封閉管道油氣爆炸超壓及火焰傳播特性*

蔡運雄，杜 揚，王世茂，劉 沖，胡文超，張 霖

(陸軍勤務學院 油料系，重慶 401311)

0 引言

汽油是重要的動力燃料，其易燃易爆和易揮發的特性給安全生產造成較大威脅。通常，局部空間內汽油蒸氣與空氣混合形成的可燃氣體，其濃度在爆炸極限范圍內，遇到合適能量的點火源時，便可能發生爆炸。

近些年，研究者們主要就氫氣[1]、甲烷[2]、正丁烷[3]、氫氣與一氧化碳的混合物[4]等可燃氣體在不同初始條件下的燃燒特性進行了研究。研究重點主要為反應機理、爆炸超壓和火焰傳播特性等[5-10]。雖然油氣與其他可燃氣體在燃燒過程、反應機理等方面有許多相似之處，但其成分更加復雜，因此油氣與氫氣、甲烷等單一可燃氣體相比，燃燒特性具有一定差異性。杜揚等[11]對含弱約束端面的管道內油氣爆炸特性進行了研究，分析了爆炸超壓規律和火焰發展規律，發現了弱約束端面對爆炸超壓和火焰傳播速度的增強作用；吳松林等[12]研究了不同點火方式對受限空間中油氣的爆燃規律的影響，發現其火焰結構和顏色存在不同，并分析了超壓曲線的典型特征；Qi等[13]研究了油氣在端部開口管道中的爆炸火焰行為，并分析了火焰結構及形成原因。

目前，關于可燃氣體的研究多以氫氣、甲烷等單一成分氣體為主，關于油氣的研究多以總結超壓規律和火焰表觀特征為主，對于其反應機理、火焰行為的研究解釋有待深入。本文針對封閉短管道內油氣的爆炸特性進行研究，獲得其爆炸超壓數據和火焰行為圖像，并分析相應的機理，為研究油氣防爆抑爆提供參考價值。

1 實驗系統與方案

實驗系統主要由實驗管道、配氣及循環系統、油氣體積濃度測試儀、高能無干擾點火器、動態數據采集系統、同步觸發控制器、高速攝影儀和計算機等組成，具體如圖1所示。實驗所用管道內截面面積為100 mm×100 mm，長度為1 000 mm，材質為透明亞克力材料，兩端封閉。數據采集使用東華測試公司研制的動態數據采集系統，利用壓力傳感器采集油氣爆燃超壓信號，并通過瞬態信號測試分析軟件將信號處理為超壓數據。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

實驗中，首先用配氣及循環系統向短管道內充入油氣，并且使其分布均勻，油氣體積濃度測試儀實時測試管內油氣濃度，當油氣濃度達到設定值并且參數在30 s內保持不變時，開始下一步。然后，用高能無干擾點火器點燃油氣，動態數據采集系統采集超壓數據，高速攝影儀拍攝油氣爆燃時的火焰畫面。其中，點火器、數據采集系統和攝影儀的同步啟動由同步觸發控制器控制。實驗初始溫度為293 K，初始壓力為101 kPa，點火能量為2.5 J，燃料為93#汽油，為研究不同油氣濃度下的爆炸特性，管道內的初始油氣體積分數分別設為0.86%，1.08%，1.21%，1.38%，1.73%，1.90%，2.15%和2.65%，共8種不同工況，為保證實驗的可重復性，每種工況的實驗至少重復5次。

2 實驗結果與分析

2.1 爆炸超壓及分析

爆炸超壓數值是重要的油氣爆炸特征參數，超壓數值的變化規律可以反映出爆炸的發展過程，8種不同濃度油氣的爆炸超壓隨時間的變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，不同初始體積分數的油氣爆炸超壓時序曲線呈現出較大的差異性，無論是最大超壓峰值還是出現超壓峰值的時刻都不相同，但總體看來，超壓都是先上升后下降。以初始體積分數為1.73%的油氣爆炸超壓時序曲線為例進行深入分析，結果如圖3所示。圖3展示了爆炸超壓隨時間變化曲線及關鍵時刻的火焰形態，可將超壓發展過程大致分為3個階段，第1次超壓上升階段(0～46 ms)、第2次超壓上升階段(46～213 ms)和超壓下降階段(>213 ms)。

圖2 不同濃度油氣爆炸超壓隨時間的變化曲線Fig.2 Change curves of explosion overpressure with time under different concentrations of gasoline-air

圖3 1.73%濃度油氣爆炸超壓隨時間變化Fig.3 Change of explosion overpressure with time at concentration of 1.73%

