點(diǎn)火方式對(duì)受限空間油氣爆燃規(guī)律的影響

吳松林，杜揚(yáng)，張培理，梁建軍（后勤工程學(xué)院重慶火災(zāi)與爆炸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 403；后勤工程學(xué)院基礎(chǔ)部，重慶 403）

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點(diǎn)火方式對(duì)受限空間油氣爆燃規(guī)律的影響

吳松林1,2，杜揚(yáng)1，張培理1，梁建軍1
（1后勤工程學(xué)院重慶火災(zāi)與爆炸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401311；2后勤工程學(xué)院基礎(chǔ)部，重慶 401311）

摘要：通過可視化和數(shù)據(jù)分析方法，針對(duì)電火花、突遇高溫?zé)岜?、直接加熱熱源和持續(xù)加熱熱壁4種常見的點(diǎn)火方式，對(duì)油氣在受限空間的整個(gè)爆燃過程進(jìn)行了對(duì)比分析。不同點(diǎn)火方式下油氣爆燃的起燃條件、起燃速度、火焰結(jié)構(gòu)、火焰顏色存在很大的區(qū)別，并進(jìn)行了細(xì)節(jié)分析。盡管油氣在受限空間的爆燃過程都呈現(xiàn)出4個(gè)階段，但火焰顏色、持續(xù)時(shí)間對(duì)不同的點(diǎn)火方式是不同的。通過對(duì)最大爆炸超壓和超壓典型曲線的分析，最大爆炸超壓由大到小的點(diǎn)火方式依次是突遇高溫?zé)岜凇㈦娀鸹?、直接加熱熱源和持續(xù)加熱熱壁，并分析了受限空間中超壓曲線的典型特征。

關(guān)鍵詞：受限空間；油氣；混合物；爆炸；點(diǎn)火方式；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2015-06-19收到初稿，2015-10-12收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：吳松林（1973—），男，碩士，副教授。

Received date: 2015-06-19.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51276195) and the Basic and Frontier Research Project of Chongqing (cstc2013jcyjA00006).

引　言

近年來，可燃?xì)怏w給人們方便、高效使用能源帶來了很大的便利，但也給生命和財(cái)產(chǎn)帶來了極大的危害。這使得人們對(duì)可燃?xì)怏w的相關(guān)研究不斷深入，取得了很多的成果[1-19]。在起燃過程中，主要在于確定爆炸濃度極限[4-5]，尋找影響點(diǎn)火的條件[6-7]，確定延遲時(shí)間[8]，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[9]，需要的最低點(diǎn)火能量等；在傳播過程中，主要在于分析湍流和爆燃的正反饋?zhàn)饔?，湍流的加速機(jī)理，不同封閉空間中爆炸超壓、火焰速度和火焰結(jié)構(gòu)等的傳播規(guī)律等[10-19]。

汽油是成品油中易揮發(fā)的液體。本文研究的油氣主要指汽油揮發(fā)物和空氣的混合物，具有復(fù)雜組分的可燃性氣體，爆炸濃度極限為0.8%～6.5%。由于它易滿足爆炸的條件，從而帶來重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。如2013年“11-22”青島輸油管道燃爆事故共造成62人遇難，136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。事故的主因是腐蝕造成原油泄漏，所揮發(fā)的油氣與暗渠當(dāng)中的空氣混合形成易燃易爆氣體，在相對(duì)封閉的空間內(nèi)集聚，最后遇到火花，發(fā)生爆燃，繼而發(fā)生蔓延、擴(kuò)散，在大范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)生爆炸。盡管已有作者獲得了油氣在受限空間的起燃和傳播規(guī)律[20]，也對(duì)油氣燃燒的反應(yīng)機(jī)理、爆炸傳播規(guī)律進(jìn)行了初步探索[21]，但總地來看，對(duì)油氣起燃、起爆規(guī)律的研究還有待深入，如起燃過程的“細(xì)節(jié)”研究，不同點(diǎn)火方式下起燃過程，爆炸發(fā)展過程有哪些共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，哪些點(diǎn)火方式容易發(fā)生，會(huì)造成多大的破壞程度等。這些都屬于爆炸的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，所得結(jié)果可以豐富相關(guān)安全研究成果，但不同點(diǎn)火方式的油氣爆燃對(duì)比研究還未見相關(guān)報(bào)道。

