不同形狀受限空間內(nèi)油氣爆燃特性的實(shí)驗(yàn)研究*

韋世豪，杜 揚(yáng)，王世茂，李 蒙

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶 401311)

0 引言

汽油具有易燃、易爆、易揮發(fā)等特點(diǎn)，這使得受限空間內(nèi)的油氣爆燃事故成為生產(chǎn)生活中較為常見(jiàn)的事故，對(duì)設(shè)備及人員安全造成較大的威脅。研究油氣爆燃特性最常用的方法為小尺度實(shí)驗(yàn)法，即在小尺度受限空間中進(jìn)行不同工況下的油氣爆燃實(shí)驗(yàn)。受限空間分為容積式受限空間(球形、立方體形容器)和狹長(zhǎng)受限空間(具有一定長(zhǎng)徑比的管道形容器)。針對(duì)容積式受限空間內(nèi)油氣爆燃特性的研究，張鴻鶴[1]、劉文輝等[2]利用20 L標(biāo)準(zhǔn)球形容器研究了油氣爆燃的超壓特性；Qi Sheng等[3]利用2 L小型燃燒腔研究了不同濃度和開(kāi)口率條件下油氣泄爆過(guò)程，分析了影響超壓峰值的4個(gè)機(jī)制；許光、張毅等[4-5]進(jìn)行了埋地油罐中爆燃實(shí)驗(yàn)，獲得了內(nèi)外超壓和火焰的分布規(guī)律。針對(duì)狹長(zhǎng)式受限空間內(nèi)油氣爆燃的研究分為2類：一類是對(duì)小長(zhǎng)徑比短管內(nèi)油氣爆燃規(guī)律的研究，主要控制變量為點(diǎn)火方式[6]和熱源溫度[7]，研究?jī)?nèi)容為不同點(diǎn)火方式及不同熱源溫度下油氣爆燃的火焰形態(tài)及超壓變化規(guī)律；另一類是針對(duì)大長(zhǎng)徑比長(zhǎng)管道內(nèi)油氣爆燃規(guī)律的研究，研究?jī)?nèi)容為不同濃度下的超壓峰值[8]、火焰速度[8]和燃燒模式[9]，以及復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)對(duì)油氣爆燃參數(shù)影響[10-11]。

從研究?jī)?nèi)容上來(lái)看，已有的研究基本包括了各類受限空間內(nèi)油氣爆燃的工況，但由于實(shí)驗(yàn)用油品種、初始環(huán)境條件、點(diǎn)火方式、點(diǎn)火能量、測(cè)量條件、容器體積等各類初始參數(shù)的不一致性，不同研究者所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)獨(dú)立，難以進(jìn)行定量對(duì)比。因此本文以“93號(hào)汽油蒸汽-空氣”混合物作為介質(zhì)，在控制其他實(shí)驗(yàn)要素相同的情況下，在不同形狀的20 L容器中開(kāi)展油氣爆燃實(shí)驗(yàn)，從而研究不同形狀受限空間內(nèi)的油氣爆燃特性。

1 實(shí)驗(yàn)容器及系統(tǒng)

圖1為4種不同形狀的實(shí)驗(yàn)容器，分別為球形、立方體、短管、長(zhǎng)管，其體積均為20 L，球形容器為20 L標(biāo)準(zhǔn)容器，圖中PT為壓力傳感器(Pressure Transducer)，為方便做圖采用簡(jiǎn)寫(xiě)(下同)，各容器幾何形狀參數(shù)如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)容器示意Fig.1 Schematic diagram of experimental vessels

