半密閉空間油氣爆炸初期火焰特性研究*

歐益宏，李　潤，袁廣強，李國慶,王世茂

(陸軍勤務學院 油料系，重慶 401311)

0　引言

油料在生產(chǎn)、儲存和運輸過程中不可避免地揮發(fā)、泄漏形成油氣，一旦產(chǎn)生爆炸，將會嚴重破壞人員生命財產(chǎn)安全[1-3]。以往有學者針對油氣著火爆炸特性進行了研究，但是大部分的研究都是在密閉空間內(nèi)進行，杜揚、錢海兵、歐益宏等人[4-6]均對受限空間油氣著火爆炸初期模式進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)油氣著火爆炸初期模式主要有燃燒、爆炸和爆燃，其中，爆燃又可分為爆燃后持續(xù)燃燒和爆燃后窒息滅火；程順國、陳漢林、蔣新生等人[7-9]分別對受限空間油氣著火爆炸的壓力發(fā)展歷程進行了研究，結(jié)果表明，壓力發(fā)展呈現(xiàn)明顯的4個階段。但在日常生產(chǎn)、生活中，油氣并不總是聚集在密閉空間里，也可能聚集在管溝，泄壓管道，呼吸管路等半密閉空間里。油氣在這類半封閉空間內(nèi)發(fā)生爆炸之后，其爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ヌ匦院兔荛]空間有較大差異，針對半密閉空間著火燃燒爆炸，王世茂等[10]研究了局部開口空間內(nèi)外場火焰以及超壓特性，發(fā)現(xiàn)內(nèi)場有2個超壓峰值，而外場只有1個；歐益宏等[11]對置障條件下半密閉空間油氣著火爆炸進行了實驗以及數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)障礙物的存在會對火焰結(jié)構(gòu)以及超壓峰值產(chǎn)生一定影響。然而，研究者大多只針對火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑝悍逯档葦?shù)據(jù)的測量，對于油氣爆炸初期火焰形態(tài)，火焰特征與油氣體積分數(shù)的關系仍須進行更深入的研究?；诖耍疚膶Π朊荛]空間內(nèi)部不同油氣體積分數(shù)油氣著火爆炸初期火焰特性進行了研究，通過高速攝影等技術(shù)手段對爆炸過程中火焰形態(tài)進行了捕捉，并分析了不同油氣體積分數(shù)下爆炸初期火焰著火模式、傳播過程、火焰浮力穩(wěn)定性的變化規(guī)律，以期為該類空間爆炸事故防抑爆提供理論參考。

1　實驗系統(tǒng)與方法

1.1　實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要采用文獻[11]的實驗系統(tǒng)，容器由全透明有機玻璃制成，內(nèi)部無障礙物，為避免陽光對實驗圖像的干擾，實驗在暗室下進行。

圖1　實驗系統(tǒng)與容器結(jié)構(gòu)Fig.1　Experiment system and container structure

1.2　實驗方法

實驗容器截面尺寸為200 mm×200 mm，高200 mm,初始溫度為20℃，初始壓力為0.1 MPa，采用不同濃度的油氣進行實驗，每次實驗前對實驗系統(tǒng)進行校核，確保測量誤差合理。利用配氣系統(tǒng)進行配氣，同時用碳氫分析儀實時監(jiān)測油氣體積分數(shù)，當油氣體積分數(shù)達到要求時，停止配氣。接著啟動同步控制器，使點火系統(tǒng)(點火能量為1.6 J)、高速攝影儀(拍攝速率500幀/s)同步觸發(fā)，對火焰圖像進行采集。最后關閉實驗儀器，分析數(shù)據(jù)。

由已有研究可知，常規(guī)條件下油氣爆炸極限體積分數(shù)為0.9%～3.2%。因此，本文對體積分數(shù)范圍為1.0%～3.1%的油氣進行了著火爆炸試驗，步長為0.1%，共22組，同時對1.0%，1.7%，2.4%和3.1%共4種典型油氣體積分數(shù)的實驗現(xiàn)象進行分析，為確保實驗準確性，進行重復實驗3次,取數(shù)據(jù)平均值進行分析。

