破壞壓力對(duì)含有弱頂面受限空間內(nèi)油氣爆燃超壓荷載的影響

王世茂，杜揚(yáng)，梁建軍，周艷杰，李國慶，齊圣

（1中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311；2中國石油長慶油田分公司規(guī)劃設(shè)計(jì)處，陜西 西安 710018）

破壞壓力對(duì)含有弱頂面受限空間內(nèi)油氣爆燃超壓荷載的影響

王世茂1，杜揚(yáng)1，梁建軍1，周艷杰2，李國慶1，齊圣1

（1中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311；2中國石油長慶油田分公司規(guī)劃設(shè)計(jì)處，陜西 西安 710018）

基于實(shí)驗(yàn)研究了靜態(tài)破壞壓力（pST）對(duì)含有弱頂面受限空間內(nèi)油氣爆燃超壓荷載的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：不同pST下超壓時(shí)序曲線分為4種類型，超壓峰值包括破膜峰值（Δp1）、泄流峰值（Δp2）、外部爆燃峰值（Δp3）和局部不穩(wěn)定燃燒峰值（Δp4）。當(dāng)0≤pST≤2.5 kPa時(shí)，內(nèi)部的最大峰值為Δp3；而當(dāng)5 kPa≤pST≤30 kPa時(shí)，內(nèi)部的最大峰值為Δp1。對(duì)于受限空間外部，最大峰值均為Δp3。當(dāng)2.5 kPa≤pST≤20 kPa時(shí)，外部爆燃和泄放負(fù)壓耦合會(huì)誘導(dǎo)容器內(nèi)形成壓力振蕩，振蕩周期和持續(xù)時(shí)間與pST有關(guān)。破膜階段持續(xù)時(shí)間與pST呈正比，而泄流、外部爆燃、壓力荷載振蕩階段持續(xù)時(shí)間與pST呈反比。內(nèi)外超壓峰值均隨著pST的增大而升高，內(nèi)部Δp1和Δp2的數(shù)值與pST呈線性關(guān)系，外部Δp3的數(shù)值與pST呈二次函數(shù)關(guān)系。

弱頂面；受限空間；油氣；超壓；混合物；爆燃；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

引 言

汽油蒸氣是石油化工行業(yè)常見的危險(xiǎn)源，當(dāng)受限空間內(nèi)發(fā)生油氣爆燃時(shí)，火焰波與壓力波將破壞受限空間的弱面結(jié)構(gòu)，如油罐罐頂[1]、卷簾門[2-3]、玻璃窗[2-3]等，進(jìn)而形成泄放爆燃。弱面結(jié)構(gòu)破壞后超壓和火焰將迅速釋放至外部空間，增大了毀傷范圍，甚至引發(fā)連環(huán)爆燃事故，拱頂儲(chǔ)罐的油氣爆炸成災(zāi)過程更是如此[1]。因此研究含弱面結(jié)構(gòu)受限空間中油氣爆燃特性，對(duì)確定可燃?xì)怏w爆燃成災(zāi)機(jī)制具有參考價(jià)值。

含有弱面結(jié)構(gòu)受限空間中可燃介質(zhì)爆燃特征的研究大多針對(duì)可燃?xì)怏w和粉塵等介質(zhì)的泄爆過程[4-24]。Bauwens等[5-9]研究了點(diǎn)火位置、泄放口大小、障礙物阻塞率對(duì)“氫氣-空氣混合物”和“碳?xì)浣橘|(zhì)-空氣混合物”的泄爆過程的影響，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了泄爆數(shù)值模型，并進(jìn)一步考慮了R-T不穩(wěn)定影響。Fakandu等[10-11]研究了短管中氫氣的泄爆過程，研究結(jié)果顯示開口越小、膜片強(qiáng)度越大，泄爆超壓越大，峰值個(gè)數(shù)越少。Bao等[4]、Kuznetsov等[15]和 Tomlin等[21]研究了中、大尺度空間內(nèi)氫氣和甲烷的泄爆過程，結(jié)果顯示隨著尺度增大和障礙物增多，超壓升高的同時(shí)火焰泄放速度也隨之增加，而且在大尺度空間內(nèi)超壓峰值個(gè)數(shù)變多[4]。

