油氣濃度對半開口管道爆炸超壓特性與火焰行為的影響*

李　蒙，杜　揚，李國慶，齊　圣，王世茂，韋世豪

(中國人民解放軍陸軍勤務學院 供油系，重慶 401331)

0　引言

可燃氣體爆炸是工業(yè)生產和生活領域爆炸災害的主要形式之一。為了防止氣體爆炸帶來重大的經濟損失和人員傷亡，人們通過實驗和模擬手段進行了深入的研究。已有的研究成果顯示，可燃氣體所在的容器形狀[1-6]、初始濃度[1,3,7-8]、初始溫度與壓力、障礙物數量[2,11]都會對可燃氣體爆炸釋放的能量產生影響。

目前，對于全封閉管道內油氣爆炸特性的研究較為廣泛，杜揚[9]對受限空間內局部油氣爆燃超壓與火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M行了研究，發(fā)現(xiàn)傳播過程可分為5個階段，且出現(xiàn)了tulip火焰，得到了最大爆燃超壓峰值出現(xiàn)在當量比1.2處等結論；齊圣[10]對于受限空間油氣爆燃火焰形態(tài)進行了探究，給出了區(qū)分3種火焰形態(tài)的臨界條件。對于半開口管道內氣體爆炸特性的研究大多停留在對于內場壓力變化的探究，對于外場壓力的變化以及火焰行為的研究偏少，并且采用的管道長徑比較小，一般不超過5[12-16]，研究成果普適性有限。基于上述原因，本文采用長徑比為10的有機玻璃全透明管道，通過改變初始油氣濃度，重點探究油氣濃度對油氣爆炸超壓峰值、升壓速率、火焰形態(tài)和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊鹊挠绊懸?guī)律。

1　實驗系統(tǒng)與方法

1.1　實驗系統(tǒng)裝置

實驗系統(tǒng)裝置圖如圖1所示。主實驗裝置為一段截面為正方形的長直管道(管道長L=1 000 mm，橫截面尺寸為100 mm×100 mm，容積V=10 L，管道長徑比L/D=10)。管道一端用鋼制的盲板密封，為了確保連接的密封良好，在盲板與管道法蘭之間使用密封墊圈密封；另一端開口使用聚乙烯薄膜密封，用以確保在管道充氣階段不會有可燃氣體外泄。

圖1　實驗系統(tǒng)示意Fig.1　The experimental system schematic diagram

實驗測試系統(tǒng)由壓力動態(tài)數據采集系統(tǒng)、高速攝影儀、配氣系統(tǒng)、碳氫濃度測試系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等組成。測試系統(tǒng)使用成都泰斯特公司的DAP 7.10，壓力傳感器使用寶雞市智星傳感器有限責任公司的ZXP660高頻瞬態(tài)壓力傳感器(量程0～200 kPa，精度誤差<0.3%)。高速攝影儀使用PHOTRON公司的FASTCAM-ultima 512，拍攝速度的設定為1 000 幀/秒。汽油蒸汽由配氣系統(tǒng)產生，并采用碳氫測試儀GXH-1050(使用環(huán)境0～40℃，重復性≤±1%，線性誤差≤2%F.S，量程為0.01%～100%)檢測油蒸汽的體積濃度，使之達到實驗所需的初始油氣濃度。實驗中產生油氣的方法如下：在真空泵的作用下，空氣在密閉管道和油瓶中循環(huán)，產生初始油氣混合物，此時閥門1，2，3，5打開，閥門4關閉(閥門編號見圖1)；當油氣在密閉系統(tǒng)內循環(huán)一段時間之后(根據實驗所需的初始油氣濃度決定時間長短)，再關閉閥門2和3，打開閥門4，讓系統(tǒng)內混合氣體循環(huán)大約3 min，使氣體均勻混合。點火系統(tǒng)采用實驗室定制的抗干擾點火系統(tǒng)，點火范圍為2～20 J；點火頭放置于管道盲板中心位置，初始點火能量為6 J。

1.2　實驗內容和方法

為充分探究油氣濃度對油氣泄壓的影響，本次實驗分別采用2.13%，1.87%，1.73%，1.5%，1.29% 和1.1%等6種不同的濃度進行實驗。在對管道內充入油氣之前，先使用聚乙烯薄膜將管道開口進行端封堵以避免油氣外泄；實驗時，為記錄起爆過程管道內的壓力—時間曲線，將5個壓力傳感器Pa，Pb，Pc，Pd，Pe均勻的布置在管道上表面，同時使用高速攝影儀記錄了油氣從起爆到熄滅的整個過程中火焰形態(tài)和火焰鋒面位置的變化過程。為了保證各個測試系統(tǒng)工作的同步性，實驗中采用同步觸發(fā)控制裝置來保證點火系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)的同步觸發(fā)。為了保證管道內可燃氣體與空氣均勻混合，每次點火前管道內的氣體均會靜置約30 s。實驗預混氣體初始溫度為實驗溫度，預混氣體的初始壓力為當地大氣壓。為保證數據的準確性，減小偶然誤差對實驗造成的影響，每組實驗都進行了至少3次重復試驗。