2　結(jié)果與討論

2.1　油氣體積分數(shù)對火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的影響

圖2為不同初始油氣體積分數(shù)火焰時序圖。由圖2可以看到，油氣體積分數(shù)為1.0%時，油氣被電火花點燃后火焰逐漸發(fā)展并產(chǎn)生浮力效應[12]，隨后形狀變成近似柱形向上傳播，直到最后火焰向容器底部發(fā)展，火焰陣面下緣逐漸變平，直至熄滅。油氣體積分數(shù)為1.7%和2.6%時，火焰均經(jīng)歷了由半球形到指尖型的轉(zhuǎn)變，并保持指尖形傳播至容器口，在燃燒過程中，火焰均出現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象，可分為燃燒核和火焰陣面[13]。油氣體積分數(shù)為3.1%時，火焰陣面初始為半球形，隨后受到浮力效應的影響，火焰向上漂移并變成球形，隨后火焰呈現(xiàn)不規(guī)則鋒面結(jié)構(gòu)直到火焰充滿整個容器。

隨著油氣體積分數(shù)的增加，油氣著火爆炸的顏色也出現(xiàn)淡藍色—深藍色—藍綠色—紅黃色的改變，同時，不同油氣體積分數(shù)的著火模式也有所不同，低油氣體積分數(shù)下(1.1%以下)，油氣著火模式為燃燒；高油氣體積分數(shù)下(2.6%至爆炸極限上限)，油氣著火模式為爆燃后持續(xù)燃燒；處于中間油氣體積分數(shù)(1.1%至2.6%)的著火模式則為爆炸。可以看到，低油氣體積分數(shù)下，氧氣含量充足，油氣含量相對較少，油氣著火反應后，火焰向四周傳播速度相同，因此火焰鋒面較為光滑，此時反應較為緩慢，著火模式為燃燒。高油氣體積分數(shù)條件下，氧氣含量嚴重不足，此時更容易發(fā)生析碳反應[14]：CmH2n→mC+nH2，反應不完全。同時，由于氧氣不足，未完全反應產(chǎn)生的高能活性基團迅速向四周擴散并與其他區(qū)域氧氣反應，形成紅黃色絮狀火焰。由于存在大量中間產(chǎn)物，破膜后與外界空氣接觸后持續(xù)反應，著火模式為爆燃后持續(xù)燃燒，處于中間油氣體積分數(shù)時，油氣體積分數(shù)在化學當量比[15]附近，反應劇烈，由于強湍流作用的影響火焰表面出現(xiàn)褶皺，此時著火模式為爆炸。

通過對著火爆炸總時間、火焰圖像的綜合分析，可以得到不同油氣體積分數(shù)下的著火模式[16]，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，不同油氣體積分數(shù)的著火模式有燃燒、爆炸和爆燃后持續(xù)燃燒3種。低油氣體積分數(shù)下(接近爆炸極限下限)，油氣著火模式為燃燒；高油氣體積分數(shù)下(接近爆炸極限上限)，油氣著火模式為爆燃后持續(xù)燃燒；處于中間油氣體積分數(shù)的著火模式是爆炸。其中燃燒和爆炸的分界在1.1%～1.2%之間；爆炸和爆燃后持續(xù)燃燒的分界在2.5%～2.6%之間。

2.2　油氣體積分數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

由不同時刻的縱向和橫向火焰陣面位置可以得到不同時刻的縱向和橫向火焰陣面速度Ut，計算公式為:

Ut=(xn+1-xn)/Δtn

(1)

