受限空間油氣爆燃火焰形態(tài)*

齊 圣,杜 揚(yáng),梁建軍,張培理

(后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311)

受限空間油氣爆燃火焰形態(tài)*

齊 圣,杜 揚(yáng),梁建軍,張培理

(后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311)

通過受限空間油氣爆燃可視化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下，爆燃火焰呈現(xiàn)出不同的表觀特征，據(jù)此提出了受限空間油氣爆燃的3種火焰形態(tài)，即光滑球形火焰、褶皺球形火焰和卷曲絮狀火焰。分析了3種火焰形態(tài)的形成機(jī)理，并通過實(shí)驗(yàn)觀測與理論分析，給出了區(qū)分3種火焰形態(tài)的臨界條件。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中采集到的關(guān)鍵參數(shù)，總結(jié)了不同的火焰形態(tài)下受限空間油氣爆燃的反應(yīng)產(chǎn)物、最大壓力、升壓速率、反應(yīng)時(shí)間、火焰強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)的特征與變化規(guī)律。

爆炸力學(xué)；火焰形態(tài)；爆燃；油氣；受限空間

油氣是生產(chǎn)、生活中必不可少的能源物質(zhì)，也是典型的易燃易爆物。如何在油氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用的過程中預(yù)防或控制火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生，是被長期關(guān)注的問題。油氣火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的初始階段，通常體現(xiàn)為局部油蒸汽-空氣混合氣著火，發(fā)生以亞音速傳播、并伴隨有壓力波的燃燒反應(yīng)(即爆燃)[1-2]，而這個(gè)階段，正是采取有效抑制措施、防止事故擴(kuò)大的關(guān)鍵階段[3]。

火焰的形成是可燃混合氣爆燃過程的典型外部特征之一，火焰形態(tài)即是災(zāi)害預(yù)警、燃燒模式識別的重要依據(jù)，也是探索爆燃發(fā)展支配機(jī)理、變化規(guī)律與分析模型的重要資料。針對燃燒爆炸過程的火焰形態(tài)，有了廣泛的研究。A.Yoshida等[4]通過火焰圖像觀察了未燃?xì)怏w中的湍流尺度對預(yù)混火焰褶皺尺度的影響，K.H.Oh等[5]基于火焰形態(tài)分析了障礙物對液化石油氣爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?。P.Zhang等[6]對坑道內(nèi)的油氣爆燃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采集了爆燃火焰?zhèn)鞑ミ^程中局部的火焰圖像，但未對火焰的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。M.Zhang等[7]研究了在開敞空間CO/H2/O2/CO2混合氣湍流預(yù)混火焰的火焰鋒面結(jié)構(gòu)，測量了火焰厚度、平均火焰體積等參數(shù)，并指出具有褶皺的火焰鋒面是湍流預(yù)混火焰的普遍特征。S.Jerzembeck等[8]指出，在高于當(dāng)量濃度時(shí)，爆燃火焰會(huì)產(chǎn)生褶皺和胞狀結(jié)構(gòu)，但他們專注于火焰速度的測量，并未針對火焰特征進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本文中，基于油氣爆燃可視化實(shí)驗(yàn)，提出受限空間油氣爆燃的3種火焰形態(tài)，定量給出區(qū)分不同火焰形態(tài)的臨界判據(jù)，分析不同火焰形態(tài)的產(chǎn)生機(jī)理，并探討不同火焰形態(tài)下油氣爆燃特征參數(shù)的差異。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主體為四周密閉、水平放置的長方體，內(nèi)部尺寸為500 mm×200 mm×200 mm，正面設(shè)有可視化窗口，上加裝鋼化玻璃。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架頂板設(shè)置傳感器接口，與壓力傳感器、火焰強(qiáng)度傳感器連接，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄油氣爆燃過程中的瞬時(shí)壓力與火焰亮度變化；底板中央布置點(diǎn)火裝置，點(diǎn)火頭伸入實(shí)驗(yàn)臺(tái)架內(nèi)部50 mm，點(diǎn)火電平為1 500 V，點(diǎn)火能為3 J。壓力與火焰數(shù)據(jù)的采集采用成都泰斯特電子信息有限責(zé)任公司的TST6300多用動(dòng)態(tài)信號測試儀。采用自制的霧化裝置(包括變徑管和油瓶)將油氣混入空氣中形成可燃混合氣?；旌蠚饨M分的測定采用北京均方理化科技研究所的GXH-1050型紅外線分析儀。圖像采集采用日本Photron公司的FAST CAM Ultima 512型高速攝影儀。實(shí)驗(yàn)所用油品為中石化93號汽油。