容器名稱直徑/mm底面直徑/mm底面長(zhǎng)/mm底面寬/mm容器長(zhǎng)度/mm長(zhǎng)徑比備注A:球形容器336-----標(biāo)準(zhǔn)容器B:立方體形容器--300160400-單面有機(jī)玻璃材質(zhì)C:圓柱形短管-150--11307.53鋼制材料D:立方體長(zhǎng)管--100100200020全有機(jī)玻璃材質(zhì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體由實(shí)驗(yàn)容器、濃度測(cè)試儀、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火器、同步控制器、數(shù)據(jù)采集器、高速攝影儀等組成。利用TEST6300瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集器配合ZXP-610型壓力傳感器對(duì)超壓進(jìn)行采集，采樣頻率為20 kHz，傳感器量程為2 MPa，精度為±0.1%。基于自制的配氣系統(tǒng)，采用“氣流沖擊攪拌法”進(jìn)行配氣，當(dāng)需要充入油氣時(shí)，打開(kāi)氣泵同時(shí)只打開(kāi)1，2號(hào)閥門(mén)，氣泵產(chǎn)生的高速氣流會(huì)沖擊攪拌瓶中汽油，產(chǎn)生大量氣泡并加速汽油揮發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生油氣并充入實(shí)驗(yàn)容器；同時(shí)利用GXH-1050型油氣濃度測(cè)試儀對(duì)油氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)濃度達(dá)到要求后，關(guān)閉1，2號(hào)閥門(mén)，打開(kāi)3，4號(hào)閥門(mén)，氣流會(huì)繼續(xù)吹掃攪拌容器內(nèi)的混合氣體，待油氣濃度穩(wěn)定后，關(guān)閉氣泵及所有閥門(mén)。利用FASTCAM-Ultima512型高速攝影儀對(duì)立方體容器和長(zhǎng)管容器的火焰形態(tài)進(jìn)行拍攝，拍攝頻率為500幀/s。利用高能電火花點(diǎn)火裝置對(duì)預(yù)混油氣進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓為1 500V，點(diǎn)火能范圍為0～15 J，誤差小于0.1 J。利用同步控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火激發(fā)、壓力測(cè)量、高速攝影的同步控制。

2 實(shí)驗(yàn)初始條件

基于上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)相同初始條件下不同形狀容器內(nèi)的油氣特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其初始條件如表2所示：

表2 實(shí)驗(yàn)條件

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 不同形狀容器內(nèi)超壓時(shí)序曲線分析

3.1.1 容器內(nèi)爆炸超壓隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖2給出了初始油氣濃度為1.48%時(shí)的壓力時(shí)序曲線，圖中可以看出不同形狀的容器內(nèi)爆燃超壓的時(shí)序關(guān)系具有差異性。

圖2 4種不同形狀容器內(nèi)的油氣爆炸超壓 時(shí)序曲線(CCH=1.48%)Fig.2 △P-t profiles in four confined spaces of different configurations(CCH=1.48%)

球形容器A：點(diǎn)火后首先是沒(méi)有明顯壓力變化的過(guò)程(0～0.04 s)，稱為爆燃孕育階段[12]。隨著油氣燃燒加劇，超壓迅速升高并于0.166 s達(dá)到最大值0.77 MPa，該階段定義為加速燃燒階段(0.04～0.166 s)。隨后壓力開(kāi)始緩慢下降，并最終變?yōu)槌?，該階段定義為平滑衰減階段(>0.166 s)。整個(gè)過(guò)程與文獻(xiàn)[13]基本上是一致的。

立方體形容器B：與球形容器類似，點(diǎn)火后最先為爆燃孕育階段，但持續(xù)時(shí)間較短(0～0.025 s)，隨后壓力迅速上升并進(jìn)入加速燃燒階段，該階段升壓速率較大(0.025～0.05 s)。由于火焰?zhèn)认蜾h面觸壁，使得散熱效應(yīng)增強(qiáng)，燃燒所釋放的能量耗散增多，導(dǎo)致容器內(nèi)升壓速率降低，但由于油氣仍處于劇烈燃燒的狀態(tài)，超壓仍繼續(xù)增大并在0.13 s時(shí)達(dá)到最大值0.76 MPa，該階段為平滑增長(zhǎng)階段(0.05～0.13 s)。隨著油氣的逐漸消耗，受限空間內(nèi)燃燒強(qiáng)度減弱，與球形容器平滑衰減階段類似，壓力緩慢下降并變?yōu)槌?>0.13 s)。

