油氣爆炸的氮氣非預混抑制實驗*

張培理，杜 揚

(中國人民解放軍后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311)

油氣爆炸的氮氣非預混抑制實驗*

張培理，杜 揚

(中國人民解放軍后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401311)

依靠激波管可視化實驗臺架，完成了油氣爆炸的氮氣非預混抑制實驗，獲得了火焰前鋒在氮氣非預混段內衰減、熄滅過程的高速攝影照片。通過對實驗數據和高速攝影照片的分析，討論了油氣爆炸氮氣非預混抑制過程的超壓特性和火焰行為。結果表明，采用氮氣非預混手段能顯著降低油氣爆炸過程的超壓與超壓上升速率。油氣爆炸的氮氣非預混抑爆過程經歷了慣性相持期、抑制衰減期和擴散熄滅期3個階段。氮氣分子作為第三體參與化學反應并攜帶走高能自由基的能量，促使鏈式反應向中止鏈大量發展，這是油氣爆炸氮氣非預混抑制過程的主要機理。抑制衰減期的火焰由衰減抑制區和核心區火焰構成，火焰與氮氣的相互作用主要發生在衰減抑制區內。在抑制衰減期內，火焰速度的衰減可用線性公式描述。

爆炸力學；氮氣非預混抑制；超壓；油氣爆炸；火焰行為；火焰速度；可視化

在眾多的油氣資源中，氣態的油氣資源，例如天然氣、瓦斯和原油、成品油揮發氣體等，屬于典型的易燃易爆氣體，稍有不慎就可能引發火災爆炸安全事故，從而造成重大人員傷亡和巨額經濟損失。近年來，油氣火災爆炸事故仍時有發生，造成大量人員傷亡和難以估量的經濟損失。為了避免受限空間內油氣爆炸事故的發生，減少人員傷亡與財產損失，尚需加強對油氣爆炸抑制過程的研究，從而提出有效的油氣爆炸抑制技術和措施。

可燃氣體爆炸抑制過程是一個非常復雜的過程，從抑制手段上看可以分為主動抑制和被動抑制2類[1]。然而，無論采用何種抑制手段，其目的均是控制可燃氣體爆炸過程中火焰的發展，從而使火焰在傳播過程中逐漸減速衰減并熄滅。然而，從掌握的文獻來看，涉及可燃氣體爆炸抑制劑[2-3]和抑制技術[4-5]的文獻較多，而涉及抑爆機理的文獻較少，特別是涉及油氣爆炸抑制過程火焰行為的文獻十分少見。

氮氣是一種非常穩定的惰性阻燃氣體，廣泛應用于石油化工、冶金等領域中有防火防爆要求的各種場合。因此，許多文獻中對氮氣的惰化特性[6]、稀釋特性[7]以及防火防爆性能[8]開展了較為深入的探究。然而在這些文獻中，氮氣常常被用作預混抑制劑以惰化、稀釋可燃氣體，而將氮氣作為非預混抑制劑來抑制受限空間內可燃氣體爆炸還鮮有報道。

本文中擬在激波管上通過可視化實驗手段，對油氣爆炸氮氣非預混抑制過程進行可視化實驗研究，從而獲得油氣爆炸氮氣非預混抑制過程的火焰行為，以期為油料洞庫或坑道等涉油氣受限空間內油氣爆炸的氮氣非預混抑制技術和裝備的研究提供參考。

1 實驗裝置與實驗方法

圖1 主要實驗裝置布置圖Fig.1 Schematic illustration of the main experimental setup

實驗的主要裝置包括可組裝式激波管(200 mm×200 mm×5 500 mm)、油氣循環系統、數據采集系統、點火系統、高速攝影儀、計算機等。數據采集系統主要包括壓力采集系統和濃度測試系統等。圖1是氮氣非預混抑制油氣爆炸時的主要實驗裝置布置示意圖。

為了直觀地分析氮氣非預混抑爆過程的火焰行為和抑爆機理，在激波管上安裝了可視化段(280 mm×200 mm)，并利用高速攝影儀捕捉火焰遭遇氮氣后的火焰行為，以揭示火焰在氮氣中的行為規律和氮氣非預混抑爆過程的機理。