圖1 油氣爆燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Gasoline-air mixture deflagration experimental system

2 不同油氣濃度下油氣爆燃火焰形態(tài)

圖2為油氣濃度(混合氣中碳?xì)浠衔锏捏w積分?jǐn)?shù))YCH=1.50%時(shí)油氣爆燃火焰的時(shí)序圖像，拍攝頻率為250 s-1，圖中可視化窗口的實(shí)際尺寸為300 mm×200 mm，中部下方黑色柱狀體為點(diǎn)火頭，點(diǎn)火位置即位于其尖端。當(dāng)t=0時(shí)，點(diǎn)火器啟動(dòng)，電火花釋放出的能量在它附近形成高能點(diǎn)火氣云，并引燃周圍可燃?xì)?，形成光滑的淡藍(lán)色橢球形火焰鋒面(8～12 ms)。之后，反應(yīng)區(qū)迅速擴(kuò)大(12～21 ms)，此時(shí)的火焰形態(tài)類似于層流預(yù)混火焰，但通過火焰?zhèn)鞑ブ寥萜鬟吘壦玫臅r(shí)間可以估算，其火焰速度高于層流預(yù)混火焰[1]一個(gè)數(shù)量級。火焰到達(dá)容器壁面(28 ms)后，反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)出亮白色光(34～42 ms)，直至火焰完全熄滅。

圖2 油氣爆燃火焰時(shí)序圖像(YCH=1.50%)Fig.2 Instantaneous images of gasoline-air mixture deflagration

圖3為YCH=2.33%時(shí)的油氣爆燃過程。點(diǎn)火初期(8 ms)，點(diǎn)火點(diǎn)附近可見與圖2類似的點(diǎn)火氣云和球形火焰鋒面，但隨著反應(yīng)的傳播，火焰不斷產(chǎn)生褶皺(18～32 ms)，火焰鋒面表面可見凹凸不平的魚鱗狀波紋(37 ms)。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，反應(yīng)區(qū)中下方可觀察到細(xì)小的黃色次生火焰點(diǎn)(26～37 ms)?；鹧驿h面到達(dá)容器邊界后，除部分凝結(jié)在壁面上的組分仍在燃燒，整個(gè)反應(yīng)區(qū)呈現(xiàn)暗黃色，直至反應(yīng)完全熄滅。

圖3 油氣爆燃火焰時(shí)序圖像(YCH=2.33%)Fig.3 Instantaneous images of gasoline-air mixture deflagration

圖4為YCH=2.90%時(shí)的油氣爆燃過程。與圖2～3比較，圖4中觀察不到鮮明的火焰包絡(luò)面，反應(yīng)區(qū)為卷曲的絮狀黃白色火焰。由于此時(shí)油氣濃度較高，氧氣相對不足，爆燃反應(yīng)相對緩慢，火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于傳質(zhì)速度，因而更多的體現(xiàn)出擴(kuò)散燃燒的特征?；旌蠚獗稽c(diǎn)燃(8 ms)后，火焰首先向上方蔓延(32 ms)，并形成一條條火焰束，頂部彎向四周未燃區(qū)域(53～68 ms)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，火焰束在容器中上方交織，形成亮白色反應(yīng)區(qū)，并最終擴(kuò)散到整個(gè)容器。之后，火焰自上而下逐漸熄滅。

圖4 油氣爆燃火焰時(shí)序圖像(YCH=2.90%)Fig.4 Instantaneous images of gasoline-air mixture deflagration