當(dāng)前針對(duì)弱面空間內(nèi)油氣爆燃的研究以2 L和16 L容積式頂部開口容器[17,25-26]、6 L小長徑比端部開口容器[27]和250 L旁側(cè)開口容器[28]內(nèi)的油氣爆燃特征為主，主要研究了不同油氣體積分?jǐn)?shù)、開口率、開口個(gè)數(shù)等條件下的爆燃特征，結(jié)果表明不同初始工況下爆炸超壓的控制機(jī)制有明顯差異[17,25]，最強(qiáng)爆炸工況對(duì)應(yīng)油氣體積分?jǐn)?shù)在 1.65%～1.80%[17,25-26]，然而針對(duì)弱結(jié)構(gòu)靜態(tài)破壞壓力對(duì)油氣爆燃內(nèi)外超壓荷載影響的研究，當(dāng)前仍較為欠缺。

本文利用等長徑比頂部開口容器，研究了靜態(tài)破壞壓力對(duì)含有弱頂面受限空間中油氣爆燃超壓荷載的影響規(guī)律，以期為防爆抑爆等工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)支撐和理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及初始條件

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以文獻(xiàn)[25-26]中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)改進(jìn)而成，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Scheme of experimental system

實(shí)驗(yàn)容器為直徑和高均為29 cm的有機(jī)玻璃圓筒，頂部開口率為60%并在實(shí)驗(yàn)開始前用鋁箔泄爆片封口，底部用法蘭板封閉，其余主要組成模塊與文獻(xiàn)[26]一致。容器內(nèi)外分別設(shè)置壓力傳感器 PT1和PT2；PT1到頂部距離為14 cm，PT2到頂部開口中心距離為20 cm，傳感器型號(hào)均為ZXP-660，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況需求，PT1量程為5 kPa（0≤pST≤5 kPa）和 40 kPa（10≤pST≤30 kPa），PT2 量程為 5 kPa。在實(shí)驗(yàn)過程中，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、高速圖像拍攝、預(yù)混氣體配制、點(diǎn)火能、同步激發(fā)等關(guān)鍵采集參數(shù)和主要操作流程均與文獻(xiàn)[25-26]相同。已有研究表明當(dāng)油氣體積分?jǐn)?shù)在1.65%～1.80%時(shí)，爆炸強(qiáng)度最為猛烈，因此取初始油氣體積分?jǐn)?shù) 1.77%作為典型初始工況[25-27]；另外，考慮到石化工業(yè)中拱頂罐的弱鏈接罐頂結(jié)構(gòu)的靜態(tài)破壞壓力多小于30 kPa[1-3]，因此取初始靜態(tài)破壞壓力范圍為0～30 kPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)初始條件

基于圖1給出的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。在分析內(nèi)外場超壓荷載時(shí)序變化規(guī)律時(shí)，以單次實(shí)驗(yàn)獲得的典型爆炸超壓時(shí)序曲線作為分析對(duì)象；在分析爆炸超壓關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，以3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為分析對(duì)象。實(shí)驗(yàn)的初始條件見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)初始條件Table 1 Initial conditions of experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同破壞壓力下內(nèi)場超壓荷載時(shí)序變化規(guī)律

2.1.1 不同破壞壓力條件下的超壓峰值 圖2為不同靜態(tài)破壞壓力（pST=0～30 kPa）下的油氣濃度為1.77%時(shí)的內(nèi)場超壓時(shí)序曲線，以超壓峰值個(gè)數(shù)劃分，不同pST條件下的內(nèi)場超壓時(shí)序曲線分為4種，共有4個(gè)不同的超壓峰值，超壓時(shí)序變化曲線也可主要分為4種（Type A、B、C、D）。從圖2可以看出，對(duì)于Type A和B，Δp3為最大超壓峰值；對(duì)于Type C和D，Δp1為最大超壓峰值。