在第1次超壓上升階段，油氣被點燃后，火焰開始向四周擴散，剛開始參與反應的油氣成分和氧氣相對較少，因此初始階段的超壓曲線上升趨勢不大。但此時燃燒生成的熱量促使高碳組分分解為低碳組分，可燃氣體混合物各分子之間相互碰撞，產生許多激發態基團，圍繞在火焰鋒面的周圍，這些基團接下來會迅速參與反應，于是火焰面積增大，燃燒變得激烈，超壓上升趨勢變快，直到第1次超壓上升階段結束，超壓上升趨勢始終處于加快狀態。1.73%濃度油氣爆炸超壓第1次超壓上升階段結束時刻為33 ms。在第1次超壓上升階段，超壓上升趨勢一直在變快，之后，超壓上升趨勢會先變慢再變快，即第2次超壓上升階段。結合圖3可以看出，在第1階段結束前，燃燒越來越激烈，在點火器發出電火花之后的18 ms內，火焰由一點向四周均勻發展成球狀。但由于實驗容器是狹長式管道，徑向尺寸小于軸向尺寸，在18 ms以后，火焰在管道徑向的發展受到限制。在18～33 ms，火焰與管道壁面的接觸面積不斷增大。管道壁面溫度低于火焰溫度，會有導熱現象發生，所以存在能量損失。一方面，燃燒越來越激烈，火焰面積越來越大，促進超壓上升趨勢變快，另一方面，徑向火焰發展受限，能量損失增加，促使超壓上升趨勢變慢，當兩者效果抵消時，就會在超壓時序曲線上出現拐點。

在第2次超壓上升階段，超壓上升趨勢先變慢后變快再變慢，直到超壓達到最大值。開始時由于火焰與壁面接觸面積不斷增大，超壓上升趨勢變慢，由此導致的能量損失越來越多，而且火焰的徑向發展受限，兩者帶來的影響相對較大， 所以超壓上升趨勢會變慢，甚至當初始油氣濃度為0.86%時，在油氣被點燃后的221～357 ms出現了壓力下降的情況，這是因為能量的耗散大于釋放，油氣燃燒產生的增壓效果較弱，所以出現壓力下降情況。接著，超壓上升趨勢變快，因為在這段時間里，燃燒越來越激烈，帶來的增壓效果越來越強，而徑向火焰發展受限和壁面導熱帶來的影響逐漸減弱，所以超壓上升趨勢變快。隨著燃燒反應的進行，管道內油氣成分和氧氣逐漸被消耗，在超壓達到最大值之前，燃燒的激烈程度已經開始減弱，所以超壓上升趨勢會變慢。對于不同初始濃度的油氣，當體積分數為1.73%時，管道內的最大超壓峰值最大，而且達到最大超壓峰值所用的時間最短。而初始濃度為1.73%和1.90%的2種油氣，在超壓上升階段各個時刻的超壓變化趨勢比較接近，超壓數值也比較接近。

在超壓下降階段，管道內油氣成分和氧氣進一步被消耗，火焰逐漸潰散熄滅，此時的燃燒反應速率和能量釋放速率已經變得很低，而且存在著管道壁面導熱的現象，所以超壓呈現下降趨勢。

從圖2可以看出，隨著初始油氣濃度的增加，當初始油氣濃度為1.90%，2.15%和2.65%時，分別在168～303 ms，182～330 ms和566～772 ms出現了明顯的壓力振蕩現象。說明密閉管道內的油氣爆炸，當初始濃度較大時，會在最大超壓峰值附近產生壓力振蕩。部分學者給出的解釋是，爆炸產生的壓力波在管道內產生折射和反射，并且與火焰鋒面相互耦合，促使流場湍流度增加，共同促進了壓力振蕩，并且使得最大超壓峰值增大[14-15]。

到目前，不同的學者對于最大超壓峰值的研究比較多，但關于爆炸發生初始階段的研究相對較少，下面著重分析第1次超壓上升階段。表1所示為不同初始濃度油氣爆炸第1次超壓上升階段的持續時間、結束時刻的超壓數值和平均升壓速率，圖4和圖5是由表1實驗數據所作的曲線圖。這幾個數據在一定程度上反映了受限空間條件下，油氣爆炸初始發展階段的激烈程度和壁面邊界對火焰發展的干擾程度。

表1 不同濃度油氣爆炸第1次超壓上升階段的持續時間、結束時刻的超壓數值和平均升壓速率Table 1 The time spent in the first overpressure rise phase, overpressure value at the end time and average pressure rise rate under different initial concentration