3 3種典型火焰形態(tài)的臨界條件與形成機(jī)理

對比圖2～4可以看出，不同濃度下的油氣爆燃火焰形態(tài)具有顯著的差異，然而，在一定的濃度變化范圍內(nèi)，火焰形態(tài)又具有一定的相似性。圖5給出了6個(gè)不同濃度下爆燃反應(yīng)的典型火焰圖像，可以看出，每列上下兩幅圖中火焰形態(tài)比較相似，而列與列之間的火焰形態(tài)則有明顯區(qū)別。具體而言，從左第1列火焰鋒面的形狀為光滑的球面(圖片中呈弧形)，整個(gè)流場被火焰鋒面清晰地分為已燃區(qū)和未燃區(qū)，這類火焰稱為光滑球形火焰。第2列中，流場仍然被火焰鋒面區(qū)分為已燃區(qū)和未燃區(qū)，但火焰鋒面并不光滑，而是呈帶有明顯褶皺的球面，存在大量火焰褶皺形成的魚鱗狀波紋，這類稱為褶皺球形火焰。第3列中，已觀察不到鮮明的火焰包絡(luò)面，火焰以絮狀傳播并向四周彎曲，這類稱為卷曲絮狀火焰。

圖5 不同濃度油氣爆燃的典型火焰圖像Fig.5 Three typical flame models of gasoline-air mixture deflagration

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)從低于爆炸下限的濃度開始，逐步提高油氣濃度，并觀察其火焰特征、歸納火焰形態(tài)，直至濃度高于爆炸上限。結(jié)果為：當(dāng)YCH=1.20%,1.48%,1.50%,1.65%,1.70%時(shí)，為光滑球形火焰；當(dāng)YCH=2.00%,2.15%,2.33%時(shí)，為褶皺球形火焰；當(dāng)YCH=2.75%,2.90%,3.25%時(shí)，為卷曲絮狀火焰；當(dāng)YCH=0.95%,3.70%時(shí)，未點(diǎn)燃。可見，在爆炸極限范圍內(nèi)，不同濃度的油氣爆燃火焰可概括為上述3種模式：油氣濃度低于1.70%時(shí)，為光滑球形火焰；油氣濃度在2.00%～2.33%之間時(shí)，為褶皺球形火焰；在油氣濃度大于2.75%時(shí)，為卷曲絮狀火焰。

3種火焰形態(tài)對應(yīng)著3個(gè)油氣濃度區(qū)間，而劃分3個(gè)區(qū)間的臨界濃度，可以從油氣燃燒的化學(xué)當(dāng)量進(jìn)行理論分析。由于汽油是由近百種烴類組成的復(fù)雜混合物，難以確定具體的化學(xué)組分，通常的方法是采用異辛烷、PRF(primary reference fuel)[8]等與汽油燃燒特性近似、且具有確定化學(xué)組分的化合物或簡單混合物作為替代燃料。以異辛烷為例，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可以計(jì)算：它在空氣中恰好完全燃燒，生成產(chǎn)物完全為CO2和H2O時(shí)，對應(yīng)的體積濃度為1.68%(取空氣中氧濃度為21%)；生成產(chǎn)物完全為CO和 H2O時(shí)，對應(yīng)的體積濃度為2.47%。這兩個(gè)濃度與上述火焰形態(tài)發(fā)生變化的臨界油氣體積分?jǐn)?shù)相近。通常定義燃料的實(shí)際濃度與其當(dāng)量濃度的比為燃料當(dāng)量比φ，根據(jù)上文的討論，對于油氣，取臨界當(dāng)量比φCH,1=1、φCH,2=2.47/1.68=1.47。

當(dāng)φ<1時(shí)，爆燃在富氧條件下進(jìn)行，混合氣被點(diǎn)燃后，由于混合氣中氧含量充足，火焰不受氧化劑濃度的制約，向各個(gè)方向的傳播速度相等；同時(shí)，油氣濃度較低，反應(yīng)較弱，對流場的擾動(dòng)相對較小，因此形成了光滑的球形火焰。當(dāng)1<φ<1.47時(shí)，爆燃在貧氧條件下進(jìn)行，由于局部耗/含氧量的不均勻，反應(yīng)進(jìn)度在空間上出現(xiàn)差異，火焰鋒面不再光滑；同時(shí)，油氣濃度的增加使反應(yīng)更劇烈，湍流作用進(jìn)一步加劇了火焰面的形變，因此形成了褶皺球形火焰。S.Jerzembeck等[8]針對合成氣的研究指出：在低于當(dāng)量濃度時(shí)，湍流預(yù)混火焰表面是光滑的，而在等于和略大于當(dāng)量濃度時(shí)，合成氣湍流預(yù)混火焰在點(diǎn)燃后將迅速出現(xiàn)褶皺和胞狀結(jié)構(gòu)。本文中所得結(jié)果與此一致。當(dāng)φ>1.47時(shí)：爆燃在嚴(yán)重貧氧條件下進(jìn)行，傾向于發(fā)生析碳反應(yīng)，即CmH2n→mC+nH2，點(diǎn)火頭最初的點(diǎn)火能激發(fā)了周邊的可燃?xì)?，釋放能量并形成高能活性基團(tuán)；由于氧氣嚴(yán)重不足，反應(yīng)速度較緩慢，反應(yīng)區(qū)氣體升溫后，向混合氣上方對流，處于其中的剩余可燃?xì)鈩t與上方的氧氣混合，繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)；當(dāng)正上方的氧氣不足時(shí)，還原性基團(tuán)向側(cè)上方“尋氧”。這樣，就形成了卷曲絮狀火焰。