考慮到不同類型的超壓時(shí)序曲線中相同類型的超壓峰值具有相同的控制機(jī)制，因此選取具有代表性的爆炸工況對(duì)不同類型超壓峰值 Δp1～Δp4的生成機(jī)制進(jìn)行分析：以Type A（pST=0）和Type C（pST=10 kPa）為主要分析對(duì)象，Type A用于分析峰值 Δp3，Type C 用于分析峰值 Δp1、Δp2、Δp4，Type A（pST=0）和Type C（pST=10 kPa）兩種工況下不同屬性超壓峰值時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的火焰行為如圖3所示。

Δp1（破膜超壓峰值，以Type C為分析對(duì)象）：點(diǎn)火后容器內(nèi)壓力上升，當(dāng)內(nèi)部壓力超出弱頂面承壓能力時(shí)，膜片破裂，超壓迅速降低，從而形成Δp1，大小為12.5 kPa（0.025 s）[10,29]。圖3顯示此時(shí)火焰向口部加速，其前鋒面呈現(xiàn)出模糊的毛刷狀邊緣，這說明弱頂面破壞瞬間的泄放拉伸效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)容器內(nèi)的湍流，使火焰產(chǎn)生劇烈形變。

Δp2（泄流超壓峰值，以Type C為分析對(duì)象）：弱頂面破壞后，容器內(nèi)湍流增強(qiáng)，火焰加速變形加劇了油氣的燃燒，使壓力升高；當(dāng)火焰面抵達(dá)開口后，低密度燃燒產(chǎn)物的泄放導(dǎo)致體積流量增大，壓力降低從而形成Δp2[9-10,29]，大小為5.1 kPa（0.031 s）。圖3顯示此時(shí)火焰已沖出破壞口，火焰面產(chǎn)生了較明顯的形變，有進(jìn)一步加速的趨勢。

Δp3（外部爆燃超壓峰值，以Type A為分析對(duì)象）：未燃油氣在容器口膨脹形成膨脹波，膨脹波在油氣云團(tuán)邊緣被反射所形成的壓縮波會(huì)在云團(tuán)中心集聚，誘導(dǎo)形成高濃度油氣集中區(qū)域，被泄出的火焰引燃后油氣迅速燃燒，形成外部爆燃超壓峰值Δp3，大小為 0.59 kPa（0.056 s）[14,30]。圖 3顯示外部火球呈對(duì)稱蘑菇云狀，主要原因是K-H不穩(wěn)定性和斜壓效應(yīng)使外部油氣沿橫向拉伸，當(dāng)外部油氣云團(tuán)被引燃后會(huì)形成蘑菇云狀火球。

Δp4（局部不穩(wěn)定燃燒超壓峰值，以Type C為分析對(duì)象）：外部爆燃產(chǎn)生的反向氣流向容器內(nèi)部加速，對(duì)容器內(nèi)流場產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，使容器內(nèi)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定燃燒加劇的現(xiàn)象，進(jìn)而形成峰值 Δp4，大小為9.9 kPa（0.058 s）[4]。由于局部不穩(wěn)定燃燒加劇具有空間位置上的隨機(jī)性，因此Δp4的形成也具有隨機(jī)性，僅當(dāng)反向氣流導(dǎo)致的不穩(wěn)定燃燒加劇現(xiàn)象發(fā)生在測點(diǎn)附近時(shí)，Δp4才會(huì)出現(xiàn)。結(jié)合圖 3可得，Δp4出現(xiàn)時(shí)外部爆炸火球逐漸衰弱，但容器內(nèi)測點(diǎn)PT1附近區(qū)域仍維持劇烈燃燒。

2.1.2 不同破壞壓力下的內(nèi)場超壓荷載振蕩現(xiàn)象當(dāng)2.5 kPa≤pST≤20 kPa時(shí)，峰值Δp2或Δp3出現(xiàn)后，容器內(nèi)出現(xiàn)超壓荷載振蕩現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4給出了不同pST下超壓荷載振蕩規(guī)律，圖5給出了pST=10 kPa時(shí)超壓振蕩過程中典型時(shí)間點(diǎn)（圖4中A～D時(shí)序點(diǎn)）的火焰行為，將圖4中pST=10 kPa超壓振蕩曲線與圖5中對(duì)應(yīng)時(shí)刻的火焰行為進(jìn)行耦合分析，共截取兩個(gè)振蕩周期，即從波峰Δp2形成到波峰D形成的過程。

