不同分支坑道分布形式及分布位置對油氣爆炸超壓特性的影響*

吳婧斯，張培理，王 冬，劉慧姝，肖 俊

（中國人民解放軍陸軍勤務學院油料系, 重慶 401311）

油蒸氣與空氣的混合物著火或爆炸事故是能源化工領域常見的安全事故，這類事故經常導致人員傷亡和巨額經濟損失[1]。據統計，在天然氣、石油化工等行業中，這類爆炸事故在事故總數中所占的比例高達60%[2]。因此，研究各類受限空間油氣爆炸過程的基本機理和規律，對避免這類安全事故的發生或在這類事故發生時減少人員傷亡和經濟損失具有重要意義。

可燃氣體爆炸過程研究是安全防護領域的基礎研究工作。前人對受限空間可燃氣體爆炸過程研究的關注，大多集中在簡單受限空間（容器）中，如球形容器[3-4]、柱形直管道[5-7]、彎曲管道[8-11]等。然而，實際工程中分支結構坑（管）道的應用非常普遍，如油料儲備洞庫坑道、煤礦開采巷道、天然氣管網、甚至城市地下通道等。這類分支結構在坑道內發生可燃氣體爆炸時，其火焰傳播行為和超壓發展特性不同于簡單的球形和柱形容器中的氣體爆炸[1,12-15]。這主要是由于分支結構坑道的存在，使火焰和壓力波在多個支通道內傳播發展，一方面會產生多個不同的火焰鋒面，火焰燃燒的總面積及熱釋放速率會大大增加[8-9]，另一方面，分支結構坑道也會誘導產生多個壓力波，使受限空間內壓力場的分布和發展更加復雜[15-16]。同時，爆炸發展過程中，支坑道也會對整個流場內的湍流度產生嚴重影響[12,14]。由密閉容器內的爆炸理論可知，湍流、火焰速度、超壓三者之間存在正反饋機制[13]，因此，這種具有分支結構的坑道內氣體爆炸，最顯著的特征表現為湍流、火焰、壓力波三者之間的強烈耦合和相互激勵。

從分支坑道結構來看，影響油氣爆炸超壓特性的因素至少包括分支坑道分布形式、分支坑道位置、分支坑道數量、分支坑道長度等。本文中重點關注分支坑道分布形式及分布位置對油氣爆炸超壓特性的影響。其中，分支形式包括一字排開、交錯布置、相對布置3 種工況，分布位置包括靠近點火端、均勻分布、遠離點火端3 種工況。然而，從目前掌握的文獻來看，在非直管（坑）道結構容器內可燃氣體爆炸的研究工作，大多關注集中在Z 型管道[17]、L 型管道[18-19]、T 型管道[12,14]、分叉管道[20]等結構容器內。一方面，由于多分支結構坑道的特殊性，前人在上述結構管道內獲得的可燃氣體爆炸規律與機理尚不能推廣至多分支結構坑道內；另一方面，上述文獻涉及的可燃氣體大多集中在甲烷[5,16]、氫氣[6,9]、瓦斯[3,10-11,19]、丙烷[4,17-18]、乙烯[7]等工業氣體，針對油氣這類特殊的可燃氣體研究的文獻并不多。

本文中以汽油蒸氣與空氣的混合物為研究對象，重點討論3 種不同坑道分布形式和3 種不同坑道分布位置對油氣爆炸超壓特性（主要包括最大超壓、最大超壓時間、超壓上升速率、爆炸強度指數等）的影響規律，旨在為洞庫結構布局和安全防護設計提供理論和數據支撐，以便在發生油氣爆炸時能避免或減小財產損失和人員傷亡。

1 實驗裝置和方法

實驗裝置主要由實驗臺架、汽油蒸發裝置、真空循環泵、數據采集系統、點火系統和計算機等組成，實驗系統布置如圖1 所示。

圖1 實驗系統布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup

實驗在截面為200 mm×200 mm 的方形鋼制可組合式密閉坑道內進行，坑道總長6 m（含支坑道），由長度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m 的若干可組合段組成。每段容器都配有多個端口，用于氣體供給、排出閥、壓力傳感器和點火電極接口，可以實現不同分支坑道分布形式及分布位置下的油氣爆炸超壓特性實驗研究。