短管C：爆燃初期壓力變化與立方體容器類似，依次為爆燃孕育階段(0～0.036 s)、加速燃燒階段(0.036～0.052 s)、平滑增長(zhǎng)階段(0.052～0.1 s)。隨后的壓力時(shí)序曲線與球形和立方體容器具有明顯差別，爆炸超壓振蕩上升，振蕩頻率為483 Hz，并于0.131 s達(dá)到最大值0.81 MPa，該階段為振蕩上升階段(0.1～0.131 s)。隨后壓力下降，振蕩幅值逐漸減小，振蕩頻率為512 Hz，該階段為振蕩衰減階段(0.131～0.22 s)，由于油氣大部分完全燃燒，空間內(nèi)壓力降低的同時(shí)壓力振蕩強(qiáng)度也開(kāi)始減小，并完全消失。當(dāng)振蕩消失后，壓力平滑下降，最終變?yōu)槌?，該階段為平滑衰減階段(>0.22 s)。短管C內(nèi)壓力振蕩幅值與時(shí)間的關(guān)系可近似用二次多項(xiàng)式進(jìn)行表述，如圖3(a)所示。

長(zhǎng)管D：與短管C類似，點(diǎn)火初期經(jīng)歷爆燃孕育階段(0～0.04 s)、加速燃燒階段(0.04～0.05 s)。而后直接進(jìn)入振蕩增長(zhǎng)階段(0.05～0.166 s)，壓力振蕩上升并于0.166 s達(dá)到最大值0.83 MPa，振蕩頻率約為155 Hz。隨后振蕩衰減階段(0.166～0.4 s)，壓力下降的同時(shí)振幅減小直至完全消失，該過(guò)程振蕩頻率約為138 Hz。當(dāng)振蕩完全消失后，壓力曲線進(jìn)入平滑衰減階段(>0.4 s)。另外，長(zhǎng)管D內(nèi)壓力振蕩幅值隨時(shí)間的變化關(guān)系可近似用三次多項(xiàng)式來(lái)擬合，如圖3(b)所示。

3.1.2 不同形狀受限空間內(nèi)超壓時(shí)序曲線相關(guān)特征參數(shù)的差異性及分析

表3給出了不同受限空間油氣爆燃關(guān)鍵參數(shù)的詳細(xì)對(duì)比，從超壓參數(shù)特征對(duì)比來(lái)看，球形容器A和立方體狀容器B較為相似，短管C和長(zhǎng)管D較為相似，且后者具備的最顯著特點(diǎn)就是壓力變化具有更多階段，并出現(xiàn)壓力振蕩。可燃?xì)怏w點(diǎn)燃后會(huì)產(chǎn)生2道壓力波，即前驅(qū)沖擊波和燃燒壓縮波，與容器A和B相比，短管C和長(zhǎng)管D長(zhǎng)徑比較大(L/D值分別為7.5和20)，為壓力波的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和反射耦合提供了充足的幾何空間，有利于壓力振蕩的生成[14]；另外，燃燒過(guò)程中的火焰變形及失穩(wěn)也是壓力振蕩誘因之一，相對(duì)較大的長(zhǎng)徑比有利于火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的拉伸和加速，這將導(dǎo)致火焰鋒面的化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)平衡的失穩(wěn)，使得不穩(wěn)定性增加，促使火焰的自激加速以及失穩(wěn)破碎，最終形成含蜂窩狀褶皺的湍流火焰[15]，火焰加速提高了能量釋放效率，同時(shí)湍流火焰與前驅(qū)沖擊波、燃燒壓縮波、壁面反射波相互耦合，更有利于引發(fā)容器的聲學(xué)共振，最終形成持續(xù)的振蕩現(xiàn)象[16]。與短管C和長(zhǎng)管D不同，球形容器A和立方體B的壓力時(shí)序曲線較平滑，無(wú)明顯振蕩，這種差異性的原因是A和B從幾何形狀來(lái)看是容積式容器，較小的長(zhǎng)徑比和相對(duì)均勻的幾何形狀無(wú)法為壓力波的反射疊加提供充足的幾何條件，另外火焰沿不同方向傳播基本一致，無(wú)明顯加速現(xiàn)象，限制了壓力振蕩的產(chǎn)生。