4 火焰形態(tài)與爆燃關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系

圖6為燃燒產(chǎn)物與油氣當(dāng)量比的關(guān)系。可以看出，在不同的火焰形態(tài)下，油氣爆燃的產(chǎn)物組成顯著不同，具體如下。

圖6 不同油氣當(dāng)量比下的反應(yīng)產(chǎn)物Fig.6 Reaction product fue at different equivalence ratio

(1)當(dāng)φ≈0.7時(shí)，油氣相對含量較少，燃燒幾乎不產(chǎn)生CO，O2大量剩余。之后，當(dāng)φ<1時(shí)，隨著油氣濃度增加，可燃混合氣中的碳元素總量增加，O2仍然富余，生成越來越多的CO2；同時(shí)，燃燒的不完全程度增加，燃燒產(chǎn)物中的CO含量持續(xù)上升。

(2)當(dāng)1<φ<1.47時(shí)，隨著可燃物增加，反應(yīng)速度加劇，加之湍流混合作用變得顯著，導(dǎo)致了局部混合氣的反應(yīng)并不充分，O2剩余量增加；隨著φ的增大，產(chǎn)物中CO含量不斷上升，CO2含量不斷下降，這是因?yàn)榭諝夂趿渴怯邢薜?，油氣的增加使得更多的碳不能被充分氧化。?yīng)當(dāng)考慮到，由于O2的大量剩余，在此階段油氣組分的析碳反應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)，并相應(yīng)的隨著φ的增大，將生成更多的碳顆粒。

(3)當(dāng)φ>1.47時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物中CO與CO2幾乎不再變化，這是因?yàn)榇藭r(shí)氧含量已經(jīng)嚴(yán)重不足，更多的可燃物只能發(fā)生析碳反應(yīng)，生成更多的碳顆粒。而由于化學(xué)反應(yīng)鏈競爭的存在，總有部分CO基團(tuán)能夠成功捕獲O，生成一定的CO2；產(chǎn)生的碳顆粒也可能繼續(xù)與O2發(fā)生反應(yīng)，延長了反應(yīng)的時(shí)間，也使得O2進(jìn)一步被消耗。

圖8為爆燃壓力峰值pm、火焰持續(xù)時(shí)間τ與油氣當(dāng)量比的關(guān)系。可以看出，壓力峰值隨油氣當(dāng)量比的增大呈先增后減的變化規(guī)律，這與升壓速率的變化是一致的。同時(shí)，火焰持續(xù)時(shí)間隨油氣當(dāng)量比的增大呈先減后增的變化規(guī)律，即：在油氣濃度略高于當(dāng)量濃度的褶皺球形火焰形態(tài)下，爆燃反應(yīng)速率最快，破壞性也最強(qiáng)。C.Tang等[10]針對天然氣的研究指出，當(dāng)可燃?xì)猱?dāng)量比為1.1時(shí)，火焰持續(xù)時(shí)間最短，壓力峰值最大。本文中數(shù)據(jù)與此十分接近。

圖7 不同油氣當(dāng)量比下的最大火焰強(qiáng)度與升壓速率Fig.7 Maximum flame intensity and rate of pressure rise under different equivalence ratio

圖8 不同油氣當(dāng)量比下的火焰持續(xù)時(shí)間與最大壓力Fig.8 Duration of flame and maximum pressure under different equivalence ratio