采用的油氣霧化循環配氣系統的實物和結構如圖2 所示，由空氣泵、油瓶、閥門、三通和軟管、HC 紅外分析儀組成。其中空氣泵為廣東海利集團有限公司生產的ACO 系列電磁式空氣泵，功率60 W，流量82 L/min。HC 紅外分析儀為北京均方理化科技研究所研制的GXH-1050E 型紅外線智能化分析儀器。采用東華測試公司研制的超動態壓力采集與分析系統采集數據，爆燃超壓信號由壓力傳感器采集，并通過瞬態信號測試分析軟件將信號處理為超壓數據。傳感器為寶雞市智星傳感器有限責任公司ZXP610 型壓阻式高頻瞬態壓力傳感器，量程0～2 MPa，精度誤差小于0.5%。

圖2 油氣霧化循環配氣系統Fig. 2 Gasoline atomization circulation system

配氣時，用油氣霧化循環配氣系統向容器內充入油氣，并且使其分布均勻。操作如下：打開1、2 號閥門，關閉3、4 號閥門，利用空氣泵產生的高壓氣流使汽油迅速揮發產生蒸氣，充入實驗容器；待充入一定汽油蒸氣后，關閉1、2 號閥門，打開3、4 號閥門，當需要增加較小油氣濃度時可4 個閥門全開來充入汽油蒸氣；油氣濃度通過HC 紅外分析儀實時監測，當油氣濃度達到設定值且數值在30 s 內保持不變時，認為容器內油氣混合均勻，關閉空氣泵和所有閥門。用高能無干擾點火器點燃油氣引發爆炸，同時進行壓力數據采集及存儲。爆炸結束后，用鼓風機吹掃容器內的燃燒產物。實驗初始溫度為 293 K，初始壓力為 101 kPa，點火能量5 J，點火頭均放置在主坑道內最左側端蓋中心位置處。

在密閉容器中開展了支坑道總數為4、相同初始油氣濃度、相同體積但不同支坑道分布形式及分布位置下的油氣爆炸實驗。重點關注支坑道數量及支坑道長度不變的情況下，支坑道不同分布形式及分布位置對坑道內的油氣爆炸超壓特性的影響。其中坑道的分布形式設置為一字排開、交錯布置、相對布置3 種情況，坑道的分布位置設置為靠近點火端、均勻分布、遠離點火端3 種情況，上述分支坑道的分布形式及分布位置設計如圖3 所示，圖4 為某分布形式及某分布位置下的實驗概況圖。

圖3 分支坑道分布形式和分布位置設計圖Fig. 3 Design for distribution form and location of branch tunnels

圖4 實驗概況圖Fig. 4 Images of experimental devices

爆炸過程由壓力傳感器和采集卡記錄，測量精度為0.1%，動態響應時間為1 ms，用電火花塞點火瞬間產生的電脈沖觸發數字存儲示波器，對壓力-時間信號和觸發信號進行監測和存儲。最大超壓pmax（表示爆炸的熱釋放量）和最大超壓上升速率dp/dt（表示爆炸的熱釋放速率）是根據壓力時間歷程得出的[21]。用FFT 方法或三次樣條函數對數據進行平滑處理后，由p-t圖計算pmax。壓力上升率通過數值推導，使用Savitzky-Golay 方法，基于數據中移動窗口的最小二乘四次多項式擬合來計算。

油氣爆炸的體積分數范圍為1.0%～2.8%[22]，考慮實驗安全性，設計初始油氣體積分數為1.2%，所用汽油類型為常見的92#車用汽油揮發制成（中國石油化工股份有限公司生產）。

所有工況的壓力傳感器均沿主坑道及支坑道均勻布置，由于不同測點測得的壓力值比較接近，因此文中所采用的壓力數值均為所有測點壓力數值的算術平均值。為確保實驗結果準確，對每一工況都進行3 次重復實驗，實驗重復性較好。實驗數據分析中，選取爆炸超壓特征值（最大超壓、最大超壓時間、超壓上升速率、爆炸強度指數進行重點分析）。