表3 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

3.2 初始油氣濃度對(duì)不同形狀容器內(nèi)爆炸參數(shù)的影響規(guī)律

3.2.1 最大超壓與初始油氣濃度之間的關(guān)系

圖4給出了4種不同形狀容器內(nèi)油氣爆燃最大超壓隨初始油氣濃度的變化關(guān)系，并與單分子可燃物爆燃超壓隨當(dāng)量比的變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比。從圖4中可以看出，最大超壓所對(duì)應(yīng)的初始濃度為1.74%，且該條件下爆炸超壓大小順序?yàn)殚L(zhǎng)管>短管>立方體>球形容器，長(zhǎng)管中爆炸超壓約為球形容器中的1.3倍，這是由于在長(zhǎng)管和短管中出現(xiàn)了壓力振蕩，這不僅對(duì)超壓值有加成作用，同時(shí)促進(jìn)了壓力與火焰耦合，增加了能量釋放效率，使得爆炸超壓明顯增加。

圖4 壓力振蕩細(xì)節(jié)變化Fig.4 Details of pressure oscillations

當(dāng)初始濃度小于1.74%時(shí)，超壓值隨濃度的增加而增大，而當(dāng)初始濃度大于1.74%時(shí)，超壓值隨著濃度的增加而減小。其主要原因?yàn)椋寒?dāng)濃度較低時(shí)，較少的油氣量使得總的能量釋放較低，而且難以生成足夠數(shù)量的活化基團(tuán)，限制了化學(xué)反應(yīng)速率，最終導(dǎo)致超壓值較?。浑S著始濃度增大，較多的油氣可釋放更多的能量，并生成較多的活化基團(tuán)，使得化學(xué)反應(yīng)速率升高，二者共同作用從而使受限空間內(nèi)超壓值增大；當(dāng)油氣濃度為1.74%時(shí)，受限空間內(nèi)超壓達(dá)到最大值。當(dāng)初始濃度進(jìn)一步升高，體系內(nèi)油氣過(guò)剩，為貧氧燃燒狀態(tài)，油氣不完全燃燒導(dǎo)致能量釋放量急劇減少，從而使得爆炸超壓減小。另外，油氣爆炸最大超壓與初始濃度之間的關(guān)系同單分子可燃?xì)怏w爆炸最大超壓與當(dāng)量比之間的關(guān)系是類似的，二者均可以用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其表達(dá)式如表4所示。

表4 最大超壓與濃度(當(dāng)量比)之間的關(guān)系

另外，根據(jù)圖4中單分子可燃?xì)怏w爆炸超壓隨當(dāng)量比的變化規(guī)律可以看出，最大超壓對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比并不嚴(yán)格等于1，而是比1略大。因此油氣濃度1.74%式所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比也應(yīng)略大于1，圖4顯示當(dāng)量比為1.05時(shí)，各類單分子可燃?xì)怏w爆炸超壓達(dá)到最大值，將其與油氣爆炸“超壓-濃度”曲線進(jìn)行對(duì)比，可定性判斷1.74%的初始濃度對(duì)于當(dāng)量比在1.05左右，若假設(shè)油氣分子式為CxHy，則C8H18最符合該條件。

3.2.2 升壓速率與初始油氣濃度之間的關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，不同形狀容器內(nèi)超壓增長(zhǎng)時(shí)間有所不同，這就導(dǎo)致升壓速率有所差異。爆炸升壓速率有2種：最大升壓速率[20](dP/dt)max為升壓過(guò)程中壓力時(shí)序曲線的最大斜率；平均升壓速率[20]RPR1-100%=△Pmax/△tmax，本文以平均升壓速率RPR1-100%作為衡量不同容器內(nèi)油氣爆炸升壓速率的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5給出了不同容器內(nèi)油氣爆炸升壓速率隨濃度的變化關(guān)系，隨著初始濃度的增大，平均升壓速率先增大后減小，其隨濃度的變化可用三次多項(xiàng)式擬合，當(dāng)初始濃度為1.74%時(shí)，各容器內(nèi)平均升壓速率均達(dá)到最大值，但此時(shí)升壓速率從大到小的排列順序依次為：短管>立方體容器>長(zhǎng)管>球形容器。文獻(xiàn)[20]的研究表明，升壓速率主要受可燃?xì)怏w燃燒速率的影響，而燃燒速率是由層流火焰速度所絕定的，在當(dāng)量比小于1時(shí)，層流火焰速度隨當(dāng)量比的增加而增加。因此在濃度小于1.74%時(shí)，燃燒速率會(huì)隨著濃度的升高而增大，從而導(dǎo)致平均升壓速率增大。當(dāng)初始油氣濃度大于1.74%時(shí)，平均升壓速率隨著濃度的增加而減小，主要原因在于高濃度條件下層流火焰速度降低，火焰以較為緩慢的速度傳播，不僅減弱了壁面的拉伸效應(yīng)，同時(shí)也限制了火焰的失穩(wěn)變形，最終抑制了高速傳播火焰褶皺的生成，使火焰面積減小，降低了油氣的燃燒速率，導(dǎo)致平均升壓速率下降。