圖4 油氣爆炸第1次超壓上升階段的持續時間、結束時刻的超壓數值與初始油氣濃度的關系Fig.4 Relationship between duration time of first overpressure rise stage, overpressure value at end time and initial concentration of gasoline-air mixture

圖5 油氣爆炸第1次超壓上升階段平均升壓速率與初始油氣濃度的關系Fig.5 Relationship between average pressure rise rate of first overpressure rise stage and initial concentration of gasoline-air mixture

結合表1、圖4和圖5分析可以得出，對于封閉短管道內油氣爆炸，隨著初始油氣濃度的增大，第1次超壓上升階段的持續時間呈現出先減小后增大的趨勢，在初始油氣濃度為1.73%時取得最小值，為33 ms。并且，持續時間與初始油氣濃度的對應關系可以擬合為二次函數，如式(1)，相關系數R2為0.907 6。

t=3.01C2-11.004C+10.664

(1)

式中：t表示第1次超壓上升階段的持續時間，ms；C表示初始油氣濃度，vol.%。

與持續時間的變化趨勢相反，第1次超壓上升階段結束時刻的超壓數值卻隨著初始油氣濃度的增大，呈現出先增大后減小的變化趨勢，但同樣在初始油氣濃度為1.73%時取得最大值，為58.5 kPa。同樣，超壓數值與初始油氣濃度的對應關系可以擬合為二次函數，如式(2)，相關系數R2為0.901 5。

P=-24.739C2+85.257C-17.463

(2)

式中：P表示第1次超壓上升階段結束時刻的超壓數值，kPa；C表示初始油氣濃度，vol.%。

用結束時刻的超壓數值除以持續時間，便得到平均升壓速率，結合圖4中2個參數的變化趨勢，不難得出，平均升壓速率隨著初始油氣濃度的增大會先增大，后減小，如圖5所示。同樣，在1.73%時取得最大值，為1.773 kPa/ms，兩者的對應關系擬合為二次函數，如式(3)，相關系數R2為0.924 0。

ν=-1.676C2+6.026C-3.847

(3)

式中：ν表示第1次超壓上升階段的平均升壓速率，kPa/ms；C表示初始油氣濃度，vol.%。

第1次超壓上升階段的持續時間越短，說明爆炸初始階段的的發展越激烈，火焰鋒面很快就發展到與管道壁面相接觸。初始油氣濃度為1.73%時，在短時間里超壓數值就可以提升很多，爆炸初始階段發展最激烈，無論濃度減小或增大，激烈程度都會減弱。這一結論與許多學者得到的結論相近，當可燃氣體濃度接近化學當量比時，燃燒反應速率最快，能量釋放速率最大[16-17]。

2.2 爆炸火焰行為及分析

目前，許多學者就管道內可燃氣體爆炸時的火焰傳播特性做了研究，包括火焰的傳播速度、火焰的顏色和火焰的形態等。其中關于火焰形態的研究，由于流場的不穩定性，使得火焰形態變化多端，在細微結構上難以捉摸，所以學者們大多給出了各階段火焰的大致形態特征。其中出現比較多的是Tulip火焰，下面著重分析Tulip火焰的形成及發展。圖6所示為不同初始濃度油氣爆炸時的火焰鋒面形態變化圖像。

圖6 不同初始濃度油氣爆炸時的火焰鋒面形態變化Fig.6 Change of flame front shape under different initial concentrations of gasoline-air mixture

結合圖6可以看出，無論是低濃度還是高濃度的油氣在密閉管道中的爆炸，都有產生Tulip火焰的趨勢。當初始油氣濃度分別為1.21%，1.38%，1.73%和1.90%時，Tulip火焰形成后，一直保持到火焰鋒面傳播到管道右端。當初始油氣濃度為0.86%時，從225 ms開始，火焰鋒面開始從中心位置向內凹，直到285 ms形成近似Tulip火焰的鯊魚嘴形狀火焰，之后下側火焰鋒面消退，到465 ms時形成刀尖形火焰。對于刀尖形火焰的形成，部分學者將其歸因為重力和火焰不穩定性的相互作用。與0.86%濃度油氣相似，當初始油氣濃度為1.08%時，從90 ms開始逐漸形成Tulip火焰，到200 ms時形成明顯的Tulip火焰，但接著向鯊魚嘴形狀火焰轉變，到440 ms時形成刀尖形火焰。當初始油氣濃度為2.15%時，從55 ms開始逐漸形成Tulip火焰，到95 ms時形成典型的Tulip火焰，但接著向鯊魚嘴形狀火焰轉變，到210 ms時形成鯊魚嘴形狀火焰，此時火焰鋒面接近管道右端，所以沒有轉變為刀尖形火焰。當初始油氣濃度為2.65%時，從145～240 ms逐漸形成Tulip火焰，接著轉變為鯊魚嘴形狀火焰，325 ms時形成刀尖形火焰。所以密閉管道中低濃度和高濃度的油氣爆炸，火焰在傳播的過程中，其形狀也有向Tulip火焰轉變的趨勢，然后經由鯊魚嘴形狀火焰轉變為刀尖形火焰。