定義峰值Δp2（0.031 s）為超壓荷載振蕩的第1個(gè)波峰。在泄放慣性作用下，容器內(nèi)低密度已燃?xì)怏w加速外泄，體積流量增加使容器內(nèi)形成負(fù)壓并于0.0336 s達(dá)到第1個(gè)波谷（圖4中A時(shí)刻），超壓大小為-1.55 kPa，此時(shí)火焰從容器口噴射而出。

強(qiáng)泄放的加速過程又會(huì)使得火焰鋒面失穩(wěn)變形，增大了火焰面積，油氣燃燒速率升高；同時(shí)外部爆燃形成的反向氣流與容器內(nèi)火焰面對(duì)撞，產(chǎn)生劇烈湍流也使火焰面發(fā)生振蕩并進(jìn)一步增大燃燒面積，壓力又再次回升并于0.0359 s時(shí)達(dá)到第2個(gè)波峰（圖4中B時(shí)刻），超壓大小為1.97 kPa，此時(shí)外部油氣被引燃，火球擴(kuò)張并開始沿橫向拉伸。

內(nèi)部壓力的升高使火焰鋒面進(jìn)一步擴(kuò)張變形，從而將更多氣體擠壓到容器外，增強(qiáng)了泄放強(qiáng)度，壓力再次降低并于0.0383 s時(shí)達(dá)到第2個(gè)波谷（圖4中C時(shí)刻），超壓大小為-0.833 kPa；由于受到K-H不穩(wěn)定性和斜壓效應(yīng)的影響，外部火球逐漸向蘑菇云狀發(fā)展[25]。

圖2 不同破壞壓力下內(nèi)場壓力時(shí)序曲線（CCH=1.77%）Fig.2 Internal Δp-t profiles under different burst pressure (CCH=1.77%)

圖3 不同超壓峰值對(duì)應(yīng)的火焰行為Fig.3 Flame behaviors coupling with different overpressure peaks

圖4 不同破壞壓力下的超壓荷載振蕩Fig.4 Pressure oscillations under different pST

圖5 壓力荷載振蕩階段的火焰行為（pST=10 kPa）Fig.5 Flame behaviors during pressure oscillations(pST=10 kPa)

當(dāng)超壓降低至第2個(gè)波谷后，外部爆燃已經(jīng)具有一定強(qiáng)度，所產(chǎn)生反沖氣流進(jìn)一步增強(qiáng)了容器內(nèi)的湍流強(qiáng)度，油氣進(jìn)一步燃燒，壓力再次升高并于0.0402 s到達(dá)第3個(gè)波峰（圖4中D時(shí)刻），超壓大小為0.914 kPa，此時(shí)外部火球范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，形成蘑菇云狀火焰。

以圖4中pST=10 kPa的超壓時(shí)序曲線結(jié)合圖5中火焰行為可得：外部爆燃產(chǎn)生的反向氣流會(huì)增強(qiáng)容器內(nèi)的湍流強(qiáng)度，并與火焰相互耦合，使火焰面積增大并加劇了油氣的燃燒，從而使超壓升高；但劇烈的燃燒也促進(jìn)了容器內(nèi)氣體的外泄，增強(qiáng)了泄放強(qiáng)度，形成負(fù)壓從而使超壓降低，從而使得容器內(nèi)形成一個(gè)周期性的超壓荷載振蕩。

另外超壓振蕩頻率和持續(xù)時(shí)間均受pST影響，如圖6所示，隨著pST升高，振蕩持續(xù)時(shí)間呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，而振蕩頻率則呈對(duì)數(shù)規(guī)律升高。這是由于較大的pST會(huì)形成更大的憋壓，增強(qiáng)了弱頂面破壞后的泄流加速效應(yīng)，泄放的油氣在未完全擴(kuò)散的情況下就被引燃，增大了外部爆燃強(qiáng)度；從而使外部爆燃與泄放負(fù)超壓的耦合強(qiáng)度增強(qiáng)，但持續(xù)時(shí)間減少，最終使振蕩頻率增大，振蕩持續(xù)時(shí)間縮短。

