破膜壓力對氫氣-甲烷-空氣泄爆的影響*

陳 昊，郭 進，王金貴，洪溢都

（福州大學環(huán)境與安全工程學院，福建 福州 350108）

摻氫甲烷（氫氣和甲烷所組成的混合氣體）是未來天然氣行業(yè)發(fā)展的重要方向之一，引起了全球?qū)W者的關注與重視。目前，荷蘭、法國、德國等國家在城市燃氣管道方面開展了天然氣摻氫相關項目。然而不可避免的是，向甲烷中摻入氫氣可能會增加密閉空間內(nèi)發(fā)生爆炸的嚴重程度。已經(jīng)有學者在定容燃燒彈中展開了諸多工作，研究摻氫甲烷-空氣混合物的火焰前沿結(jié)構(gòu)及其不穩(wěn)定性、層流燃燒速度和馬克斯坦長度[1-3]。大量的研究表明向甲烷中加入氫氣可拓寬可燃極限范圍，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⒃黾訅毫ι仙屎捅贾笖?shù)[4-10]。Yu 等[11-12]和Wang 等[13]通過實驗研究了摻氫甲烷的摻氫比(χ)、摻氫甲烷當量比(?)和管道尺寸對火焰結(jié)構(gòu)、火焰速度以及內(nèi)部超壓的影響。研究發(fā)現(xiàn)，郁金香火焰的形成取決于χ、管道的長寬比和管道的形狀；例如，只有在 ? =0.8 且χ 在0%～50%時，才會在實驗中觀察到郁金香火焰[11],并且管道越長郁金香火焰越明顯[12]。Zheng 等[14]研究了χ 和 ? 對500 mm 長含障礙物的管道中摻氫甲烷-空氣混合物火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽＝Y(jié)果表明，當摻氫甲烷-空氣混合物中的χ＜75%時，爆炸超壓才會隨χ 顯著增加，并且在相同情況下，火焰速度也呈現(xiàn)出類似的趨勢。Lowesmith 等[15]在一個3 m×2.8 m×8.25 m 的裝置內(nèi)進行了實驗，他們發(fā)現(xiàn)將χ 增加至50%時，火焰速度和爆炸超壓顯著增加，此外在受限空間內(nèi)加入障礙物后，火焰速度和超壓也顯著增加。

為了降低摻氫甲烷爆炸導致的危害，通常采用泄爆的方式控制受限空間內(nèi)的爆炸危害。Shirvill 等[16]利用一個3 m×3 m×2 m 的試驗裝置進行了泄爆實驗，研究者發(fā)現(xiàn)，當甲烷中摻入小于25%的氫氣，不會顯著增加爆炸的危險性，爆炸超壓與單獨使用甲烷的情況相近。Yang 等[17]研究了 ? 對摻氫甲烷-空氣混合物泄爆的影響。他們發(fā)現(xiàn)當 ? 在0.6～1.8 的范圍內(nèi)時，能夠觀察到內(nèi)部超壓的亥姆霍茲振蕩，在?≥1.0 時出現(xiàn)聲學振蕩；隨著 ? 從0.6 增加到1.8，最大內(nèi)部超壓和最大外部超壓都是呈先增大后減小的趨勢。Duan 等[18]在相同的通風管道中研究了化學計量χ 的范圍從0～1.0 的摻氫甲烷-空氣混合物的泄爆。當χ ≤ 20%時能夠觀察到整個火焰球泡的亥姆霍茲振蕩，當χ 從0 增加到1.0 時，最大內(nèi)部超壓和最大外部超壓先緩慢增加，然后快速增長。除此之外，研究者還發(fā)現(xiàn)χ 會影響摻氫甲烷-空氣混合物爆轟波胞格尺寸[19]。此外，研究者發(fā)現(xiàn)泄爆和點火位置密切相關。曹勇等[20]在一個圓柱形容器中對不同點火位置條件下氫氣-空氣預混氣的泄爆特性進行研究，得出不同點火位置會顯著影響火焰面積、火焰?zhèn)鞑ニ俾室约叭萜鲀?nèi)部壓力曲線。

