T型分支管道對油氣爆炸強度的影響*

杜 揚,李國慶,吳松林,張培理,周 毅,齊 圣,王世茂

(后勤工程學院供油系,重慶 401311)

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T型分支管道對油氣爆炸強度的影響*

杜 揚,李國慶,吳松林,張培理,周 毅,齊 圣,王世茂

(后勤工程學院供油系,重慶 401311)

為了研究T型分支結構對管道內油氣混合物爆炸強度的影響規(guī)律，測試了不同初始體積分數(shù)條件下直管和具有T型分支管中爆炸波超壓值，并利用有機玻璃透明管道對火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進行了可視化研究。得到以下結論：(1)T型分支管道對油氣爆炸有強化作用，在油氣體積分數(shù)為1.2%至1.6%范圍內表現(xiàn)最明顯;(2)T型分支管道對油氣爆炸的強化作用受管道橫截面突擴和障礙物擾動以及波的反射、繞射三方面的影響;(3)火焰經過分支管道時，火焰陣面發(fā)生極大的扭曲，火焰表面積顯著增大，燃燒速率增大，增強了熱量和活性物質的輸運速率，提高了爆炸波的強度;(4)在T型分支管道附近,油氣爆炸的壓力突變增強,是由壓力波反射、繞射引起的溫升效應和壓力波引起湍流強度增強共同導致。

爆炸力學;爆炸強度;T型分支管道;油氣混合物;爆炸波;火焰

在市政燃氣管網、油料洞庫、煤礦坑道、交通隧道等受限空間內，各種可燃性氣體爆炸事故時有發(fā)生，給人們的人身和財產安全帶來了巨大的損害，如2013年青島“11·22”輸油管道爆炸事故造成62人遇難,136人受傷,經濟損失高達7.5億元。大量的實際受限空間往往具有Z型、L型、T型等復雜的幾何結構。以往的研究表明[1-7]：可燃氣體的爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑼牧鲝姸鹊戎匾獏?shù)受這些特殊幾何結構影響很大。因此，近年來許多學者開始重視不同幾何結構對受限空間內可燃氣體燃燒爆炸特性影響的研究。王漢良等[8]研究了丙烷和空氣爆轟波通過L型管道時的傳播特性，發(fā)現(xiàn)L型管道對爆燃和爆轟火焰有明顯的加速作用；楊志等[9]研究了丙烷-空氣混合氣體爆炸通過2個垂直Z型管道的傳播規(guī)律，結果表明：穩(wěn)定爆轟波和非穩(wěn)定爆轟波的火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂胁町悾尸F(xiàn)出不確定性；林柏泉等[10]初步研究了瓦斯爆炸在T形管道中的傳播規(guī)律，研究表明管道分岔對瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅úǔ瑝褐刀加性鰪娮饔谩Ｒ陨涎芯恐校M管對可燃氣體在復雜結構中的爆炸傳播特性有大量分析，并得出了相關結論，但是沒有對油氣這種特殊混合氣體在T型分支管道中的爆炸傳播規(guī)律進行研究。這一特性的研究，對油氣爆炸災害的防治具有重大意義。鑒于此，本文中利用實驗室分支管道模擬實驗臺架，利用汽油-空氣混合氣作為燃燒反應介質，重點研究T型分支管道對管道內油氣爆炸傳播過程中的爆炸波超壓值和火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的影響。

1 實驗系統(tǒng)與方案

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)見圖1，主要由溫度采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、油氣體積分數(shù)測試系統(tǒng)、壓力動態(tài)采集系統(tǒng)、油氣霧化系統(tǒng)、氣體循環(huán)裝置、點火系統(tǒng)、傳感器標定系統(tǒng)等組成。采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對受限空間內承受的壓力進行采集和分析。壓力傳感器采用CYG0401壓阻式傳感器，壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用TST3125動態(tài)測試分析儀，采集分析軟件為TOPVIEW2000，測試頻率為100～300 kHz，測試壓力量程為0～2 MPa。高速攝影儀的型號為FASTCAM-ultima 512，拍攝速度為1 000 s-1。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.2 實驗方案