實驗中，用FASTCAM-Ultima 512型高速攝影儀捕捉火焰在氮氣非預混段內的行為，根據高速攝影儀的快門速度與采樣頻率就可以獲得火焰前鋒速度[9-10]。具體來說就是根據相鄰照片中火焰前鋒的位置差和相鄰照片的時間差來計算火焰速度。

油氣循環系統包括真空循環泵、油氣蒸發裝置(具體結構及工作原理見文獻[11-12]。壓力采集系統主要由壓力傳感器、采集卡和計算機組成。沿激波管共布置了3個壓力傳感器，實驗中以這3個壓力傳感器采集到數據的平均值作為激波管內的壓力值。濃度采集系統主要由GXH-1050 型紅外分析儀和NHA-502型汽車尾氣分析儀組成。實驗中油氣濃度由GXH-1050 型紅外分析儀測試，而其他氣體組分，如O2、CO、CO2等，均由NHA-502型汽車尾氣分析儀測量。

實驗用的氮氣由氮氣制備系統提供，氮氣純度約為95%(其余氣體組分為主要為氧氣)。非預混氮氣段用厚度為0.2 mm的塑料薄膜隔離形成，由于激波管可組裝，因此非預混氮氣段長度可調。實驗時，先由氮氣發生裝置制備好所需氮氣，之后設置好氮氣抑爆段長度、位置并充入氮氣，然后向激波管內充入一定濃度的油氣，最后點火并采集實驗數據。

為了使實驗結果具有代表性，實驗中油氣當量比(按異辛烷計算)設置為1，經計算，此時的初始油氣體積分數約為1.61%。本文實驗的初始條件設置為：氮氣段長度為226 cm，氮氣段近端與點火源的距離為55 cm，氮氣段氮氣和氧氣的體積分數分別為95%和5%，油氣初始體積分數為1.61%，氧氣的初始體積分數為20.6%，點火能為5 J，初始溫度為300 K，初始相對壓力為0 Pa。

圖2 有無氮氣非預混抑制時的超壓曲線Fig.2 Curves of overpressure of the explosion with and without suppression by non-premixed nitrogen

2 實驗結果分析

2.1 氮氣非預混抑制過程超壓與主要組分體積分數變化

圖2是激波管內油氣爆炸有無氮氣非預混抑制的超壓(p)曲線。由圖2可以看出，無氮氣非預混抑制時油氣爆炸最大超壓為0.430 MPa，達到最大超壓時的耗時為0.342 s，超壓上升速率為1.26 MPa/s。而當有氮氣非預混抑制時油氣爆炸最大超壓僅為0.126 MPa，達到最大超壓時的耗時為0.210 s，超壓上升速率約為0.60 MPa/s。有氮氣非預混抑制時的最大超壓比無氮氣非預混抑制時下降了約70.7%，平均超壓上升速率比無氮氣非預混抑制時下降了約52.4%。

實驗中，當氮氣段上游的油氣被點燃后，火焰面后的已燃高溫高壓氣體會推動火焰面前的未燃氣體向下游運動，此時氮氣段上游的薄膜會先在壓力作用下破裂，這會導致火焰前方的未燃氣體和氮氣段內的氮氣混合。因此，火焰必然會進入氮氣段傳播。此時，如果火焰能持續穿過氮氣段，則抑制實驗失敗，如果火焰未穿過氮氣段，則抑制實驗成功。抑制實驗能否成功，與氮氣非預混段長度、氮氣段上游的油氣段長度、氮氣段內氮氣的純度、初始油氣濃度等因素有關[13]。但是僅以油氣爆炸最大超壓和平均超壓上升速率來說明油氣爆炸氮氣非預混抑制成功與否還不夠充分，還必須提供其他證據。表1是油氣爆炸氮氣非預混抑制實驗前后激波管內主要氣體組分的體積分數(φ)。實驗后激波管內油氣、O2、CO2和CO的體積分數分別為1.19%、15.24%、2.86%和0.89%。這表明，實驗后激波管內仍有大量的油氣和O2剩余，并且均處于油氣爆炸所需的極限[14]內。這說明，本次實驗中氮氣非預混段后的油氣混合物并未發生燃燒，即火焰并未穿過氮氣非預混段，本次抑制實驗是成功的。