上述實驗證明了泄爆與χ、?、障礙物分布、容器形狀和點火位置密切相關，且爆破壓力pv是一個重要影響因素，但是現(xiàn)有研究主要集中在甲烷-空氣[21]、氫氣-空氣[22]、乙烯-空氣[23]等單一氣體-空氣混合物泄爆方面，然而現(xiàn)有的研究尚無法闡明摻氫甲烷-空氣混合物的泄爆過程，因此需要進行更加深入的研究，為以天然氣和氫氣為基礎的設備和工廠的安全設計提供依據(jù)。基于不同pv下的混合氣體泄爆研究成果很少，pv對摻氫甲烷泄爆過程中內(nèi)部火焰的亥姆霍茲振蕩、聲學振蕩、外部爆炸的形成、內(nèi)部和外部壓力變化及其峰值的影響仍不清楚。為了解決上述問題，本文在一個高1 m 且頂部設有泄爆口的管道中進行摻氫甲烷-空氣預混氣體泄爆實驗，研究0～44 kPa 的pv對火焰演化和管道內(nèi)外壓力變化的影響。

1 實驗裝置與實驗過程

如圖1 所示，本次實驗采用300 mm×300 mm×1000 mm 的泄爆管道，管道頂部中央有250 mm×250 mm的正方形開口。在管道的正面設有750 mm×300 mm 的窗口，使用高速攝像機(Nac Memrecam HX-3)拍攝火焰圖像，拍攝頻率為2000 Hz。點火裝置位于管道的中心處，點火電極連接15 kV 脈沖電源，點火能量約為500 mJ。將3 個壓阻式壓力傳感器PS1～PS3 分別安裝在距離頂部泄爆口875 mm、500 mm 和125 mm 處，記錄內(nèi)部超壓，另一個壓力傳感器PS4 安裝在距離管道頂部350 mm 處，用以記錄外部超壓，壓力傳感器的量程為0～150 kPa。

圖1 實驗裝置Fig. 1 Experimental apparatus.

用厚度(δ)為10～72 μm 的鋁箔封閉泄爆口，并用螺栓將其固定在孔板與管道頂端之間。再根據(jù)道爾頓分壓定律配置化學計量的摻氫甲烷-空氣混合物。氫氣與甲烷的體積分數(shù)分別為75%和25%。氣體配置完畢后靜置15 min，最后由同步控制器輸出信號，同步觸發(fā)點火系統(tǒng)、高速相機及壓力數(shù)據(jù)存儲記錄儀。所有實驗均在101 kPa 的初始壓力和280 K 的初始溫度下重復2 次，結(jié)果顯示重復性良好。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 破膜壓力與厚度的關系

首先通過實驗測量不同厚度鋁箔的破膜壓力（pv）。具體步驟如下：首先將一定厚度(δ)的鋁箔密封在泄爆口處，使管道內(nèi)部形成一個封閉的空間，然后隨著氣體緩慢注入管道，內(nèi)部壓力會逐漸上升，當內(nèi)部壓力超過鋁箔的破裂壓力時，鋁箔破裂。以開始加壓為時間零點，圖2 為 δ =36 μm 時靜態(tài)破膜壓力測試的壓力-時間變化。密閉管道內(nèi)部超壓在135 s 內(nèi)幾乎呈線性增加至約19 kPa，當鋁箔破裂后內(nèi)部超壓開始急劇下降。泄爆封口破裂前管道內(nèi)的壓力上升率為8.4 kPa/min，因此根據(jù)文獻[24]，δ=36 μm 時的破膜壓力pv為19 kPa。