在初始壓力、溫度、濕度、點火能量相同的情況下，在內徑為100 mm、長度為6 000 mm的鋼制管道中，依次利用初始體積分數(shù)為0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%的油氣混合物進行油氣爆炸實驗，實驗裝置如圖1(a)所示。采取端部點火的方式，在距點火端3 000 mm處有一個與主管道等截面的T型分支管道，深度為550 mm。在分支管道前500 mm(測點1)和分支管道后500 mm(測點2)處分別安裝了一個壓力傳感器，用來測量分支管道前后爆炸波超壓值。

同時，為了能更好地體現(xiàn)分支管道對爆炸的強化作用，取內徑為100 mm、長度為6 000 mm的等直徑直管，進行相同初始條件下的爆炸對比實驗，實驗裝置見圖1(b)。在與圖1(a)中實驗臺架相同的位置測量爆炸波超壓值，并進行比較。另外，為了直觀分析分支管道內火焰的傳播形式，加工了一段長為500 mm、橫截面為186 mm×186 mm的方形T型有機玻璃激波管，用法蘭將它接入總長為5 500 mm的等截面鋼制激波管上，在管道中進行油氣爆炸實驗，利用高速攝影儀拍攝火焰?zhèn)鞑ソ涍^分支管道過程中火焰陣面的變化形態(tài)。為了保證氣密性，在法蘭盤結合處使用密封圈加強管道連接處的密封性。

2 實驗結果

2.1 T型分支管道對爆炸波超壓值的強化作用

為確保實驗結果準確，對每一工況都進行10組重復實驗，實驗可重復性較好。實驗數(shù)據(jù)分析中，選取爆炸波峰值進行重點分析，根據(jù)對2測點多次測量所得爆炸波峰值取算術平均值，繪制不同初始油氣體積分數(shù)下具有T型分支結構管道和對比直管道中爆炸波超壓變化曲線，如圖2所示。

由圖2(a)可知:在測點1處，油氣爆炸還未傳播至T型分支管道，油氣爆炸產生的爆炸波超壓值在具有T型結構的管道內和對比直管內具有相似的變化規(guī)律。當初始油氣體積分數(shù)從0.9%變化至1.1%時，兩對比實驗測得的爆炸波超壓值幾乎相同，并且都隨體積分數(shù)增大而增大；當油氣體積分數(shù)增大至1.2%時，爆炸波超壓值開始隨體積分數(shù)增大呈下降趨勢，直到體積分數(shù)為1.3%時停止；隨后爆炸波超壓值又恢復增大的趨勢，直到體積分數(shù)達1.6%時達到最大值，之后又出現(xiàn)遞減趨勢。兩組對比實驗中，在測點1處所得數(shù)據(jù)差別很小，在體積分數(shù)為1.7%時差距最大為50 kPa。由此可見，油氣爆炸沒有經過分支管道時，爆炸波超壓值受分支管道的影響很小。

由圖2(b)可知:在測點2處，油氣爆炸傳播已經經過了T型分支管道，在油氣體積分數(shù)從0.9%變化至1.1%的過程中，兩組實驗中測點2的爆炸波超壓值都隨油氣體積分數(shù)增大而增大，并且數(shù)值差距不大，在油氣體積分數(shù)為1.1%時達到最大差值50 kPa；當油氣體積分數(shù)在1.2%到1.3%之間時，兩組實驗中測點2的數(shù)值都隨油氣體積分數(shù)增大而降低，并且具有T型分支管道的主管道內測點2數(shù)值比無分支管道的直管道中測點2數(shù)值下降慢，而且數(shù)值差距也隨體積分數(shù)增大而變大，在油氣體積分數(shù)為1.3%時達到最大差值200 kPa；當油氣體積分數(shù)超過1.3%后，具有T型分支管道的主管道內測點2數(shù)值變化較慢，直到油氣體積分數(shù)超過1.7%后，爆炸波超壓值急劇下降，而無T型分支管道的直管道內測點2的數(shù)值在油氣體積分數(shù)為1.3%～1.6%時遞增較明顯，直到油氣體積分數(shù)超過1.6%后發(fā)生急劇下降。在油氣體積分數(shù)變化的整個過程中，可以直觀地看到在各種初始油氣體積分數(shù)下，具有T型分支管道的主管道內測點2處的爆炸波超壓值明顯比直管中相同測點的爆炸波超壓值大。由此可見，分支管道對管道內油氣爆炸產生的爆炸波具有強化作用。