圖6 壓力振蕩參數(shù)與初始破壞壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between pressure oscillation parameters and pST

2.1.3 破壞壓力對(duì)超壓發(fā)展過程中各分階段的持續(xù)時(shí)間的影響 從圖2中可以看出，在不同pST內(nèi)場壓力時(shí)序曲線具有一定相似性，但不同階段的持續(xù)時(shí)間又有所差異，以正超壓峰值和振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)和消失的時(shí)間點(diǎn)作為分界點(diǎn)，定義超壓發(fā)展過程中的分階段Stage 1～Stage 4如下。

Stage 1：從點(diǎn)火到弱頂面破壞的階段，該階段的持續(xù)時(shí)間反映了弱頂面約束能力大小，持續(xù)時(shí)間越短，弱頂面約束能力越小。

Stage 2：弱頂面破壞到火焰完全泄出的分階段，該階段的持續(xù)時(shí)間反映了弱頂面破壞后的泄流強(qiáng)度，持續(xù)時(shí)間越短，泄流強(qiáng)度越大。

Stage 3：從火焰泄出到外部爆燃強(qiáng)度最猛烈的分階段，該階段的持續(xù)時(shí)間反映了外部爆燃發(fā)展速率，持續(xù)時(shí)間越短，外部爆燃發(fā)展速率越快。

Stage 4：外部爆燃引發(fā)的反向氣流和泄放慣性引發(fā)的負(fù)超壓相互作用，從而引起超壓荷載振蕩的分階段，該階段的持續(xù)時(shí)間反映了外部爆燃對(duì)容器內(nèi)流場擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間越短，說明外部爆燃對(duì)容器內(nèi)的擾動(dòng)越小。

表2給出了各個(gè)分階段的持續(xù)時(shí)間，從表2可得，隨著pST升高，超壓發(fā)展過程中各個(gè)分階段持續(xù)時(shí)間具有較大差異，主要體現(xiàn)在：①Stage 1（破膜階段）的持續(xù)時(shí)間逐漸增長；②Stage 2～Stage 4（泄流、外部爆燃、壓力荷載振蕩階段）的持續(xù)時(shí)間逐漸縮短；③隨著破壞壓力的升高（pST≥5 kPa后），外部爆燃階段（Stage 3）逐漸消失。

表2 內(nèi)場超壓各階段的持續(xù)時(shí)間Table 2 Duration of 4 internal pressure stages/ms

產(chǎn)生這種差異性的主要原因在于不同pST影響了從點(diǎn)火到弱頂面破壞階段（Stage 1）的時(shí)間，pST越大，Stage 1所持續(xù)的時(shí)間越長，憋壓越明顯；而較大的憋壓使得弱頂面破壞后未燃?xì)怏w和火焰具有更大的初速度和泄放慣性，加劇了泄流和外部爆燃，大量外泄油氣在短時(shí)間內(nèi)迅速燃燒，泄流和外部爆燃過程的持續(xù)時(shí)間均變短；甚至此時(shí)外部爆燃產(chǎn)生的反沖力不足以對(duì)容器內(nèi)產(chǎn)生明顯擾動(dòng)，進(jìn)而又導(dǎo)致壓力振蕩階段的持續(xù)時(shí)間縮短甚至逐漸消失，因此Stage 1持續(xù)時(shí)間增長，Stage 2～Stage 4持續(xù)時(shí)間縮短。

2.2 不同破壞壓力下外場超壓荷載時(shí)序變化規(guī)律

2.2.1 不同破壞壓力條件下的外場超壓時(shí)序曲線的整體變化規(guī)律 圖7給出了不同pST下外部壓力的整體變化規(guī)律，外部測點(diǎn)（PT2）超壓時(shí)序曲線有較強(qiáng)的相似性，其超壓整體時(shí)序變化規(guī)律為“正超壓峰值→負(fù)超壓峰值→壓力回升→持續(xù)負(fù)超壓”[25]。

