點(diǎn)火位置對氫氣-空氣預(yù)混氣體泄爆過程的影響*

曹 勇,郭 進(jìn),胡坤倫,邵 珂,楊 帆

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

點(diǎn)火位置對氫氣-空氣預(yù)混氣體泄爆過程的影響*

曹 勇,郭 進(jìn),胡坤倫,邵 珂,楊 帆

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

利用高速紋影和壓力測試系統(tǒng)對不同點(diǎn)火位置及不同破膜壓力條件下氫氣-空氣預(yù)混氣的泄爆特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：在所有情況下，中心點(diǎn)火時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾屎兔娣e最大，產(chǎn)生了最大的內(nèi)部壓力峰值，尾端點(diǎn)火時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾屎兔娣e次之，產(chǎn)生的內(nèi)部壓力峰值也次之；前端點(diǎn)火時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俾屎兔娣e均最小，產(chǎn)生了最小的內(nèi)部壓力峰值。前端點(diǎn)火時(shí)，容器內(nèi)部壓力出現(xiàn)了3個(gè)明顯的壓力峰值，中心和尾端點(diǎn)火時(shí)，只能觀察到第1個(gè)和第3個(gè)壓力峰值。并且，隨著破膜壓力的增加，中心和尾端點(diǎn)火時(shí)，火焰面積均增大，產(chǎn)生的內(nèi)部壓力峰值均增大。在前端點(diǎn)火的條件下出現(xiàn)了聲學(xué)振蕩的現(xiàn)象，對內(nèi)部壓力產(chǎn)生了顯著的影響。

爆炸力學(xué);泄爆;破膜壓力;點(diǎn)火位置;氫氣

氫氣作為一種清潔能源，能夠很好地解決當(dāng)今社會出現(xiàn)的溫室效應(yīng)、燃燒氣體污染和對化石燃料依賴等問題。然而，由于氫氣具有爆炸極限范圍寬、最小點(diǎn)燃能量低等特點(diǎn)，導(dǎo)致氫氣能源在使用過程中存在著突出的爆炸安全問題。泄爆是指當(dāng)容器內(nèi)的爆炸壓力超過某個(gè)設(shè)定壓力時(shí)，預(yù)設(shè)的薄弱面首先破裂，高壓氣體迅速泄放，以減輕爆炸造成的災(zāi)害和損失。因此，對于氫氣工作系統(tǒng)進(jìn)行正確的泄爆安全設(shè)計(jì)，能夠有效地提高氫氣能源的安全性。對碳?xì)淙剂系男贡芯恳呀?jīng)有很多[1-5]，對碳?xì)淙剂闲贡默F(xiàn)象和機(jī)理的研究已經(jīng)足夠深入，并且有了一系列的標(biāo)準(zhǔn)(如BS EN 14491[6]和NFP A68[7]等)。然而，與碳?xì)淙剂舷啾龋瑲錃饩哂懈叩娜紵俾?，使氫氣泄爆的過程能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成，產(chǎn)生的現(xiàn)象也更加復(fù)雜，人們對氫氣泄爆的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律還不夠清楚。B.Ponizy等[8]使用以往的壓力預(yù)測模型，對氫氣泄爆實(shí)驗(yàn)得到的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者存在明顯的差異，這也表明氫氣泄爆的預(yù)測并不完全適用于已有標(biāo)準(zhǔn)。因此，進(jìn)一步研究氫氣-空氣泄爆實(shí)驗(yàn)，對氫氣混合物意外爆炸時(shí)產(chǎn)生的超壓進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測從而進(jìn)行保護(hù)，是十分必要的。

在氫氣泄爆過程中，容器的體積、燃料的濃度和破膜壓力這些參數(shù)都可以進(jìn)行預(yù)設(shè)，達(dá)到建立預(yù)測模型的目的。而發(fā)生氫氣爆炸時(shí)，具體的點(diǎn)火位置難以確定，所以我們對點(diǎn)火位置的影響進(jìn)行了重點(diǎn)研究。V.Molkov等[9]研究了氫氣-空氣在大尺寸容器的泄爆實(shí)驗(yàn)，考慮了不同點(diǎn)火位置作用，建立了多種參數(shù)的超壓預(yù)測公式；A.J.Harrion等[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較小的泄放面積情況下，氫氣-空氣泄爆會引發(fā)外部爆炸現(xiàn)象，這時(shí)點(diǎn)火位置對容器內(nèi)部壓力峰值的大小有顯著的影響，尾端點(diǎn)火導(dǎo)致了最強(qiáng)的外部爆炸，產(chǎn)生了最大的內(nèi)部壓力峰值；C.R.Bauwens等[11]在不同泄放面積下的氫氣泄爆實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)火和前端點(diǎn)火分別產(chǎn)生了最大和最小的內(nèi)部壓力峰值；而K.Kumar[12]對不同濃度的氫氣-空氣混合氣進(jìn)行的大尺寸的泄爆實(shí)驗(yàn)中，卻得出了前端和尾端點(diǎn)火產(chǎn)生了相近的內(nèi)部壓力峰值的結(jié)論。上述實(shí)驗(yàn)都只考慮了不同燃料濃度和不同泄放面積，卻都沒有涉及不同破膜壓力時(shí)點(diǎn)火位置對于內(nèi)部超壓的影響；并且都僅僅分析了壓力的數(shù)據(jù)，而沒有對容器內(nèi)部實(shí)際燃燒情況進(jìn)行觀察。