眾所周知，點(diǎn)火能量是影響可燃?xì)怏w起爆的重要因素之一，譬如可影響火焰的起燃速度、傳播過程的超壓速度等。事實(shí)上，不同的點(diǎn)火方式會(huì)造成能量聚集不同，從而會(huì)造成可燃?xì)怏w在起爆過程中火焰結(jié)構(gòu)、爆炸的傳播規(guī)律完全不同[22-24]。本文針對(duì)電火花點(diǎn)火、突遇高溫?zé)岜凇⒅苯蛹訜釤嵩春统掷m(xù)加熱熱壁4種常見的點(diǎn)火方式，對(duì)油氣在受限空間中的起燃、爆燃過程進(jìn)行了可視化對(duì)比研究，對(duì)爆燃過程超壓進(jìn)行了對(duì)比分析。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

自主設(shè)計(jì)可視化封閉實(shí)驗(yàn)圓形坑道，以及各個(gè)系統(tǒng)的連接情況見圖1。其中實(shí)驗(yàn)坑道長(zhǎng)1700 mm，半徑為200 mm，設(shè)置有2個(gè)觀察窗和1個(gè)熱源放置平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含壓力測(cè)試系統(tǒng)、溫度測(cè)試系統(tǒng)、濃度測(cè)試系統(tǒng)、油氣循環(huán)系統(tǒng)、電火花點(diǎn)火系統(tǒng)和熱源加熱系統(tǒng)。

透過圖1中的觀察窗，放置點(diǎn)火裝置，包括點(diǎn)火電極和熱源裝置（圖2）。其中點(diǎn)火電極與自主設(shè)計(jì)的多功能電點(diǎn)火器（圖3）相連，其點(diǎn)火能量范圍為0.1～6.9 J。為了達(dá)到熱點(diǎn)火條件，通過前期探索，溫度必須在800 K以上，一般的加熱平板都難以達(dá)到要求，故自行設(shè)計(jì)加熱系統(tǒng)，包括電源、變壓器、熱源裝置和耐高溫電線，其中熱源主要由2000～3000 W不同功率的電熱絲組成。絕熱電線穿過實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的底座，將電熱絲與變壓器相連起來。為了使得發(fā)熱均勻，將2 mm銅板覆蓋在熱源上，周圍用絕熱層隔開，熱源面積為100 mm×100 mm。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采取電火花、突遇高溫?zé)岜?、直接加熱熱源和持續(xù)加熱熱壁4種點(diǎn)火方式，完成了不同濃度油氣在受限空間的起爆實(shí)驗(yàn)。通過高速攝影，“記錄”了典型火焰的發(fā)生和發(fā)展過程，通過壓力傳感器，記錄了受限空間壓力的動(dòng)態(tài)變化。

圖2　熱壁結(jié)構(gòu)Fig.2　Diagram of hot wall

圖3　多功能智能點(diǎn)火器Fig.3　Multifunctional intelligent ignition device

2.1實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

由于油氣濃度是影響起燃過程的一個(gè)重要因素，但對(duì)不同點(diǎn)火方式，最佳起燃效果的濃度是不一樣的，如在持續(xù)加熱熱壁下，油氣濃度在2.0%以下很難起燃。為了顯示較好的起燃效果，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，就每種點(diǎn)火方式分別選取了不同濃度的一次典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，基本參數(shù)見表1。

2.2不同點(diǎn)火方式下油氣起燃過程的比較分析

為了探索點(diǎn)火方式對(duì)油氣起燃過程的影響，在以上4種點(diǎn)火方式下對(duì)油氣火焰的起燃火焰過程（圖4～圖7）進(jìn)行對(duì)比分析，探索火焰結(jié)構(gòu)、起燃速度、火焰顏色等的變化。

通過對(duì)圖4～圖7的起燃過程進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論。

表1　4次實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)Table 1　Basic parameters of 4 experiments

圖4　電火花下油氣濃度為1.5%的起燃火焰Fig.4　Flame of concentration 1.5% under electric spark

圖5　突遇高溫?zé)岜谙掠蜌鉂舛葹?.72%的起燃火焰Fig.5　Flame of concentration 1.72% under hot wall suddenly touched

圖6　直接加熱熱源下油氣濃度為1.62%的起燃火焰Fig.6　Flame of concentration 1.62% under hot resource direct heated

