T型分支管道對油氣爆炸壓力的影響*

杜 揚,李國慶,李陽超,齊 圣,王世茂,王 波

(后勤工程學院供油系,重慶401311)

T型分支管道對油氣爆炸壓力的影響*

杜 揚,李國慶,李陽超,齊 圣,王世茂,王 波

(后勤工程學院供油系,重慶401311)

為了研究T型分支結(jié)構(gòu)對管道內(nèi)油氣爆炸壓力的影響,進行了不同初始油氣體積分數(shù)、不同初始點火能工況下多參數(shù)對比實驗,并對火焰?zhèn)鞑ミM行了可視化研究。實驗結(jié)果表明:T型分支管道對油氣爆炸壓力有強化作用,強化程度和初始油氣體積分數(shù)關(guān)系密切,在當量比附近,強化程度表現(xiàn)最顯著;初始點火能對油氣爆炸最大超壓影響顯著,隨著點火能的增大,最大爆炸超壓呈線性增長;波的繞射和反射、流場湍流度增強、管道通道面積增大和障礙物擾動是導致T型分支管道內(nèi)爆炸壓力增強的主要因素;T型分支管道會導致火焰陣面嚴重地彎曲褶皺變形,增大火焰面積,并且回傳火焰對T型分支結(jié)構(gòu)壁面具有較強的破壞作用。

T型分支管道;油氣;爆炸波;可視化

在油料洞庫、地下通道、隧道、礦井和燃氣輸送管網(wǎng)等受限空間內(nèi),可燃氣爆炸事故時有發(fā)生,嚴重損害國家財產(chǎn)和人民人身安全。如:2013年11月,中石油黃島油庫輸油管道爆炸,造成62人遇難,9人失蹤,166人受傷;2014年3月1日,山西晉城一隧道因車禍發(fā)生甲醇液體燃料泄漏,發(fā)生“3.1隧道爆炸案”,造成31人死亡。以往的研究表明,可燃氣體在復雜空間結(jié)構(gòu)受限空間內(nèi)的爆炸傳播過程,是一個氣體流動與燃燒反應(yīng)相耦合的流體動力學過程,涉及爆炸波和火焰的傳播特性、火焰結(jié)構(gòu)變化、化學反應(yīng)強度以及火焰不穩(wěn)定性等基本環(huán)節(jié),是燃燒爆炸領(lǐng)域比較基礎(chǔ)且復雜的內(nèi)容[1-7]。顧金龍等[8]對連續(xù)拐彎管道中瓦斯爆炸傳播特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸在管道拐彎處的傳播過程是一個壓力波、火焰、復雜流動相互作用的過程。在拐彎處,火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝捍蠓仙?嚴重破壞彎管壁面。林柏泉等[9]初步研究了瓦斯爆炸在T型管道中的傳播規(guī)律,發(fā)現(xiàn)管道分岔對瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅úǔ瑝憾加性鰪娮饔?。G.Thomas等[6]研究了管道中可燃氣體爆炸后的火焰加速和爆燃轉(zhuǎn)爆轟機理。他們分別進行了彎曲管道和直管中可燃氣體爆炸傳播特性的對比實驗,實驗表明:與相同實驗工況下的直管相比較,在彎曲管道中,湍流強度會急劇增大,而這種湍流強度是由彎管下游氣體產(chǎn)生的附加湍流引起的。盡管通過以上研究已經(jīng)得到了復雜空間結(jié)構(gòu)中可燃氣體燃燒爆炸的相關(guān)規(guī)律,但是在上述研究中,大部分的燃燒反應(yīng)介質(zhì)采用的是瓦斯、甲烷、丙酮等純凈物,而對油氣混合介質(zhì)在T型分支管道等復雜受限空間內(nèi)的燃燒爆炸規(guī)律研究較少。針對這一特性的研究,有利于深入認識油料等可燃氣體在受限空間內(nèi)燃燒爆炸的傳播規(guī)律,進一步豐富可燃氣體的爆炸理論體系,同時,也有助于提高油料儲存、運輸、加工過程的安全性,有利于降低工業(yè)油氣爆炸事故的發(fā)生率,減少爆炸事故給人身和財產(chǎn)帶來的危害。鑒于此,本文中以實驗室激波管實驗臺架為基礎(chǔ),設(shè)計和加工T型分支管道,選用汽油-空氣混合氣體作為燃燒反應(yīng)介質(zhì),重點研究T型分支管道對油氣爆炸壓力的影響。