以pST=30 kPa為例，在點(diǎn)火初期，由于弱頂面未被破壞，該時(shí)間段內(nèi)外部壓力為零；當(dāng)弱頂面破壞后，油氣外泄發(fā)生外部爆燃，超壓升高并形成正超壓峰值，大小約為4.7 kPa；隨著外部油氣燃燒，大量低密度燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散膨脹誘導(dǎo)產(chǎn)生稀疏波，從而形成負(fù)超壓峰值，大小約為-1.2 kPa；當(dāng)外部爆炸結(jié)束后，殘余油氣的燃燒形成上升熱流，使氣體密度降低，進(jìn)而形成持續(xù)時(shí)間較長的負(fù)超壓。

圖7 不同破壞壓力下內(nèi)場壓力時(shí)序曲線（整體）Fig.7 External Δp-t profiles under different burst pressure(integrated process) (CCH=1.77%)

2.2.2 不同破壞壓力外部超壓荷載的細(xì)節(jié)變化 為分析不同pST下外部超壓時(shí)序關(guān)系的差異性，圖 8給出了不同pST下，外部超壓局部時(shí)間段的變化曲線。圖8顯示隨著弱頂面破壞壓力的升高，外部最大超壓值逐漸增大，正超壓峰值個(gè)數(shù)先增多再減少，超壓荷載振蕩先增強(qiáng)后減弱。

當(dāng)pST較小時(shí)（pST=0和2.5 kPa），超壓時(shí)序曲線相對(duì)平滑，正超壓峰值只有一個(gè)，即外部爆燃峰值Δp3，大小分別為0.57 kPa（pST=0）和0.71 kPa（pST=2.5 kPa）。較小的pST導(dǎo)致內(nèi)部憋壓較小，弱頂面破壞時(shí)難以形成足夠大的擾動(dòng)，而且由于破壞時(shí)間較早，未形成明顯的火焰加速，泄出的油氣具有充足的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和稀釋，被引燃后其峰值Δp3相對(duì)較小。

隨著pST的增大（pST=5，10 kPa），外部超壓荷載呈振蕩狀變化，體現(xiàn)為正負(fù)超壓交替出現(xiàn)并形成多個(gè)正超壓峰值，此時(shí) Δp1、Δp2、Δp3均出現(xiàn)，其數(shù)值分別為0.78、0.59、0.66 kPa（pST=5 kPa）和1.07、0.46、0.54 kPa（pST=10 kPa）。由于弱頂面具備一定的強(qiáng)度，破壞前產(chǎn)生了一定的憋壓，導(dǎo)致破壞時(shí)的泄放強(qiáng)度增加從而形成負(fù)壓稀疏波，稀疏波與外部爆燃產(chǎn)生的壓縮波在一定時(shí)間段內(nèi)會(huì)相互耦合，從而形成正負(fù)超壓交替出現(xiàn)的形式。

當(dāng)pST進(jìn)一步升高時(shí)（pST=20，30 kPa），超壓時(shí)序曲線相對(duì)簡單化，沒有明顯的壓力振蕩，僅出現(xiàn)兩個(gè)峰值Δp1和Δp3，大小分別為1.23、2.04 kPa（pST=20 kPa）和 2.31、4.74 kPa（pST=30 kPa）。較大的pST會(huì)形成更大的憋壓，破壞瞬間會(huì)形成超壓峰值 Δp1，同時(shí)弱頂面破壞瞬間會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的泄放慣性，火焰加速效應(yīng)更明顯，形成強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短的外部爆燃，產(chǎn)生了數(shù)值更大的超壓峰值Δp3，但由于泄放速度過快，泄放負(fù)壓持續(xù)時(shí)間段，無法與外部爆燃超壓持續(xù)耦合，因此在較大pST下，超壓時(shí)序曲線相對(duì)簡單化。

圖8 不同破壞壓力下外場壓力時(shí)序曲線（局部）Fig.8 External Δp-t profiles under different burst pressure(local process) (CCH=1.77%)

2.3 破壞壓力對(duì)油氣爆炸超壓峰值的影響

在不同pST下，內(nèi)外場超壓荷載的差異主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①不同pST下超壓峰值的個(gè)數(shù)和主要控制機(jī)制有所區(qū)別；②不同pST下內(nèi)外最大超壓峰值的數(shù)值有所差異[29]。表3給出了不同pST時(shí)內(nèi)外超壓峰值的屬性及數(shù)值。