表1 實驗前后激波管內主要氣體組分的體積分數Table 1 Volume fraction of main gas components before and after the experiment

2.2 氮氣非預混抑制過程火焰行為與火焰速度

圖3是高速攝影儀捕捉到的火焰前鋒在氮氣非預混段中熄滅的過程。其中高速攝影儀采樣頻率為1 000 s-1，快門時間周期為0.001 s。

圖3 高速攝影儀捕捉到的火焰前鋒在氮氣中熄滅的過程Fig.3 Photos of flame front in extinction, captured by high speed camera

由圖3可以看出：

(1) 油氣爆炸火焰前鋒進入氮氣段后，在初期仍保持上游的發展趨勢向前發展，此時火焰前鋒仍由較為清晰的輪廓，火焰前鋒的形狀略呈向下游凸出的拋物線(228～232 ms)。這主要是由于火焰受上游膨脹壓力波作用，從上游進入氮氣段時，流場速度大于火焰的燃燒速度，因此火焰仍具有一定的“慣性”，持續發生燃燒反應并放出熱量，這也導致火焰前鋒邊界有能量支撐，呈現較為清晰的輪廓。這一階段火焰最主要的特征是慣性相持。

(2) 油氣爆炸火焰前鋒從234 ms開始由拋物線狀逐漸演化為布滿激波管橫斷面的矩形，火焰的顏色也從外圍逐漸由亮黃色變成暗紅色，火焰前鋒的輪廓也變得模糊(234～244 ms)。這主要是由于從234 ms開始，氮氣對油氣爆炸火焰的抑制效果開始顯現，氮氣分子在火焰放熱產生的對流機制作用下，開始由火焰外圍向火焰內部擴散。由于氮氣分子是惰性的，它在火焰高溫下作為第3體[15]參與油氣爆炸的化學反應，其主要反應過程可用以下方程式表示：

式(1)～(3)中左邊的氮氣分子自身能量較低，右邊氮氣分子能量較高，它們參與反應主要是攜帶走CH、O、OH、CO等高能自由基的能量，在碰撞反應過程中高能自由基將內能傳遞給氮氣分子，成為氮氣分子的動能，氮氣分子促使鏈式反應向中止鏈大量發展。正是由于這一機制的存在，使得鏈式反應的方向發生了變化，鏈式反應逐漸中止。相應的，火焰溫度隨著化學反應歷程的改變逐漸降低，這導致碳煙顆粒激發態的輻射強度下降，相應的輻射光顏色也由亮黃色逐漸向暗紅色過渡。火焰在這一階段最主要的特征是抑制衰減。圖4顯示了處于抑制衰減階段的火焰結構。從圖4可以看出，此時的火焰由衰減抑制區和核心區火焰構成，火焰與氮氣的相互作用主要發生在衰減抑制區內。

(3) 火焰前鋒在246～276 ms之間持續衰減，顏色由黃紅色逐漸變為暗紅色，火焰區形狀不能自持并逐漸擴散消失。這是由于此時火焰前鋒在氮氣的抑制作用下，化學反應速度持續衰減，化學反應放熱已不能為火焰的繼續傳播提供能量，火焰區在流場作用下已不能維持自身形狀，逐漸向四周擴散，這又導致熱量損失進一步的加劇，火焰區溫度迅速下降，火焰厚度迅速變薄，最終火焰完全在氮氣中熄滅。火焰在這一階段最主要的特征是擴散熄滅。