如圖2 所示，當泄爆封口破裂后，內(nèi)部壓力會急劇下降至負壓，然后在環(huán)境壓力附近以70 Hz 的頻率振蕩，實驗結(jié)果表明振蕩頻率與 δ 幾乎無關。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于泄放時的氣流慣性，同時這種慣性還會加強火焰的振蕩，具體原因?qū)⒃谙乱还?jié)中討論。圖3 總結(jié)了不同厚度鋁箔的破膜壓力。可以明顯看出pv與 δ 呈線性增加，在下文中，將取多組實驗中pv的平均值來說明 δ 對火焰演化和管道內(nèi)外壓力變化的影響。

圖2 δ =36 μm 時靜態(tài)破膜壓力測試的壓力-時間變化Fig. 2 Pressure-time history in the static burst pressure test at δ =36 μm

圖3 pv 與 δ 的關系圖Fig. 3 Relationship between pv and δ

2.2 泄爆過程的火焰演化

圖4 為pv=31 kPa 時點火后的火焰演化圖像。如圖4(a)所示，點火后，火球迅速以球形膨脹。在火焰接觸到管道壁后，火球被縱向拉伸呈橢圓體。從圖4(c)中可以發(fā)現(xiàn)，當泄爆封口破裂時，火球還未到達泄爆口。因此，首先被排出管道的是未燃燒的摻氫甲烷-空氣混合物，并在管道外形成可燃云，這種現(xiàn)象已經(jīng)通過紋影和示蹤技術得到了證明[25-27]。在圖4(d)～(g)中可以觀察到，由于未燃氣體的泄放，火焰上鋒面向上加速，整個火球也向上運動，當火焰上鋒面到達泄爆口時，管道外的可燃氣云被點燃，從而產(chǎn)生外部爆炸。通過比較圖4(f)和(g)可以發(fā)現(xiàn)，在氣體泄放的慣性產(chǎn)生負超壓及外部爆炸共同作用下，管道內(nèi)部的火焰鋒面突然向下跳躍，隨后上下地做活塞式運動。當火焰下鋒面接近管道底部時，管道上部和外部的火焰已經(jīng)基本消失。然而，由于聲波-燃燒的耦合作用[28]，在泄爆的最后階段，管道底部的燃燒會被增強。通過觀測不同pv條件下的火焰演變，發(fā)現(xiàn)只有pv＝ 0 kPa 和7 kPa 時不存在如圖4(j)所示的聲波強化燃燒現(xiàn)象。

圖4 pv ＝31 kPa 時的火焰圖像Fig. 4 Flame images for pv =31 kPa

通過對連續(xù)的火焰圖像進行測量，可以得到火焰上、下鋒面至電極的距離；將連續(xù)圖像的火焰鋒面之間的距離除以連續(xù)圖像之間的時間(0.5 ms)，就可以得到火焰速度。以點火時刻為時間零點，圖5 給出了火焰上、下鋒面至電極的距離和火焰速度(其中負值表示火焰鋒面向泄爆口相反方向運動)。從圖中可以觀察到，在泄爆封口破裂前，火焰速度呈振蕩趨勢進行傳播，但是由于浮力作用[29]，火球的縱向拉伸并不是完全對稱；當泄爆口破裂時，可以測得上部和下部火焰前沿分別距離電極270 和220 mm。

從圖5 中可以直觀地看出，當泄爆封口破裂后，火焰上鋒面向泄爆口加速，而火焰下鋒面的速度開始劇烈振蕩，振蕩幅度逐漸減弱。整個火球到達泄爆口時，火焰下鋒面的速度高達90 m/s。當火焰噴出管道時，在內(nèi)部負壓和外部爆炸的共同作用下，火焰下鋒面的速度達到-85 m/s。隨著泄爆過程的進行，火焰下鋒面速度振蕩的幅度會逐漸減小。

圖5 pv =31 kPa 時火焰前沿的位置和速度Fig. 5 Flame front location and speed for pv =31 kPa.