圖2 不同測點爆炸波超壓值隨油氣初始體積分數(shù)的變化Fig.2 Overpressure values of different measuring points varied with initial volume fraction of oilgas

2.2 不同初始油氣體積分數(shù)下，T型分支管道對爆炸超壓值突變的影響

圖3 具有T型分支管道的管道內2測點的爆炸波超壓值及壓力差隨油氣初始體積分數(shù)的變化Fig.3 Overpressure values of two measuring points in the T-shaped branch pipe and their pressure difference varied with initial volume fraction of oilgas

由2.1節(jié)已知，T型分支管道對油氣爆炸具有強化作用，在此基礎上進一步分析不同初始油氣體積分數(shù)對T型分支管道內油氣爆炸的強化程度。圖3為具有T型分支管道的管道內測點1、2的爆炸波超壓值及兩測點壓力差隨初始油氣體積分數(shù)變化的關系曲線。

從圖3可知：在不同初始油氣體積分數(shù)下，T型分支管道后測點2所得可燃混合氣體非穩(wěn)定爆轟波壓力都比分支管道前測點1的數(shù)據(jù)有很大程度的提高。從圖3中測點1、2壓力差關系曲線看出：在混合油氣的體積分數(shù)從0.9%增長到1.1%的過程中，測點1、2的壓力差呈平緩上升趨勢；在油氣體積分數(shù)從1.1%增大到1.4%的過程中，測點1、2的壓力差隨油氣體積分數(shù)增大急劇上升，從118 kPa增加到286 kPa，增長幅度為142%；當油氣體積分數(shù)超過1.4%時，壓力差急劇下降，直到油氣體積分數(shù)為1.6%時再一次上升，并于體積分數(shù)1.7%處停止，之后急劇下降。由此可見，在低油氣體積分數(shù)(低于1.2%)和高油氣體積分數(shù)(大于1.6%)的條件下，T型分支管道對爆炸波的強化作用不是很明顯；在中間段油氣體積分數(shù)(1.2%～1.6%)的條件下，T型分支管道對爆炸波的強化作用較明顯，整個變化過程呈現(xiàn)兩側平緩、中間凸起的駝峰狀趨勢。

3 機理分析

3.1 分支管道對爆炸波強化作用的可視化分析

圖4 繞射區(qū)波系演化示意圖Fig.4 Schematic diagram of diffraction of waves

由2.1節(jié)的分析可知，T型分支管道對爆炸波具有強化作用。由管道封閉端弱點火引起的油氣爆炸在未到達分支管道之前的傳播特性與直管道中相似。當火焰?zhèn)鞑ソ咏种Ч艿揽跁r(如圖4所示)，由于有旁接分支管道，管道的橫截面擴大，這部分管道可以視為面積突擴管。同時，由于A、C這2個尖角直接嵌入流場中，可將AB和CD這2個壁面視為流場障礙，A、C可以視為擾動源。因此，可以從面積突擴和障礙物擾動2方面來分析分支管道對爆炸的強化作用。為了直觀地觀測爆炸火焰經過分支管道的變化形態(tài)，加工了一段可視化管道，利用高速攝影儀記錄火焰經過分支管道的全過程，選取其中具有代表性的圖片(圖5)進行分析。

