點火方式對受限空間油氣爆燃規律的影響

吳松林，杜揚，張培理，梁建軍（后勤工程學院重慶火災與爆炸重點實驗室，重慶 403；后勤工程學院基礎部，重慶 403）

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點火方式對受限空間油氣爆燃規律的影響

吳松林1,2，杜揚1，張培理1，梁建軍1
（1后勤工程學院重慶火災與爆炸重點實驗室，重慶 401311；2后勤工程學院基礎部，重慶 401311）

摘要：通過可視化和數據分析方法，針對電火花、突遇高溫熱壁、直接加熱熱源和持續加熱熱壁4種常見的點火方式，對油氣在受限空間的整個爆燃過程進行了對比分析。不同點火方式下油氣爆燃的起燃條件、起燃速度、火焰結構、火焰顏色存在很大的區別，并進行了細節分析。盡管油氣在受限空間的爆燃過程都呈現出4個階段，但火焰顏色、持續時間對不同的點火方式是不同的。通過對最大爆炸超壓和超壓典型曲線的分析，最大爆炸超壓由大到小的點火方式依次是突遇高溫熱壁、電火花、直接加熱熱源和持續加熱熱壁，并分析了受限空間中超壓曲線的典型特征。

關鍵詞：受限空間；油氣；混合物；爆炸；點火方式；實驗驗證

2015-06-19收到初稿，2015-10-12收到修改稿。

聯系人及第一作者：吳松林（1973—），男，碩士，副教授。

Received date: 2015-06-19.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51276195) and the Basic and Frontier Research Project of Chongqing (cstc2013jcyjA00006).

引　言

近年來，可燃氣體給人們方便、高效使用能源帶來了很大的便利，但也給生命和財產帶來了極大的危害。這使得人們對可燃氣體的相關研究不斷深入，取得了很多的成果[1-19]。在起燃過程中，主要在于確定爆炸濃度極限[4-5]，尋找影響點火的條件[6-7]，確定延遲時間[8]，反應動力學機理[9]，需要的最低點火能量等；在傳播過程中，主要在于分析湍流和爆燃的正反饋作用，湍流的加速機理，不同封閉空間中爆炸超壓、火焰速度和火焰結構等的傳播規律等[10-19]。

汽油是成品油中易揮發的液體。本文研究的油氣主要指汽油揮發物和空氣的混合物，具有復雜組分的可燃性氣體，爆炸濃度極限為0.8%～6.5%。由于它易滿足爆炸的條件，從而帶來重大的人員和財產損失。如2013年“11-22”青島輸油管道燃爆事故共造成62人遇難，136人受傷，直接經濟損失7.5億元。事故的主因是腐蝕造成原油泄漏，所揮發的油氣與暗渠當中的空氣混合形成易燃易爆氣體，在相對封閉的空間內集聚，最后遇到火花，發生爆燃，繼而發生蔓延、擴散，在大范圍內連續發生爆炸。盡管已有作者獲得了油氣在受限空間的起燃和傳播規律[20]，也對油氣燃燒的反應機理、爆炸傳播規律進行了初步探索[21]，但總地來看，對油氣起燃、起爆規律的研究還有待深入，如起燃過程的“細節”研究，不同點火方式下起燃過程，爆炸發展過程有哪些共同點和不同點，哪些點火方式容易發生，會造成多大的破壞程度等。這些都屬于爆炸的基礎研究領域，所得結果可以豐富相關安全研究成果，但不同點火方式的油氣爆燃對比研究還未見相關報道。

眾所周知，點火能量是影響可燃氣體起爆的重要因素之一，譬如可影響火焰的起燃速度、傳播過程的超壓速度等。事實上，不同的點火方式會造成能量聚集不同，從而會造成可燃氣體在起爆過程中火焰結構、爆炸的傳播規律完全不同[22-24]。本文針對電火花點火、突遇高溫熱壁、直接加熱熱源和持續加熱熱壁4種常見的點火方式，對油氣在受限空間中的起燃、爆燃過程進行了可視化對比研究，對爆燃過程超壓進行了對比分析。

1　實驗裝置

自主設計可視化封閉實驗圓形坑道，以及各個系統的連接情況見圖1。其中實驗坑道長1700 mm，半徑為200 mm，設置有2個觀察窗和1個熱源放置平臺。實驗系統包含壓力測試系統、溫度測試系統、濃度測試系統、油氣循環系統、電火花點火系統和熱源加熱系統。

