障礙物對油氣-空氣混合氣體泄壓爆炸火焰傳播特性影響*

李國慶，杜　揚，齊　圣，王世茂，王　波，李陽超

(后勤工程學院 供油系，重慶 401311)

0　引言

在化工企業、油庫等危險品生產和儲存場所，容易發生可燃氣體的爆炸事故，給人民的生命和財產帶來巨大的威脅和損失。2013年11月，中石化東黃輸油管道發生泄漏爆炸，造成62人遇難，9人失蹤，166人受傷；2016年9月8日下午，河北晉州市一化工廠發生爆炸，致5人死亡、1人重傷。有研究表明，若可燃氣體爆炸發生在具有固體障礙物或者存在可以被視為平面障礙物的通道面積縮小的地方，障礙物對氣流和火焰的擾動會導致湍流火焰加速形成，從而加大火焰傳播速度，形成更加劇烈的爆炸超壓，帶來更嚴重的損害后果。

可燃氣體爆炸具有高溫、高壓等特點，破壞性強，以往大量針對可燃氣體爆炸特性的實驗研究主要集中在鋼制密閉管道內[1-3]，以保證實驗研究的安全性。隨著可視化技術和動態數據測試系統的發展，近年來針對全可視化泄壓爆炸的研究逐漸成為熱點。在實際發生爆炸的場所，大多存在承壓較弱的結構，比如窗戶、防護門等，可燃氣體在爆炸過程中很容易會從這些承壓較弱的地方泄放到爆炸場所外部，對外部空間容易造成危害。鑒于泄壓爆炸與生活、生產實踐中發生的爆炸事故相似度較高，針對此類爆炸的研究具有較好的工程價值。

有研究表明，初始條件(如初始壓力、初始溫度、初始氣體濃度、初始濕度等)、泄壓口尺寸、泄壓容器的體積和長徑比L/D等對可燃氣體的泄壓爆炸特性有顯著的影響[4-8]。針對內置障礙物的管道內可燃氣體爆炸特性的研究引起許多研究者的重視，相關研究主要集中在障礙物的形狀、阻塞比(BR)、數量、布置方式等對可燃氣體爆炸傳播特性的影響規律[9-15]等方面，并且，為了深入探究火焰和壓力的耦合機理，紋影技術、高速攝影技術、PIV技術和數值模擬等[11-12,16-18]研究手段被廣泛應用，并且取得了一定的研究成果。

針對可燃氣體爆炸特性的研究主要采用甲烷、丙烷和氫氣等氣體[19-20]，很少量的研究采用汽油蒸汽。在石油煉制、成品油儲存和運輸過程中，由于油料揮發性較強，極易與空氣等氧化劑混合，形成高危潛在爆炸氣體，一旦爆炸將會給人們的生命和財產帶來毀滅性的破壞。并且在油料加工場所，各類立體障礙物大量存在，比如存儲油料的圓柱體油桶、運輸叉車等，這會影響油氣爆炸的火焰傳播和超壓演變特性。鑒于此，選取常見的圓柱體障礙物作為研究對象，通過改變泄壓容器內障礙物的數量，并采用初始油氣濃度接近當量比1[8](初始體積濃度為1.7%)的汽油-空氣混合氣體進行泄壓爆炸實驗研究。通過研究，探索圓柱體障礙物對油氣泄壓爆炸火焰傳播特性及壓力的影響規律，為石油化工生產領域的火災爆炸安全防控提供一定的理論參考。

