反射波對(duì)預(yù)混氣體爆炸過程與管壁動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響*

周 寧，張冰冰，馮 磊，耿 瑩，姜 帥，張 路

(常州大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 常州 213016)

反射波對(duì)預(yù)混氣體爆炸過程與管壁動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響*

周 寧，張冰冰，馮 磊，耿 瑩，姜 帥，張 路

(常州大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 常州 213016)

為研究管道內(nèi)甲烷/空氣混合氣體火焰和壓力波的傳播規(guī)律，對(duì)內(nèi)載壓力波作用下管壁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，末端閉口實(shí)驗(yàn)中，管道末端的反射激波會(huì)引起當(dāng)?shù)鼗鹧媪炼鹊脑龃?，而前端反射激波則有可能導(dǎo)致火焰內(nèi)部的分離從而出現(xiàn)熄滅與復(fù)燃現(xiàn)象。相對(duì)于末端開口工況，末端閉口實(shí)驗(yàn)時(shí)管道兩端產(chǎn)生的往復(fù)反射激波對(duì)管壁具有疊加加載作用，導(dǎo)致管壁產(chǎn)生較大的環(huán)向應(yīng)變。

爆炸力學(xué)；反射激波；火焰速度；壓力；爆轟管；管壁應(yīng)變

天然氣泄漏爆炸事故是油氣儲(chǔ)運(yùn)過程中備受關(guān)注的問題，氣體爆炸導(dǎo)致輸氣管道撕裂使事故后果更加嚴(yán)重。因此，對(duì)可燃?xì)怏w在受限和非受限空間內(nèi)的燃燒以及爆炸規(guī)律的研究就顯得非常重要。周凱元等[1]通過管道內(nèi)丙烷/空氣的預(yù)混氣體爆燃實(shí)驗(yàn)，研究了管道直徑、點(diǎn)火能量以及障礙物等因素對(duì)爆燃波火焰陣面?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律。林伯泉等[2-3]也分析了瓦斯爆炸過程中障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ募铀贆C(jī)理及其對(duì)爆炸過程中的激波誘導(dǎo)作用。陳先鋒等[4]研究了瓦斯爆炸火焰的動(dòng)力學(xué)行為及其對(duì)火焰陣面結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。丁以斌等[5-6]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同樣式的平面障礙物和立體結(jié)構(gòu)障礙物對(duì)于火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響。然而，對(duì)于密閉輸氣管道中傳播的爆炸波會(huì)由于阻火器等連接元件的作用產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波，而以往關(guān)于該種反射波對(duì)預(yù)混氣體爆炸火焰與壓力波傳播規(guī)律的影響機(jī)理的研究并不多。反射波對(duì)火焰陣面?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響，往往與反射波強(qiáng)度以及反射波與火焰相互作用的位置相關(guān)[7]。此外，內(nèi)載爆炸波作用下輸氣管道管壁的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及其破壞規(guī)律目前研究也不夠深入，亟需加強(qiáng)該方面的研究?；陂L輸管道的安全設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營，本文中開展末端閉口(閉口端)和末端開口(開口端)工況下甲烷/空氣混合氣體的燃爆實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)火焰速度、爆炸壓力和管壁環(huán)向應(yīng)變的測(cè)量，探討末端反射激波對(duì)氣體反應(yīng)及管道響應(yīng)的影響，以期為后續(xù)研究提供一定參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic of experimental setup

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由配氣系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。配氣系統(tǒng)包括空壓機(jī)、40 L體積分?jǐn)?shù)為99.9%的甲烷儲(chǔ)氣瓶和預(yù)混氣體儲(chǔ)罐，實(shí)驗(yàn)時(shí)按照實(shí)驗(yàn)要求配置所需不同組分的預(yù)混氣體。主體實(shí)驗(yàn)管道為316型不銹鋼鋼管，內(nèi)徑125 mm，外徑136 mm，壁厚5.5 mm，總長12 m，設(shè)計(jì)最大可承受內(nèi)壓為5 MPa。點(diǎn)火系統(tǒng)采用EPT-6點(diǎn)火能量試驗(yàn)臺(tái)，點(diǎn)火能量可調(diào)，最大點(diǎn)火能量1 000 mJ。