首先，在分支管道口部，由于管道橫截面積突擴，導致流場湍流度增大，進而引起燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃骩11-14]。當氣流經過A點和C點時，由于受2個尖點的擾動作用，氣流發(fā)生分離，產生氣體漩渦，并在分離區(qū)產生渦流。另外，擾動邊界使主流區(qū)氣流產生分割，并誘導其進入分支管道T2中(如圖4所示)，對T2管道中的未燃氣體進行快速預熱，使其產生爆炸，進一步加強了流場湍流度。由于湍流度的增強，增大了未燃氣體和已燃氣體的化學反應速率，進而提高爆炸的強度。

其次，由圖5可看出：分支管道處，火焰陣面產生皺褶彎曲變形，氣體燃燒火焰面增大，使燃燒反應過程中活性物質和熱量的輸運速率增大，從而導致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅鐖D5(a)～(c)所示。隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃螅鹧骊嚸骜薨檹澢黠@，最終形成形態(tài)扭曲的火焰陣面，使燃燒速率進一步增大,見圖5(d)。燃燒速率增大促使爆炸產生的壓縮波強度進一步增大，同時前驅沖擊波對火焰前未燃氣體進行更強烈地壓縮和加熱，產生強擾動，使流場梯度進一步增大，提高了燃燒速率和湍流動能。由此形成了燃燒過程和氣體流動的正反饋激勵，使爆炸過程中釋熱速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ú◤姸妊杆僭龃蟆?/p>

圖5 有機玻璃管道可視化照片F(xiàn)ig.5 Pictures by a high-speed camera in the organic glass pipeline

3.2 分支管道中波的繞射和反射對爆炸強度增強的機理分析

圖6 T2段中激波的反射示意圖Fig.6 Schematic diagram of reflection of waves in the T2 pipe

T型管道對管道內油氣爆炸產生的壓力波強化作用，也表現(xiàn)在T型管道處激波的繞射和反射作用。這種波的反射和繞射是一個很復雜的過程，而且爆炸波的增強與在分支管道口這種復雜的波形也有一定關系。在研究爆轟波的過程中，定義爆轟波(或橫波)模數(shù)為n=2W/Z，其中W為激波管寬度，Z為胞格寬度。為了便于分析，取模數(shù)為4的三波結構進行分析。由此做出管道中繞射區(qū)波系演化圖(圖4)和T2段中激波的反射圖(圖6)。由之前的研究知道，橫波是氣相爆轟波陣面結構的一個重要特征，馬赫桿和入射激波是前導激波，而橫波是反射沖擊波，橫波不是定常波，它依靠與壁面或與其相反方向運動的其他橫波相互碰撞，循環(huán)性地恢復，持續(xù)存在。

激波在T1段從左向右運動過程中，經過拐角點A時，在A點產生的稀疏波作用下，馬赫桿發(fā)生繞射，并進入T2段，使波陣面彎曲。同時，T1和T2段中的激波波陣面一起向前運動，t3時刻形成圖4中的波陣面。當前驅激波傳至尖點C處時，C點可視為流場障礙，在t4時刻前驅激波在CD邊發(fā)生碰撞，產生波的反射。由于波的反射作用，造成向后傳播的壓力波系形成多道后傳壓力波，并在分支管道封閉端AB邊界也發(fā)生反射，進而導致爆炸產生的前傳和反射壓力波不斷聚集、疊加，使波后未燃氣體的壓力和溫度迅速升高，增強了燃燒化學反應速率，同時也會引起劇烈的流場擾動，形成較大的湍流度，最終提高了爆炸強度。