1 實驗系統(tǒng)和方案

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示,主要包括主實驗裝置(T型分支管道模擬實驗臺架和直管道模擬實驗臺架)、測試系統(tǒng)(C/H濃度測試系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng))、輔助系統(tǒng)(油氣霧化裝置、點火系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)、傳感器標定系統(tǒng))。主實驗臺架水平長度為5 500 mm,分支管道深度為500 mm,T型分支管道豎直中軸線距離主管道左側(cè)端部3 250 mm,管道橫截面尺寸為186 mm×186 mm。實驗臺架非可視化部分為鋼制管道,壁厚為20 mm;可視化部分為有機玻璃管道,壁厚為20 mm。各布置一只壓力傳感器在距離T型分支管道中軸線前后500 mm處,分別為測點1和測點2。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

點火裝置采用實驗室定制的高能無干擾點火器,點火頭如圖2所示,實驗中記錄的點火頭引爆油氣過程的高速圖像如圖3所示。

油氣預(yù)混氣體采用實驗室定制的油氣霧化裝置制取,該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,霧化原理為:當氣體流經(jīng)通道面積較小的區(qū)域,氣體流速增大,壓力降低,根據(jù)伯努利原理,此處真空度加大,油壺里的液態(tài)汽油在壓力差的作用下從噴管向上噴出,并與空氣混合成較均勻的油氣混合物,進入實驗管道,再用碳氫濃度測試儀檢測出實驗所需的油氣體積分數(shù),預(yù)混氣體初始壓力為99.12 k Pa。

采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對管道內(nèi)承受的壓力進行采集和分析。壓力傳感器采用型號為CYG0401的壓阻式傳感器,壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用TST3125動態(tài)測試分析儀,采集分析軟件為TOPVIEW2000,測試頻率為100～300 k Hz。高速攝影儀的型號為FASTCAM-ultima 512,拍攝速度為1 000 s-1。

圖2 點火頭Fig.2 Ignition head

圖3 不同初始點火能下油氣起爆過程Fig.3 Initial explosion progress of gasoline vaper at different initial igintion energies

圖4 汽油霧化裝置Fig.4 Oil atomizer

1.2 實驗

實驗由兩部分組成。

第一部分是在初始溫度、壓力、濕度和點火能相同的情況下,采取閉端點火方式,依次采用初始體積分數(shù)為0.9%到2.6%、間隔步長為0.1%的18組油氣進行實驗,對各組實驗的爆炸超壓值進行采集。同時進行相同初始條件下直管道中的對比實驗,并在距離點火端相同位置采集爆炸波超壓值。研究不同初始油氣體積分數(shù)下T型分支管道對油氣爆炸壓力的影響。

第二部分是以第一部分實驗為基礎(chǔ),分別選取低、中、高3種初始體積分數(shù)的油氣,并改變電火花初始點火能量,研究不同初始點火能量下T型分支管道對油氣爆炸壓力的影響。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同初始油氣體積分數(shù)下T型分支管道對油氣最大爆炸壓力的影響

進行了18組不同初始油氣體積分數(shù)下T型分支管道與直管道中的對比實驗。為保證實驗結(jié)果的準確性,每種工況都進行了10次重復實驗,實驗的可重復性較好。為直觀體現(xiàn)油氣爆炸過程產(chǎn)生超壓的機理,選取了圖5所示的初始油氣體積分數(shù)為1.5%時,兩對比實驗中爆炸超壓隨時間和空間的變化關(guān)系圖,它表征了空間不同測點油氣爆炸反應(yīng)進程和爆炸強度隨時間的變化關(guān)系。在具體分析時,選取油氣最大爆炸壓力進行分析,該參數(shù)定量地反映了油氣爆炸過程產(chǎn)生的壓力波的最大強度。對多次重復實驗得到的油氣最大爆炸壓力取算數(shù)平均值,繪制出如圖6所示的T型分支管道和對比直管道中測點1、2的最大爆炸壓力隨初始油氣體積分數(shù)變化的關(guān)系曲線。

