半封閉空間明火引燃油氣特性實(shí)驗(yàn)*

歐益宏，李 潤(rùn)，袁廣強(qiáng)，周建忠，王 波，李陽(yáng)超

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系,重慶 401311;2.陸軍72489部隊(duì),山東 煙臺(tái) 265301)

液態(tài)油料中的輕烴成分在常溫下極易揮發(fā)形成油氣，一旦油氣達(dá)到一定濃度，遇到點(diǎn)火源，就會(huì)產(chǎn)生爆炸。對(duì)437例油庫(kù)著火爆炸事故點(diǎn)火源的統(tǒng)計(jì)表明[1]，明火在各種點(diǎn)火源中居首位，占24%。明火容易引燃油氣的原因是高溫，且明火中含有大量原子或自由基，可誘發(fā)油氣著火爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[2]。

對(duì)明火引燃可燃?xì)怏w，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究[3-10]。例如，Kundu等[3]把明火歸為外部點(diǎn)火源，并得到不同類型點(diǎn)火源空間尺度與熱釋放速率之間的關(guān)系。Werle等[4]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧化劑溫度約為1 100 K時(shí)，甲烷燃燒時(shí)的著火延遲期最短，溫度上升最大。Ryu等[5]和Elbaz等[6]研究了火焰穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)增大流速可提高火焰溫度及穩(wěn)定性。范寶春等[7]模擬了高溫火團(tuán)誘導(dǎo)的爆炸，實(shí)驗(yàn)中要求火團(tuán)初溫不能過高或過低且形成適當(dāng)?shù)臏囟忍荻取W益宏等[8-9]進(jìn)行了油氣熱著火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱壁巨大的溫度梯度導(dǎo)致著火溫度高于自燃點(diǎn)。吳松林等[10]分析了不同點(diǎn)火方式對(duì)油氣起燃速度、火焰結(jié)構(gòu)等的影響。然而，這些研究大多針對(duì)密閉空間內(nèi)氫氣、甲烷等單一工質(zhì)氣體的燃燒爆炸現(xiàn)象，對(duì)油氣這種混合工質(zhì)氣體研究較少[11]。同時(shí)，在日常生產(chǎn)、生活中油氣不僅產(chǎn)生于密閉空間中，也常聚集在倉(cāng)庫(kù)、泵房等半封閉空間。因此，本文中對(duì)明火引燃半封閉空間油氣爆炸特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析火焰?zhèn)鞑ヌ匦院蛪毫Πl(fā)展特性，包括火焰形狀、火焰組分、火焰縱向和橫向位置及速度、容器內(nèi)壓力和壓力變化速率等參數(shù)，探討火焰與壓力波的耦合作用，以期為預(yù)防、控制和分析油氣著火爆炸事故提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用文獻(xiàn)[12]中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。采用SPKM-13Z明火點(diǎn)火槍于盲板中心點(diǎn)火，為避免陽(yáng)光對(duì)火焰顏色的干擾，實(shí)驗(yàn)在暗室條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)初始溫度為20 ℃，初始?jí)毫?.1 MPa，點(diǎn)火位置在容器底板中心。油氣體積分?jǐn)?shù)有低、中和高3種，分別為1.0%、1.7%和2.4%，對(duì)應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比為0.62、1.05和1.48。為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，每組體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，配氣系統(tǒng)在達(dá)到所需油氣體積分?jǐn)?shù)并穩(wěn)定后，停止配氣，然后啟動(dòng)同步控制器依次觸發(fā)高速攝影儀以及壓力采集系統(tǒng)，采集壓力數(shù)據(jù)和火焰圖像。在觸發(fā)后，利用明火點(diǎn)火器引燃油氣。最后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀器，分析數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

通過高速攝影儀對(duì)低(1.0%)、中(1.7%)、高(2.4%)這3種油氣體積分?jǐn)?shù)的火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了拍攝，分析火焰精細(xì)結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑シ謪^(qū)、火焰組分和火焰速度等傳播特性。