1.2 傳感器布置

為研究管道內(nèi)氣體爆炸的火焰和壓力傳播規(guī)律以及管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分別在管道上布設(shè)光電傳感器、壓力傳感器和應(yīng)變傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。傳感器的布置如圖2所示，自點(diǎn)火端開始，共布置10個(gè)光電傳感器，6個(gè)壓力傳感器和2個(gè)應(yīng)變傳感器，如表1所示，L為距離點(diǎn)火端距離。由于管道內(nèi)爆炸波壓力較低(預(yù)計(jì)初始?jí)毫s0.2 MPa)，因此產(chǎn)生的應(yīng)變較小，采用半導(dǎo)體應(yīng)變片來監(jiān)測(cè)管壁的環(huán)向應(yīng)變，該半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度約為普通電阻式應(yīng)變計(jì)的55倍，可以監(jiān)測(cè)更小范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)。

圖2 傳感器測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of sensors

表1 管道上傳感器布置Table 1 Arrangement of sensors on the blast tube

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中配置的甲烷的體積分?jǐn)?shù)為10.2%，點(diǎn)火能量為1 000 mJ。為研究反射波對(duì)管道內(nèi)預(yù)混氣體爆炸過程與管道動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，開展末端閉口和末端開口2種工況的實(shí)驗(yàn)。為使管道內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的前驅(qū)沖擊波從而獲得較大的管道加載效應(yīng)，在點(diǎn)火端放置一組由6片阻塞率為60%的圓環(huán)形鋼片串聯(lián)而成的加速障礙物，環(huán)形鋼片間距為15 cm，障礙物前端距離點(diǎn)火電極25 cm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 管道內(nèi)壓力

圖3(a)～(b)所示為甲烷體積分?jǐn)?shù)為10.2%時(shí)，末端閉口和末端開口2種工況下的管道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線。從圖中可以看出，經(jīng)過障礙物的激勵(lì)加速后(0.25～1.00 m)，激波的上升沿逐漸變得較為陡峭(S11～S13段)，距離點(diǎn)火端1.0 m處，爆炸激波的峰值壓力約為0.3 MPa，在激波向下游傳播的過程中，峰值壓力逐漸降低。對(duì)于閉口端實(shí)驗(yàn)，爆炸激波到達(dá)末端后，在盲板的固壁反射作用下產(chǎn)生反射激波，反射激波自管道末端向點(diǎn)火端傳播，并與當(dāng)?shù)貕毫ΣǒB加產(chǎn)生更高的壓力峰值，如圖3(a)所示。對(duì)于開口端實(shí)驗(yàn)，由于管道末端直接連通大氣，因此在爆炸激波到達(dá)末端時(shí)，會(huì)向管道點(diǎn)火端反射回稀疏波，稀疏波自末端向點(diǎn)火端傳播，并與當(dāng)?shù)貕毫ΟB加后產(chǎn)生負(fù)壓，如圖3(b)所示。

圖3 不同工況下管道內(nèi)各點(diǎn)壓力時(shí)程曲線Fig.3 Pressure histories from different test points in experimental tubes

2.2 管道應(yīng)變

圖4(a)～(b)分別為末端閉口和末端開口工況下距點(diǎn)火端6.5 m處管壁的應(yīng)變時(shí)程曲線，由圖中知，閉口工況下，管壁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程非常復(fù)雜，管壁應(yīng)變時(shí)程曲線清晰地反映了激波在前后管端的來回反射形成的壓力疊加對(duì)管道的加載作用。當(dāng)爆炸激波在管道內(nèi)來回反射時(shí)，管道內(nèi)的壓力會(huì)反復(fù)疊加，導(dǎo)致管壁周期性地膨脹與收縮。該應(yīng)變信號(hào)主要分為2個(gè)部分，首先由激波引起的初始動(dòng)態(tài)應(yīng)變，其后隨著反射激波的往返作用，應(yīng)變曲線出現(xiàn)較長時(shí)間的震蕩信號(hào)。對(duì)于開口端實(shí)驗(yàn)，爆炸激波首先導(dǎo)致管壁產(chǎn)生1個(gè)環(huán)向的沖擊應(yīng)變，其后由于慣性作用，出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但最大應(yīng)變遠(yuǎn)小于閉口端實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變最大。

圖4 不同工況下管道應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.4 Strain histories in different experimental cases