圖5 兩對比實驗中爆炸超壓隨時間和空間的變化Fig.5 Explosion overpressure varying with time and space in two contrast experiments

圖6 兩對比實驗測點1、2最大爆炸壓力隨初始油氣體積分數(shù)的變化Fig.6 Maximum explosion pressure of measuring points 1 and 2 within two contrast experiments at different initial gasoline vaper volume fractions

從圖6(a)可以看出,兩對比實驗最大爆炸壓力在測點1處具有相似的變化規(guī)律,都呈現(xiàn)先遞增、再遞減的拋物線型變化。在油氣體積分數(shù)為0.9%到1.5%的區(qū)間內(nèi),最大爆炸壓力遞增;在油氣體積分數(shù)大于1.5%的區(qū)間內(nèi),最大爆炸壓力遞減。從圖6(a)兩測點壓力差曲線可明顯看出,在該實驗工況下,T型分支管道測點1的數(shù)值普遍大于直管道測點1的數(shù)值,但是數(shù)值差距很小,最大差距出現(xiàn)在體積分數(shù)1.3%處,為30 kPa。由此可見,油氣爆炸在沒有經(jīng)過T型分支結(jié)構(gòu)作用時,其最大爆炸壓力和直管道中相比,沒有明顯改變。

從圖6(b)可知,兩對比實驗中測點2的數(shù)值變化規(guī)律相似,也呈現(xiàn)先遞增、再遞減的拋物線型變化:在油氣體積分數(shù)0.9%到1.5%的區(qū)間內(nèi),呈遞增趨勢;在油氣體積分數(shù)1.5%到2.6%的區(qū)間內(nèi),呈遞減趨勢。從圖6(b)中壓力差曲線可以看出,兩對比實驗測點2的壓力差隨初始油氣體積分數(shù)的變化而顯著變化,并始終大于0 k Pa。在油氣體積分數(shù)0.9%到2.1%區(qū)間內(nèi),壓力差隨初始油氣體積分數(shù)變大呈拋物線變化規(guī)律:在1.6%處達到最大差距160 kPa,在2.1%達到最小差距0.1 kPa,并且遞增區(qū)間和遞減區(qū)間的數(shù)值變化幅度都很大。初始油氣體積分數(shù)大于2.1%時,壓力差呈現(xiàn)上下振蕩變化規(guī)律?？梢?兩對比實驗測點2的壓力峰值具有顯著差異。T型分支管道表現(xiàn)出對管道內(nèi)油氣爆炸壓力的強化作用,并且當初始體積分數(shù)為1.5%時,最大爆炸壓力達到最大,將此體積分數(shù)定義為“最危險體積分數(shù)”。

上述實驗結(jié)果表明油氣最大爆炸壓力與初始油氣體積分數(shù)密切相關(guān)。首先,當管道內(nèi)油氣的初始體積分數(shù)較低時,管道內(nèi)空氣過剩,燃燒反應(yīng)屬于“富氧反應(yīng)”,多余的空氣造成燃燒熱量的大量損失,不利于產(chǎn)生活化分子,所以降低了燃燒反應(yīng)速率,弱化了爆炸強度。其次,當管道內(nèi)油氣初始體積分數(shù)接近化學計量比時,燃燒反應(yīng)進行得比較充分,釋放出足夠的熱量支持燃燒和爆炸的進行,導致流場內(nèi)壓力和氣流速度都較高,當壓力受到T型分支管道的擾動時,壓力得到的強化程度就表現(xiàn)得更明顯。另外,當管道內(nèi)油氣初始體積分數(shù)較高時,管道處于“貧氧反應(yīng)”,導致油氣不能完全參加化學反應(yīng),過剩的油氣阻礙了傳熱傳質(zhì)進行,增大了活化分子銷毀的概率,同樣不利于爆炸波的強化。

為定量比較T型分支管道對爆炸壓力的強化程度,定義了壓力強化因數(shù):

式中:α＞1,表示強化作用;α＜1,表示弱化作用。p1和p2分別為用來做比較的兩測點的最大爆炸壓力。根據(jù)實驗結(jié)果繪制出圖7所示的不同初始油氣體積分數(shù)下的壓力強化因數(shù),圖7中p1和p2分別為T型分支管道測點1、2的最大爆炸壓力,p′1和p′2分別為直管道測點1、2的最大爆炸壓力。