然而，從圖5中可以看出，當(dāng)φ>1.6時(shí)，火焰持續(xù)時(shí)間(約600～900 ms)遠(yuǎn)大于φ<1時(shí)(約250～400 ms)。這點(diǎn)本文中結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果并不一致。這主要原因是：相對于文獻(xiàn)[10]中的天然氣，油氣中重質(zhì)成分含量更多，燃燒反應(yīng)需要經(jīng)過更多的步驟，反應(yīng)速度受貧氧條件的制約更顯著。

圖6～8說明，火焰形態(tài)與油氣爆燃的反應(yīng)產(chǎn)物、升壓速率、火焰強(qiáng)度、壓力峰值、火焰持續(xù)時(shí)間等諸多關(guān)鍵參數(shù)密切相關(guān)，在火焰形態(tài)發(fā)生變化的臨界油氣當(dāng)量比前后，上述參數(shù)隨當(dāng)量比的變化關(guān)系往往發(fā)生改變。對3種典型火焰形態(tài)下的油氣爆燃特征進(jìn)行了匯總，見表1。

表1 3種典型火焰形態(tài)下的油氣爆燃特征變化規(guī)律Table 1 Gasoline-air mixture deflagration characteristics of three different flame patterns

注：增加或減小均指隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)增加而發(fā)生的變化。

5 結(jié) 論

通過受限空間油氣爆燃可視化實(shí)驗(yàn)研究，提出了受限空間油氣爆燃的3種火焰形態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算給出了區(qū)分不同火焰形態(tài)的臨界判據(jù)，分析了3種火焰形態(tài)產(chǎn)生的機(jī)理，并探討了3種火焰形態(tài)下油氣爆燃特征參數(shù)的差異。主要結(jié)論如下。

(1)初始油氣體積分?jǐn)?shù)的不同，使油氣爆燃體現(xiàn)出3種典型的火焰形態(tài)，即光滑球形火焰、褶皺球形火焰和卷曲絮狀火焰，不同火焰形態(tài)的形成源自于油氣與空氣不同配比下燃燒反應(yīng)機(jī)理的差異。

(2)臨界油氣當(dāng)量比φCH,1=1、φCH,2=1.47，可作為3種火焰類型的劃分依據(jù)。

(3)火焰形態(tài)與油氣爆燃的關(guān)鍵參數(shù)密切相關(guān)：對光滑球形火焰，最大火焰強(qiáng)度、升壓速率和最大壓力隨當(dāng)量比的增加而增加，火焰持續(xù)時(shí)間隨當(dāng)量比的增加而減小；對褶皺球形火焰，最大火焰強(qiáng)度隨當(dāng)量比的增加而減小，升壓速率和最大壓力達(dá)到其最大值，而火焰持續(xù)時(shí)間達(dá)到最小值；對卷曲絮狀火焰，最大火焰強(qiáng)度和火焰持續(xù)時(shí)間隨當(dāng)量比的增加而增加，升壓速率和最大壓力隨當(dāng)量比的增加而減小。

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(責(zé)任編輯 丁 峰)

Flame patterns of gasoline-air mixture deflagration in a confined space

Qi Sheng, Du Yang, Liang Jianjun, Zhang Peili

(DepartmentofPetroleumSupplyEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401331,China)

In order to investigate the flame characteristics of gasoline-air mixture deflagration in a confined space, visualized experiments were performed at different equivalence ratios. Three flame patterns of gasoline-air deflagration were proposed: smooth spherical flame, fold spherical flame and curling flocculent flame. Based on the chemical kinetics and flame spectroscopy, the forming mechanism of each flame pattern was examined. Then, the critical equivalence ratio, here used to distinguish the flame patterns, was obtained by theoretical analysis and experimental measurement. Combined with the collected key parameters in the experiments, the differences in key parameters of each flame pattern were summarized, such as reaction products, rate of pressure rise, flame intensity, duration of flame and maximum pressure.

mechanics of explosion; flame pattern; deflagration; gasoline-air mixture; confined space

10.11883/1001-1455(2016)06-0832-07

2015-04-16； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-06-26

2015-06-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276195)

齊 圣(1990— )，男，博士研究生,qscups@163.com。

O354.1 <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

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