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

3.1 反射波對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響

圖5所示為閉口端實(shí)驗(yàn)測(cè)得的4個(gè)典型位置的壓力和光電信號(hào)對(duì)比圖。由圖知，隨著氣體爆炸向管道下游的傳播，火焰與壓力信號(hào)之間時(shí)差逐漸增大，即激波逐漸與火焰陣面分離。當(dāng)激波傳播到管道末端時(shí)，在盲板處產(chǎn)生反射，反射激波為壓縮波并由管道的末端向點(diǎn)火端傳播。當(dāng)末端反射激波與燃燒反應(yīng)區(qū)相遇時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的光電信號(hào)出現(xiàn)1個(gè)階躍峰值，如圖5(a)～(c)紅線框內(nèi)部分(約0.03 s處)所示，即在反射激波的作用下，此處火焰亮度增加，然而由于無法確定此時(shí)氣體是否燃燒完全，火焰亮度的增大有可能是反射激波增大了波陣面后方燃燒區(qū)預(yù)混氣體的擾動(dòng)，因此對(duì)當(dāng)?shù)貧怏w燃燒起到了正激勵(lì)的作用；另一種情況是，如果此時(shí)氣體已經(jīng)完全燃燒，則此時(shí)只是反向激波對(duì)火焰厚度方向的壓縮作用導(dǎo)致的亮度增大。而在管道后段(S8～S10段)，由光電信號(hào)幅值較低，火焰亮度下降，光電信號(hào)的變化反映了明顯的火焰淬熄，然后又復(fù)燃的現(xiàn)象。林柏泉等[7]研究表明，當(dāng)一維受限空間內(nèi)反射激波與在火焰內(nèi)部與反應(yīng)區(qū)相遇時(shí)，對(duì)火焰的傳播速度并無明顯影響，但可能造成火焰內(nèi)部的分離現(xiàn)象，而從圖5(c)～(d)可知，火焰陣面與反射激波相遇在S8和S10之間，因此分析認(rèn)為S8所測(cè)火焰的熄滅與復(fù)燃應(yīng)該是由反射波的氣體伴流作用導(dǎo)致的火焰分離現(xiàn)象。對(duì)于圖5(d)中的對(duì)比信號(hào)(S10與S16)，首次末端反射激波通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，火焰陣面尚未傳播到該區(qū)域，反射激波對(duì)火焰?zhèn)鞑o影響，此后的火焰內(nèi)部也有壓力作用下火焰亮度增大以及火焰的熄滅與復(fù)燃現(xiàn)象，但S10處氣體反應(yīng)已處于反射波流場(chǎng)中，由于缺乏更多的探測(cè)手段，此時(shí)是否是殘留可燃?xì)怏w的作用導(dǎo)致S10信號(hào)的突變目前無法詳細(xì)解釋。

圖5 末端閉口工況下典型位置處光電與壓力信號(hào)對(duì)比Fig.5 Pressure and flame signals at typical positions in close-ended tube

圖6所示為末端開口實(shí)驗(yàn)測(cè)得的4個(gè)典型位置的壓力與光電信號(hào)對(duì)比圖，由于末端開口，初始激波到達(dá)末端后產(chǎn)生的反射波為稀疏波并向點(diǎn)火端傳播，稀疏波的到達(dá)使得測(cè)點(diǎn)處壓力迅速下降直至出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，此外稀疏波引起的伴流方向與火焰?zhèn)鞑シ较蛳嗤瑫?huì)加速火焰?zhèn)鞑ィ瑫r(shí)會(huì)拉長火焰厚度，因此會(huì)使得火焰亮度下降，如圖6框內(nèi)部分中所示，在稀疏波作用區(qū)，當(dāng)?shù)貕毫档?，?duì)應(yīng)的光電信號(hào)也呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢(shì)。

圖6 末端開口工況下典型位置處光電與壓力信號(hào)對(duì)比Fig.6 Pressure and flame signals at typical positions in open-ended tube

3.2 反射波對(duì)管內(nèi)壓力波傳播與管壁應(yīng)變的影響

為分析內(nèi)部氣體爆炸過程中管道的響應(yīng)規(guī)律，選取第1組應(yīng)變傳感器所測(cè)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行分析，并將其與同一位置處所測(cè)壓力信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。圖7(a)、(b)分別為閉口端和開口端實(shí)驗(yàn)距離點(diǎn)火端6.5 m處壓力和應(yīng)變信號(hào)的對(duì)比圖。