圖7中曲線p1/p2和p′1/p′2分別為T型分支管道和直管道中測點2相對于測點1的壓力強化因數(shù)。可以看到,兩實驗臺架的壓力強化因數(shù)都大于1,說明測點2最大爆炸壓力較測點1的大。并且, T型分支管道的壓力強化因數(shù)明顯大于直管道中的壓力強化因數(shù),表明在相同初始油氣體積分數(shù)下,爆炸波經(jīng)過T型分支管道擾動后,和直管相比其壓力得到增強的程度更顯著。對于T型分支管道,壓力強化因數(shù)隨著初始油氣體積分數(shù)的增大呈現(xiàn)先上升、再下降的近似拋物線型變化,在1.5%處到達最大值1.61;對于直管道,其壓力強化因數(shù)變化趨勢不規(guī)則,在1%處達到最大值1.39,然后急劇下降到1.1%處的1.16,在1.1%到2.6%的區(qū)間內(nèi)變化規(guī)律接近拋物線型變化,在2%處取得最大值1.38。

曲線p2/p′2為分支管道測點2相比較于直管道測點2的壓力強化因數(shù),通過這個比較可以直觀地看到在相同初始油氣體積分數(shù)下,爆炸波經(jīng)過T型分支管道擾動后,最大爆炸壓力和直管道相比得到強化的程度。從曲線p2/p′2可以看到壓力強化因數(shù)始終大于1,說明在實驗工況下,和直管道相比,T型分支管道對爆炸壓力的強化更顯著。并且在初始油氣體積分數(shù)小于1.1%和大于1.6%時,強化因數(shù)震蕩比較明顯;在1.1%到1.6%的區(qū)間內(nèi),強化因數(shù)變化比較平緩,并且此區(qū)間內(nèi)的強化因數(shù)比在其他區(qū)間更大,基本維持在1.25以上,在1.6%處強化因數(shù)達到最大值1.39。

圖7 不同初始油氣體積分數(shù)下的壓力強化因數(shù)Fig.7 Enhancement coefficient of pressure at different initial gasoline vaper volume fractions

2.2 不同初始點火能下T型分支管道對油氣最大爆炸壓力的影響

為了研究不同初始點火能下T型分支管道對油氣最大爆炸壓力的影響,采用了點火能變化范圍為2～10 J的點火器,變化步長為2 J。同時,分別選取了較低初始油氣體積分數(shù)(1.0%)、中初始油氣體積分數(shù)(1.5%)和較高初始油氣體積分數(shù)(2.1%)進行了實驗。圖8是根據(jù)實驗結(jié)果繪制的3種不同初始油氣初始體積分數(shù)下T型分支管道內(nèi)測點1、2的最大爆炸壓力隨初始點火能量的變化關(guān)系曲線。

圖8 3種不同初始油氣體積分數(shù)條件下測點1、2壓力峰值隨初始點火能變化關(guān)系Fig.8 Peak overpressure of two measuring points varying with initial ignition energy at three different initial gasoline vaper volume fractions

從圖8(a)～(c)可以看出,在3種不同初始油氣體積分數(shù)下,隨著初始點火能的增大,T型分支結(jié)構(gòu)前后的最大爆炸壓力都呈近似一階線性遞增關(guān)系,并且初始油氣體積分數(shù)為1.5%時變化相對1%和2.1%更平緩,尤其對于2.1%時,測點2的壓力在初始點火能大于6 J后增長幅度非常明顯。從T型分支管道前后兩測點壓力差可見,在較低初始油氣體積分數(shù)(1.0%)下,T型分支管道前后測點壓力差隨初始點火能增大而增大:在2～6 J的范圍內(nèi)增長幅度較小,從51.0 k Pa增長到61.0 kPa,增長了19%;在6～10 J的范圍內(nèi)增長幅度較明顯,從61.0 kPa增長到84.0 kPa,增長了37.7%。對于中初始油氣體積分數(shù)(1.5%),T型分支管道前后兩測點壓力差也隨這初始點火能增大而增大:在2～6 J的范圍內(nèi),增長幅度較明顯,從210.0 k Pa增長到256.2 k Pa,增長了22%;在6～10 J范圍內(nèi),增長幅度趨于平緩,從256.2 k Pa增長到263.0 k Pa,增長了2.6%。對于較高初始油氣體積分數(shù)(2.1%),T型分支管道前后兩測點壓力差隨初始點火能增大也呈遞增趨勢:在2～6 J范圍內(nèi),增長幅度較平緩,從58 k Pa增長到67.1 k Pa,增長了15.7%;在6～10 J范圍內(nèi),增長幅度較大,從67.1 kPa增長到103.0 k Pa,增長了53.5%。