1　實驗系統與方法

1.1　實驗系統

實驗系統如圖1所示。該實驗系統由泄壓容器、紋影系統、高速攝影儀、動態數據采集系統、碳氫濃度測試系統、配氣系統、點火系統和同步控制裝置等組成。

紋影系統由激光發射器、2個聚光鏡、2塊直徑350 mm的凹面鏡、刀口和1臺高速攝影儀組成，紋影系統布置成“Z”型。高速攝影儀的型號為PHOTRON公司的FASTCAM-ultima 512，拍攝速度設定為4 000幀/s。泄壓容器為全透明有機玻璃容器，左端采用鋼制盲板封閉，右端開口，管壁厚度20 mm，管道橫截面形狀為正方形，其內徑的橫截面尺寸為100 mm×100 mm，管道長度為600 mm，體積為0.006 m3，長徑比L/D=6。障礙物為圓柱體鑄鐵塊，底面半徑為15 mm，高為60 mm。障礙物豎直放置在容器底部中軸線上，第1個障礙物距離泄壓容器左側端部的距離為80 mm，相鄰障礙物之間的間距也為80 mm。壓力測試系統采用成都泰斯特公司的DAP7.10，壓力傳感器采用寶雞市智星傳感器有限責任公司的ZXP660高頻瞬態壓力傳感器(量程0～200 kPa，精度誤差<0.3%)。點火系統采用的是定制的抗干擾點火系統，點火能量范圍為2～20 J。汽油蒸汽由配氣系統產生，并采用碳氫測試儀監測汽油蒸汽的體積濃度。

1-點火控制器；2-點火頭；3-同步控制器；4-高速攝影儀；5-刀口；6-凸透鏡；7-高速攝影儀；8-壓力采集系統；9-激光發射器；10-閥門；11-油瓶；12-真空泵；13-壓力傳感器；14-障礙物；15-塑料薄膜；16-凹面鏡(1#，2#，3#：壓力傳感器編號)圖1　實驗系統示意Fig.1　Schematic of experimental system

1.2　實驗內容和方法

圖2　4種不同的障礙物工況Fig.2　Four configurations varying in terms of obstacle number

實驗中采用初始體積濃度為1.70%的油氣進行實驗，往容器內充油氣前先用鋁箔把管道右端開口封住，以防油氣泄漏。實驗在4種不同數量障礙物的工況下進行，4種工況的障礙物布置形式如圖2所示，利用壓力傳感器分別記錄容器封閉端、中部和開口端的壓力-時間曲線，其中，中部的壓力傳感器和口部壓力傳感器位于左側點火端的距離分別為300 mm和580 mm，封閉端的壓力傳感器距離點火頭20 mm。同時，利用紋影系統記錄了火焰傳播經過障礙物時的火焰形態和火焰鋒面位置變化過程，并用第2臺高速攝影儀記錄了管道內火焰從起爆到火焰熄滅的整個反應過程。為了保證可燃氣體充分混合均勻，每次點火之前讓管道內氣體靜置15 s。初始點火能量選用6 J，預混氣體初始溫度和初始壓力分別為實驗室環境溫度和當地大氣壓。為保證實驗的準確性，每一組實驗都進行了至少3次重復實驗。

2　實驗結果和討論

2.1　障礙物對火焰初始傳播形態的影響規律

圖3是4種不同工況泄壓容器內油氣爆炸火焰初始傳播過程紋影圖。由圖可見，在火焰傳播未接觸到第1個障礙物的時候(16 ms以前)，4種工況的火焰傳播形態比較相似，火焰鋒面都以比較規則的半球形火焰向未燃可燃氣體擴散，并且火焰鋒面很平滑，表現出明顯的層流火焰傳播特性。

在大約16 ms時，工況2，3，4的火焰鋒面開始和第1個障礙物接觸，此時火焰鋒面逐漸產生明顯的彎曲變形。對于工況1，由于火焰傳播不受障礙物的影響，火焰鋒面依然保持比較規則的半球形火焰向前傳播。在火焰傳播經過第1個障礙物的過程中(16～24 ms)，對于工況1，火焰形態從半球形逐漸轉變成指尖型，并且火焰鋒面依舊保持平滑狀，仍處于層流燃燒狀態；對工況2，3，4而言，火焰鋒面的規則形態遭到破壞，且可以觀察到在第1個障礙物的右下角形成明顯的破碎火焰(如圖3中A選區所示)，層流火焰已經開始向湍流火焰轉變。在24 ms的時候還可以觀察到一個明顯的現象：工況2中火焰鋒面距離點火端的位置相比工況3，4中火焰鋒面距離點火端的位置距離更遠，工況2中火焰鋒面已經開始變得不平滑，且向泄壓容器開口端凸出，而工況3，4火焰鋒面向點火端方向微微凹陷。上述現象可能是由于容器內氣流受到第2個障礙物的阻礙發生反射并回傳，回傳氣流與火焰鋒面相遇后，導致火焰鋒面向點火端凹陷，并降低火焰鋒面傳播速度在短時間內的上升速率。在26 ms的時候，火焰傳播已經跨過第2個障礙物，對于工況3，4，火焰鋒面在經過第2個障礙物之后變成形狀不規則的“毛刷狀”(如圖3中B區域所示)，工況4中火焰變形最顯著。由此可見，在火焰傳播通道中，障礙物數量越多，對火焰的擾動就越明顯。對比4種工況下火焰傳播至紋影儀可視化范圍的最右端所經歷的時間，從工況1到工況4，火焰傳播所用的時間分別為30，27.25，26.5和26.25 ms。由此可見，障礙物數量越多，對油氣爆炸火焰的加速就越明顯。