本文中，在不同破膜壓力下，運(yùn)用高速紋影系統(tǒng)記錄容器內(nèi)部火焰的發(fā)展動(dòng)態(tài)，并通過紋影圖片計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俾剩Y(jié)合壓力曲線和峰值的分析進(jìn)一步研究不同點(diǎn)火位置對容器內(nèi)部超壓的影響。這對于建立準(zhǔn)確的爆炸壓力預(yù)測公式，正確地進(jìn)行泄爆減壓設(shè)計(jì)，從而減輕氫氣意外爆炸帶來的危害，有著重要的意義。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置和紋影系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic photoes of explosion chamber and schlieren system

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，泄爆實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑25 cm、長25 cm的圓柱形容器進(jìn)行，容器兩側(cè)各裝有一個(gè)厚5 cm、直徑30 cm的圓形石英玻璃，為高速紋影系統(tǒng)提供光路通道；高速相機(jī)的拍攝頻率為104s-1。容器中部連接截面7 cm×7 cm、長度10 cm的泄爆短管。圖中PT1和PT2是2個(gè)壓力傳感器，分別安裝在容器內(nèi)部和泄放口處。每次實(shí)驗(yàn)只使用其中的一個(gè)位置點(diǎn)火：前端點(diǎn)火(N1)、中心點(diǎn)火(N2)和尾端點(diǎn)火(N3)。

首先，用不同厚度的膜片封閉泄爆口，破膜壓力pv分別為0(無封口)、35、70、210和240 kPa。然后，將體積濃度為49%的氫氣-空氣混合氣體充入容器中；最后，由同步控制器輸出TLL信號，觸發(fā)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火氫氣-空氣預(yù)混氣，并同時(shí)觸發(fā)示波器和高速相機(jī)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。所有實(shí)驗(yàn)在15 ℃室溫下進(jìn)行，環(huán)境壓力約為100 kPa。

2 結(jié)果和討論

2.1 火焰特性

圖2 當(dāng)pv=0時(shí)容器內(nèi)部火焰紋影圖Fig.2 Schlieren photoes of internal flame generated by vented explosion in the vessel at pv=0

圖3 容器內(nèi)部火焰?zhèn)鞑ニ俾蔉ig.3 Flame propagation velocities in the vessel

圖2為pv=0(無封口)時(shí)泄爆容器內(nèi)部火焰紋影圖， 圖3為根據(jù)火焰紋影圖像得到的火焰速度。

中心和尾端點(diǎn)火的情況下，點(diǎn)火之后火焰迅速形成球形和半球形向泄放口傳播，隨著火焰的擴(kuò)展，通過自加速作用，火焰?zhèn)鞑ニ俾什粩嘣龃螅? ms時(shí)分別達(dá)到35和40 m/s；在4和6 ms時(shí)，中心點(diǎn)火和尾端點(diǎn)火的火焰分別傳播至泄放口附近，火焰前鋒面受到強(qiáng)烈拉伸，使火焰?zhèn)鞑ニ俾曙@著增大，火焰最大傳播速率均達(dá)到75 m/s左右。在25 ms時(shí)，容器內(nèi)部燃燒過程基本結(jié)束之后，外部火焰被吸入到容器中，使容器內(nèi)部剩余燃料繼續(xù)燃燒。

前端點(diǎn)火情況下，點(diǎn)火之后火焰迅速向容器內(nèi)部擴(kuò)展，2 ms后受到泄放口氣流的強(qiáng)烈作用，使火焰表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，火焰?zhèn)鞑シ较虬l(fā)生了反轉(zhuǎn)，向容器外部傳播，火焰速率出現(xiàn)了負(fù)值； 4 ms后，火焰向容器內(nèi)部傳播，可以看到火焰前鋒面不斷扭曲形成了湍流皺褶，之后火焰保持10～20 m/s速率向容器內(nèi)部傳播。

通過圖2～3對比，可以得出：中心點(diǎn)火和尾端點(diǎn)火時(shí)，火焰更晚地受到泄放氣流的影響，燃燒地相對穩(wěn)定，火焰面積和燃燒速率均很大；前端點(diǎn)火時(shí)，火焰距泄放口最近，較早地受到泄放氣流影響，火焰?zhèn)鞑ニ俾屎兔娣e都最小，表面很大的皺褶和扭曲，燃燒過程很不穩(wěn)定。