圖7　持續(xù)加熱熱壁下油氣濃度為2.4%的起燃火焰Fig.7　Flame of concentration 2.4% under hot wall continuous heated

（1）從火焰結(jié)構(gòu)上分析：電火花和直接加熱

（1）從火焰結(jié)構(gòu)上分析：電火花和直接加熱熱源兩種點(diǎn)火方式的火焰周圍產(chǎn)生了大面積的淡藍(lán)色次生火焰。相比于熱源點(diǎn)燃，電火花產(chǎn)生的能量很集中，點(diǎn)燃后藍(lán)色次生火焰發(fā)展更快，但熱源加熱點(diǎn)燃后藍(lán)色火焰呈現(xiàn)了一些皺褶，說明已有弱湍流燃燒；對(duì)突遇高溫?zé)岜诤?，油氣被點(diǎn)燃這種情況，由于點(diǎn)火面積大、溫度高，能量也就非常大，油氣層流燃燒非常迅猛，只有薄薄的一層淡藍(lán)色火焰前鋒；對(duì)持續(xù)加熱熱壁這種點(diǎn)火方式，因熱壁上方的溫度逐漸上升，造成油氣處于緩慢氧化狀態(tài)，一旦油氣被點(diǎn)燃，火焰結(jié)構(gòu)完全不同于其他3種點(diǎn)火方式，火焰先呈現(xiàn)為“尖峰”狀，后變?yōu)椤笆睜?，不斷有明亮的活性區(qū)域出現(xiàn)。

（2）從起燃的難易程度來看，由于可燃?xì)怏w的最低電火花點(diǎn)火能量只需要幾個(gè)毫焦，比較易點(diǎn)燃；通過前期研究，直接接觸高于自燃點(diǎn)的高溫，油氣也容易點(diǎn)燃；但是，不接觸明火，由持續(xù)加熱熱壁的輻射熱點(diǎn)燃油氣是比較困難的，主要原因是逐漸上升的溫度，使得油氣發(fā)生了緩慢氧化反應(yīng)[21]，在熱壁上方形成了“保護(hù)層”。本課題組另一項(xiàng)研究結(jié)果表明，在該種點(diǎn)火方式下，油氣起燃受到了熱壁的最高溫度、油氣濃度、熱壁的加熱速度、環(huán)境濕度、環(huán)境壓力、空間尺度等眾多因素的影響，其中熱壁的最高溫度、油氣濃度和熱壁的加熱速度都是影響油氣能否起燃的關(guān)鍵因素。該種條件下，油氣濃度下限在1.9%，遠(yuǎn)高于油氣爆炸下限；油氣的最低著火溫度需要大于873 K，高于油氣自燃的最低溫度。

（3）從起燃時(shí)間和火焰速度來看，當(dāng)起燃火焰充滿整個(gè)觀察窗時(shí)，電火花、突遇高溫?zé)岜?、直接加熱熱源和持續(xù)加熱熱壁4種方式下分別用的時(shí)間為200、160、320和380 ms。起燃過程所用時(shí)間越短，說明了點(diǎn)火能量相對(duì)越集中，燃燒反應(yīng)較快，火焰速度比較大。這樣來看，起燃階段火焰的平均速度由大到小的點(diǎn)火方式依次為突遇高溫?zé)岜?、電火花、直接加熱熱源和持續(xù)加熱熱壁。

（4）從起燃的顏色來看，如果直接接觸高溫，由于能量大，起燃火焰呈現(xiàn)出橘紅色；而電火花和高溫?zé)嵩茨芰肯鄬?duì)集中，在燃燒中心為橘紅色，周圍主要為淡藍(lán)色次生火焰；對(duì)高溫?zé)岜诩訜岱绞絹碚f，由于高濃度油氣經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的緩慢氧化反應(yīng)，產(chǎn)生了一定水蒸氣，使得起燃火焰整個(gè)顏色很淡，呈現(xiàn)很弱的橘紅色，峰尖有一點(diǎn)淡藍(lán)色。由于經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的氧化反應(yīng)，活化中心已經(jīng)生成，造成起燃過程中有明亮的絲狀燃燒核。由于火焰的顏色主要受油氣復(fù)雜組分影響，還與溫度有關(guān)系，如淡藍(lán)色火焰的出現(xiàn)說明有H2、CH4等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，溫度較低；火焰出現(xiàn)了白色，說明溫度很高，至少超過了1200 K。