表3 不同破壞壓力下超壓峰值Table 3 Pressure peaks under different pST/kPa

從表3可以看出：當(dāng)pST=0時(shí)，內(nèi)外場僅有一個(gè)超壓峰值 Δp3，這是由于弱頂面強(qiáng)度較小，無法充分憋壓，破壞時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)較小，使得內(nèi)外場的超壓時(shí)序曲線相對(duì)簡單，超壓峰值個(gè)數(shù)少。

當(dāng)2.5 kPa≤pST≤10 kPa時(shí)，此時(shí)弱頂面破壞前已經(jīng)形成一定的憋壓，弱頂面的瞬間破壞也會(huì)產(chǎn)生一定擾動(dòng)，并且形成了持續(xù)時(shí)間較長的泄放加速效應(yīng)，另外外部爆燃產(chǎn)生的壓縮波與氣體泄放形成的稀疏波也相互疊加，產(chǎn)生更大擾動(dòng)的同時(shí)也造成容器油氣發(fā)生局部不穩(wěn)定燃燒，這一系列復(fù)雜的過程相互影響最終導(dǎo)致流場發(fā)生復(fù)雜變化，從而使超壓峰值Δp1～Δp4均出現(xiàn)。

當(dāng)pST進(jìn)一步升高時(shí)（20 kPa≤pST≤30 kPa），此時(shí)弱頂面破壞前產(chǎn)生了更大的憋壓，破壞瞬間內(nèi)外壓差更大，已燃?xì)怏w會(huì)在破壞瞬間加速向口部運(yùn)動(dòng)，容器內(nèi)部形成兩個(gè)超壓峰值 Δp1和 Δp2；但由于較大的內(nèi)外壓差導(dǎo)致泄放慣性過大，加速運(yùn)動(dòng)的火焰在極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)引燃外部相對(duì)集中的油氣，使外部爆燃強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短，無法產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長的擾動(dòng)，僅形成了Δp1和Δp3。

另外，從表3還可以看出對(duì)內(nèi)場產(chǎn)生明顯影響的超壓峰值 Δp1和 Δp2，對(duì)外場產(chǎn)生明顯影響的超壓峰值為Δp3。圖9為內(nèi)外超壓峰值與pST之間的關(guān)系：當(dāng)pST≤30 kPa時(shí)，內(nèi)部超壓Δp1和Δp2的數(shù)值與pST近似呈線性關(guān)系；外部超壓Δp3的數(shù)值與pST近似呈二次函數(shù)關(guān)系。

圖9 超壓峰值數(shù)值與靜態(tài)破壞壓力的關(guān)系Fig.9 Relationship between pressure peak values and pST

從對(duì)圖2和圖9的分析中可以得出，隨著pST增加，弱頂面破壞前憋壓也相應(yīng)增加，從而使 Δp1增大；其次，高強(qiáng)度的弱頂面破壞瞬間內(nèi)外壓差會(huì)更大，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的加速效果和泄放慣性，一方面造成較強(qiáng)的擾動(dòng)，使湍流增強(qiáng)，另一方面使泄放的未燃油氣和已燃?xì)怏w密度差變大，氣體體積流量差異更加明顯，形成更大的 Δp2。對(duì)于外部爆燃超壓峰值Δp3，當(dāng)pST較大時(shí)，弱頂面破壞前容器內(nèi)未燃?xì)怏w已充分壓縮，泄放的未燃油氣相對(duì)集中，而且加速傳播的火焰使得外部的油氣在充分?jǐn)U散稀釋之前就被引燃，大量油氣在短時(shí)間小范圍內(nèi)劇烈燃燒，形成更大的

3 結(jié) 論

當(dāng)靜態(tài)破壞壓力不同時(shí)，含有弱頂面受限空間中油氣爆炸內(nèi)場超壓時(shí)序曲線可分為4種類型，整個(gè)爆燃過程中共具有4種正超壓峰值，分別為破膜峰值（Δp1）、泄流峰值（Δp2）、外部爆燃峰值（Δp3）、局部不穩(wěn)定燃燒峰值（Δp4）；外場共形成3種超壓峰值，分別為破膜峰值（Δp1）、泄流峰值（Δp2）、外部爆燃峰值（Δp3）。在小破壞壓力下（0≤pST≤2.5 kPa）內(nèi)場最大超壓峰值為Δp3，而隨著破壞壓力增大（5 kPa≤pST≤30 kPa），內(nèi)場最大超壓峰值變?yōu)棣1。