圖8(d)是根據(jù)實驗結(jié)果繪制的3種不同初始油氣體積分數(shù)下T型分支管道測點2相對于測點1的壓力強化因數(shù)隨初始點火能的變化關(guān)系曲線。從圖8(b)可以看出,所有工況的壓力強化因數(shù)都大于1,其中較低初始油氣體積分數(shù)(1.0%)和較高初始油氣體積分數(shù)(2.1%)下,壓力強化因數(shù)具有相似的變化規(guī)律,在2～4 J的范圍內(nèi)呈遞增趨勢,在4～6 J的范圍內(nèi)呈遞減趨勢,在6～8 J的范圍內(nèi)遞增幅度顯著,在8～10 J范圍內(nèi)變化較平緩;對于中間初始油氣體積分數(shù)(1.5%),在2～4 J的范圍內(nèi),壓力強化因數(shù)增長較快,從4 J到10 J呈緩慢下降趨勢。

初始點火能量對T型分支管道內(nèi)油氣最大爆炸壓力的影響規(guī)律可以用化學動力學原理進行分析。首先,從鏈式反應(yīng)的角度來看,油氣爆炸的點火過程是一個由多個基元反應(yīng)組合而成的鏈式反應(yīng)過程,并且阿累尼烏斯的活化能理論指出活化分子才能發(fā)生化學反應(yīng),油氣爆炸反應(yīng)的起始鏈的激發(fā)需要吸收一定的能量,才能使C-H共價鍵發(fā)生斷裂產(chǎn)生自由基。而且,為了能夠支持燃燒向前傳播,點火處必須有較高的溫度,這樣才能保證有足夠的熱量讓燃燒反應(yīng)繼續(xù)進行,因此點火源必須讓常溫狀態(tài)的油氣混合物快速進入較高溫度的爆炸狀態(tài)。所以,點火能量越大,提供給點火頭附近的油氣混合物的能量就越多,產(chǎn)生的活化分子數(shù)量就越多,從而爆炸反應(yīng)越劇烈。其次,點火能量越高,點火時點火頭附近的油氣對流越劇烈,流入點燃核心的氣體越多,從而能夠釋放出越多的能量,產(chǎn)生越高的溫度來對火焰鋒面前未燃區(qū)域的油氣進行預(yù)熱,從而使未燃區(qū)域的油氣參與燃燒反應(yīng),讓化學反應(yīng)持續(xù)下去,使得爆炸不斷強化。由于以上兩個原因,隨著點火能量的增大,管道內(nèi)燃燒化學反應(yīng)速率增大,油氣的熱釋放率也提高,單位時間內(nèi)積累的熱量增多,從而導致T型分支結(jié)構(gòu)前后爆炸波壓力峰值增大。

3 機理分析

3.1 T型分支管道火焰?zhèn)鞑ヅc爆炸壓力強化關(guān)系可視化分析

由上文的研究可知,T型分支管道對油氣爆炸壓力具有強化作用,但是前文的研究主要是基于爆炸壓力的數(shù)值大小變化來進行的。為了更直觀地分析T型分支管道對爆炸壓力的強化機理,利用高速攝影儀拍攝了火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過透明可視化管道時火焰形態(tài)的變化情況,如圖9所示,T1和T2分別為激波管水平管段和分支管段;A、B、C、D、E依次為分支管道處5個點;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為火焰陣面。

由管道封閉端弱點火引起的油氣爆炸在未到達分支管道前的傳播特性與直管道中相似。當火焰?zhèn)鞑ソ咏种Ч艿揽诓繒r,如圖9(b)所示,由于有旁接T型支管道,連接處的管道橫截面擴大,火焰?zhèn)鞑ネǖ烂娣e突擴。同時,由于A、C這2個尖角直接嵌入流場中,可以將AB和CD這2個壁面視為流場障礙,A、C這2點可以視為擾動源。因此,可以從面積突擴和障礙物擾動兩方面來分析T型分支管道對爆炸的強化作用。