2.3不同點(diǎn)火方式下油氣爆燃過程的比較分析

2.3.1油氣爆燃過程火焰的階段性分析圖8～圖11是除起燃過程外，4種點(diǎn)火方式下油氣其余爆燃過程的截圖。從整個(gè)過程來看，無論是哪種點(diǎn)火方式，在受限空間中油氣爆燃過程都呈現(xiàn)出明顯的4個(gè)階段。第1階段為起燃過程（圖4～圖7）階段，表現(xiàn)在觀察窗有火焰鋒面出現(xiàn)，火焰充滿了整個(gè)觀察窗；第2階段是火焰鋒面先向上，后向下和兩側(cè)流動(dòng)燃燒；第3階段為燃燒和流動(dòng)正反饋，形成沖擊波，在壁面形成較高的超壓，然后沖擊波折返，在觀察窗中呈現(xiàn)明亮的劇烈燃燒火焰；第4階段是火焰熄滅階段，火焰顏色逐漸變得越來越淡，直至熄滅。

圖8　電火花下油氣的爆燃過程Fig.8　Deflagration process of gasoline-air under electric spark

圖9　突遇高溫?zé)岜谙掠蜌獾谋歼^程Fig.9　Deflagration process of gasoline-air under hot wall suddenly touched

圖10　直接加熱熱源下油氣的爆燃過程Fig.10　Deflagration process of gasoline-air under hot resource direct heated

圖11　持續(xù)加熱熱壁下油氣的爆燃過程Fig.11　Deflagration process of gasoline-air under hot wall continuous heated

表2　油氣爆燃過程4個(gè)階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn)Table 2　Time node of 4 stages at process of gasoline-air deflagration

表3　4種點(diǎn)火方式下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大超壓Table 3　Maximum overpressure of 3 measuring points under 4 ignition modes

根據(jù)火焰的流動(dòng)方向和顏色變化，可以統(tǒng)計(jì)出4種點(diǎn)火方式下油氣爆燃4個(gè)階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果見表2，以及相應(yīng)每個(gè)階段所占時(shí)間比例的直方圖（圖12）。

圖12　4種點(diǎn)火方式下油氣爆燃過程4個(gè)階段的時(shí)間比例Fig.12　Proportion of time under 4 ignition modes of gasoline-air deflagration in 4 stages

從表2和圖12可以發(fā)現(xiàn)，電火花和突遇高溫?zé)岜邳c(diǎn)火方式下，油氣爆燃過程的4個(gè)階段所用時(shí)間規(guī)律基本一致，略有細(xì)微差別，說明它們的火焰速度大致差不多，時(shí)間所占比例由大到小依次是第3階段、第4階段、第2階段和第1階段；與之相比，在直接加熱熱源下，起燃過程用了320 ms，相對(duì)要長(zhǎng)一些，起燃速度要慢一點(diǎn)，但其他3個(gè)過程所用時(shí)間卻差不多，火焰速度基本一樣；但在持續(xù)加熱熱壁下，每個(gè)階段所用時(shí)間都相對(duì)較長(zhǎng)，特別是熄滅階段，用了7200 ms，占整個(gè)燃燒過程的70.3%，大部分時(shí)間都處于“悶燃”狀態(tài)。

2.3.2油氣爆燃過程的超壓分析表3表示了4種點(diǎn)火方式下3個(gè)壓力傳感器測(cè)得的最大超壓?？偟貋砜矗捎趯?shí)驗(yàn)坑道空間大（L/D=4.25），因此3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的最大超壓都不大，都不超過0.2 MPa。從不同測(cè)點(diǎn)來看，測(cè)點(diǎn)2位于起火點(diǎn)處，壓力很小；測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3都位于兩個(gè)封閉端，最大超壓相對(duì)較大，但由于測(cè)點(diǎn)3距起火點(diǎn)的距離長(zhǎng)，油氣爆燃和湍流相互耦合，形成正反饋，沖擊波得以加強(qiáng)，因此它的最大超壓均比測(cè)點(diǎn)1的最大超壓略大。從不同的點(diǎn)火方式來看，與之前對(duì)應(yīng)，起燃后強(qiáng)度越大，相應(yīng)的爆炸最大超壓也越大，即本實(shí)驗(yàn)條件下，最大爆炸超壓的順序依次是突遇高溫?zé)岜?、電火花、直接加熱熱源和持續(xù)加熱熱壁。