在分析Tulip火焰的形成及發展中發現，在已經成形的Tulip火焰上，凹陷形成的火焰尾部會隨著時間上下搖擺，并且從火焰鋒面中脫落，這種運動形式類似于卡門渦街，這也說明了火焰傳播過程中的流場不穩定性。

由于火焰傳播速度的不同，不同初始濃度油氣在密閉管道中開始形成Tulip火焰的時刻不同，Tulip火焰形態特征最明顯的時刻不同，并且從開始形成Tulip火焰到形態特征最明顯所用的時間也不同，具體關系如圖7所示，由于當初始油氣濃度為0.86%時，管道中沒有形成明顯的Tulip火焰，所以圖7中不包括這種工況的數據。

圖7 Tulip火焰形成與初始油氣濃度的關系Fig.7 Relationship between formation of Tulip flame and initial concentration of gasoline-air mixture

結合圖7可以看出，隨著初始油氣濃度從0.86%到2.65%，管道中開始形成Tulip火焰的時刻、Tulip火焰形態特征最明顯的時刻和從開始形成Tulip火焰到形態特征最明顯所用的時間都呈現出先減小后增大的趨勢，并且都是在初始油氣濃度為1.73%時取得最小值，分別為45，82.5，37.5 ms，說明油氣濃度對Tulip火焰的形成及發展具有很大的影響，三者與初始油氣濃度的對應關系都可以擬合為二次函數， 分別如式(4)～(6)所示，相關系數R2分別為0.976 9，0.963 9和0.948 9。

t′=13.555C2-47.342C+46.091

(4)

t″=7.809C2-28.769C+29.254

(5)

Δt=5.614C2-21.850C+23.140

(6)

式中：t′表示管道中開始形成Tulip火焰的時刻，ms；t″表示Tulip火焰形態特征最明顯的時刻，ms；Δt表示從開始形成Tulip火焰到形態特征最明顯所用的時間，ms；C表示初始油氣濃度，vol.%。

3 結論

1)油氣爆炸超壓發展過程大致分為3個階段：第1次超壓上升階段、第2次超壓上升階段和超壓下降階段。第1次超壓上升階段出現在爆炸發生的初始階段，結束于超壓時序曲線出現拐點的時刻。在此階段，超壓上升趨勢一直在變快，接著，超壓上升趨勢會變慢，原因是燃燒越來越激烈、火焰徑向發展受限和管道壁面導熱現象造成能量損失分別對超壓上升趨勢帶來的不同影響。

2)初始油氣濃度對爆炸初始階段的發展具有很大的影響。第1次超壓上升階段的持續時間、結束時刻的超壓數值和平均升壓速率與初始油氣濃度對應關系都可以擬合為二次函數，都在初始油氣濃度為1.73%時取得極值，該濃度下的油氣爆炸初始階段發展最激烈。

3)密閉管道內的油氣爆炸，當初始濃度較大時，在最大超壓峰值附近，會產生壓力振蕩現象。

4)各種濃度油氣在密閉管道中的爆炸，都有形成Tulip火焰的趨勢，當油氣濃度適中時，Tulip火焰會一直傳播到管道末端。當油氣濃度過高或過低時，會先形成Tulip火焰，接著轉變為鯊魚嘴形狀火焰，最后形成刀尖形火焰，或者直接由鯊魚嘴形狀火焰轉變為刀尖形火焰。

5)初始油氣濃度對Tulip火焰的形成及發展具有很大的影響。隨著初始油氣濃度的升高，管道中開始形成Tulip火焰的時刻、Tulip火焰形態特征最明顯的時刻和從開始形成Tulip火焰到形態特征最明顯所用的時間都呈現出先減小后增大的趨勢，三者與初始油氣濃度的對應關系都可以擬合為二次函數，都在初始油氣濃度為1.73%時取得最小值，該濃度下的油氣爆炸最容易形成Tuilp火焰。