圖5 平均升壓速率隨濃度的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the average rate of overpressure rise and concentration

4.3 油氣爆燃初期火焰行為變化規(guī)律

從表3的壓力參數(shù)對(duì)比來(lái)看，球形容器A和立方體B較為類似，可歸為容積式受限空間；短管C和長(zhǎng)管D較為類似，可歸為狹長(zhǎng)受限空間。因此圖6分別給出立方體B和長(zhǎng)管D的爆燃初期火焰參數(shù)。

圖6 火焰行為變化規(guī)律Fig 6 Changing characteristics of the flame behaviors

對(duì)于立方體B其爆燃初期火焰形態(tài)變化過(guò)程為半球狀層流火焰→扁平層流火焰：點(diǎn)火后火焰向前傳播，其前鋒面到點(diǎn)火端的距離增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫仓饾u增加并于0.03 s達(dá)到最大值12.5 m/s，但由于形狀相對(duì)均勻且長(zhǎng)徑比較小，在端部壁面的阻擋下，火焰鋒面從光滑的球狀變?yōu)楸馄綘睿颁h面向前運(yùn)動(dòng)受阻，火焰速度下降，在0.036 s火焰?zhèn)鞑ニ俣葍H為5 m/s，且有繼續(xù)下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明幾何均勻的受限空間內(nèi)火焰速度會(huì)維持在1個(gè)較低的水平，主要原因在于均勻幾何空間抑制了壁面的加速效應(yīng)，火焰全程保持層流變化，沿各方向傳播速度基本一致，不具備加速以及形態(tài)突變的條件。

對(duì)于長(zhǎng)管D，其火焰參數(shù)和形態(tài)與立方體B具有明顯不同，主要體現(xiàn)在2方面：爆燃初期火焰全程加速，并且其速度有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，在0.038 s時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到40 m/s，為立方體B最大火焰速度的3.2倍；火焰形態(tài)變化過(guò)程為半球狀層流火焰→拉伸指狀火焰，其前鋒面出現(xiàn)劇烈的拉伸和加速。這種差異性主要是受容器幾何形狀的影響，長(zhǎng)管D具有較大的長(zhǎng)徑比，火焰觸及上下壁面時(shí)，其前鋒面到底端仍有近1.8 m的距離，這為火焰的傳播和加速提供了充足的幾何空間，火焰逐漸從層流火焰向湍流火焰轉(zhuǎn)變，在壁面拉伸加速和油氣燃燒的自激作用下，火焰一直保持加速狀態(tài)，并有向湍流火焰轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)(0.036 s中火焰前鋒面已發(fā)生明顯形變，無(wú)法再維持光滑層流狀態(tài))。

4 結(jié)論

1)形狀對(duì)受限空間油氣爆燃特性具有顯著影響，管道形受限空間的壓力時(shí)序曲線比容積式受限空間的壓力時(shí)序曲線更復(fù)雜，并且出現(xiàn)壓力振蕩現(xiàn)象，振蕩幅值均可用多項(xiàng)式進(jìn)行描述，振蕩頻率隨著長(zhǎng)徑比的增大而減小。

2)隨著初始油氣濃度的增大，爆炸超壓和平均升壓速率均呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，其最大值對(duì)應(yīng)濃度均為1.74%。當(dāng)濃度為1.74%時(shí)，超壓從大到小依次為：長(zhǎng)管>短管>立方體>球形容器，平均升壓速率從大到小依次為：短管>立方體>長(zhǎng)管>球形容器。

3)在爆燃初期，立方體中火焰行為為“半球狀層流火焰→扁平層流火焰”，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龊鬁p，最大速度為12.5 m/s；長(zhǎng)管中火焰行為為“半球狀層流火焰→拉伸指狀火焰”，火焰速度不斷增加，最大速度為40 m/s。

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