式中：xn+1-xn為選取的2幅高速攝影照片中火焰陣面的距離差；Δtn為2幅照片的時間差，本文中取2 ms。計算結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)中得到，4種油氣體積分數(shù)縱向火焰陣面速度均先減小后上升。油氣體積分數(shù)為1.7%和2.4%的火焰陣面速度短時減小后立即上升。原因是油氣體積分數(shù)在化學當量比附近，點火初期縱向火焰陣面速度下降后，化學反應速率加快，燃燒產(chǎn)物膨脹，火焰面積迅速增大，導致縱向火焰陣面速度上升。隨后薄膜破裂，在內(nèi)外壓差和泄爆誘導流動的作用下，縱向火焰陣面速度進一步上升，直至傳播到容器口，形成射流火焰。油氣體積分數(shù)為1.0%和3.1%的火焰陣面速度減小后穩(wěn)定一段時間，然后再上升。原因是油氣體積分數(shù)在爆炸上下限附近，點火初期縱向火焰陣面速度下降后，油氣反應不完全，燃燒產(chǎn)物和釋放的熱量較少，熱量大部分散失給過量空氣或過量油氣，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，縱向火焰陣面速度小于1 m/s。170 ms后薄膜破裂，在內(nèi)外壓差和泄爆誘導流動作用下，縱向火焰陣面速度上升。破膜前不同油氣體積分數(shù)的縱向火焰陣面速度差別很大，油氣體積分數(shù)為1.7%的最大縱向火焰陣面速度為11.67 m/s，是油氣體積分數(shù)為1.0%的最大縱向火焰陣面速度的2.85倍。

從圖3(b)中得出，4種油氣體積分數(shù)橫向火焰陣面速度均先降低后趨于穩(wěn)定。原因是橫向火焰陣面速度開始下降后，由于側(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。不同油氣體積分數(shù)的橫向火焰陣面速度差別很大，油氣濃度2.4%的最大橫向火焰陣面速度為6.59 m/s，是油氣體積分數(shù)1.0%的最大橫向火焰陣面速度的8.04倍。

結(jié)合圖3(a)和圖3(b)可以得到，相同時間相同油氣體積分數(shù)縱向火焰陣面速度要大于橫向火焰陣面速度，并且隨著油氣體積分數(shù)增大，火焰陣面速度先變大后變小。油氣體積分數(shù)Φ分別為1.0%，1.7%，2.4%和3.1%時，其對應的最大縱向火焰陣面速度分別是最大橫向火焰陣面速度的4.99倍、2.83倍、1.74倍和2.73倍。

2.3　油氣體積分數(shù)對火焰浮力穩(wěn)定性的影響

浮力不穩(wěn)定作用機制如圖4所示?；鹧嫒紵龝r，由于火焰面附近溫度迅速上升而產(chǎn)生溫度梯度，進而形成密度梯度，從而產(chǎn)生浮力效應。在浮力的影響下，密度小的已燃氣體會向密度大的未燃氣體漂移。浮力對火焰的影響主要體現(xiàn)在2個方面，一方面在浮力的作用下燃燒產(chǎn)物膨脹會導致預混氣體流線向外偏折；另一方面，由于浮力而引起的反應產(chǎn)物上升對火焰各部分拉伸率的影響不一樣，進而對火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷骜薨櫘a(chǎn)生影響。當火焰?zhèn)鞑ニ俣群苄r，有時間來響應浮力的作用。可燃氣體的著火爆炸過程中，始終存在浮力的影響，只是火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大時，浮力不穩(wěn)定性可以忽略不計。當在爆炸上下限附近點火時，由于反應不充分，燃燒產(chǎn)物和釋放的熱量較少，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿?，浮力對火焰?zhèn)鞑サ挠绊戯@著。

圖4　浮力不穩(wěn)定示意Fig.4　Schematic diagram of buoyancy instability

浮力對火焰的影響可以用弗勞德數(shù)表示，弗勞德數(shù)是表征慣性力與重力的無量綱數(shù)，當弗勞德數(shù)小于1時，浮力對火焰的影響顯著；當弗勞德數(shù)大于1時，浮力對火焰的影響微弱，弗勞德數(shù)Fr計算公式為：

(2)

式中：v為火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣龋琺/s；g為重力加速度，m/s2；L為容器特征長度，m，此處為容器縱截面的邊長，本文L值為0.2 m。