2 實驗結果

可燃氣體爆炸超壓特性主要包括最大超壓、達到最大超壓的時間、平均超壓上升速率（最大超壓/達到最大超壓的時間）、最大超壓上升速率、爆炸強度指數等，上述超壓特性參數均可由超壓歷程曲線獲得。下面重點討論分支坑道分布形式和分布位置對油氣爆炸超壓特性的影響規律。

2.1 分布形式對爆炸超壓特性的影響

圖5～6 分別為密閉容器內相同容積（0.24 m3）和初始油氣體積分數（1.2%）條件下，不同分布形式下的油氣爆炸超壓和超壓上升速率歷程曲線。

圖5 不同分布形式下超壓歷程曲線Fig. 5 Overpressure history curves of different distribution forms

圖6 不同分布形式下超壓上升速率歷程曲線Fig. 6 Overpressure rising rate history curves of different distribution forms

從圖5～6 可以看出，一字排開與交錯布置兩種形式下的爆炸超壓和超壓上升速率歷程曲線高度重合，兩者的爆炸最大超壓、達到最大超壓的時間、最大超壓上升速率、達到最大超壓上升速率的時間均非常接近，分別約為520 kPa、83 ms 和23 MPa/s、67 ms。而相對布置與前兩種分布形式的爆炸超壓及超壓上升速率歷程則明顯不同，其最大超壓為455.25 kPa，超壓上升速率為14.79 MPa/s，分別比一字排開和交錯布置兩種形式低12.45%和34.4%。從時間上看，相對布置達到最大超壓和最大超壓上升速率對應的時間分別為108.89、88.53 ms，分別比一字排開和交錯布置兩種形式延后約25.89、21.53 ms。

超壓上升速率反映了爆炸的劇烈程度，除了超壓上升速率，爆炸強度指數也是衡量爆炸破壞力的一個重要參數，廣泛應用于涉及瓦斯爆炸的壓力容器的工程設計和風險評估[23]，其定義如下：

式中：V為爆炸容器的體積，(dp/dt)max為最大超壓上升速率。

為了便于對比分析，將上述3 種分布形式的主要爆炸超壓特性，包括爆炸最大超壓、達到最大超壓的時間、平均超壓上升速率、最大超壓上升速率、最大超壓上升速率時間（指達到最大超壓上升速率的時間）以及爆炸強度指數KG列于表1。

將表1 中的爆炸超壓特性主要參數繪制成圖，如圖7 所示。

表1 相同初始油氣濃度條件下不同分布形式下的爆炸超壓特性Table 1 Explosion overpressure characteristics of different distribution forms under the same initial fuel concentration

圖7 不同分布形式爆炸超壓特性特征值Fig. 7 Explosion overpressure characteristic values of different distribution forms

從表1 和圖7 可以看出：（1）一字排開和交錯布置兩種形式下的爆炸超壓特性基本一致，這主要是由于從幾何形狀上看，一字排開與交錯布置兩種形式各分支坑道在主坑道的位置是一致的，區別在于第1、3 支坑道與第2、4 支坑道是否在主坑道同一側，實際上，當爆炸火焰沿主坑道發展至各支坑道時支坑道位于主坑道哪一側并不會對爆炸過程造成影響。（2）相對布置形式下的最大超壓、最大超壓上升速率、爆炸強度指數在3 種布置形式中均最低，一字排開和交錯布置形式下的最大超壓、最大超壓上升速率、爆炸強度指數分別約是相對布置形式下的1.14 倍、1.52 倍、1.52 倍。相對布置形式達到最大超壓和最大超壓上升速率的時間也有所延后，分別約為另兩種工況的1.31 和1.30 倍。這主要是由于：一方面，爆炸超壓特性與流場速度和湍流度密切相關，流場速度、湍流度越低，超壓峰值、上升速率、爆炸強度指數等超壓特性參數越低，反之，則越高，相對布置形式下支坑道兩兩對稱，較一字排開和交錯布置兩種形式流場不僅少了兩次湍流渦旋擾動的影響，還由于火焰發展至對稱支坑道結構處流動通道面積的突增導致了火焰速度的下降，因此必然導致較低的爆炸超壓特征參數；另一方面，爆炸超壓特性與火焰面積、火焰速度及熱損失密切相關，相對布置形式下火焰發展至對稱支坑道結構處由于火焰與容器接觸面積突然增大，導致火焰面熱損失增加，從而導致了較小的超壓、超壓上升速率峰值及爆炸強度指數。

