預(yù)點(diǎn)火湍流對(duì)正戊烷云霧爆炸參數(shù)的影響*

劉雪嶺，張 奇

（1. 貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

近年來(lái)，云霧爆炸科學(xué)主要集中于云爆彈（FAE）的研究，如起爆能量[1]、爆燃轉(zhuǎn)爆轟[2]及爆轟波結(jié)構(gòu)[3-7]等。然而在目前工業(yè)生產(chǎn)及生活領(lǐng)域，危險(xiǎn)性液體意外泄漏、噴濺形成的云霧，也會(huì)產(chǎn)生危害嚴(yán)重的爆炸。云霧形成機(jī)理及其災(zāi)害效應(yīng)日益得到人們的關(guān)注。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS EN 60079-10-1中包含一個(gè)新的附加內(nèi)容，它提供了一些云霧燃爆危險(xiǎn)性的定性指導(dǎo)意見(jiàn)和少量的定量方法。英國(guó)能源研究所執(zhí)業(yè)守則也指出：“當(dāng)前，還沒(méi)有云霧形成機(jī)理的完整認(rèn)知及其相關(guān)危險(xiǎn)領(lǐng)域分級(jí)方法，這一切還需要更進(jìn)一步的研究”[8]。Zabetakis[9]、Burgoyne等[10]和Faeth等[11]通過(guò)對(duì)四氫化萘云霧燃爆實(shí)驗(yàn)研究得到液滴粒徑大小和液滴間距對(duì)云霧爆炸極限的影響規(guī)律。Williams[12]預(yù)測(cè)云霧粒徑在5～15 μm范圍內(nèi)，存在一個(gè)“轉(zhuǎn)變區(qū)域”（transition range），并指出在該區(qū)域云霧爆炸強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)激增現(xiàn)象，但至今云霧的“轉(zhuǎn)變區(qū)域”預(yù)測(cè)還未真正的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。上述研究成果多數(shù)以云霧液相作為主要研究對(duì)象，但云霧中液滴的蒸發(fā)，會(huì)使其云霧呈氣、液兩相共存的狀態(tài)。王悅等[13-14]和Liu等[15-18]基于云霧液滴大小、氣液兩相濃度等多種耦合影響因素，研究得出云霧爆炸極限、超壓、溫度及最小點(diǎn)火能等特征參數(shù)的變化規(guī)律。

當(dāng)前學(xué)術(shù)界關(guān)于預(yù)點(diǎn)火湍流強(qiáng)度對(duì)氣體和粉塵爆炸參數(shù)的顯著影響已得到共識(shí)[19-23]，然而關(guān)于預(yù)點(diǎn)火湍流強(qiáng)度下云霧爆炸影響規(guī)律研究報(bào)道很少。對(duì)于普遍存在的氣動(dòng)壓力方式所形成的云霧過(guò)程中，除涉及云霧均勻性、粒徑分布、氣液兩相濃度等自身物理特性的瞬態(tài)多變性外，湍流場(chǎng)作為云霧環(huán)境不可避免存在的外部因素，也加速了云霧物理化學(xué)特性的變化，會(huì)對(duì)云霧爆炸參數(shù)產(chǎn)生重大影響。云霧爆炸力學(xué)特征的系統(tǒng)性研究，對(duì)云霧危險(xiǎn)區(qū)域的劃分、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的制定，預(yù)防及減少云霧爆炸災(zāi)害技術(shù)措施等方面，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文中以正戊烷云霧作為研究對(duì)象，進(jìn)行預(yù)點(diǎn)火湍流對(duì)云霧爆炸參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而建立云霧爆炸參數(shù)與湍流相關(guān)性模型。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 概述