由圖7(a)可知，在管道末端閉口條件下，管壁的環(huán)向應(yīng)變主要有2個(gè)部分構(gòu)成：首先，在爆炸產(chǎn)生的前驅(qū)激波作用下，管道呈現(xiàn)環(huán)向膨脹狀態(tài)，即圖中框內(nèi)部分；其次，由于壓力激波在管道前端和末端來回反射，管道內(nèi)壓力水平逐次升高，會(huì)對(duì)管壁實(shí)現(xiàn)逐次的加載，產(chǎn)生較大的環(huán)向應(yīng)變，應(yīng)變信號(hào)與壓力信號(hào)呈現(xiàn)出較好的一致性。此后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，激波在來回反射的過程中逐漸衰減，管道內(nèi)壓下降，管壁應(yīng)變也隨之逐漸趨于初始狀態(tài)。即對(duì)于末端閉口空間內(nèi)的管道氣體爆炸實(shí)驗(yàn)，管壁環(huán)向應(yīng)變的最大值是由激波在管道內(nèi)來會(huì)反射逐次加載產(chǎn)生的。末端開口時(shí)，由圖7(b)可知，管壁產(chǎn)生的應(yīng)變主要由前驅(qū)激波引起，當(dāng)管道內(nèi)壓力在端部稀疏波的作用下迅速降為負(fù)壓直至壓力歸零的過程中，管壁應(yīng)變也隨之迅速降低，即開口端實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的最大應(yīng)變是由激波引起的。

圖7 末端反射激波對(duì)管道內(nèi)壓力波傳播與管壁應(yīng)變的影響Fig.7 Effect of the reflected shock wave on the pressure and strain in the tube

4 結(jié) 論

(1)密閉管道內(nèi)氣體爆炸時(shí)，末端反射激波與火焰相交時(shí)，反射激波提高了火焰?zhèn)鞑^(qū)域的預(yù)混氣體反應(yīng)劇烈程度，反射激波作用下火焰亮度增加。

(2)密閉管道內(nèi)氣體爆炸時(shí)，末端反射激波作用下相應(yīng)地出現(xiàn)當(dāng)?shù)鼗鹧媪炼仍龃蟋F(xiàn)象，而前端反射波則有可能引起內(nèi)部火焰分離而導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的熄滅與復(fù)燃現(xiàn)象。

(3)管道末端閉口工況下，管壁的最大環(huán)向應(yīng)變是由激波在管道兩端產(chǎn)生的來回反射疊加所引起的，應(yīng)變較大，管壁的環(huán)向應(yīng)變時(shí)程關(guān)系與該處壓力時(shí)程關(guān)系具有良好的一致性；而末端開口時(shí)，管壁的應(yīng)變主要由前驅(qū)波引起，最大應(yīng)變比末端閉口工況下的應(yīng)變小。

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(責(zé)任編輯 王易難)

Effects of reflected wave on premixed-gas explosion and dynamic response of tube shells

Zhou Ning, Zhang Bingbing, Feng Lei,Geng Ying, Jiang Shuai, Zhang Lu

(JiangsuKeyLaboratoryofOilandGasStorageandTransportationTechnology,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,Jiangsu,China)

Experiments were carried out and the dynamic response test of the tube wall was conducted simultaneously to characterize the flame and pressure wave propagation generated by methane-air mixture explosion in a shock tube. Our results show that in the closed tube, the reflected compression wave from the end wall produces a positive interference that increases the flame brightness, on the other hand, the compression wave reflected from the front end wall may bring about flame separation and thus lead to flame quenching and recrudescence in the reaction region. In addition, in contrast with the open-ended experimental configuration, the multiple reflections from both of the end walls exhibit a continuous load effect on the tube shell, which results in a larger dynamic elastic strain in the closed blast tube.

mechanics of explosion; reflected wave; flame speed; pressure; blast tube; tube shell strain

10.11883/1001-1455(2016)04-0541-07

2014-11-19；< class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-05

2015-02-05

國家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51204026);江蘇省高校青藍(lán)工程項(xiàng)目(SCZ1409700002)

周 寧(1977— )，男，博士，副教授，zhouning@cczu.edu.cn。

O383 <國標(biāo)學(xué)科代碼：1303510 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：1303510 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：1303510

A