程后，仍在系统中。在单个实验中所测得的每个方向的火焰速度在某些情况下变化超过50%。此外，在一些情况下，来自两个单对探测器的信号表明火焰已经同时到达。这种观察可能是由于火焰从侧面接近电离探针对，而不是像预期的球形火焰那样正面接近。影像测量所观察到的高度不规则的锋面所表现出的不对称性进一步证明了这一点[9]。

根据压力数据和电离探针计算出的层流火焰速度在图中绘制出来9。合理的协议被认为是两个测量技术。由普鲁斯特[报告的火焰速度8大约是低于在当前工作测得的化学计量火焰速度。这一结果表明，它是似是而非的在使用压力 - 时间数据来估计层流火焰速度。这里测得的更高的火焰速度有可能部分是由于这里增加的湍流，虽然很难证明没有任何怀疑，因为动荡的水平在任何研究中没有测量。自然对流可能也发挥了作用。燃烧颗粒硫产生的热气体，这当然会上升。然后，向上草案将扭曲火焰前缘潜在地增加表面积。的自然对流的作用的证据可以在图中观察到2火焰明显向上传播而不是向下传播。

因此，使用这种技术来确定层火焰的速度取决于湍流和自然对流对火焰形状的影响。较好地表示了同等质量消耗率下的球形火焰的火焰速度。话虽如此，压力-时间数据确实提供了基于湍流程度的火焰速度的测量。只要湍流度保持不变(即湍流度不变)，这个结果仍然允许比较不同条件下的火焰。，喷射参数，点火延迟，能量)。

3.3。火焰温度

硫火焰的温度由热电偶和高温计测量。这两种测量用于确定峰值温度。热电偶本地提供的峰值温度，而高温计测量表明视高温计的视野内的峰值温度。的空间积分高温计信号总是朝向最热区域偏置由于对热辐射的强度强的温度依赖性。测温数据与三色PMT高温计和贾兹海洋光学光谱仪收集。It should be noted that only the 825 nm and 905 nm signals were used because the 700 nm channel did not provide a sufficient signal level. The integration time for all data collected by the spectrometer was 10 ms.

由PMT高温计所提供的时间分辨数据的代表性迹线显示于图10用灰体近似计算温度。图中所示的早期高峰10是由于烟火点火器发射的。观察到硫爆炸的最高温度出现在压力上升速率最高的时间附近。记录每个实验的峰值温度。

数字11示出了从光谱仪的Jaz截取的光谱。灰体被认为是对光谱辐射，因为最适宜的假设或可能不适合于所有的材料[18]和大的光学深度由尘云所产生[19]。从高温计测量的峰值温度和热电偶显示在图12。仅热电偶数据是从10％的氧试验得到的，因为高温计的信号是非常弱的，比噪声电平低得多。的PMT pyrometer was used only for the 21% because of a spectral interference near 900 nm when the oxygen level was increased to 42% by volume. The thermal background from the Jaz spectrometer was fit for each of the tests for the oxygen-enriched conditions. As such, no time-resolved data were obtained for these conditions.

虚线表示在平衡条件下计算的最高火焰温度。温度是根据防结块剂吸收的热量来调整的。温度的变化很小(通常小于10k)。应当指出，这种调整是一种一级近似，因为它不包括在最终温度时需要重新计算的平衡成分。

观察到，当氧气含量从10%增加到42%时，对于热电偶测量来说，较低的粒子浓度的峰值温度从大约800k稳步上升到大约1300k(校正了辐射损失)。当最高温度超过2000 K时，温度从21%上升到42%。这种巨大的差异可能是由于高温测量偏向于视场内的最高温度，而热电偶测量的是局部温度。

高温计和热电偶测量之间的大的温度差也被视为在较高颗粒负载的21％和42％氧气的测试。观察到温度以增加与颗粒装载所有的氧浓度。的average peak temperature for the 10% oxygen case was the lowest of the conditions for the 560 g/m^3.在909 K测试。

作为氧浓度在温度的增加而增加可能是由于能量的量释放在每种条件下。压力数据表明，最大压力上升（即，放热），图5增加与氧concentation。

3.4。火焰速度

由于压力-时间数据被确定为测量定容爆炸室内火焰速度的一种精确方法，因此决定使用这种诊断来确定粒子和氧气浓度如何影响火焰速度。上述确定火焰速度的方法也适用于其他条件。所有粒子和氧浓度的数据汇总在图中13。