2.3 破膜壓力對壓力-時間變化的影響

圖6 給出了pv=14 kPa 時管道內(nèi)部壓力-時間變化曲線，從圖中可以明顯看到兩個壓力峰值(p1和p2)以及兩種不同類型的振蕩(亥姆霍茲振蕩和聲學振蕩)。壓力峰值p1的形成是由于管道內(nèi)部壓力不斷增大，泄爆封口破裂所導致的，p1的幅值隨至泄爆口距離的增加而增大。泄爆封口破裂后火焰下峰面開始做活塞式運動，引起內(nèi)部超壓的亥姆霍茲振蕩，在振蕩的開始階段，出現(xiàn)第二個壓力峰值p2。從同步的火焰圖像中也可以看出，此時火焰下鋒面忽然向下運動，壓縮了管道底部的氣體從而形成壓力峰值p2。圖5 可以加以佐證，當火焰下鋒面的振蕩幅度減小，亥姆霍茲振蕩的幅度也在不斷減弱，這種關聯(lián)性說明后者會受到前者的影響，火焰下鋒面的運動與壓縮是p2出現(xiàn)的關鍵要素。在泄爆的最后階段出現(xiàn)了聲學振蕩，這是由于聲波在管道底部的拐角處增強了未燃氣體的燃燒，火焰圖像如圖4(j)所示[30]。

圖6 pv =14 kPa 時管道內(nèi)壓力-時間變化曲線Fig. 6 Pressure-time history inside the duct for pv =14 kPa.

圖7 為不同pv對容器內(nèi)部壓力的影響。當pv≤7 kPa 時只能觀察到亥姆霍茲振蕩，并沒有出現(xiàn)聲學振蕩，當pv≥12 kPa 時亥姆霍茲振蕩和聲學振蕩會同時出現(xiàn)。不同于碳氫燃料-空氣混合氣體的泄爆[31]，摻氫甲烷-空氣混合氣體泄爆產(chǎn)生的亥姆霍茲振蕩和聲學振蕩之間略有重合，兩者無明顯分界。研究發(fā)現(xiàn)，亥姆霍茲振蕩頻率與管道內(nèi)混合氣體的平均聲速成正比[32]，并且隨著pv的增加，亥姆霍茲振蕩頻率也在緩慢增加。這是因為隨pv增大，更多摻氫甲烷-空氣混合物參與了燃燒反應，從而導致管道內(nèi)混合氣體溫度及平均聲速升高。此外，圖2 中氣流慣性引起的頻率為70 Hz 的壓力振蕩，遠低于圖7 中泄爆過程產(chǎn)生的亥姆霍茲振蕩頻率。因為后者除氣流慣性的作用外，還受到外部爆炸和火焰下鋒面振蕩的影響。當pv≥12 kPa 時，亥姆霍茲振蕩后會出現(xiàn)頻率約為1200 Hz 的聲學振蕩，且頻率與pv無關。

圖7 不同破膜壓力 pv 的壓力-時間變化曲線Fig. 7 Internal pressure-time histories for different pv

圖8 對比了不同pv條件下管道內(nèi)三個測點處的最大超壓。可以明顯看出管道內(nèi)不同位置的最大超壓變化趨勢各異。靠近泄爆口處(PS3) 和管道中心(PS2) 的最大超壓隨著pv線性增加，因為當pv≥12 kPa 時，p1始終是最大壓力峰值且隨pv的增加而增大。這與甲烷-空氣混合物[33]和氫氣-空氣混合物[22]的壓力峰值變化趨勢相一致。反觀管道底部(PS1)的最大超壓隨pv非線性增加，變化過程可以分成3 個階段：當pv從0 增加到18 kPa，最大超壓呈上升趨勢，p2為主要壓力峰值；當pv從18 kPa 增加到31 kPa 時，p2會隨著pv的進一步增大而減小；當pv≥31 kPa 時，主要壓力峰值轉(zhuǎn)變?yōu)閜1，并隨著pv線性增加。從圖8 中可以看出，管道內(nèi)的最大超壓總是出現(xiàn)在管道底部(PS1)，換句話說，管道中的最大超壓隨著pv非單調(diào)性增加。Bao 等[34]在甲烷濃度為9.5%的甲烷-空氣預混氣泄爆過程中也發(fā)現(xiàn)最大超壓隨pv非線性增加；但是不同于本文研究混合氣體/空氣混合物泄爆，這種單一氣體/空氣混合物的壓力峰值之所以隨pv非線性地變化，是由于聲學和火焰之間耦合導致的，而不是因為壓力峰值的轉(zhuǎn)變。