首先,在T型分支管道口部,由于管道橫截面積突擴,導致流場湍流度增大,進而引起燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃骩10]。當氣流經(jīng)過A點和C點時,由于受2個尖點的擾動作用,氣流發(fā)生分離,產(chǎn)生氣體漩渦,并在分離區(qū)產(chǎn)生渦流,由于此處受氣體旋渦的影響,當火焰?zhèn)鞑ブ翀D9(c)圖所示區(qū)域時,Ⅰ區(qū)所示的火焰已經(jīng)形成向上卷曲的“象鼻狀”火焰形態(tài),表現(xiàn)出明顯向分支結(jié)構(gòu)擴散的趨勢。另外,當火焰?zhèn)鞑ブ罜點時,此處的擾動邊界使主流區(qū)氣流產(chǎn)生分割,并誘導其進入分支管道T2(如圖9(d)所示)中,對T2管道中的未燃氣體進行快速預(yù)熱并引發(fā)爆炸,進一步加強了流場湍流度。由于湍流度的增強,增大了未燃氣體和已燃氣體的化學反應(yīng)速率,進而提高了爆炸的強度。

其次,從圖9可以看出火焰在經(jīng)過T型分支管道的過程中,火焰陣面產(chǎn)生嚴重的皺褶彎曲變形。從圖9(d)能明顯觀察到火焰陣面發(fā)生變形后形成的“毛刷狀”的火焰陣面結(jié)構(gòu)(圖9(d)Ⅱ區(qū)所示)?；鹧骊嚸娈a(chǎn)生的褶皺和變形導致氣體燃燒火焰面增大,增強了對混合氣體的卷吸作用,提高了燃燒反應(yīng)速率,使燃燒反應(yīng)過程中活性物質(zhì)和熱量的輸運速率增大,從而導致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?。隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃?火焰受流場湍流的影響更大,火焰陣面褶皺彎曲更明顯,最終形成如圖9(e)Ⅲ區(qū)所示的形態(tài)扭曲的火焰陣面,產(chǎn)生明顯的“火舌”,促使燃燒速率進一步增大。燃燒速率增大反過來促使爆炸產(chǎn)生的壓縮波強度進一步增大,同時前驅(qū)沖擊波對火焰前未燃氣體進行更強烈地壓縮和預(yù)熱,對氣流產(chǎn)生強擾動,使流場梯度進一步增大,提高了燃燒速率和湍流動能。由此形成了燃燒過程和氣體流動的正反饋激勵作用,使爆炸過程中釋熱速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ú◤姸妊杆僭黾?。另?通過圖9(g)、(h)可以看到由于管道末端的端部效應(yīng),導致流場氣流產(chǎn)生回傳,氣流在回傳的過程中推動油氣燃燒的火焰也往回傳播,并在T型分支管道左側(cè)尖角A點附近產(chǎn)生火焰分流,對AB壁面產(chǎn)生較大的沖擊和破壞。

圖9 火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過T型分支管道時的形態(tài)變化過程Fig.9 Morphological changes of flame when propagating through T-shaped branch pipe

3.2 T型分支管道中波的繞射和反射對爆炸波的強化作用機理分析

T型分支管道由于幾何結(jié)構(gòu)的特殊性,爆炸波在傳播經(jīng)過時會產(chǎn)生波的繞射和反射[11-13]。這一復雜的波系演變過程與T型管道內(nèi)油氣爆炸壓力波的強化具有密切關(guān)系。圖10和11分別是T型分支管道附近爆炸波繞射區(qū)波系演化示意圖和T2段管道中爆炸波的反射示意圖。