透過圖1中的觀察窗，放置點火裝置，包括點火電極和熱源裝置（圖2）。其中點火電極與自主設計的多功能電點火器（圖3）相連，其點火能量范圍為0.1～6.9 J。為了達到熱點火條件，通過前期探索，溫度必須在800 K以上，一般的加熱平板都難以達到要求，故自行設計加熱系統，包括電源、變壓器、熱源裝置和耐高溫電線，其中熱源主要由2000～3000 W不同功率的電熱絲組成。絕熱電線穿過實驗臺架的底座，將電熱絲與變壓器相連起來。為了使得發熱均勻，將2 mm銅板覆蓋在熱源上，周圍用絕熱層隔開，熱源面積為100 mm×100 mm。

2　實驗結果及分析

采取電火花、突遇高溫熱壁、直接加熱熱源和持續加熱熱壁4種點火方式，完成了不同濃度油氣在受限空間的起爆實驗。通過高速攝影，“記錄”了典型火焰的發生和發展過程，通過壓力傳感器，記錄了受限空間壓力的動態變化。

圖2　熱壁結構Fig.2　Diagram of hot wall

圖3　多功能智能點火器Fig.3　Multifunctional intelligent ignition device

2.1實驗基本參數

由于油氣濃度是影響起燃過程的一個重要因素，但對不同點火方式，最佳起燃效果的濃度是不一樣的，如在持續加熱熱壁下，油氣濃度在2.0%以下很難起燃。為了顯示較好的起燃效果，經過大量實驗，就每種點火方式分別選取了不同濃度的一次典型實驗進行對比，基本參數見表1。

2.2不同點火方式下油氣起燃過程的比較分析

為了探索點火方式對油氣起燃過程的影響，在以上4種點火方式下對油氣火焰的起燃火焰過程（圖4～圖7）進行對比分析，探索火焰結構、起燃速度、火焰顏色等的變化。

通過對圖4～圖7的起燃過程進行分析，可以得出如下結論。

表1　4次實驗的基本參數Table 1　Basic parameters of 4 experiments

圖4　電火花下油氣濃度為1.5%的起燃火焰Fig.4　Flame of concentration 1.5% under electric spark

圖5　突遇高溫熱壁下油氣濃度為1.72%的起燃火焰Fig.5　Flame of concentration 1.72% under hot wall suddenly touched

圖6　直接加熱熱源下油氣濃度為1.62%的起燃火焰Fig.6　Flame of concentration 1.62% under hot resource direct heated

圖7　持續加熱熱壁下油氣濃度為2.4%的起燃火焰Fig.7　Flame of concentration 2.4% under hot wall continuous heated

（1）從火焰結構上分析：電火花和直接加熱

（1）從火焰結構上分析：電火花和直接加熱熱源兩種點火方式的火焰周圍產生了大面積的淡藍色次生火焰。相比于熱源點燃，電火花產生的能量很集中，點燃后藍色次生火焰發展更快，但熱源加熱點燃后藍色火焰呈現了一些皺褶，說明已有弱湍流燃燒；對突遇高溫熱壁后，油氣被點燃這種情況，由于點火面積大、溫度高，能量也就非常大，油氣層流燃燒非常迅猛，只有薄薄的一層淡藍色火焰前鋒；對持續加熱熱壁這種點火方式，因熱壁上方的溫度逐漸上升，造成油氣處于緩慢氧化狀態，一旦油氣被點燃，火焰結構完全不同于其他3種點火方式，火焰先呈現為“尖峰”狀，后變為“石柱”狀，不斷有明亮的活性區域出現。

（2）從起燃的難易程度來看，由于可燃氣體的最低電火花點火能量只需要幾個毫焦，比較易點燃；通過前期研究，直接接觸高于自燃點的高溫，油氣也容易點燃；但是，不接觸明火，由持續加熱熱壁的輻射熱點燃油氣是比較困難的，主要原因是逐漸上升的溫度，使得油氣發生了緩慢氧化反應[21]，在熱壁上方形成了“保護層”。本課題組另一項研究結果表明，在該種點火方式下，油氣起燃受到了熱壁的最高溫度、油氣濃度、熱壁的加熱速度、環境濕度、環境壓力、空間尺度等眾多因素的影響，其中熱壁的最高溫度、油氣濃度和熱壁的加熱速度都是影響油氣能否起燃的關鍵因素。該種條件下，油氣濃度下限在1.9%，遠高于油氣爆炸下限；油氣的最低著火溫度需要大于873 K，高于油氣自燃的最低溫度。