圖4為破膜壓力70 kPa時(shí)容器內(nèi)部火焰的紋影圖片。與圖2進(jìn)行對比，可以看出：由于泄爆封口的存在，容器內(nèi)部形成了一個(gè)封閉的空間，封口破裂之前內(nèi)部燃料進(jìn)行層流燃燒，隨著破膜壓力不斷增大，封閉燃燒的時(shí)間不斷增加，火焰面積和傳播速率也不斷增大；在泄爆封口破裂之后，火焰逐漸扭曲變形，燃燒變得更加劇烈?？梢缘贸鼋Y(jié)論：泄放口封閉時(shí)，內(nèi)部壓力先增大至破膜壓力，泄放封口發(fā)生破裂；泄放封口破裂之后泄放口才會打開，火焰陣面開始出現(xiàn)湍流皺褶。

圖4 當(dāng)pv=70 kPa時(shí)容器內(nèi)部火焰紋影圖Fig.4 Schlieren photoes of internal flame generated by vented explosion in the vessel at pv=70 kPa

2.2 壓力變化規(guī)律

3種點(diǎn)火位置的壓力曲線中均出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象，由圖5可以看出，壓力曲線的振蕩總是出現(xiàn)在破膜壓力之后，這也說明了振蕩是由火焰?zhèn)鞑ブ列狗趴谥笮纬傻?。值得注意的是：在破膜壓力pv=0時(shí)，前端點(diǎn)火的壓力信號中振蕩現(xiàn)象格外顯著。這是因?yàn)椋诨鹧嫱ㄟ^泄放口向外傳播的階段，燃燒氣體和外界未燃?xì)怏w之間形成一個(gè)交界面，當(dāng)交界面受到氣體運(yùn)動(dòng)的加速時(shí)，火焰會變得不穩(wěn)定，增強(qiáng)了聲學(xué)的作用，形成了聲學(xué)振蕩。而中心點(diǎn)火和尾端點(diǎn)火的壓力曲線也出現(xiàn)了振蕩，這是因?yàn)?，包裹著未燃?xì)怏w的燃燒火焰從泄放口噴射出來之后，火焰在外部點(diǎn)燃了帶出的未燃?xì)怏w，產(chǎn)生了二次爆炸現(xiàn)象。由圖2可以清晰地看出，容器內(nèi)部火焰形成了很大的皺褶，這是因?yàn)槎伪óa(chǎn)生的沖擊波和容器內(nèi)部火焰相互作用，使容器內(nèi)部火焰發(fā)生扭曲，內(nèi)部壓力曲線也出現(xiàn)了明顯的振蕩。A.J.Harrion等[10]和G.Ferrara等[13]對甲烷進(jìn)行了泄爆實(shí)驗(yàn)，也在前端點(diǎn)火的條件下產(chǎn)生了振蕩的壓力峰值，可以推斷壓力的振蕩峰值的產(chǎn)生受到點(diǎn)火位置顯著影響。

圖5 不同破膜壓力下3種點(diǎn)火位置對應(yīng)的內(nèi)部壓力Fig.5 Pressure profiles of three igniter locations at various bursting pressures

由圖5可以直觀地看到：前端點(diǎn)火總是產(chǎn)生最小的內(nèi)部壓力峰值，這可以解釋為相對于燃燒氣體而言，前端點(diǎn)火時(shí)泄放氣體具有更大體積流量，火焰接近泄放口時(shí)，傳播速率出現(xiàn)了急劇地下降(見圖3)，這反映了內(nèi)部壓力也出現(xiàn)了一個(gè)迅速降低的過程。中心點(diǎn)火總是產(chǎn)生最大的內(nèi)部壓力峰值，這可以解釋為，中心點(diǎn)火時(shí)火焰能夠更晚地與容器壁接觸，從而產(chǎn)生更小的熱量損失和更大的火焰面積；并且，中心點(diǎn)火產(chǎn)生的火焰能夠同時(shí)向泄放口和容器內(nèi)部兩個(gè)方向擴(kuò)展，這有利于發(fā)展不同的火焰不穩(wěn)定性機(jī)制，如火焰到達(dá)泄放口之后，形成了泰勒不穩(wěn)定性，從而促進(jìn)了容器內(nèi)部壓力的發(fā)展。