2.2　障礙物對火焰傳播速度的影響規律

油氣從起爆到爆炸結束過程中不同時刻火焰鋒面距離點火端的距離變化如圖4所示，該距離根據一系列不同時刻的高速攝影圖片中火焰鋒面距離點火頭的位置計算得到。

圖4　火焰鋒面位置隨時間的變化Fig.4　Development of flame front locations

由圖4可見，在不同數量障礙物的工況下，實驗所得火焰鋒面隨爆炸時間的變化具有顯著的差異。具體來講，在火焰傳播未到達第1個障礙物的時候(16 ms之前)，4個工況的管道內火焰鋒面距離點火端的位置隨時間變化規律基本一致，并且變化率較小，呈平緩上升趨勢。對于工況2，3，4，當火焰鋒面與第1個障礙物接觸之后，由于受到障礙物的擾動，火焰傳播狀態逐漸從層流向湍流轉變，火焰鋒面向前傳播的速度加快；但是對于工況1，火焰鋒面移動的速度依然比較慢。對于工況3和工況4，當火焰接觸第2個障礙物之后(26.25 ms)，火焰鋒面位置變化增長率明顯大于工況1和工況2中火焰鋒面隨時間的變化率。對于工況4，當火焰鋒面受到第3個障礙物的擾動后(28 ms)，火焰鋒面隨時間的變化率稍稍大于工況3的變化率，明顯大于工況1和2的變化率。從圖4可以看到一個現象，對于無障礙物的管道，在29 ms的時候火焰鋒面移動速度突然增大，通過和此工況下壓力-時間曲線(圖5)進行對比分析，發現在28.5 ms時，爆炸壓力達到破膜壓力峰值Pbust，此時鋁箔突然破裂，導致容器內的混合氣體瞬間泄放到外場，引起流場湍流都的增大，從而引起火焰突然加速。從圖4中還能觀察到，火焰傳播至管道泄壓口的時間有明顯差異，4種工況中火焰傳播至泄壓口的時間分別為36，33.5，31.8和31 ms。可見，隨著障礙物數量的增加，管道內火焰鋒面的移動速度加快。

圖5　壓力-時間曲線Fig.5　Overpressure versus time profiles

當火焰傳播至泄壓口外后，4種工況管道內的火焰鋒面位置繼續遠離點火端直至熄滅，并且火焰鋒面距離點火端的最大距離和火焰到達最大距離的時間都不同，4種工況中火焰鋒面距離點火端的最大距離分別為0.88，0.95，1.01和1.02 m，4種工況中火焰鋒面傳播至距離點火端最遠距離時的高速攝影圖片如圖6所示，到達最大距離的時間分別為41.25，40，38和38 ms。可見，障礙物數量越多，油氣泄壓爆炸中火焰傳播距離就越遠，然而到達最遠距離的時間卻越短。

圖6　火焰鋒面距離點火端最大距離圖像Fig.6　Images of flame front propagating to the farthest position away from ignition point

圖7所示為4種工況下火焰傳播速度隨時間變化的曲線，火焰速度可由下式計算得到：

Sf=(xn+1-xn)/Δtn

(1)

式中：Sf表示火焰傳播速度；xn+1-xn表示選取的2幅高速攝影照片中火焰鋒面的真實距離之差；Δtn表示選取的2幅高速攝影照片的拍攝時間差，本文中Δtn=1 ms。