3.3 油氣體積分數(shù)對T型分支管道爆炸強度的影響分析

由2.2節(jié)可知：初始油氣體積分數(shù)低于1.2%時，油氣體積分數(shù)對分支管道內油氣爆炸強度影響較小，而體積分數(shù)為1.2%～1.6%時，油氣體積分數(shù)對分支管道內油氣爆炸強度影響較大，體積分數(shù)約為1.4%時影響最大，但油氣體積分數(shù)超過1.6%時，影響又變小。這是因為實驗過程中，管道內實際供應的空氣量與燃燒需要的理論空氣量不完全相等。管道內油氣體積分數(shù)較低時，由于燃燒反應所需理論空氣量小于管道內實際空氣量，管道內空氣富余量大，在空氣的冷卻作用下，燃燒產生的熱量散失較快，活化中心的銷毀數(shù)增大，而產生數(shù)減少，導致火焰的蔓延受到阻礙，降低了爆炸的強度，所以油氣體積分數(shù)較低時T型管道對爆炸的強化作用不明顯。管道內油氣體積分數(shù)較大時，燃燒反應所需理論空氣量大于管道內實際空氣量，燃燒反應不完全，空氣中的氧氣已經耗盡，但管道內油氣有剩余，過量的油氣也有冷卻作用，對火焰的蔓延也有不良影響，不利于體現(xiàn)出T型管道對爆炸強度的增強作用。當管道內油氣與空氣中氧氣的配比基本符合化學反應方程式中的當量關系，油氣幾乎被全部氧化，燃燒反應較充分，放出的熱量足夠大，能進一步支持燃燒爆炸，使管道內爆炸強度增大幅度明顯。

4 結 論

(1)T型分支管道對管道內油氣爆炸產生的爆炸波強度有強化的作用，在油氣體積分數(shù)為1.2%～1.6%的范圍內表現(xiàn)得最明顯。(2)T分支管道對油氣爆炸的強化作用可以從管道橫截面突擴和障礙物擾動以及波的反射和繞射3個方面的機理進行分析。(3)通過可視化分析，在分支管道的擾動作用下，火焰陣面發(fā)生極大的扭曲，火焰表面積顯著增大，導致燃燒速率增大，增強了熱量和活性物質的輸運速率，提高了爆炸波的強度。(4)在T型分支管道附近，油氣爆炸的壓力波突變增強，既是因為壓力波反射、繞射引起的溫升效應，也是由于壓力波引起湍流強度增強而導致。

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(責任編輯 張凌云)

Explosion intensity of gasoline-air mixture in the pipeline containing a T-shaped branch pipe

Du Yang, Li Guo-qing, Wu Song-lin, Zhang Pei-li, Zhou Yi, Qi Sheng, Wang Shi-mao

(DepartmentofPetroleumSupplyEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

To research the influence of the T-shaped branch structure during the explosions of gasoline-air mixture in pipelines, the explosion wave overpressure of gasoline-air mixture explosion in the T-shaped branch pipeline and the straight pipeline at different initial volune fractions were measured through contrast experiments, and the flame propagation rules were researched in an organic glass pipeline by visualized study. The results show that the T-shaped branch pipe can strengthen the explosions of gasoline-air mixture in pipelines, which is the most obvious within the volume fraction range of oilgas from 1.2% to 1.6%. The effect of the T-shaped branch pipe to strengthen the explosion of gasoline-air mixture comes from three aspects: the sudden enlargement of the pipeline cross section, the reinforcement of the disturbance and the obstacles, and the influence of the reflection and diffraction of the waves. When the flame propagates to the T-shaped branch pipeline, the flame front creases distorted, the flame surface area and combustion rate increase significantly, which enhances the heat and the transport rate of active material and improves the strength of the explosion waves. Near the T-shaped branch pipe, the pressure of gasoline-air mixture explosion increased suddenly, both because of the temperature effect caused by the pressure wave reflection and diffraction, and the turbulence intensity increased by explosion waves.

mechanics of explosion; explosion intensity; T-shaped branch pipe; gasoline-air mixture; explosion wave; flame

10.11883/1001-1455(2015)05-0729-06

2014-03-07；

2014-06-27

國家自然科學基金項目(51276195);重慶市科委重點攻關項目(cstc2014yykfB90001);油氣火災爆炸成災突變機理與控制應用基礎研究項目(BX211J107)

杜 揚(1958— )，男，博士,教授,博士生導師; 通訊作者： 李國慶,boyueshe@sina.com。

O381;X932 國標學科代碼： 13035

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