对于各个数据点（见氧气的情况下进行显示的前一节中图9)。该氧浓度的平均值还包括完成该部分工作后所取的额外数据点。随着氧浓度的增加，火焰速度呈单调增加。图中显示了类似的趋势6为了数据。由于火焰速度从压力数据计算（和有鳞屑），则有望看到类似的依赖。对于给定的氧气浓度，较高的颗粒负载条件（即，更高的当量比）具有更大的火焰速度。

4.燃烧机理探讨

从硫氧化物气相发射和作为报道[9，表明硫具有气相成分，但气相化学程度尚不清楚。然而，这些数据并没有明确地表明燃烧过程中的限制过程(es)，也就是说，如果硫以一种动力学或扩散限制的方式燃烧。

4.1。丹姆克尔号码分析

关键丹姆克尔数的计算将在此讨论的帮助。这达姆科勒数是化学和扩散时间尺度的比率。化学时间尺度是通过模拟绝热，定容，完全搅拌的反应器（PSR）与所确定的从利兹大学[机制12]。硫，氧和氮的该存在于该腔室在大气压下注射后的比值被用作初始条件。An initial temperature of 1300 K was needed to start the reaction. The time step was set to 1 microsecond. The chemical time scales were taken as the time it takes for the temperature to go from 10% to 90% of the total temperature change. The temperature change was the difference from 1300 K to the adiabatic flame temperature.

扩散时间尺度成反比的扩散系数，，将其从动力学理论计算[20]。通过氮氧的二进制扩散系数使用所测量的峰值温度来计算。扩散系数为鳞和。由于这种尺度变化，即使温度增加1700 K(在测得的最热条件下，达到绝热火焰温度3100 K左右)，扩散时间尺度也只会减少大约2.8倍。同样，如果扩散的是另外两个物种之外和被认为是（即，,,)，扩散时间尺度的变化小于2倍(增加或减少)。因此，扩散系数不会发生显著变化(即。,an order of magnitude) for mixtures of sulfur compounds, oxygen, and nitrogen. The pressure was taken as 1 atm for this calculation. The reasoning for this assumption was that at the time when the flame front passed the thermocouples and ionization probes, the pressure within the chamber had not significantly risen.

计算出的Damkohler数是相对于其他数的。,not absolute) to eliminate concerns on the appropriate area to use to nondimensionalize the value and since the maximum pressure does not change substantially (i.e., less than an order of magnitude). The示于表号码1被归一化的值在21％在每个相应的粒子浓度，使得单独的值没有意义，但相对变化是重要的。

显著的增长(即。,by an order of magnitude) in被看作是氧浓度从10%增加到21%的较低的颗粒浓度。560克/米也有类似的增长^3.浓度的氧含量上升从21％至42％。这种增加表明，随着氧浓度的增加，扩散变得乍一看似乎违反直觉更重要。考虑到氧气是不是唯一改变的数量，这个结果是合理的。的温度也增加，并且更多的显著影响化学比扩散（即，相对于呈指数)。对温度的指数（1.65）包括从所述碰撞积分的温度依赖性[21]。这种观察的更有趣的方面是，两者的颗粒负载的，扩散随着从富燃料条件下的化学计量火焰过渡更为重要。Stoichiometry for the 280 g/m^3.和560克/米^3.浓度是指氧的体积比分别为21%和42%。

4.2。火焰速度尺度分析

上面的讨论只是提供了洞察在每种情况下火焰是如何相对地燃烧的。通过对火焰速度和温度的分析，可以进一步明确燃烧机理和任何限制现象。

火焰速度的比例应该依赖于燃烧机制。朗多和利弗席兹[22]指出热驱动燃烧波的火焰速度尺度为，其中是一个燃烧的时间尺度。Goroshin等。[23]认为，要扩散的限制火焰，扩展成反比的气体的扩散系数。如果火焰扩散的限制，火焰速度应扩大。Goroshin等。[23认为，如果这种热驱动的火焰在动力学上受到限制，则混合气体的质量扩散率(即。，在每种条件下)不应发挥作用，因此火焰速度应与。这个逻辑是用于当前的工作。对于扩散和动力学限制火焰的理论比例示于表2和3.， 分别。从当前工作数据的速度比被显示在表4。