2.1.1火焰?zhèn)鞑シ謪^(qū)及火焰組分

圖2所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1.0%的火焰?zhèn)鞑ミ^程。0 ms時(shí)油氣被明火瞬間引燃，火焰開始出現(xiàn)明顯分區(qū)，可分為燃燒核和火焰陣面。燃燒核為白色明火，火焰陣面為淡藍(lán)色光圈。0～24 ms階段，明火還未熄滅，導(dǎo)致燃燒核范圍先擴(kuò)大后減小。在明火的加熱作用下，淡藍(lán)色火焰陣面逐漸擴(kuò)大，呈圓錐形。24～68 ms階段，明火熄滅導(dǎo)致燃燒核消失，剩下淡藍(lán)色火焰陣面。由于反應(yīng)油氣與未反應(yīng)油氣之間存在溫度梯度，從而形成密度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生浮力效應(yīng)[13-14]，導(dǎo)致火焰的縱向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度，火焰陣面變?yōu)閳A柱形。在燃燒產(chǎn)物膨脹和壓力波的雙重作用下，52 ms時(shí)，聚乙烯薄膜破裂，此時(shí)火焰陣面還未傳播到容器口。68 ms時(shí)，火焰陣面?zhèn)鞑サ饺萜骺诓⒁家绯龅挠蜌?，但還未接觸到側(cè)壁，淡藍(lán)色火焰范圍繼續(xù)擴(kuò)大。直到116 ms時(shí),火焰陣面才傳播到側(cè)壁，此時(shí)容器內(nèi)淡藍(lán)色光圈范圍達(dá)到最大。隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，容器中心油氣逐漸消耗，亮度降低。隨著容器壁面油氣燃燒耗盡，火焰熄滅，整個(gè)過程歷時(shí)194 ms。

圖3所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1.7%的火焰?zhèn)鞑ミ^程。0 ms時(shí)明火點(diǎn)火槍引燃油氣，形成小的藍(lán)色火焰。0～10 ms時(shí)火焰出現(xiàn)明顯的分區(qū)，中心為紅色絲狀燃燒核，外部為藍(lán)色火焰陣面?；鹧骊嚸媸芨×屠斓挠绊懀霈F(xiàn)一些傾斜和扭曲，說明產(chǎn)生了小尺度湍流燃燒，火焰形狀近似為圓錐形。因?yàn)閴毫Σ▊鞑ニ俣却笥诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋?5.4 ms時(shí)壓力波沖破薄膜，此時(shí)火焰還未傳播到容器口。由于燃燒產(chǎn)物膨脹和湍流的正反饋?zhàn)饔?，火焰陣面位置逐漸移動(dòng)，到32.0 ms時(shí)火焰陣面?zhèn)鞑サ饺萜骺诓⒁家绯龅挠蜌?，此時(shí)紅色絲狀燃燒核長(zhǎng)度達(dá)到最大，之后迅速消失，火焰形狀近似為圓柱形。隨后在內(nèi)外壓差、泄爆誘導(dǎo)的湍流作用下，火焰陣面急劇變形，變成了大尺度湍流燃燒，導(dǎo)致燃燒速率增大。因?yàn)榛鹧婵v向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度，火焰陣面繼續(xù)向側(cè)壁傳播。56.0 ms火焰陣面開始抵達(dá)側(cè)壁，容器內(nèi)藍(lán)色光圈范圍達(dá)到最大。隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，火焰結(jié)構(gòu)變得更加紊亂。容器中間顏色變暗，藍(lán)色光圈內(nèi)油氣逐漸耗盡，至108.0 ms時(shí)火焰熄滅，藍(lán)色光圈消失。