（3）從起燃時間和火焰速度來看，當起燃火焰充滿整個觀察窗時，電火花、突遇高溫熱壁、直接加熱熱源和持續加熱熱壁4種方式下分別用的時間為200、160、320和380 ms。起燃過程所用時間越短，說明了點火能量相對越集中，燃燒反應較快，火焰速度比較大。這樣來看，起燃階段火焰的平均速度由大到小的點火方式依次為突遇高溫熱壁、電火花、直接加熱熱源和持續加熱熱壁。

（4）從起燃的顏色來看，如果直接接觸高溫，由于能量大，起燃火焰呈現出橘紅色；而電火花和高溫熱源能量相對集中，在燃燒中心為橘紅色，周圍主要為淡藍色次生火焰；對高溫熱壁加熱方式來說，由于高濃度油氣經過長時間的緩慢氧化反應，產生了一定水蒸氣，使得起燃火焰整個顏色很淡，呈現很弱的橘紅色，峰尖有一點淡藍色。由于經過長時間的氧化反應，活化中心已經生成，造成起燃過程中有明亮的絲狀燃燒核。由于火焰的顏色主要受油氣復雜組分影響，還與溫度有關系，如淡藍色火焰的出現說明有H2、CH4等物質發生反應，溫度較低；火焰出現了白色，說明溫度很高，至少超過了1200 K。

2.3不同點火方式下油氣爆燃過程的比較分析

2.3.1油氣爆燃過程火焰的階段性分析圖8～圖11是除起燃過程外，4種點火方式下油氣其余爆燃過程的截圖。從整個過程來看，無論是哪種點火方式，在受限空間中油氣爆燃過程都呈現出明顯的4個階段。第1階段為起燃過程（圖4～圖7）階段，表現在觀察窗有火焰鋒面出現，火焰充滿了整個觀察窗；第2階段是火焰鋒面先向上，后向下和兩側流動燃燒；第3階段為燃燒和流動正反饋，形成沖擊波，在壁面形成較高的超壓，然后沖擊波折返，在觀察窗中呈現明亮的劇烈燃燒火焰；第4階段是火焰熄滅階段，火焰顏色逐漸變得越來越淡，直至熄滅。

圖8　電火花下油氣的爆燃過程Fig.8　Deflagration process of gasoline-air under electric spark

圖9　突遇高溫熱壁下油氣的爆燃過程Fig.9　Deflagration process of gasoline-air under hot wall suddenly touched

圖10　直接加熱熱源下油氣的爆燃過程Fig.10　Deflagration process of gasoline-air under hot resource direct heated

圖11　持續加熱熱壁下油氣的爆燃過程Fig.11　Deflagration process of gasoline-air under hot wall continuous heated

表2　油氣爆燃過程4個階段的時間節點Table 2　Time node of 4 stages at process of gasoline-air deflagration

表3　4種點火方式下3個測點的最大超壓Table 3　Maximum overpressure of 3 measuring points under 4 ignition modes

根據火焰的流動方向和顏色變化，可以統計出4種點火方式下油氣爆燃4個階段的時間節點，獲得數據結果見表2，以及相應每個階段所占時間比例的直方圖（圖12）。

圖12　4種點火方式下油氣爆燃過程4個階段的時間比例Fig.12　Proportion of time under 4 ignition modes of gasoline-air deflagration in 4 stages

從表2和圖12可以發現，電火花和突遇高溫熱壁點火方式下，油氣爆燃過程的4個階段所用時間規律基本一致，略有細微差別，說明它們的火焰速度大致差不多，時間所占比例由大到小依次是第3階段、第4階段、第2階段和第1階段；與之相比，在直接加熱熱源下，起燃過程用了320 ms，相對要長一些，起燃速度要慢一點，但其他3個過程所用時間卻差不多，火焰速度基本一樣；但在持續加熱熱壁下，每個階段所用時間都相對較長，特別是熄滅階段，用了7200 ms，占整個燃燒過程的70.3%，大部分時間都處于“悶燃”狀態。