根據(jù)公式(2)和不同油氣體積分數(shù)在不同時刻的縱向火焰陣面速度，可以得到不同油氣體積分數(shù)在不同時刻的Fr數(shù)，探討不同油氣體積分數(shù)下浮力對火焰穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同油氣體積分數(shù)下的Fr數(shù)Fig.5　The Fr numbers of different gasoline-air volume fractions

由圖5可知，不同油氣體積分數(shù)的Fr數(shù)均先減小后增大，原因是不同油氣體積分數(shù)的縱向火焰速度先減小后上升。開始時，高壓電火花將能量快速傳遞給油氣，使油氣速度短時增大，導致Fr數(shù)較高。由于電火花持續(xù)時間短，能量傳遞有限，火焰速度快速下降，導致Fr數(shù)迅速減小。隨后不同油氣體積分數(shù)的Fr數(shù)變化明顯不同，說明浮力對不同油氣體積分數(shù)火焰穩(wěn)定性的影響不同。油氣體積分數(shù)為1.0%和3.1%時，在破膜前的縱向火焰速度小于1.4 m/s，火焰?zhèn)鞑ゾ徛?，F(xiàn)r數(shù)均小于1，此時火焰陣面的穩(wěn)定性主要受浮力的影響。油氣體積分數(shù)為1.7%和2.4%時，在破膜前的縱向火焰速度較大，火焰速度快速上升，F(xiàn)r數(shù)大于1并且呈指數(shù)增長，最大值分別為69.37和67.12，此時火焰陣面的穩(wěn)定性受浮力影響較小，可以忽略不計。

結(jié)合火焰圖像、著火模式和Fr數(shù)可知，低于油氣化學當量比很大時的著火模式為燃燒，高于油氣化學當量比很大時的著火模式為爆燃后持續(xù)燃燒。這兩種著火模式處于大幅度貧燃或富燃情況下，火焰上部向上飄起，火焰下部保持停滯甚至向內(nèi)凹進而形成郁金香形火焰結(jié)構(gòu)。同時燃燒產(chǎn)物和釋放的熱量較少，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，F(xiàn)r數(shù)小，火焰陣面穩(wěn)定性受浮力影響顯著。因此當油氣體積分數(shù)小于等于1.1% 或大于等于2.6%時，火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性主要受浮力的影響。

當油氣體積分數(shù)得值在1.1%～2.6%范圍時，F(xiàn)r數(shù)較大，慣性力對火焰?zhèn)鞑テ鹬鲗ё饔?，則可以忽略浮力對火焰穩(wěn)定性的影響。

3　結(jié)論

1)隨著油氣體積分數(shù)的增加，油氣著火爆炸的顏色出現(xiàn)淡藍色—深藍色—藍綠色—紅黃色的改變，同時油氣體積分數(shù)是決定著火模式的關鍵因素，油氣體積分數(shù)小于等于1.1% 時，著火模式為燃燒；油氣體積分數(shù)大于等于2.6%時，著火模式為爆燃后持續(xù)燃燒；油氣體積分數(shù)在1.1% 和 2.6%之間時，著火模式為爆炸。

2)不同著火模式的火焰?zhèn)鞑ミ^程差異顯著，著火模式為爆炸的火焰具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，可分為燃燒核和火焰陣面，著火模式為燃燒和爆燃后持續(xù)燃燒的火焰沒有明顯的分區(qū)現(xiàn)象。從反應總時間來看，爆炸時間最短，燃燒次之，爆燃后持續(xù)燃燒最長。

3)同一時刻，隨著油氣體積分數(shù)的增加，縱向和橫向火焰陣面位置先變大后變小，縱向和橫向火焰陣面速度也先變大后變小，越靠近化學當量比，縱向和橫向火焰陣面速度越大。同一油氣體積分數(shù)，縱向火焰陣面速度先減小后上升，橫向焰陣面速度先降低后趨于穩(wěn)定。

4)油氣體積分數(shù)小于等于1.1% 或大于等于2.6%時，火焰穩(wěn)定性主要受浮力影響。油氣體積分數(shù)在1.1% 和 2.6%之間時，火焰定性則不受浮力影響。

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