云霧湍流、濃度、粒徑測(cè)量裝置，由20 L圓柱形長(zhǎng)徑比1∶1透明有機(jī)玻璃罐體、對(duì)稱(chēng)安裝的兩套氣動(dòng)噴霧分散裝置、觸發(fā)控制系統(tǒng)等組成，并分別應(yīng)用自行研發(fā)的瞬態(tài)云霧濃度與粒徑測(cè)量系統(tǒng)[15]和云霧湍流測(cè)量系統(tǒng)[23]進(jìn)行測(cè)定。其中，瞬態(tài)濃度與粒徑測(cè)量系統(tǒng)包括：多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元與光照度傳感器、接收信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)（光學(xué)粒徑及濃度檢測(cè)系統(tǒng)軟件）共同構(gòu)成，如圖1所示；云霧湍流測(cè)量系統(tǒng)包括：激光片光發(fā)生器、高速攝像系統(tǒng)、同步觸發(fā)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與分析系統(tǒng)，如圖2所示。云霧爆炸參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由20 L圓柱形長(zhǎng)徑比1∶1鑄鐵罐體、氣動(dòng)噴霧分散裝置、觸發(fā)控制系統(tǒng)、連續(xù)可調(diào)火花放電點(diǎn)火系統(tǒng)、高速壓力溫度數(shù)據(jù)采集處理儲(chǔ)存系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

對(duì)于國(guó)際20 L標(biāo)準(zhǔn)裝置，噴頭一般設(shè)置于罐體底部，考慮了分散的均勻性而相對(duì)弱化了湍流強(qiáng)度。自行研發(fā)的云霧分散系統(tǒng)在圓柱形罐體上對(duì)稱(chēng)安裝2套氣動(dòng)分散裝置，并安裝改進(jìn)的專(zhuān)用噴頭，如圖4所示。開(kāi)孔方式：首先在軸向0～45°內(nèi)進(jìn)行開(kāi)孔，然后在圓柱形罐體的徑向進(jìn)行拓展開(kāi)孔（單個(gè)方向開(kāi)口角度在60°以?xún)?nèi)）。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，這樣即可避免大量液滴直接噴到桶壁發(fā)生損耗問(wèn)題，又能滿(mǎn)足圓柱罐體快速分散均勻性要求。

圖1 瞬態(tài)濃度與粒徑測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 1 The measurement system on mists concentration and

圖2 云霧湍流測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 2 The measurement system of turbulence

圖3 云霧爆炸參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram on mists explosion parameters

圖4 圓柱型罐噴頭示意圖Fig. 4 Schematic diagram of nozzle

1.2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

正戊烷噴霧計(jì)量濃度為500 g/m3，分別以0.4、0.6和0.8 MPa的氣動(dòng)壓力進(jìn)行噴霧，噴霧時(shí)長(zhǎng)為50 ms。首先進(jìn)行瞬態(tài)云霧濃度與粒徑測(cè)量和云霧湍流強(qiáng)度測(cè)量。隨后在云霧爆炸參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行正戊烷爆炸及火焰?zhèn)鞑ニ俾实膶?shí)驗(yàn)測(cè)定。

圖5給出了正戊烷濃度隨時(shí)間變化的測(cè)試結(jié)果。以0.4、0.6和0.8 MPa氣動(dòng)壓力進(jìn)行噴霧，在100、150、200和250 ms時(shí)刻，云霧濃度（含氣相和液相）的平均值為452 g/m3，濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.81%以?xún)?nèi)。如圖6所示，在100～250 ms內(nèi)，以0.4、0.6和0.8 MPa氣動(dòng)噴霧的平均特征直徑（Sauter mean diameter，SMD，D32）分別為21.21、14.51和8.64 μm。在100～250 ms內(nèi)，正戊烷云霧湍流強(qiáng)度及云霧濃度粒徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

圖5 正戊烷云霧濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig. 5 The concentrations of n-pentane vs. time

圖6 正戊烷云霧平均特征直徑（D32）隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig. 6 SMDs (D32) of n-pentane vs. time

正戊烷云霧爆炸實(shí)驗(yàn)中，溫度為21 ℃，濕度為25%，環(huán)境壓力為0.1 MPa。點(diǎn)火位置和傳感器位置見(jiàn)圖4。點(diǎn)火方式采用點(diǎn)擊一次性放電點(diǎn)火，放電電極間距為1.5 mm，點(diǎn)火能量為41.52 J。預(yù)點(diǎn)火時(shí)間（pre-ignition time，PIT）指氣動(dòng)噴霧啟動(dòng)時(shí)刻到點(diǎn)火觸發(fā)時(shí)刻的時(shí)長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)中，預(yù)點(diǎn)火時(shí)間定為100、150、200和 250 ms。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)點(diǎn)火湍流特性