2　實驗結果與討論

2.1　油氣爆炸超壓隨時間的變化規(guī)律

從圖2可以明顯觀察到2個峰值：Pv與Pmax，其中，Pv是因為管道開口處薄膜破裂瞬間產生的，大多數的文獻[13]將其定義為“泄壓峰值”；Pmax則是由火焰鋒面穿過開口處聚集的高壓油氣團發(fā)生爆炸產生的沖擊波導致[20]。由此，可以將超壓—時間變化曲線劃分為4個階段：

第1階段，定容爆炸。在開口處薄膜尚未破裂時，管道內為密閉空間，當空間內的油氣混合物被點燃后，管道內的溫度迅速上升，氣體受熱膨脹，管道內的壓力隨之迅速增加。

圖2　油氣爆炸超壓特性曲線Fig.2　The overpressure characteristic curve of gasoline-air vapor explosion

第2階段，開口泄流。當管道內壓力達到泄壓峰值時，管口處的薄膜破裂，管道內高度壓縮的氣體泄出，管道內的壓力也隨之下降。

第3階段，外部爆炸。當管道內的壓縮氣體泄出后，在管口附近形成較高濃度的聚集油氣團，火焰鋒面穿過油氣團時，隨即引發(fā)劇烈的爆炸，氣體受熱膨脹，壓力急劇上升，產生外部超壓。以濃度為1.5%時為例，對壓力曲線(圖2、圖3)以及火焰位置圖線(圖7)進行對比，可以知道，在火焰離開管道之后，管道內超壓達到最大值，對于外部超壓曲線來說，其壓力在火焰離開管道之前沒有較大的變化，在火焰離開管道之后，出現(xiàn)了壓力波動并達到超壓峰值，由此可以判斷，外部氣體燃燒爆炸導致了外部的超壓。對于這一現(xiàn)象，相關文獻[2，22-23]也給出了類似解釋。

圖3　管道外部超壓曲線Fig.3　External overpressure characteristic curve

第4階段，衰減震蕩。爆炸發(fā)生后，爆炸生成物與周圍的空氣進行劇烈的熱交換，油氣團內部溫度下降，壓力急劇衰減。管道內部因為壓力下降，產生負壓形成局部的真空區(qū)，將部分未燃燒油氣混合物倒吸入管道，與管道內的火焰鋒面碰撞時再次發(fā)生爆炸，壓力再次上升；爆炸后管道內的空氣再次被擠出管道，管道內壓力下降，隨之反復進行這2個過程，壓力振蕩衰減。

2.2　油氣濃度對油氣爆炸最大爆炸超壓峰值變化規(guī)律的影響

2.2.1管道內部超壓

圖4為不同油氣濃度下油氣管道內部超壓峰值曲線，實驗圖像可以看出，在不同油氣濃度下，長直管道內油氣爆炸超壓隨濃度變化呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

圖4　管道內部超壓特性曲線Fig.4　Internal overpressure characteristic curve

在濃度為1.73%時，最大爆炸超壓峰值取到最大值，大小約為10.416 kPa，對于這一現(xiàn)象，在已發(fā)表的文獻中有過論述[10,17]，其作用機理為：在油氣混合物處于較低濃度時，氧氣濃度較為充足，油氣混合物含量較少，可以實現(xiàn)充分的反應，此時油氣爆炸超壓的大小取決于油氣混合物初始的濃度；隨著油氣混合物濃度的增加，反應越來越劇烈，當反應物剛好可以消耗完氧氣時，爆炸超壓達到最大值，此時油氣混合物的濃度被稱為化學當量濃度；當濃度繼續(xù)增大時，氧氣含量相對較少，化學反應進行不完全，反應產物中生成大量的CO，CO被O2氧化為CO2，這個過程中大量能量沒有釋放出來，同時CO2含量的增加抑制了爆炸的強度，所以隨著油氣混合物濃度繼續(xù)的增大，油氣爆炸超壓值持續(xù)下降。