上述實驗結果與結論也與王建等[24]的研究結論一致，他們通過對3 種不同分布形式坑道內的油氣爆炸過程進行數值模擬對比分析，認為坑道分布形式對火焰爆炸傳播過程有顯著影響，總容積不變時，一字排開和交錯布置坑道內的火焰速度及升壓速率均大于相對布置坑道。

2.2 分布位置對爆炸超壓特性的影響

圖8 為密閉容器內相同容積（0.24 m3）和初始油氣體積分數（1.2%）條件下，3 種不同坑道分布位置爆炸超壓隨時間變化的曲線。從圖8 可以看出，不同支坑道分布位置下的油氣爆炸超壓歷程曲線有較大差別。從超壓峰值數值上看，支坑道遠離點火端（498.1 kPa）要比靠近點火端（454.7 kPa）和沿主坑道均勻分布（453.3 kPa）兩種工況高約9.5%，而遠離點火端和沿主坑道均勻分布工況下的超壓峰值基本相當。考慮實驗的誤差，盡管遠離點火端比其他兩種工況的超壓峰值大，但差值在10%以內，我們基本可以認為3 種工況的超壓峰值大致相當。從達到超壓峰值的時間上看，靠近點火端、均勻布置、遠離點火端3 種工況分別為86.5、109.1、120.4 ms，即支坑道位置離點火端越遠，爆炸達到最大超壓值的時間越延后。

圖8 不同分布位置下超壓歷程曲線Fig. 8 Overpressure history curves of different distribution locations

造成上述現象的原因分析如下：從3 種工況下的實驗條件來分析，由于實驗臺架的總長徑比、支坑道數量、支坑道長度、分布形式等條件相同，加上坑道總體積、初始油氣濃度、初始溫度、初始壓強等初始條件也相同，因此油氣爆炸的峰值理論上是一致的。3 種工況實驗條件的區別僅表現在離點火端的距離上，分支坑道距離點火端越遠，分支坑道區火焰面積突增所導致超壓數值突升出現的時間越滯后。本文的實驗數據準確地反映了這一客觀事實。

圖9 是3 種不同分布位置下油氣爆炸超壓上升速率。從圖9 可以看出：

圖9 不同分布位置下超壓上升速率歷程曲線Fig. 9 Overpressure rise rate time history curves obtained from different distribution locations

（1）3 種分布位置油氣爆炸超壓上升速率均隨時間波動變化，按達到最大超壓上升速率的時間由近及遠分別是靠近點火端（50.9 ms）、沿主坑道均勻分布（89.1 ms）、遠離點火端（109.4 ms），這正是因為支坑道離點火端越遠，其產生的流場擾動對主坑道超壓增強作用的時間就越晚；

（2）3 種分布位置超壓上升速率變化趨勢各有不同，靠近點火端超壓上升區間（25～85 ms），期間經歷了3 次明顯振蕩（A、B、C），這是因為爆炸過程中，主坑道受到支坑道壁面拐角障礙和面積突增的影響，火焰燃燒速率增大，導致主坑道超壓顯著上升，且此時壓力波在支坑道處存在反射波、衍射波的疊加，最終匯集到主坑道形成復雜的爆炸波系帶來的壓力升高及振蕩；