圖4所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=2.4%的火焰?zhèn)鞑ミ^程。0 ms時(shí)明火瞬間引燃油氣，產(chǎn)生淡藍(lán)色蘑菇狀火焰。0～20 ms時(shí)火焰出現(xiàn)明顯的分區(qū)，中間為橘紅色燃燒核，邊緣為淡藍(lán)色火焰陣面，火焰形狀變成圓柱形。燃燒核出現(xiàn)皺褶、折疊，表現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒，說明發(fā)生了湍流燃燒現(xiàn)象。由于是富燃條件(φ=2.4%)，受浮力影響顯著，火焰縱向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度并且火焰下部保持停滯。20～112 ms時(shí)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，燃燒核湍流度增大，亮度增大，火焰形狀仍然為圓柱形。因?yàn)榛鹧骊嚸孑^壓力波有所滯后，火焰還未到達(dá)容器口時(shí)，聚乙烯薄膜已經(jīng)被壓力波沖破，導(dǎo)致部分未燃油氣被沖到空氣中。112 ms時(shí)火焰陣面?zhèn)鞑サ饺萜骺?，引燃泄放的油氣，燃燒核顏色變?yōu)辄S白色。此時(shí)，火焰還未傳播到側(cè)壁，到188 ms，火焰陣面才接觸到側(cè)壁。由于氧氣不足，容器內(nèi)大量油氣還未完全燃燒。200～500 ms時(shí)，由于空氣的流入，火焰開始從容器頂部向下緩慢燃燒，燃燒核亮度明顯增強(qiáng)，顏色變?yōu)榘咨?，淡藍(lán)色火焰陣面逐漸消失。隨后，火焰進(jìn)一步發(fā)展，直至熄滅。耗時(shí)1 092 ms。

結(jié)合圖2～4可以看出，明火引燃油氣后，火焰具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，即可分為燃燒核和火焰陣面。不同油氣體積分?jǐn)?shù)，火焰組分差異巨大，中低油氣體積分?jǐn)?shù)火焰顏色呈現(xiàn)藍(lán)色或淡藍(lán)色，主要是因?yàn)檠鯕獬渥?，燃燒反?yīng)完全，產(chǎn)生大量OH、CH自由基，而OH、CH光譜呈淡藍(lán)色[15-16]。高體積分?jǐn)?shù)油氣燃燒時(shí)，低鏈碳?xì)浣M分迅速發(fā)生反應(yīng)并離解，生成大量OH、CH自由基，火焰顏色呈現(xiàn)淡藍(lán)色，同時(shí)高鏈碳?xì)浣M分也裂解為低鏈碳?xì)浣M分。隨后隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的下降以及溫度的上升，反應(yīng)不充分，生成大量碳煙粒子，碳煙粒子在高溫受熱條件下會(huì)發(fā)出明亮的黃白光[17-18]。隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的提高，油氣爆炸持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)出先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)。

2.1.2火焰陣面?zhèn)鞑ヌ匦约坝绊懸蛩?/p>

根據(jù)高速攝影儀拍攝的火焰圖片與著火容器的位置關(guān)系，可得到不同體積分?jǐn)?shù)的油氣在不同時(shí)刻的縱向和橫向火焰陣面位置，再根據(jù)兩幅圖片的時(shí)間間隔就可以得到不同體積分?jǐn)?shù)的油氣在不同時(shí)刻的縱向和橫向火焰陣面速度。圖5～6所示分別為3種油氣體積分?jǐn)?shù)的縱向火焰陣面位置、縱向火焰陣面速度、橫向火焰陣面位置和橫向火焰陣面速度隨時(shí)間的變化曲線。

從圖5(a)中可以看出，同一時(shí)刻，體積分?jǐn)?shù)為1.7%的油氣縱向火焰陣面距容器底端最遠(yuǎn)，說明其速度也最大，與圖5(b)中結(jié)果相符。44 ms之前體積分?jǐn)?shù)為2.4%的油氣縱向火焰陣面位置比體積分?jǐn)?shù)為1.0%的油氣距離更遠(yuǎn)，之后比體積分?jǐn)?shù)為1.0%的油氣距離近。原因是高濃度油氣引燃階段受熱浮力推舉作用比低濃度大，火焰能夠快速上升到較高位置，而后由于氧氣不足，高濃度油氣化學(xué)反應(yīng)速率沒有低濃度快，導(dǎo)致縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣刃∮隗w積分?jǐn)?shù)為1.0%的油氣的。3種油氣體積分?jǐn)?shù)縱向火焰陣面位置的斜率都是先減小后增大的趨勢(shì)，說明縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣纫彩窍葴p小后增大，與圖5(b)基本相符。從圖5(b)中可以看出，體積分?jǐn)?shù)為1.7%的油氣縱向火焰陣面速度最大，最大值為8.08 m/s，是體積分?jǐn)?shù)為1.0%和2.4%的油氣的縱向火焰陣面速度最大值的2.1倍和2.1倍。3種油氣體積分?jǐn)?shù)縱向火焰陣面速度均先減小后增大，原因是明火引燃初期，油氣被急劇加熱發(fā)生膨脹，并在熱浮力推舉作用下，火焰陣面短時(shí)間傳播到較高位置，速度較大。隨后由于薄膜約束，燃燒核壓強(qiáng)減小，浮力作用減弱，導(dǎo)致縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣冉档?。最后壓力波沖破薄膜，在內(nèi)外壓差和泄爆誘導(dǎo)的湍流作用下，容器內(nèi)部反應(yīng)速率迅速增大，縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣忍岣摺?/p>