2.2.2管道外部超壓

由圖5可以看出，在不同油氣濃度下，長直管道外部壓力隨著油氣濃度的變化呈現(xiàn)一直增大的趨勢。這是由于隨著油氣濃度的增大，薄膜破裂后泄放到外部的油氣混合物逐漸增加，在外部發(fā)生的爆炸超壓液隨之增大。由于空氣的稀釋作用，在此次的實驗中，外部的油氣混合物濃度并沒有達到當量比濃度，所以呈現(xiàn)一直上升的趨勢。在濃度為1.73%時，外部超壓變化速率陡升，外部爆炸超壓發(fā)生躍升，說明此時外部油氣濃度達到了較為合適的濃度。

圖5　管道外部超壓特性曲線Fig.5　 External overpressure characteristic curve

2.2.3油氣濃度對平均升壓速率的影響

定義平均升壓速度=最大爆炸超壓峰值/達到最大爆炸超壓峰值所用的時間。升壓速度的大小直觀的反映了爆炸發(fā)生時能量釋放速度的快慢，升壓速度越大，能量釋放速度越快。由圖6曲線可以看出，初始濃度為1.29%時，升壓速度較小，隨著濃度的增加，升壓速度加快，并在濃度為1.73%時達到最大，約為333.45 kPa/s，當濃度繼續(xù)增加時，升壓速率隨之下降。同時可以從曲線看出，升壓速率增加的變化率隨著濃度的增加而減小，其減小的變化率也隨著濃度的增加而減小。

圖6　不同濃度下升壓速率曲線Fig.6　The curve of rate of pressure rise under different concentrations

2.3　油氣濃度對火焰行為的影響

2.3.1油氣濃度對火焰鋒面位置的影響

圖7顯示的是在5種不同油氣濃度(YCH)工況下火焰鋒面位置隨時間的變化關系。火焰鋒面的具體位置是通過測量管道底部與火焰鋒面之間在管道軸線方向上的最大距離來獲得[13]。從圖中可以看出，濃度的變化對于火焰鋒面位置的變化有著較為顯著地影響。當濃度較小時(以YCH等于1.29%為例)，火焰鋒面位置變化速度較慢，達到同一位置所需要花費的時間最多，當濃度上升時(以YCH等于1.5%為例)，火焰鋒面位置變化速度有所提升。較為巧合的是，當濃度達到1.73%和1.87%時，二者的火焰鋒面移動速度十分相似，這說明在這個濃度范圍內，參與反應的反應物當量比較為合適，化學反應速度達到了最大。當濃度繼續(xù)增大時，火焰鋒面位置變化速度下降。同時可以從圖中觀察，火焰鋒面達到出口位置時，各工況在濃度由小到大的順序下分別花費了54，42，34，34和50 ms，達到最大火焰鋒面位置所花時間分別是57，50，42，44，53 ms左右。可見濃度的變化對火焰鋒面位置的傳播速度有著較大的影響，在當量濃度比下，火焰鋒面位置的傳播速度最大，并且在當量濃度比下火焰鋒面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x也更遠。

圖7　5種不同濃度工況下火焰鋒面位置曲線Fig.7　The flame front position under five different concentrations

2.3.2火焰形態(tài)隨時間變化規(guī)律

圖8為高速攝影儀記錄下的在2種不同濃度下管道內油氣爆炸火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)隨時間變化的圖像。根據火焰鋒面位置曲線，選取2種位置曲線較為一致的工況進行火焰形態(tài)的分析。從圖8中可見，管道內火焰的瞬變行為可以分為以下4個階段：

圖8　油氣濃度為1.73%(結構2)和1.87%(結構1)時火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)Fig.8　The flame propagation form with gasoline-air concentration of 1.73%(configuration 1) and 1.87%(configuration 2)

第1階段，0時刻至30 ms，層流拉伸階段。當管道內氣體被點爆時，點火端發(fā)出明亮的火焰，以點火端為中心，火焰陣面呈現(xiàn)規(guī)則的球面形狀向四周擴散，當火焰陣面分別到達右壁面、上下壁面后，火焰被擠壓發(fā)生變形，以橢圓形形狀向開口處運動，火焰陣面球面曲率逐漸減小，火焰陣面逐漸轉變?yōu)椤爸讣庑汀薄Ｍ瑫r可以明顯的看出，燃燒的火焰區(qū)域有著明顯的分區(qū)現(xiàn)象，火焰前沿有一個近球形的黃色火焰燃燒區(qū)域，火焰外圍為藍色火焰鋒面區(qū)域，這種分區(qū)現(xiàn)象是因為在藍色火焰鋒面區(qū)域，油氣混合物與空氣接觸發(fā)生了完全的燃燒；而在黃色火焰燃燒區(qū)域，由于高溫的誘導，同時因為部分燃燒不完全,產生了一定量的碳粒子，故而發(fā)出了明亮的黃色。