据观察，实验测得的速度的从21％和42％的氧气的情况下（对于两种粒子浓度）的比率更接近由扩散限制理论所预测的比率。此结果，在用前面的讨论一起选择，表明富氧硫粉尘燃烧火焰在扩散限制。

直观地，由于高浓度的氧更接近粒子表面，并可能显著地减少扩散时间尺度，因此可以预期富氧火焰会在动力学极限内燃烧。然而，氧气浓度只是这些火焰的一个方面。温度测量表明，火焰燃烧更热，更多的氧气被添加到系统。扩散时间尺度随温度(），但它不影响尽可能的动力学，这与温度成指数比例。在温度的增加导致更快发生化学，导致在扩散过程中是限速步骤。

将氧气浓度降低到10%不符合动力学或扩散限制火焰预测的比例。高氧浓度的实验产生了非常一致的数据，而10%的氧浓度有更大的扩散。这里显示的数据不能很好地表示较大的分布。在许多情况下，10%氧测试没有点燃(对于两种粉末浓度)。这可能是一个可燃性单位，也许是接近这些缺氧的情况。

4.3。集团燃烧制度

最后一个必须确定的灰尘颗粒独立地燃烧彼此的。所以必须确定的第二条件是所述液滴间距。液滴燃烧分析假定有与其他粒子[无相互作用24]。喷雾燃烧社区使用一个组燃烧数来估计颗粒是单独燃烧还是在一个较大的组火焰中一起燃烧。群燃烧数由Glassman和Yetter定义[25)如下: 哪里是施密特数（动量和质量扩散率比），是路易斯数（热和质量扩散率的比），是颗粒的数目，粒子半径是多少为平均粒子间距[25]。的比例和等于粒子质量加载密度(即:）和颗粒密度[26]，在本工作中测试的条件下为0.1的数量级。在给定的测试中，在腔内的粒子数与。Sc和Le都在0.1到1的数量级上。雷诺数是未知的，因为速度没有测量，但它可能比。因此，使用（5）将远大于。小于的组数所指明的个别燃烧粒子[25]。

5。结论

对恒容硫尘爆炸进行了研究。火焰速度的测量使用电离探针显示合理的一致速度计算从压力时间的数据。虽然有一致的说法，但由于系统中存在湍流，不能将其称为层流火焰速度。在氧浓度为10%时，火焰速度为9 cm/s;在氧浓度为42%时，火焰速度高达80 cm/s，火焰速度为554 g/m^3.的硫磺。火焰速度也随着粒子浓度的增加而增加，这可能是由于在较高的浓度下粒子间距离较短。温度被测量为从大约800 K的颗粒浓度到大约2200和2600为287 g/m^3.和554 g/m^3.， 分别。未观察到火焰速度和温度是仅基于当量比的函数，而是依赖于硫和氧的浓度。进一步分析得出的结论是扩散成为限制过程从化学计量富燃料转变的化学计量。

利益冲突

作者宣称没有关于本文的发布利益冲突。

致谢

这项工作是由DTRA格兰特HDTRA1-11-1-0014下，项目经理Suhithi佩里斯博士资助。笔者想感谢本科生Sasank Vemulapati和克里斯Murzyn的协助。这项工作的一部分是在弗雷德里克·塞茨材料研究实验室中央设施伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校进行。