湍流場(chǎng)基本特征一般分為強(qiáng)對(duì)流湍流場(chǎng)和零平均速率湍流場(chǎng)。強(qiáng)對(duì)流湍流場(chǎng)一般具有相對(duì)較大的平均湍流速率，而其湍流強(qiáng)度與雷諾數(shù)緊密相關(guān)；零平均速率湍流場(chǎng)又稱(chēng)為各向同性湍流，即各向平均湍流速率接近為零，其湍流強(qiáng)度變化主要由湍流均方根速度（vrms）的變化所主導(dǎo)。對(duì)于圓柱形罐體對(duì)稱(chēng)式雙噴頭分散系統(tǒng)，流場(chǎng)特征與零平均速率湍流場(chǎng)具有相似性。以0.4 MPa氣動(dòng)噴霧情形為例，如圖7所示，在50 ms時(shí)長(zhǎng)的噴霧過(guò)程中，湍流強(qiáng)度（）由400上升至500后，100 ms后迅速衰減至100以下，并隨時(shí)間逐級(jí)衰弱。因此，可以判斷當(dāng)前所研究的圓柱形罐體流場(chǎng)環(huán)境，可近似認(rèn)定為零平均速率湍流場(chǎng)。

表1 正戊烷云霧湍流強(qiáng)度及濃度粒徑實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Experiment results of turbulence intensity and concentration

湍流場(chǎng)由大量流體旋渦構(gòu)成，每個(gè)旋渦可視為一個(gè)宏觀的流體微團(tuán)。如圖8所示，其中上圖為湍流速率云圖，下圖為流場(chǎng)矢量分布特征，vmax為最大流場(chǎng)速度。對(duì)于湍流來(lái)說(shuō)，雷諾數(shù)越大，說(shuō)明最小旋渦與最大旋渦尺寸差別越大。因此引入湍流雷諾數(shù)及三種湍流尺度：湍流積分尺度（Turbulence integral scale）、泰勒（Taylor）微尺度、柯?tīng)柲缏宸颍↘olmogorov）微尺度[24]。

其中

圖7 氣動(dòng)壓力為0.4 MPa時(shí)湍流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig. 7 Turbulence intensity vs. time at pneumatic pressure of 0.4 MPa

圖8 噴霧壓力為0.4 MPa時(shí)片光2處罐內(nèi)湍流分布Fig. 8 Turbulence intensity distribution at pneumatic pressure of 0.4 MPa at location 2

式中：ek為單位質(zhì)量動(dòng)能?？?tīng)柲缏宸颍↘olmogorov）微尺度有2種物理描述：（1）表示整個(gè)湍流中最小渦流或渦線(xiàn)的厚度；（2）表示流動(dòng)中嵌入的渦流層厚度[25]。

在所有湍流雷諾數(shù)中，特征速度都是速率均方根vrms，故湍流最大湍流尺度（積分尺度）的雷諾數(shù)和最小湍流尺度（柯?tīng)柲缏宸蛭⒊叨龋┑睦字Z數(shù)分別為

兩種尺度的關(guān)系為

實(shí)驗(yàn)測(cè)得氣動(dòng)噴霧壓力為0.4 MPa時(shí)，圓柱形罐體高度1/2位置（圖7位置光片2處）100～250 ms時(shí)間范圍測(cè)得平均湍流積分尺度為48～72 mm。在已知湍流均方根速度vrms條件下（20 ℃空氣的運(yùn)動(dòng)粘度=17.9×10-6Pa·s），可推算湍流最大湍流尺度（積分尺度）的雷諾數(shù)為8 000～15 000。表2給出了不同氣動(dòng)分散作用下湍流積分尺度與相應(yīng)的雷諾數(shù)?？捎墒剑?）推算得出：在100～250 ms內(nèi)，氣動(dòng)噴霧壓力為0.4～0.8 MPa時(shí)，在0.03～0.1 mm范圍內(nèi)。

表2 不同氣動(dòng)噴霧壓力下湍流積分尺度及雷諾數(shù)Table 2 Average turbulence integral scale and Reynolds numbers at different dispersing air pressures

2.2 湍流對(duì)正戊烷云霧蒸發(fā)速率的影響規(guī)律

在云霧中液滴的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程及相互作用下，氣、液相濃度隨時(shí)間不斷變化（如圖5所示）。由云霧中氣相濃度隨時(shí)間的變化可以得到不同時(shí)刻的云霧蒸發(fā)速率：