第2階段，>30～40 ms，破壞變形階段。隨著管道內壓力的震蕩增加，管道端口處薄膜破裂，在壓力波的驅動下管道破口處產生強烈的泄流現(xiàn)象，破口處的擾動增強了管道內的湍流度。根據Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定可以知道，當低密度的燃燒油氣產物向高密度未燃油氣反應物加速時，其過程是不穩(wěn)定的，其表現(xiàn)為火焰陣面的扭曲與變形。同時，火焰陣面前方的未燃氣體受熱膨脹，使得火焰陣面處的密度場發(fā)生較為復雜的變化。未燃燒區(qū)域產生較小的渦流，火焰陣面進一步發(fā)生拉伸變形，這被稱為亥姆霍茲不穩(wěn)定性。可以從圖中看到破口處火焰陣面與管道內層流拉伸時形態(tài)的不同，此時火焰陣面呈現(xiàn)毛刷狀湍流火焰的形態(tài)。

第3階段，>40～45 ms，管道外爆炸階段。在壓力波與火焰的驅動下，大量高速運動的未燃油氣從破口處泄出，發(fā)生迅速的膨脹與形變，管道外部流場發(fā)生深刻復雜的變化。火焰發(fā)生反轉、拉伸與分層的現(xiàn)象，形成類似蘑菇云的形狀。在圖8(a)中時間為45 ms時，可以看到火焰上層為藍色的火焰、下層為橙黃色火焰。這是因為，在上層火焰中，反應物為以甲烷為主的低碳原子數分子，其反應呈現(xiàn)淡藍色火焰；在下層火焰中，反應物為高碳原子數分子，其反應呈現(xiàn)的是亮黃色的顏色。

第4階段，45 ms之后為回流燃燒階段。當管道外部油氣爆炸反應結束后，管道內部氧氣被消耗殆盡，剩余大量低密度油氣產物，在氣壓作用下，外部空氣及未燃燒完的油氣一同倒吸入管道內，此時的燃燒為不完全燃燒，火焰呈現(xiàn)橙紅色的外觀。

2.3.3油氣濃度對油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁敲枋鲇蜌獗ǔ潭鹊闹匾獏担瑘D9反應的是在不同油氣濃度下，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間的變化曲線。

圖9　不同濃度下火焰的傳播速度Fig.9　The flame propagation speed under different concentrations

定義火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋?/p>

式中：xn與xn-1分別代表第n時刻與第n-1時刻火焰鋒面的位置；△t代表這2個時刻的時間間隔；因為時間間隔非常短，所以v近似看做中間時刻的瞬時速度。

從圖9可以看出，在所有濃度下，火焰?zhèn)鞑ニ俣榷际浅尸F(xiàn)先增大，后減小的趨勢。不同濃度下最大火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌渲校瑵舛葹?.73%時最大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅_到了102.93 m/s；隨著濃度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募铀俣认仍龃螅鬁p小，濃度為1.73%和1.87%時，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙羁臁Ｍ瑫r，還可以從圖中看出，在火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到峰值前，上升較為平穩(wěn)，接近于線性。這是因為火焰在管道內傳播時，為層流拉伸狀態(tài)，火焰保持勻速傳播；而在管道外空間爆炸后，能量迅速釋放，火焰的傳播速度隨即迅速下降。

3　結論

1)半開口管道內油氣爆炸可以分為以下4個階段：定容爆炸階段、開口泄流階段、外部爆炸階段和衰減震蕩階段。管道油氣爆炸超壓峰值呈現(xiàn)隨濃度增加先增大后減小的趨勢。升壓速率隨著濃度的增加也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在當量濃度比下的油氣爆炸升壓速率最快，同時超壓峰值也最大。

2)初始油氣濃度對火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣扔兄@著影響。在當量濃度比下，火焰鋒面位置的傳播速度最大，并且在當量濃度比下火焰鋒面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x也更遠。

3)管道內的火焰瞬變行為可以分為4個階段：層流拉伸階段、破壞變形階段、管道外爆炸階段以及回流燃燒階段。火焰最初以球形隨后以“指尖型”形態(tài)在管道內傳播，經過管道端面破口處的擾動后，火焰呈現(xiàn)毛刷狀湍流火焰的形態(tài)。火焰受湍流擾動以及Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定等的影響，在管道外翻轉拉伸形成蘑菇云。

4)初始油氣濃度對火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)以及傳播速度有明顯的影響。對火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的影響主要體現(xiàn)在破壞變形以及管道外爆炸階段，隨著濃度增加，爆炸半徑先增大后減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)相同的變化規(guī)律。

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