2.3.2油氣爆燃過程的超壓分析表3表示了4種點火方式下3個壓力傳感器測得的最大超壓。總地來看，由于實驗坑道空間大（L/D=4.25），因此3個測點測得的最大超壓都不大，都不超過0.2 MPa。從不同測點來看，測點2位于起火點處，壓力很小；測點1和測點3都位于兩個封閉端，最大超壓相對較大，但由于測點3距起火點的距離長，油氣爆燃和湍流相互耦合，形成正反饋，沖擊波得以加強，因此它的最大超壓均比測點1的最大超壓略大。從不同的點火方式來看，與之前對應，起燃后強度越大，相應的爆炸最大超壓也越大，即本實驗條件下，最大爆炸超壓的順序依次是突遇高溫熱壁、電火花、直接加熱熱源和持續加熱熱壁。

圖13是4種點火方式下3個壓力測點的壓力變化曲線。測點2位于起火點，起火后它的波形呈現單峰狀，而測點1和測點3的壓力波形大致為雙峰狀，第1個壓力波峰最大超壓普遍小于第2個壓力波峰的最大超壓。可燃性氣體起火后，在受限空間中受擾動影響，形成湍流，與燃燒耦合，形成沖擊波，并不斷加速。后經壁面反射，最終可能形成多個峰值。壓力曲線的波形通常與受限空間尺度、可燃氣體的燃燒特性、濃度等有關。

3　結　論

針對電火花、突遇高溫熱壁、直接加熱熱源和持續加熱熱壁4種點火方式，對油氣在受限空間的整個爆燃過程進行了對比分析，獲得如下的結論。

（1）通過對起燃過程的可視化和數據分析研究，發現4種點火方式下起燃條件、起燃速度、火焰結構、火焰顏色存在很大的區別，并進行了細節的分析。特別是持續熱壁方式下的油氣爆炸濃度下限和最低著火溫度都很高，延遲時間長，火焰形狀出現為“石柱”狀。而電火花和直接加熱熱源下，油氣起燃火焰大面積為淡藍色的次生火焰等。

（2）通過對受限空間內整個爆燃過程的可視化分析，發現4種點火方式下爆燃過程都呈現出明顯的4個階段，分別為：起燃過程；火焰鋒面先向上，后向下和兩側流動燃燒過程；燃燒和流動形成正反饋，爆燃形成的沖擊波折返過程；熄滅過程。但4種點火方式下的4個過程有顏色和持續時間的區別，特別對每個階段的持續時間進行了對比研究。

（3）通過對3個位置的最大爆炸超壓和超壓典型曲線的分析，發現本實驗條件下，最大爆炸超壓由大到小順序的點火方式依次是突遇高溫熱壁、電火花、直接加熱熱源和持續加熱熱壁，并分析了超壓曲線的典型特征。

圖13　4種著火方式下3個測點的壓力曲線Fig.13　Pressure curves of 3 measuring points at 4 ignition modes

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Effect of ignition node on gasoline-air deflagration behavior in confined space

WU Songlin1,2，DU Yang1，ZHANG Peili1，LIANG Jianjun1
(1Chongqing Key Laboratory of Fire and Explosion Safety，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China;2Department of Fundamental Studies，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)

Abstract:For four daily ignition modes，including electric spark，hot wall suddenly touched，hot resource direct heated and hot wall continuous heated，a comparative analysis of the whole process of gasoline-air deflagration in confined space was made through visualization experiment and data analysis. There were great differences in ignition condition，combustion speed，flame structure and flame color for gasoline-air deflagration under different ignition mode. Although there were four stages during the process of gasoline-air deflagration in confined space，their duration time and flame color were all different. According to analysis for maximum explosion overpressure and explosion pressure curves，the ignition modes of maximum explosion overpressure from big to small were hot wall suddenly touched，electric spark，hot resource direct heated and hot wall continuous heated. At the same time the typical features of overpressure curve was analyzed.

Key words:confined space; gasoline-air; mixture; explosions; ignition mode; experimental validation

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150958

中圖分類號：X 932

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）04—1626—07

基金項目：國家自然科學基金項目（51276195）；重慶市基礎與前沿研究項目（cstc2013jcyjA00006）。

Corresponding author:WU Songlin，wusonglin100@com