圖7　火焰傳播速度隨時間的變化Fig.7　Development of flame speeds

從速度-時間變化曲線可見，在25 ms以前，4種工況管道內火焰傳播速度基本一致，并且速度都較小，普遍低于20 m/s。從25 ms開始，工況2，3，4中火焰傳播速度發生突變上升，而工況1中火焰速度仍然保持較小速度傳播，對比圖5相同時刻火焰鋒面位置圖線，可知此時火焰加速主要是由第1個障礙物的擾動導致，而無障礙物的容器內火焰從29 ms左右開始突變加速，此時的加速原因主要來源于鋁箔破膜瞬間泄流導致流場湍流度增大。對于工況2，3，4，火焰從第1個障礙物處開始加速之后便急劇上升，但是對于工況2，在火焰速度上升到第1個峰值50 m/s時便開始下降，而對于工況3和工況4，火焰速度的第1個峰值可達90 m/s左右，這是因后面二個容器內更多數量的障礙物引起更強的湍流導致。當火焰傳播達到第1個峰值之后，4個工況管道內的火焰傳播速度都開始呈現震蕩變化的趨勢，并且對于4種工況而言，最大火焰速度分別為99，109，123和141 m/s，到達最大火焰速度的時刻分別為37，35，33和31 ms。由此可見，隨著障礙物數量的增多，最大火焰速度變大，而達到最大火焰速度的時間變短。

2.3　障礙物對油氣泄壓爆炸壓力特性影響

爆炸超壓現象是油氣爆炸過程中另一重要特征。由于火焰傳播和爆炸超壓之間存在耦合關系，所以對其變化規律進行探究有利于更好地認識油氣爆炸火焰的傳播特性。圖5所示是實驗所得的典型的油氣泄壓爆炸壓力-時間曲線。從圖中可見，壓力曲線在變化過程中形成了多個壓力峰值，這些壓力峰值的形成和鋁箔的破裂有密切關系。根據相關研究[21-22]對泄壓爆炸壓力過程的描述，可以將這些壓力峰值定義為破膜壓力Pburst, 外部爆炸壓力峰值Pext和負壓峰值Pneg，其中，外部爆炸壓力峰值特征最為顯著，并且在3個壓力數值中其值較大。最大爆炸壓力一般作為反映爆炸強度的一項重要特征參數。以下重點對油氣泄壓爆炸的外部爆炸壓力峰值進行分析。表1是4種工況中3個壓力測點的外部爆炸壓力平均值，其中，參數Ec定義為工況2，3，4中Pext相比較工況1中Pext的增長率，如式(2)所示。

(2)

式中：ψ代表工況2，3，4的序號。

表1　4種工況下3個測點的Pext平均值Table 1　Average of Pext of the three measuring pointsin the four configurations

由表1數據可見，隨著障礙物數量的增加，油氣泄壓爆炸的外部爆炸壓力峰值Pext也隨之增大。工況2，3，4的Pext值比工況1的Pext值分別增長了14.82%，29.03%和48.40%，工況3的Pext值比工況2的Pext值增長了12.37%，工況4的Pext值比工況3的Pext值增長了15.06%。可見，障礙物數量的增多對于外部爆炸壓力的增長幅度可能也有一定程度的影響。

3　結論

1)圓柱體障礙物對油氣泄壓爆炸火焰的初始傳播形態有顯著影響，會導致火焰形態產生褶皺和彎曲變形，并且會誘導層流火焰向湍流火焰轉變，加速火焰的傳播。

2)障礙物數量增多，火焰鋒面傳播的最大距離增大，但是到達最遠距離的時間減小。

3)障礙物的存在能夠增強火焰的傳播速度，并且隨著障礙物數量的增多，火焰傳播的最大速度也增大，但達到最大火焰傳播速度的時間減少。

4)障礙物能夠增大油氣泄壓爆炸過程外部爆炸壓力，隨著障礙物數量的增多，外部爆炸壓力峰值增幅變大。

5)不同形狀障礙物、不同阻塞比(BR)障礙物等因素對油氣泄壓爆炸的影響需進一步開展研究。

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