圖10 繞射區(qū)波系演化示意圖Fig.10 Schematic diagram of diffraction of waves

圖11 T2段中激波反射示意圖Fig.11 Schematic diagram of reflection of waves in the T2pipe

圖10中,激波在T1段管道中從左至右傳播過程中,經(jīng)過尖角A時,受到A點產(chǎn)生的稀疏波的作用,將產(chǎn)生繞射進入T2管道,使波陣面產(chǎn)生彎曲。同時,T1和T2管道中的激波波陣面繼續(xù)向前傳播,在t3時形成圖10所示的波陣面。當激波繼續(xù)傳播到尖角C時(t4時),將迅速與CD壁面碰撞(t5時),并發(fā)生波的反射。反射波系將形成多道后傳壓力波,一部分反射波回傳進入T1管道,與前T1管道中前傳壓力波相遇,不斷聚集、疊加,進而使波后未燃氣體的壓力和溫度迅速升高,增強油氣燃燒化學反應(yīng)速率,提高熱釋放率。另一部分反射波保持在T2管道內(nèi),與AB壁面和T2管道端部相碰撞,也產(chǎn)生復雜的波系演變過程,對T2管道中未燃氣體進行壓縮預(yù)熱,迅速誘發(fā)T2管道中油氣爆炸,增強燃燒熱的釋放。同時,T型分支管道附近復雜的壓力波系演變過程也會導致劇烈的流場擾動,增強流場湍流度,加強已燃氣體和未燃氣體的對流速度,提高燃燒化學反應(yīng)速率,使管道內(nèi)爆炸壓力得到強化。

4 結(jié) 論

通過實驗研究了不同初始油氣體積分數(shù)和不同初始點火能工況下,T型分支管道對油氣爆炸的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1)T型分支管道對管道內(nèi)油氣爆炸壓力有強化作用,強化程度隨初始油氣體積分數(shù)的增加大致呈拋物線型變化,在初始油氣體積分數(shù)1.5%附近,強化程度最顯著;

(2)在3種不同初始油氣體積分數(shù)下,T型分支管道前后最大爆炸壓力都隨初始點火能增大呈線性遞增關(guān)系,并且對于較低和較高初始油氣體積分數(shù)工況,壓力峰值增長幅度比較明顯;

(3)T型分支管道對油氣爆炸的強化作用主要受到波的繞射和反射、流場湍流度增強、管道面積突擴和障礙物擾動4個方面的影響;

(4)通過可視化分析,火焰經(jīng)過T型分支管道時,火焰陣面產(chǎn)生嚴重的皺褶彎曲變形,火焰面積增大,引起燃燒速率增大,增強了熱量和活性物質(zhì)的輸運速率,導致爆炸壓力增大;并且也能觀測到明顯的火焰回傳現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)爆炸對T型分支管道壁面的沖擊和破壞很嚴重。

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Effects of a T-shaped branch pipe on overpressure of gasoline-air mixture explosion

Du Yang,Li Guoqing,Li Yangchao,Qi Sheng,Wang Shimao,Wang Bo
(Department of Petroleum Supply Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing401311,China)

To investigate the effects of a T-shaped branch structure on the overpressures during the explosions of the gasoline-air mixture in a pipe,we conducted multiple parameter contrast experiments under the conditions of different initial gasoline vaper volume fractions and different initial ignition energy,and carried out visualized investigation on the flame propagation of the mixture.Our research reveal the following results:the T-shaped branch pipe can enhance the explosive overpressure of the gasoline-air mixture in a pipe,and the degree of this enhancement is closely related with the increase of the initial gasoline vaper volume fraction approximately in a parabolic trend,and with the maximum value obtained around the stoichiometric initial concentration.The maximum explosive overpressures before and after the T-shaped branch pipe increases linearly with the growth of the initial ignition energy.The effects of the T-shaped branch pipe on raising the degree of the explosion mainly originate from four factors:the wave diffraction and reflection,the turbulence enhancement,the sudden expansion of the pipe cross-section area and the reinforcement of the disturbance by the obstacles. It can be seen from the visual analysis that,when the flame propagates through the T-shaped branch pipe,the flame front is distorted seriously into creases,the flame surface area is enlarged,and the returning flames are observed,which exerts a destructive effect on the wall of the T-shaped branch pipe.

T-shaped branch pipe;gasoline-air mixture;explosion wave;visualization

O381;X932國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0323-09

(責任編輯 張凌云)

2015-10-26;

:2016-01-31

國家自然科學基金項目(51276195);重慶市研究生創(chuàng)新基金項目(CYB16128,CYB15127,CYS15235);油氣火災(zāi)爆炸成災(zāi)突變機理與控制應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項目(BX211J107)

杜 揚(1958— ),男,博士,教授,博士生導師;

:李國慶,boyueshe@sina.com。