在一定破壞壓力范圍內(nèi)（5 kPa≤pST≤20 kPa），當(dāng)弱頂面破壞后，外部爆燃產(chǎn)生的反向氣流和強(qiáng)泄放形成的負(fù)超壓相互耦合，受限空間內(nèi)部會(huì)形成周期性壓力荷載振蕩，其振蕩頻率和持續(xù)時(shí)間均受破壞壓力影響。另外，隨著破壞壓力的升高，點(diǎn)火到破膜階段持續(xù)時(shí)間所占比例逐漸增大，泄流、外部爆燃、壓力振蕩階段持續(xù)時(shí)間所占比例逐漸減小。

外場超壓峰值的個(gè)數(shù)隨著破壞壓力的升高先增多后減少：當(dāng)0≤pST≤2.5 kPa時(shí)，超壓峰值僅有一個(gè)（Δp3）；當(dāng) 5 kPa≤pST≤10 kPa時(shí)，Δp1、Δp2、Δp3同時(shí)出現(xiàn)，且三者大小基本相同；當(dāng) 20 kPa≤pST≤30 kPa時(shí)，外部有兩個(gè)超壓峰值（Δp1和 Δp3），外場最大超壓峰值均由外部爆燃所形成（Δp3）。

受限空間內(nèi)外超壓峰值大小均隨著pST的升高而升高，但其主要超壓峰值有所不同。內(nèi)場主要超壓為Δp1和Δp2，其數(shù)值均與初始破壞壓力pST呈線性關(guān)系；外場主要超壓峰值為 Δp3，其數(shù)值與初始破壞壓力呈二次函數(shù)關(guān)系。

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date:2017-03-07.

Prof.DU Yang,duyang58@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51704301) and the Graduate Research Innovation Project of Chongqing (CYB17150).

Effect of static rupture pressure on overpressure loadings of gasoline-air mixture deflagration in confined space with weak roof

WANG Shimao1,DU Yang1,LIANG Jianjun1,ZHOU Yanjie2,LI Guoqing1,QI Sheng1
(1The Army Logistics University of PLA,Chongqing401311,China;2Planning Division of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an710018,Shaanxi,China)

The effect of static rupture pressure (pST) on overpressure loadings caused by gasoline-air mixture deflagration was obtained based on experimental research in a vessel with a weak roof.The results showed that Δp-tprofiles under differentpSTwere divided into four types,and the main overpressure peaks were burst peak(Δp1),vent flow peak (Δp2),external deflagration peak (Δp3) and locally instable combustion peak (Δp4).The maximum overpressure peak inside the vessel was Δp3whenpSTwas greater than or equal to 2.5 kPa,however,the maximum overpressure peak was Δp1whenpSTwas greater than or equal to 5 kPa and less than or equal to 30 kPa.For the external overpressure,the maximum overpressure peak was Δp3.Induced by the coupling of external deflagration and negative pressure,pressure oscillation occurred whenpSTwas greater than or equal to 2.5 kPa and less than or equal to 20 kPa,and the frequency as well as the duration of pressure oscillation were related topST.Duration of burst stage showed an increasing trend with the increase ofpST,while duration of venting stage,external deflagration stage,and pressure oscillation stage showed an opposite trend.The value of internal and external overpressure peaks were both proportional topST.With the increase of thepST,the internal pressure peak Δp1and Δp2increased in linear and the external pressure peak Δp3increased in quadratic.

weak roof; confined space; gasoline-air; overpressure; mixture; explosion; experimental validation

X 932

A

0438—1157（2017）12—4865—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20170220

2017-03-07收到初稿，2017-08-30收到修改稿。

聯(lián)系人：杜揚(yáng)。

王世茂（1990—），男，博士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51704301）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYB17150）。