從圖6(a)中可以發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)刻，隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增加，橫向火焰陣面位置的距離先增大后減小，說明火焰陣面?zhèn)鞑サ絺?cè)壁時(shí)間先減小后增大，橫向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍蠼档停c圖6(b)中曲線吻合。3種油氣體積分?jǐn)?shù)橫向火焰陣面位置的斜率都有先減小后穩(wěn)定的趨勢(shì)，表明橫向火焰陣面速度先降低后趨于穩(wěn)定，與圖6(b)曲線相符。從圖6(b)中可以發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)為1.7%的油氣橫向火焰陣面速度最大，最大值為2.45 m/s，是體積分?jǐn)?shù)1.0%和2.4%的橫向火焰陣面速度最大值的1.2倍和1.2倍。3種油氣體積分?jǐn)?shù)橫向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣染葴p小后趨于穩(wěn)定，原因是明火瞬間點(diǎn)燃，將能量高速傳遞給油氣，促使橫向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣榷虝r(shí)達(dá)到最大。由于明火持續(xù)時(shí)間極短，能量傳遞有限，導(dǎo)致橫向火焰陣面速度迅速下降。之后因?yàn)閭?cè)壁限制，壓力波反射抑制了橫向火焰陣面，使橫向火焰陣面速度保持穩(wěn)定。

結(jié)合圖5(a)和圖6(a)可以得出，相同時(shí)間、相同體積分?jǐn)?shù)油氣的縱向火焰陣面位置比橫向火焰陣面位置遠(yuǎn)，并且隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰陣面位置的距離先變大后變小。油氣體積分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.7%和2.4%的火焰陣面?zhèn)鞑サ絺?cè)壁用時(shí)是傳播到容器口用時(shí)的1.71倍、1.75倍和1.68倍。結(jié)合圖5(b)和圖6(b)可以得出，相同時(shí)間、相同體積分?jǐn)?shù)油氣的縱向火焰陣面速度大于橫向速度，并且隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰陣面的速度先增大后減小。體積分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.7%和2.4%的油氣的最大縱向火焰陣面速度是最大橫向火焰陣面速度的1.89倍、3.30倍和1.89倍。

2.2 壓力發(fā)展特性

2.2.1壓力發(fā)展歷程

根據(jù)高頻壓力傳感器測(cè)得的容器內(nèi)壓力變化情況，可得到不同油氣體積分?jǐn)?shù)著火爆炸的壓力發(fā)展歷程，結(jié)果如圖7～9所示。