圖9 湍流均方根速度vrms與蒸發(fā)速率V（t）的關(guān)系Fig. 9 Relation between root-mean-square velocities (vrms)and evaporation rate (V(t))

粒徑和湍流對(duì)正戊烷云霧蒸發(fā)速率V（t）的影響如圖9所示?？梢钥闯?，vrms增加均能明顯增加V（t）；對(duì)于較小的液滴群，隨湍流強(qiáng)度的增加，液滴群的蒸發(fā)速率有更為明顯的提升。V（t）和vrms的關(guān)系可表示如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)：A=(3+D32)/0.085, B=6ln(23.5-D32/0.3)。

2.3 湍流對(duì)正戊烷云霧爆炸參數(shù)的影響規(guī)律

圖10～11給出了不同湍流均方根速度條件下正戊烷云霧最大超壓峰值pmax和最大爆炸壓力上升速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯?/p>

（1） pmax與均隨著 vrms呈線(xiàn)性增大，pmax與vrms之間滿(mǎn)足

（2） 隨著 vrms的增加，D32=14.51 或 2 1.21 μm 時(shí) ，pmax與增加趨勢(shì)一致，而 D32=8.64 μm 時(shí) ，pmax與增長(zhǎng)趨勢(shì)更為明顯。實(shí)驗(yàn)表明不同的預(yù)點(diǎn)火湍流強(qiáng)度條件下，爆炸參數(shù)對(duì)D32的敏感度與D32大小范圍密切相關(guān)，D32在一定范圍內(nèi)對(duì)pmax和影響顯著。

（3） 為了與正戊烷純氣相爆炸參數(shù)對(duì)比，在罐體恒溫45℃條件下，對(duì)500 g/m3的正戊烷云霧進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)（氣動(dòng)噴霧壓力為0.8 MPa）。經(jīng)檢測(cè)，D32＜1 μm，即云霧接近純氣相的正戊烷/空氣混合物。圖12給出了在湍流強(qiáng)度約為4 m/s條件下，正戊烷純氣相和不同粒徑云霧爆炸參數(shù)結(jié)果。相同湍流強(qiáng)度下及濃度下，存在著使正戊烷云霧爆炸強(qiáng)度顯著增大的平均粒徑（D32≈8.64 μm）。Williams[12]和Polymeropoulos[26]曾預(yù)測(cè)，當(dāng)5 μm＜D32＜15 μm時(shí)，云霧爆炸強(qiáng)度及燃燒速率顯著增大，這個(gè)范圍即“轉(zhuǎn)變區(qū)域”（transition range），與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖10 湍流均方根速度（vrms）與超壓峰值（pmax）的關(guān)系Fig. 10 Relationship between root-mean-square velocities(vrms) and maximum overpressure (pmax)

圖11 湍流均方根速度（vrms）與最大超壓上升速率（）的關(guān)系Fig. 11 Relationship between root-mean-square velocities (vrms)and maximum increasing rate of overpressure ()

圖12 不同粒徑正戊烷云霧爆炸超壓（vrms）及最大壓力上升速率（）對(duì)比（vrms=4 m/s)Fig. 12 Comparison of root-mean-square velocities (vrms) and maximum increasing rate of overpressures () at different particle size (vrms=4 m/s)

2.4 湍流對(duì)云霧爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

云霧爆炸火焰?zhèn)鞑サ奈锢磉^(guò)程主要包括點(diǎn)火、火焰?zhèn)鞑パ舆t、火焰加速傳播及火焰消亡（超壓上升及壓力衰減）等階段。圖13給出了云霧爆炸實(shí)驗(yàn)得到的典型爆炸超壓歷程，其中云霧爆炸火焰?zhèn)鞑パ舆t是云霧爆炸過(guò)程中一個(gè)典型的特征。如圖14所示，點(diǎn)火延遲時(shí)間為150 ms條件下，正戊烷云霧的火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間t*≈57 ms。這是由火核熱擴(kuò)散導(dǎo)致的云霧氣相暗燃、液滴預(yù)熱蒸發(fā)及多點(diǎn)預(yù)燃，并最終形成云霧擴(kuò)散燃燒的一系列傳質(zhì)傳熱過(guò)程導(dǎo)致的。