圖13是4種點(diǎn)火方式下3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線。測(cè)點(diǎn)2位于起火點(diǎn)，起火后它的波形呈現(xiàn)單峰狀，而測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的壓力波形大致為雙峰狀，第1個(gè)壓力波峰最大超壓普遍小于第2個(gè)壓力波峰的最大超壓?？扇夹詺怏w起火后，在受限空間中受擾動(dòng)影響，形成湍流，與燃燒耦合，形成沖擊波，并不斷加速。后經(jīng)壁面反射，最終可能形成多個(gè)峰值。壓力曲線的波形通常與受限空間尺度、可燃?xì)怏w的燃燒特性、濃度等有關(guān)。

3　結(jié)　論

針對(duì)電火花、突遇高溫?zé)岜凇⒅苯蛹訜釤嵩春统掷m(xù)加熱熱壁4種點(diǎn)火方式，對(duì)油氣在受限空間的整個(gè)爆燃過程進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得如下的結(jié)論。

（1）通過對(duì)起燃過程的可視化和數(shù)據(jù)分析研究，發(fā)現(xiàn)4種點(diǎn)火方式下起燃條件、起燃速度、火焰結(jié)構(gòu)、火焰顏色存在很大的區(qū)別，并進(jìn)行了細(xì)節(jié)的分析。特別是持續(xù)熱壁方式下的油氣爆炸濃度下限和最低著火溫度都很高，延遲時(shí)間長(zhǎng)，火焰形狀出現(xiàn)為“石柱”狀。而電火花和直接加熱熱源下，油氣起燃火焰大面積為淡藍(lán)色的次生火焰等。

（2）通過對(duì)受限空間內(nèi)整個(gè)爆燃過程的可視化分析，發(fā)現(xiàn)4種點(diǎn)火方式下爆燃過程都呈現(xiàn)出明顯的4個(gè)階段，分別為：起燃過程；火焰鋒面先向上，后向下和兩側(cè)流動(dòng)燃燒過程；燃燒和流動(dòng)形成正反饋，爆燃形成的沖擊波折返過程；熄滅過程。但4種點(diǎn)火方式下的4個(gè)過程有顏色和持續(xù)時(shí)間的區(qū)別，特別對(duì)每個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比研究。

（3）通過對(duì)3個(gè)位置的最大爆炸超壓和超壓典型曲線的分析，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)條件下，最大爆炸超壓由大到小順序的點(diǎn)火方式依次是突遇高溫?zé)岜凇㈦娀鸹?、直接加熱熱源和持續(xù)加熱熱壁，并分析了超壓曲線的典型特征。

圖13　4種著火方式下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力曲線Fig.13　Pressure curves of 3 measuring points at 4 ignition modes

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Effect of ignition node on gasoline-air deflagration behavior in confined space

WU Songlin1,2，DU Yang1，ZHANG Peili1，LIANG Jianjun1
(1Chongqing Key Laboratory of Fire and Explosion Safety，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China;2Department of Fundamental Studies，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)

Abstract:For four daily ignition modes，including electric spark，hot wall suddenly touched，hot resource direct heated and hot wall continuous heated，a comparative analysis of the whole process of gasoline-air deflagration in confined space was made through visualization experiment and data analysis. There were great differences in ignition condition，combustion speed，flame structure and flame color for gasoline-air deflagration under different ignition mode. Although there were four stages during the process of gasoline-air deflagration in confined space，their duration time and flame color were all different. According to analysis for maximum explosion overpressure and explosion pressure curves，the ignition modes of maximum explosion overpressure from big to small were hot wall suddenly touched，electric spark，hot resource direct heated and hot wall continuous heated. At the same time the typical features of overpressure curve was analyzed.

Key words:confined space; gasoline-air; mixture; explosions; ignition mode; experimental validation

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150958

中圖分類號(hào)：X 932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）04—1626—07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51276195）；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究項(xiàng)目（cstc2013jcyjA00006）。

Corresponding author:WU Songlin，wusonglin100@com