從上述分析可以看出，氮氣非預混抑爆過程大致經歷了3個階段，即慣性相持期、抑制衰減期、擴散熄滅期。這3個階段分別耗時約6、12和32 ms。

圖5是根據火焰行為的高速攝影照片得到的氮氣非預混抑爆過程中火焰前鋒速度(v)隨時間的變化曲線。由圖5可以看出：(1) 氮氣非預混抑爆過程中火焰前鋒的速度隨時間波動，這主要是由于火焰在傳播過程中，放熱與熱損失、混合氣體的速度場、邊界條件(如開口或閉口)以及油氣爆炸壓力波相互作用的共同作用導致了受限空間火焰速度的波動。這一現象與機理在文獻中[11]已進行了詳細的討論。(2) 油氣爆炸火焰進入氮氣抑制段時速度約為20 m/s，在上游慣性作用下火焰速度上升至43 m/s，之后氮氣的抑制作用開始顯現，火焰開始減速。在約238 ms時火焰速度降低至零，此時的火焰為駐留火焰，之后，火焰的減速并沒有停止，火焰開始向后方運動，火焰速度出現了負值，在約240 ms時火焰速度出現最小值，約為-12.92 m/s。之后為擴散熄滅期，火焰在振蕩流場影響下，速度又開始增加，在244 ms時火焰速度又上升至10.77 m/s。然而之后，油氣爆炸火焰隨流場開始擴散，火焰放熱、火焰溫度、火焰面積等迅速減小，直至火焰完全熄滅。(3) 在抑制衰減期內，火焰速度的衰減可用以下線性擬合公式描述：

v=-0.575 6t+1 368

(4)

式中：火焰速度v的單位為m/s，時間t的單位為ms。擬合因子R2為0.983。可以看出火焰速度的衰減強度約為576 m/s，因此氮氣對火焰的抑制效果非常顯著。

圖4 抑制衰減階段的火焰結構Fig.4 Flame structure in the phase of suppression/attenuation

圖5 氮氣非預混抑爆過程中火焰速度隨時間的變化Fig.5 Variation of the flame speed with time in suppression process

3 結 論

本文中在激波管內完成了油氣爆炸的氮氣非預混抑制實驗。通過可視化手段，得到了油氣爆炸火焰在氮氣段內衰減熄滅的照片。實驗數據分析表明，氮氣非預混抑制手段能顯著降低油氣爆炸過程的超壓和平均超壓上升速率；油氣爆炸的氮氣非預混抑爆過程經歷了慣性相持階段、抑制衰減階段和擴散熄滅階段3個階段；惰性氮氣分子在火焰高溫下作為第3體參與化學反應并攜帶走高能自由基的能量，促使鏈式反應向中止鏈大量發展，這是油氣爆炸氮氣非預混抑制過程的主要機理；處于抑制衰減階段的火焰結構由衰減抑制區和核心區火焰構成，火焰與氮氣的相互作用主要發生在衰減抑制區內；在抑制衰減期內，火焰速度的衰減可用線性擬合公式描述。

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(責任編輯 王小飛)

Experiments of nitrogen non-premixed suppression of gasoline-air mixture explosion

Zhang Peili, Du Yang

(DepartmentofMilitaryPetroleumSupplyEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing401311,China)

We carried out experiments of suppressing the gasoline-air explosion by non-premixed nitrogen using the visualization experimental bench and a high-speed camera to take photos of the flame front extinction to capture the suppression process. Based on the analysis of the experimental data and high-speed taken photos, we examined the overpressure characteristics and the flame behavior of the suppression process. Results from our study show that the suppression by non-premixed nitrogen can significantly reduce the overpressure in the gasoline-air mixture explosion and its rise rate, and in the suppression process three phases are identified: sustained inertia, suppression/attenuation, and diffusion/extinction. The mechanism governing the suppression process is that nitrogen molecules participate in the chemical reaction as a third part and can then absorb energy from the high-energy free radicals so that the main reaction chains are changed to termination chains. The flame in the phase of the suppression/attenuation can be divided into the suppression/attenuation zone (where suppression and attenuation occur) and the core zone. In the phase of suppression and attenuation, the relationship between the flame speed and time can be described by a linear formula.

mechanics of explosion; nitrogen non-premixed suppression; overpressure; gasoline-air mixture explosion; flame behavior; flame speed; visualization

10.11883/1001-1455(2016)03-0347-06

2014-10-27；

2015-03-23

國家自然科學基金項目(51276195)；重慶市自然科學基金項目(cstc2016jcyjA1617)

張培理(1985- )，男，博士，講師；

杜 揚，zpl6123@163.com。

O381國標學科代碼：13035

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