参考

1. J. O. Nriagu，编辑，硫在环境中，第一部分：大气循环约翰·威利和儿子们，1978年。
2. B. Setlow，C. A. Loshon，P. C. Genest，A. E.考恩，C. Setlow和P. Setlow，“杀孢子机制枯草芽孢杆菌酸，碱和乙醇"应用微生物学杂志卷。92，没有。2，第362-375，2002。查看在：出版商网站|谷歌学术
3. D.阿伦，新型高能材料在非均匀激波管内的光学燃烧测量[m论文)，伊利诺伊州，机械科学与工程，香槟，伊利诺伊州，美国，2012年大学。
4. S.章，M. Schoenitz和E. L. Dreizin，“碘释放，氧化和着火机械合金化的Al-I复合物，”物理化学杂志C卷。114，没有。46，第19653-19659，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术
5. B. R. Clark和M. L. Pantoya，“五氧化二铝和碘的反应对孢子形成细菌的破坏”，物理化学卷。12，没有。39，第12653-12657，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术
6. S. A. Grinshpun, A. Adhikari, M. Yermakov等人，《雾化的失活》芽孢杆菌atrophaeus（BG）通过反应性材料的燃烧内生孢子和MS2病毒，”环境科学与技术卷。46，没有。13，第7334-7341，2012。查看在：出版商网站|谷歌学术
7. m . Clemenson各种形式的钛/ 2b的能量系统的炸药起始[M.S.论文)《机械科学与工程》，2012年。
8. C.普鲁斯特，“在一些灰尘混合火焰传播和燃烧，”过程工业的损失预防杂志卷。19，没有。1，第89-100，2006年。查看在：出版商网站|谷歌学术
9. J.卡尔曼，恒容硫尘爆炸的实验研究[博士]。论文)，伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校，2014年
10. M. R. S.奈尔和M. C.古普塔，“燃烧速度测量由弹法，”燃烧及火焰卷。22，没有。2，第219-221页，1974年。查看在：出版商网站|谷歌学术
11. d·古德温坎特拉：一个面向对象的软件工具包化学动力学，热力学，运输过程加州理工学院，帕萨迪纳，美国加利福尼亚州，2009年。
12. T. Ziehn和A. S. Tomlin，“使用HDMR预混合甲烷火焰模型的硫化学的全球敏感性研究，”国际化学动力学杂志卷。40，没有。11，第742-753，2008。查看在：出版商网站|谷歌学术
13. S. Gordon和B. J.麦克布莱德，“为复杂的化学平衡的组合物和应用程序的计算的计算机程序，”NASA参考公开1311, NASA，华盛顿特区，美国，1996年。查看在：谷歌学术
14. K. L. Cashdollar，《金属和其他元素尘埃云的可燃性》，过程安全进展卷。13，没有。3，第139-145，1994。查看在：出版商网站|谷歌学术
15. A. E. Dahoe和L. P. H.德Goey，“关于层状燃烧的从密闭容器的气体爆炸速度的测定，”过程工业的损失预防杂志卷。16，没有。6，第457-478，2003。查看在：出版商网站|谷歌学术
16. 陈志明，“定容燃烧中分级压力上升的精确分析模型”，国立中山大学出版社，2002。国际杂志热科学第48卷，no。6，第1213-1222页，2009。查看在：出版商网站|谷歌学术
17. 王建民，“铝材燃烧特性之研究”，硕士论文，“铝材燃烧特性之研究”，硕士论文。燃烧科学与技术卷。182，没有。7，第904-921，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术
18. J.卡尔曼，N. Glumac酒店和H.克瑞尔，“为高温测量应用高温金属氧化物的光谱辐射率，”AIAA杂志热物理和传热。提交。查看在：谷歌学术
19. J.卡尔曼，D.艾伦，N. Glumac酒店和H.克瑞尔，“在氧化铝上的光谱辐射率的光学深度效果，”杂志热物理和传热第29卷，no。1，第74-82页，2015年。查看在：出版商网站|谷歌学术
20. n·m·Laurendeau统计热力学：基础与应用，剑桥大学出版社，纽约，NY，USA，2010。
21. L. Monchick和E. A.梅森，“极性气体的运输性质，”该化学物理学报卷。35，没有。5，第1676至1697年，1961年。查看在：出版商网站|谷歌学术
22. L.朗多和E.利弗席兹，流体力学，佩加蒙出版社，1959年。查看在：MathSciNet
23. S. Goroshin，F.-D.汤，A. J.希金斯，和J. H.李“在降低的重力环境层状灰尘火焰，”ACTA航天大学卷。68，没有。7，第656-666，2011。查看在：出版商网站|谷歌学术
24. S. R.转弯，简介燃烧：概念与应用，麦格劳-希尔机械工程系列，麦格劳-希尔教育，2000年，http://books.google.com.eg/books?id=sqVIPgAACAAJ&redir_esc=y。
25. 格拉斯曼和耶特，燃烧，学术出版社，2008年。
26. R. K. Eckhoff，“章中的尘云的火焰4传播，”在在过程工业粉尘爆炸，第251-384，海湾专业出版社，佛蒙特州，美国，第3版，2003。查看在：出版商网站|谷歌学术

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