湍流均方根速度對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間的影響趨勢(shì)如圖15所示。湍流均方根速度vrms在1～6.2 m/s范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間隨湍流強(qiáng)度呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)；其增長(zhǎng)趨勢(shì)可分為2個(gè)階段：火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間的低增長(zhǎng)階段，vrms處于1～4 m/s；火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間的高增長(zhǎng)階段，vrms處于4～6.2 m/s。火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間在其相應(yīng)的兩個(gè)湍流范圍內(nèi)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。分析可知，vrms的增加，加速了云霧液滴群的整體蒸發(fā)速率，即增加了云霧場(chǎng)內(nèi)的吸熱效應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)物放熱及熱擴(kuò)散速度及效率降低。

圖13 云霧爆炸過(guò)程典型的超壓歷程Fig. 13 Aerosols explosion process

圖14 正戊烷云霧爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程Fig. 14 Flame propagation process on n-pentane/air aerosols

圖15 湍流均方根速度（t*）與火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間（vrms）的關(guān)系Fig. 15 Flame propagation delay time (t*) vs. root-mean-square velocities (vrms)

正戊烷云霧火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間t*與湍流強(qiáng)度vrms數(shù)學(xué)模型可由下式表示：

3 結(jié) 論

以正戊烷云霧為對(duì)象，研究了預(yù)點(diǎn)火湍流強(qiáng)度對(duì)云霧爆炸參數(shù)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)于圓柱形罐體對(duì)稱(chēng)式的雙噴頭分散系統(tǒng)，流場(chǎng)特征與零平均速率湍流場(chǎng)具有相似性，即流場(chǎng)環(huán)境可近似認(rèn)定為零平均速率湍流場(chǎng)。在氣動(dòng)噴霧壓力為0.4、0.6和0.8 MPa，噴霧時(shí)長(zhǎng)為50 ms時(shí)，在100～250 ms內(nèi)，湍流均方根速度vrms處于1.0～6.2 m/s，平均湍流積分尺度處于48～72 mm，湍流最大湍流尺度的雷諾數(shù)處于8 000～15 000范圍內(nèi)，柯?tīng)柲缏宸蛭⒊叨忍幱?.03～0.1 mm。

（2）無(wú)論粒徑大小，湍流強(qiáng)度的增加，能明顯增加云霧蒸發(fā)速率；對(duì)于較小的液滴群，隨湍流強(qiáng)度的增加，液滴群的蒸發(fā)速率有更為明顯的提升，云霧蒸發(fā)速率和湍流強(qiáng)度具有數(shù)學(xué)模型關(guān)系。

（3） 正戊烷云霧爆炸超壓峰值與最大壓力上升速率均隨著湍流強(qiáng)度呈線(xiàn)性增加。隨著湍流強(qiáng)度的增加，云霧平均特征粒徑為14.51和21.21 μm時(shí)，超壓峰值與最大壓力上升速率增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，而平均特征粒徑為8.64 μm時(shí)，超壓峰值與最大壓力上升速率增長(zhǎng)趨勢(shì)更為顯著。

（4）在相同湍流強(qiáng)度環(huán)境下，平均粒徑為8.64 μm時(shí)的正戊烷云霧爆炸強(qiáng)度發(fā)生顯著提升現(xiàn)象，即實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證存在云霧爆炸的“轉(zhuǎn)變區(qū)域”（transition range）。

（5）對(duì)于正戊烷SMDs在8～22 μm范圍內(nèi)，湍流對(duì)火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間影響趨勢(shì)相近；湍流均方根速度處于1.0～4.0 m·s-1時(shí)為火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間的低增長(zhǎng)階段，處于4.0～6.2 m/s時(shí)為火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間的高增長(zhǎng)階段，湍流強(qiáng)度與火焰?zhèn)鞑パ舆t時(shí)間在其相應(yīng)的兩個(gè)湍流強(qiáng)度階段范圍內(nèi)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。但值得注意的是高湍流均方根速率條件下，雖然增加火焰?zhèn)鞑パ舆t階段的時(shí)間，但隨后的火焰加速傳播階段（即超壓上升階段）加速顯著，時(shí)間縮短。