（3）遠離點火端超壓上升區間（91～119 ms），在超壓上升速率最大處經歷兩次振蕩（D、E），這可能是因為雖然受到支坑道擾動的作用，爆炸超壓波速率迅速升高，但由于支坑道位置離主坑道端尾較近，前驅壓力波在到達主坑道尾端后反射回主坑道，對火焰傳播速率有減弱的作用，且主坑道火焰燃燒完后，支坑道內火焰還在繼續燃燒，使得超壓上升速率出現小幅振蕩；

（4）支坑道沿主坑道均勻分布，超壓上升速率呈現先增大后減小的規律，期間無明顯振蕩，這主要是因為由于支坑道沿主坑道均勻分布，主坑道火焰在遇到支坑道時，火焰傳播已經達到一定速度，支坑道帶來的壓力增強不會產生明顯振蕩，且支坑道離主坑道端尾也還有一定距離，因此反射波對火焰傳播速度的削弱繼而引起的壓力波減弱也不太明顯。

為便于比較，將上述3 種分布位置的爆炸超壓特性，包括爆炸最大超壓、達到最大超壓的時間、平均超壓上升速率、最大超壓上升速率、最大超壓上升速率時間以及爆炸強度指數KG列于表2。圖10 是根據表2 中的數據繪制的對比圖。

分析表2 和圖10 可以得到以下結論。

（1）不同分布位置下的爆炸超壓峰值、平均超壓上升速率基本一致。

（2）分支坑道距離點火端越遠，爆炸超壓峰值、最大超壓上升速率出現的時間越滯后。上述兩個結論的原因已在分析圖8～9 時給出，不再贅述。

（3）3 種不同分支坑道分布位置下，最大爆炸超壓上升速率和爆炸強度指數由大到小依次為：遠離點火端、靠近點火端、沿主坑道均勻分布。產生這一現象的原因，可能與受限空間可燃氣體爆炸傳播過程的自激勵過程和爆炸過程的放熱及熱損失有關，即分支坑道距離點火端距離越遠，爆炸強度指數越大；分支坑道距離點火端距離越近，出現最大火焰面積的時間越短，達到最大爆炸超壓上升速率的時間越提前；沿主坑道均勻分布工況均不屬于這兩種情況，因此其最大爆炸超壓上升速率和爆炸強度指數最低。

上述結論表明分布位置對油氣爆炸超壓特性有顯著影響，分支位置不同，坑道內油氣爆炸各項爆炸特性也不盡相同，分支位置對于坑道內爆炸超壓、火焰傳播有強化作用。

3 結 論

借助組合式密閉坑道，控制總容積（0.24 m3）和其他初始條件（油氣濃度1.2%、點火能5 J 等）不變，主要研究了不同分支坑道分布形式和分布位置對油氣爆炸超壓特性的影響規律，主要研究結論如下：

（1）一字排開和交錯布置兩種形式下的爆炸超壓特性基本一致，相對布置形式下的最大超壓、最大超壓上升速率、爆炸強度指數均小于一字排開和交錯布置，達到最大超壓和最大超壓上升速率的時間也有所延后。

（2）3 種不同分布位置下的爆炸超壓峰值、平均超壓上升速率基本一致；分支坑道離點火端越遠，爆炸超壓峰值、最大超壓上升速率出現的時間越滯后。這主要是由于實驗臺架的總長徑比、支坑道數量、支坑道長度、分布形式等條件相同，加上坑道總體積、初始油氣濃度、初始溫度、初始壓強等初始條件也相同，因此油氣爆炸的峰值理論上是一致的。三種工況實驗條件的區別僅表現在離點火端的距離上，分支坑道距離點火端越遠，分支坑道區火焰面積突增所導致超壓數值突升出現的時間越滯后。

（3）3 種不同分支坑道分布位置下，最大爆炸超壓上升速率和爆炸強度指數由大到小依次為：遠離點火端、靠近點火端、沿主坑道均勻分布。即分支坑道距離點火端越遠，爆炸強度指數越大；分支坑道距離點火端越近，出現最大火焰面積的時間越短，達到最大爆炸超壓上升速率的時間越提前；沿主坑道均勻分布工況，均不屬于這兩種情況，因此其最大爆炸超壓上升速率和爆炸強度指數最低。