圖7所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1%時(shí)的壓力及壓力變化速率時(shí)程曲線。從壓力的發(fā)展歷程來看可以分為4個(gè)階段。第Ⅰ階段為壓力平穩(wěn)階段，持續(xù)約25.3 ms，在這段時(shí)間內(nèi)壓力沒有上升。原因是明火引燃油氣后，火焰以層流狀態(tài)傳播，火焰面積小，單位時(shí)間放熱量少，產(chǎn)生的壓力波還未傳播到傳感器，所測(cè)壓力在0 kPa附近，無(wú)明顯變化；第Ⅱ階段為壓力陡升階段，持續(xù)約27 ms。25.3 ms時(shí)壓力波傳播到傳感器，未燃油氣溫度升高，產(chǎn)物膨脹，從而使燃燒強(qiáng)度增加，火焰面積增大，導(dǎo)致火焰縱向擴(kuò)展速度加快，壓力快速上升，上升速率最大為0.197 kPa/ms。52.3 ms時(shí)薄膜破裂，形成第1個(gè)超壓峰值p1=2.014 kPa。第Ⅲ階段為壓力猛降后回升階段，持續(xù)約15.7 ms。由于壓力波傳播速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋∧て屏褧r(shí)，火焰前鋒距容器口仍有5.69 cm。此時(shí)大量未燃油氣在內(nèi)外壓差的作用下沖出容器，導(dǎo)致容器內(nèi)部超壓開始下降。下降速率最大達(dá)到0.367 kPa/ms，至62.2 ms時(shí)壓力下降到0.986 kPa。隨著火焰向管口推進(jìn)，因受內(nèi)外壓差和泄爆誘導(dǎo)流動(dòng)，燃燒面積進(jìn)一步增大。油氣劇烈燃燒產(chǎn)生的升壓大于容器內(nèi)氣體泄壓，致使容器內(nèi)超壓重新開始上升。68 ms后火焰鋒面?zhèn)鞑ブ寥萜骺?，外部油氣被引燃，形成噴射火焰，?dǎo)致容器內(nèi)壓力進(jìn)一步上升，并形成第2個(gè)壓力峰值p2[19-20]，數(shù)值為1.077 kPa。第Ⅳ階段為振蕩衰減階段，持續(xù)約72 ms。因?yàn)榛鹧婵v向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度，火焰繼續(xù)向側(cè)壁傳播。在內(nèi)部火焰和管口附近壓力波反向傳播的相互作用下，容器內(nèi)出現(xiàn)壓力振蕩，即Helmholtz振蕩[21-22]，振蕩頻率約為430 Hz。116 ms時(shí)火焰接觸到側(cè)壁，由于火焰和壓力波耦合作用，振蕩幅度變大。隨著容器內(nèi)外油氣的耗盡，壓力迅速下降，直至壓強(qiáng)變?yōu)榱恪?/p>

圖8所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1.7%時(shí)壓力及壓力變化率時(shí)程曲線。壓力發(fā)展過程同樣分為4個(gè)階段。第Ⅰ階段為壓力平穩(wěn)階段，壓力無(wú)明顯變化，持續(xù)約15.6 ms。0 ms時(shí)油氣被明火引燃，壓力波經(jīng)過15.6 ms傳播至傳感器，在此期間所測(cè)壓力稍微大于0 kPa。第Ⅱ階段為壓力陡升階段，持續(xù)約9.8 ms。隨著火焰快速傳播，容器內(nèi)壓力急劇上升，上升速率最大為0.647 kPa/ms。到25.4 ms時(shí)聚乙烯薄膜破裂，形成第1個(gè)壓力峰值p1=2.606 kPa。第Ⅲ階段為壓力猛降后回升階段，持續(xù)約6.8 ms。因?yàn)榛鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣刃∮趬毫Σ▊鞑ニ俣龋∧て屏褧r(shí)，火焰?zhèn)鞑サ骄嚯x容器口1.54 cm處，大量未燃油氣泄放到空氣中，引起容器內(nèi)壓力迅速下降。下降速率最大為0.492 kPa/ms，至29 ms時(shí)壓力下降到1.645 kPa；隨著火焰向管口推進(jìn)，受內(nèi)外壓差和泄爆誘導(dǎo)流動(dòng)，燃燒面積進(jìn)一步增大。油氣劇烈燃燒產(chǎn)生的升壓大于容器內(nèi)氣體泄壓，致使容器內(nèi)超壓重新上升。32.2 ms時(shí)火焰鋒面?zhèn)鞑ブ寥萜骺?，外部油氣被引燃，形成噴射火焰，引起容器?nèi)壓力進(jìn)一步上升，形成第2個(gè)壓力峰值p2=1.889 kPa。第Ⅳ階段為振蕩衰減階段，持續(xù)約45.8 ms?；鹧?zhèn)鞑サ饺萜骺诤罄^續(xù)向側(cè)壁擴(kuò)展，在內(nèi)部火焰和管口附近壓力波反向傳播的相互作用下，容器內(nèi)產(chǎn)生Helmholtz振蕩，振蕩頻率約為546 Hz。56 ms時(shí)火焰抵達(dá)側(cè)壁，由于火焰和壓力波耦合作用，振蕩幅度變大。之后容器內(nèi)外油氣快速減少，振蕩減弱，壓力迅速回落，最后變?yōu)榱恪?/p>