圖8 最大內(nèi)部超壓與 pv 之間的關系(實心符表示平均值)Fig. 8 Relationship between the maximum internal overpressure and pv (solid symbols present the mean values)

2.4 破膜壓力對外部爆炸的影響

圖9 比較了pv=7 kPa 和31 kPa 的外部壓力變化過程。可以明顯分辨出2 個壓力峰值(p3和p4)，除了在pv=0 的試驗中沒有發(fā)現(xiàn)p3外，在其余的試驗中均觀察到了p3和相似的外部壓力變化過程。研究發(fā)現(xiàn)[26]，p3是泄爆封口破裂產(chǎn)生的弱沖擊波傳播所致。結(jié)合同步火焰圖像可以知道，p4總是出現(xiàn)在管道外的火球形成過程中。根據(jù)目前的研究[26]，p4是外部爆炸的結(jié)果且始終是最大外部壓力峰值。

圖9 不同 pv 條件下外部壓力-時間變化曲線Fig. 9 External pressure-time histories for various pv

圖10 最大外部超壓 p4 與破膜壓力 pv (實心符表示平均值)Fig. 10 Relationship between the maximum external overpressure p4 and film breaking pressuerpv(solid symbols present the mean values)

當前研究表明外部爆炸會影響內(nèi)部泄爆，這與前人的研究結(jié)果基本一致[26]。在圖11 中，管道內(nèi)部p2與泄爆口外p4幾乎是同時出現(xiàn)的，因為外部爆炸會導致泄爆內(nèi)外的壓力梯度降低[35-36]。如前文所述，當pv≤31 kPa 時，外部爆炸引起的壓力峰值p2是管道底部的最大超壓，并隨著外部爆炸的增強而增加。但是如圖11(b)所示，在進行pv較高的實驗時，p2的幅值遠小于p1的幅值，且持續(xù)時間變短。也就是說，外部爆炸對內(nèi)部泄爆的影響會隨著pv的增加而逐漸減弱[36]。

圖11 外部爆炸對內(nèi)部泄爆的影響Fig. 11 Effect of the external explosion on internal explosion venting

3 結(jié) 論

通過對高1 m 管道中的摻氫甲烷-空氣混合氣體的泄爆過程進行研究，分析了pv對火焰?zhèn)鞑ァ⒐艿纼?nèi)外壓力-時間變化和外部爆炸的影響，得出以下結(jié)論：

(1)所有的實驗均在泄爆封口破裂后觀察到火焰鋒面的劇烈振蕩現(xiàn)象，該現(xiàn)象伴隨著內(nèi)部超壓的亥姆霍茲振蕩。當pv≥12 kPa 時，還會出現(xiàn)頻率約為1200 Hz 的聲學振蕩。

(2)管道內(nèi)部分別出現(xiàn)了由于泄爆封口破裂和外部爆炸引起的兩個壓力峰值。pv和至泄爆口的距離會對壓力峰值有顯著影響。對于某一確定的pv，最大的內(nèi)部超壓隨至泄爆口之間距離的增大而增大。靠近泄爆口處和管道中心的最大內(nèi)部超壓幾乎隨著pv呈線性增加；但是靠近管道底部的最大壓力與pv呈非線性遞增關系。

(3) 外部爆炸的產(chǎn)生是由于未燃混合氣體排出，在管道外形成可燃云團，隨著火焰的排出，從而形成了外部爆炸。同時外部爆炸會產(chǎn)生一壓力峰值，其幅值會隨著pv的增大而增加。在所有試驗中，外部爆炸都會影響內(nèi)部泄爆過程，當pv≥31kPa 時，這種影響會明顯減弱。