圖6 容器內(nèi)部壓力峰值Fig.6 Peak pressures in the vessel

圖6給出了不同破膜壓力條件下容器內(nèi)部的壓力峰值。由于泄爆封口的存在，使容器形成一個(gè)封閉的狀態(tài)，隨著破膜壓力不斷增大，點(diǎn)火之后，容器內(nèi)部燃料進(jìn)行封閉燃燒的時(shí)間也不斷增加，熱量損失不斷減少，并且更晚地進(jìn)行燃燒氣體的泄放，從而使內(nèi)部壓力峰值也增大。由圖6可以看到：中心和尾端點(diǎn)火產(chǎn)生的內(nèi)部壓力峰值均隨著破膜壓力增加而不斷增加，中心點(diǎn)火產(chǎn)生的內(nèi)部壓力峰值可達(dá)到350 kPa；除了pv=35 kPa情況，前端點(diǎn)火產(chǎn)生的內(nèi)部壓力的峰值也隨著破膜壓力的增加而增大。隨著破膜壓力增大，延緩了封口破裂、氣體泄放的時(shí)間，減小了火焰噴出后發(fā)生二次爆炸的可能性；并且，泄爆封口破裂之前燃燒時(shí)間的增加，也減少了聲學(xué)作用的時(shí)間，減弱了聲學(xué)的振蕩現(xiàn)象。由圖5可以看出，隨著破膜壓力增大，3種點(diǎn)火位置的壓力曲線中振蕩變得越來越弱，當(dāng)pv=210 kPa時(shí)，中心點(diǎn)火的壓力曲線振蕩現(xiàn)象已經(jīng)消失。

3 結(jié) 論

(1) 中心點(diǎn)火時(shí)，火焰同時(shí)朝泄放口和容器內(nèi)部傳播，接觸容器壁的時(shí)間最晚，火焰面積和傳播速率最大。尾端點(diǎn)火時(shí)，火焰向泄放口傳播，火焰面積和傳播速率次之。前端點(diǎn)火時(shí)，火焰先向容器內(nèi)部傳播，隨后由于泄放口氣流的作用，傳播方向發(fā)生反轉(zhuǎn)；最后火焰繼續(xù)向容器內(nèi)部傳播，由于泄放氣流有很大的體積流量，火焰面積和傳播速率總是最小。

(2) 在前端點(diǎn)火時(shí)，容器內(nèi)部壓力曲線出現(xiàn)了3個(gè)明顯的壓力峰值。而在中心點(diǎn)火和尾端點(diǎn)火時(shí)，只能觀察到第1個(gè)和第3個(gè)壓力峰值。在所有條件下，中心點(diǎn)火總是產(chǎn)生了最大的內(nèi)部壓力峰值，尾端點(diǎn)火次之，前端點(diǎn)火的內(nèi)部壓力峰值總是最小。泄爆封口破裂后，3種點(diǎn)火位置的壓力曲線均產(chǎn)生了振蕩現(xiàn)象。前端點(diǎn)火時(shí)，振蕩現(xiàn)象最顯著。

(3) 破膜壓力對火焰?zhèn)鞑ズ腿萜鲀?nèi)部壓力峰值有很大影響。隨著破膜壓力的不斷增大，容器內(nèi)部燃料封閉燃燒的時(shí)間不斷增加，延緩了氣體泄放的時(shí)間，火焰面積和傳播速率均增大，容器內(nèi)部壓力峰值也不斷升高。破膜壓力的增大，也減弱了火焰的不穩(wěn)定性和聲學(xué)振蕩現(xiàn)象。3種點(diǎn)火位置的內(nèi)部壓力峰值，均隨著破膜壓力增加而增大。

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(責(zé)任編輯 丁 峰)

Effect of ignition locations on vented explosion of premixed hydrogen-air mixtures

Cao Yong, Guo Jin, Hu Kunlun, Shao Ke, Yang Fan

(AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China)

In this work experiments were carried out to investigate the effect of ignition locations and vent burst pressures on the pressure profile and the flame propagation during explosion venting of hydrogen-air mixtures. The results indicate that, in all the cases, the central ignition leads to the largest flame areas, the highest flame propagation velocities and peak pressures peak pressures; compared with that of the central ignition, the effect of the rear ignition on the flame propagation velocity, the flame areas and the peak pressures is reduced, while the front ignition results in the smallest flame areas, the lowest flame propagation velocity and peak pressures. For the front ignition, the pressure profile exhibits three peak pressures which correspond to the following three successive stages, but for the central and rear ignition, only the first and the third peak pressure can be found. Furthermore, both the peak pressures and the flame areas increase with the bursting pressure. Overpressure measurements made inside the chamber show clearly that the acoustic oscillation occurs and the internal pressures were influenced by the external explosion.

mechanics of explosion; vented explosion; burst pressure; igniter locations; hydrogen

10.11883/1001-1455(2016)06-0847-06

2015-03-19； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-06-10

2015-06-10

曹 勇(1991— )，男，碩士研究生;

胡坤倫,klhu999@sina.com。

O382.1 <國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：1303520

A