圖9為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=2.4%的壓力及壓力變化速率時(shí)程曲線，壓力曲線可分為4個(gè)階段。第Ⅰ階段為壓力平穩(wěn)階段，持續(xù)約25.5 ms，這段時(shí)間內(nèi)壓力沒有上升，約為0 kPa。第Ⅱ階段為壓力陡升階段，持續(xù)約58.9 ms。由于油氣體積分?jǐn)?shù)高，燃燒不完全，釋放的熱量較少，縱向火焰陣面速度較低，約為1 m/s，導(dǎo)致容器內(nèi)壓力上升較慢，上升速率最大為0.092 kPa/ms。至84.4 ms時(shí)，形成第1個(gè)壓力峰值p1，為1.989 kPa。第Ⅲ階段為壓力猛降后回升階段，持續(xù)約27.6 ms。因?yàn)閴毫ι仙^慢，薄膜發(fā)生膨脹，在p1點(diǎn)沒有破裂。隨后在火焰高溫和壓力波的雙重作用下，102 ms時(shí)薄膜破裂，此時(shí)火焰?zhèn)鞑サ骄嗳萜骺?.23 cm處。破膜后，泄爆速度大于未燃?xì)怏w速度，導(dǎo)致容器內(nèi)超壓迅速下降。下降速率最大達(dá)到1.026 kPa/ms，至106.2 ms壓力下降到0.038 kPa。112 ms時(shí)，火焰鋒面?zhèn)鞑ブ寥萜骺?，外部油氣被引燃，形成噴射火焰。?dǎo)致容器內(nèi)壓力上升，并形成第2個(gè)壓力峰值p2，約為0.246 kPa。第Ⅳ階段為振蕩衰減階段，持續(xù)約15.8 ms。火焰?zhèn)鞑サ饺萜骺诤罄^續(xù)向側(cè)壁擴(kuò)展，在內(nèi)部火焰和管口附近壓力波反向傳播的相互作用下，容器內(nèi)產(chǎn)生Helmholtz振蕩，振蕩頻率約為506 Hz。由于油氣體積分?jǐn)?shù)較高，燃燒反應(yīng)不完全，導(dǎo)致燃燒并不劇烈[19]。隨著空氣的回流和氧氣的補(bǔ)充，形成穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，導(dǎo)致振蕩快速衰減，容器內(nèi)壓力迅速減小到零。

結(jié)合圖7～9可以得出，明火引燃不同體積分?jǐn)?shù)油氣時(shí)都會(huì)形成壓力雙峰現(xiàn)象。對(duì)中、低體積分?jǐn)?shù)油氣，第1個(gè)壓力峰值為破膜壓力；對(duì)高體積分?jǐn)?shù)油氣，第1個(gè)壓力峰值略微大于破膜壓力。第2個(gè)壓力峰值則都是由于外部油氣被引燃，導(dǎo)致容器內(nèi)部超壓急劇上升而形成。明火引燃油氣的壓力發(fā)展歷程都可分為4個(gè)階段，即壓力平穩(wěn)階段、壓力陡升階段、壓力猛降后回升階段和振蕩衰減階段。隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增大，振蕩頻率先增大后減小。

2.2.2油氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓力參數(shù)影響

根據(jù)圖7～9得到不同油氣體積分?jǐn)?shù)下的壓力參數(shù)值，如表1所示。

表1 不同油氣體積分?jǐn)?shù)下的壓力參數(shù)Table 1 Pressure parameter for different gasoline/air volume fractions

從壓力發(fā)展歷程的4個(gè)階段來看，在壓力平穩(wěn)階段，不同油氣體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)時(shí)間差別較小，而在其余3個(gè)階段，不同油氣體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)時(shí)間差別很大，這說明油氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓力平穩(wěn)階段影響較弱，對(duì)其余階段影響較弱；隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的升高，經(jīng)過壓力平穩(wěn)階段、壓力陡升階段和壓力猛降階段后，回升階段的持續(xù)時(shí)間先算短后增長(zhǎng)，而振蕩衰減階段的持續(xù)時(shí)間一直減小。由表1中數(shù)據(jù)可得到不同油氣體積分?jǐn)?shù)壓力發(fā)展各階段所占發(fā)展歷程總時(shí)間比例的直方圖，結(jié)果如圖10所示。圖10中可看出，3種油氣體積分?jǐn)?shù)在第Ⅰ階段中的持續(xù)時(shí)間所占比例基本一致，最大差別不超過2%，同樣說明油氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓力平穩(wěn)階段影響較弱。油氣體積分?jǐn)?shù)為1.0%和1.7%時(shí)的壓力發(fā)展各階段的持續(xù)時(shí)間所占比例大致相同，壓力變化曲線走勢(shì)也基本一致。而油氣體積分?jǐn)?shù)為2.4%的壓力發(fā)展各階段持續(xù)時(shí)間所占比例與1.0%和1.7%時(shí)的差別較大，其壓力變化曲線走勢(shì)與1.0%和1.7%時(shí)的也不一樣。第Ⅱ階段所占比例較大，是1.0%和1.7%時(shí)的2.42倍和3.54倍；而第Ⅳ階段所占比例小，是1.0%和1.7%時(shí)的0.23倍和0.20倍。原因是由于油氣濃度較高時(shí)，壓力上升較慢且振蕩持續(xù)時(shí)間短。

2.3 火焰和壓力波之間的耦合作用分析

結(jié)合火焰圖像和壓力發(fā)展歷程可得出，火焰和壓力波之間形成了強(qiáng)烈的耦合作用，兩者相互作用，相互影響，存在一定的空間位置關(guān)系。以體積分?jǐn)?shù)為2.4%的油氣為例來說明火焰與壓力波的耦合作用，如圖11所示。從圖中可以看出：一方面，火焰的發(fā)展對(duì)壓力波具有強(qiáng)烈的促進(jìn)作用。當(dāng)火焰陣面面積增大時(shí)，未燃?xì)怏w溫度升高，已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w的組分輸送速率加快，燃燒速度加快，超壓急劇上升。另一方面，壓力波的變化也會(huì)對(duì)火焰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于壓力波傳播速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，壓力波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生反射、折射，使火焰陣面出現(xiàn)局部停滯和失穩(wěn)變形。破膜前，壓力波對(duì)火焰起誘導(dǎo)作用，后面緊跟著淡藍(lán)色的火焰陣面；破膜后，由于開口鄰進(jìn)的壓力波反向傳播，導(dǎo)致容器外部氣體向內(nèi)部流動(dòng)，油氣界面不穩(wěn)定，產(chǎn)生Helmholtz振蕩。

3 結(jié) 論

(1)不同體積分?jǐn)?shù)的油氣火焰組分不同，并且火焰具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，可分為燃燒核和火焰陣面。

(2)油氣體積分?jǐn)?shù)在1%～2.4%范圍內(nèi)時(shí)，隨著體積分?jǐn)?shù)增加，縱向和橫向火焰陣面速度均先變大后變小，并且縱向火焰陣面速度要大于橫向火焰陣面速度。

(3)容器內(nèi)的壓力發(fā)展歷程可分為4個(gè)階段，即壓力平穩(wěn)階段、壓力陡升階段、壓力猛降后回升階段和振蕩衰減階段，而且會(huì)形成壓力雙峰現(xiàn)象。

(4)油氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)容器內(nèi)壓力和壓力變化速率有顯著影響，但對(duì)壓力平穩(wěn)階段影響較弱。油氣體積分?jǐn)?shù)在1%～1.7%范圍內(nèi)時(shí)，壓力發(fā)展各階段持續(xù)時(shí)間所占比例大致相同；油氣體積分?jǐn)?shù)大于2.4%時(shí)，與1.0%～1.7%油氣體積分?jǐn)?shù)相比在第Ⅱ階段所占比例大，而在第Ⅳ階段所占比例小。

(5)油氣爆炸過程中火焰和壓力波之間形成了強(qiáng)烈的耦合作用。火焰加速造成壓力上升，反射、折射的壓力波導(dǎo)致火焰陣面停滯和失穩(wěn)變形，壓力波反向傳播和火焰湍流增強(qiáng)產(chǎn)生Helmholtz振蕩。

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