封閉管道油氣爆炸超壓及火焰?zhèn)鞑ヌ匦?

蔡運(yùn)雄，杜 揚(yáng)，王世茂，劉 沖，胡文超，張 霖

(陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶 401311)

0 引言

汽油是重要的動力燃料，其易燃易爆和易揮發(fā)的特性給安全生產(chǎn)造成較大威脅。通常，局部空間內(nèi)汽油蒸氣與空氣混合形成的可燃?xì)怏w，其濃度在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到合適能量的點(diǎn)火源時(shí)，便可能發(fā)生爆炸。

近些年，研究者們主要就氫氣[1]、甲烷[2]、正丁烷[3]、氫氣與一氧化碳的混合物[4]等可燃?xì)怏w在不同初始條件下的燃燒特性進(jìn)行了研究。研究重點(diǎn)主要為反應(yīng)機(jī)理、爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘萚5-10]。雖然油氣與其他可燃?xì)怏w在燃燒過程、反應(yīng)機(jī)理等方面有許多相似之處，但其成分更加復(fù)雜，因此油氣與氫氣、甲烷等單一可燃?xì)怏w相比，燃燒特性具有一定差異性。杜揚(yáng)等[11]對含弱約束端面的管道內(nèi)油氣爆炸特性進(jìn)行了研究，分析了爆炸超壓規(guī)律和火焰發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了弱約束端面對爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑鰪?qiáng)作用；吳松林等[12]研究了不同點(diǎn)火方式對受限空間中油氣的爆燃規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)其火焰結(jié)構(gòu)和顏色存在不同，并分析了超壓曲線的典型特征；Qi等[13]研究了油氣在端部開口管道中的爆炸火焰行為，并分析了火焰結(jié)構(gòu)及形成原因。

目前，關(guān)于可燃?xì)怏w的研究多以氫氣、甲烷等單一成分氣體為主，關(guān)于油氣的研究多以總結(jié)超壓規(guī)律和火焰表觀特征為主，對于其反應(yīng)機(jī)理、火焰行為的研究解釋有待深入。本文針對封閉短管道內(nèi)油氣的爆炸特性進(jìn)行研究，獲得其爆炸超壓數(shù)據(jù)和火焰行為圖像，并分析相應(yīng)的機(jī)理，為研究油氣防爆抑爆提供參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)管道、配氣及循環(huán)系統(tǒng)、油氣體積濃度測試儀、高能無干擾點(diǎn)火器、動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步觸發(fā)控制器、高速攝影儀和計(jì)算機(jī)等組成，具體如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所用管道內(nèi)截面面積為100 mm×100 mm，長度為1 000 mm，材質(zhì)為透明亞克力材料，兩端封閉。數(shù)據(jù)采集使用東華測試公司研制的動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用壓力傳感器采集油氣爆燃超壓信號，并通過瞬態(tài)信號測試分析軟件將信號處理為超壓數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

實(shí)驗(yàn)中，首先用配氣及循環(huán)系統(tǒng)向短管道內(nèi)充入油氣，并且使其分布均勻，油氣體積濃度測試儀實(shí)時(shí)測試管內(nèi)油氣濃度，當(dāng)油氣濃度達(dá)到設(shè)定值并且參數(shù)在30 s內(nèi)保持不變時(shí)，開始下一步。然后，用高能無干擾點(diǎn)火器點(diǎn)燃油氣，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集超壓數(shù)據(jù)，高速攝影儀拍攝油氣爆燃時(shí)的火焰畫面。其中，點(diǎn)火器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和攝影儀的同步啟動由同步觸發(fā)控制器控制。實(shí)驗(yàn)初始溫度為293 K，初始壓力為101 kPa，點(diǎn)火能量為2.5 J，燃料為93#汽油，為研究不同油氣濃度下的爆炸特性，管道內(nèi)的初始油氣體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0.86%，1.08%，1.21%，1.38%，1.73%，1.90%，2.15%和2.65%，共8種不同工況，為保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，每種工況的實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)5次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爆炸超壓及分析

爆炸超壓數(shù)值是重要的油氣爆炸特征參數(shù)，超壓數(shù)值的變化規(guī)律可以反映出爆炸的發(fā)展過程，8種不同濃度油氣的爆炸超壓隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，不同初始體積分?jǐn)?shù)的油氣爆炸超壓時(shí)序曲線呈現(xiàn)出較大的差異性，無論是最大超壓峰值還是出現(xiàn)超壓峰值的時(shí)刻都不相同，但總體看來，超壓都是先上升后下降。以初始體積分?jǐn)?shù)為1.73%的油氣爆炸超壓時(shí)序曲線為例進(jìn)行深入分析，結(jié)果如圖3所示。圖3展示了爆炸超壓隨時(shí)間變化曲線及關(guān)鍵時(shí)刻的火焰形態(tài)，可將超壓發(fā)展過程大致分為3個(gè)階段，第1次超壓上升階段(0～46 ms)、第2次超壓上升階段(46～213 ms)和超壓下降階段(>213 ms)。

圖2 不同濃度油氣爆炸超壓隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Change curves of explosion overpressure with time under different concentrations of gasoline-air

圖3 1.73%濃度油氣爆炸超壓隨時(shí)間變化Fig.3 Change of explosion overpressure with time at concentration of 1.73%

在第1次超壓上升階段，油氣被點(diǎn)燃后，火焰開始向四周擴(kuò)散，剛開始參與反應(yīng)的油氣成分和氧氣相對較少，因此初始階段的超壓曲線上升趨勢不大。但此時(shí)燃燒生成的熱量促使高碳組分分解為低碳組分，可燃?xì)怏w混合物各分子之間相互碰撞，產(chǎn)生許多激發(fā)態(tài)基團(tuán)，圍繞在火焰鋒面的周圍，這些基團(tuán)接下來會迅速參與反應(yīng)，于是火焰面積增大，燃燒變得激烈，超壓上升趨勢變快，直到第1次超壓上升階段結(jié)束，超壓上升趨勢始終處于加快狀態(tài)。1.73%濃度油氣爆炸超壓第1次超壓上升階段結(jié)束時(shí)刻為33 ms。在第1次超壓上升階段，超壓上升趨勢一直在變快，之后，超壓上升趨勢會先變慢再變快，即第2次超壓上升階段。結(jié)合圖3可以看出，在第1階段結(jié)束前，燃燒越來越激烈，在點(diǎn)火器發(fā)出電火花之后的18 ms內(nèi)，火焰由一點(diǎn)向四周均勻發(fā)展成球狀。但由于實(shí)驗(yàn)容器是狹長式管道，徑向尺寸小于軸向尺寸，在18 ms以后，火焰在管道徑向的發(fā)展受到限制。在18～33 ms，火焰與管道壁面的接觸面積不斷增大。管道壁面溫度低于火焰溫度，會有導(dǎo)熱現(xiàn)象發(fā)生，所以存在能量損失。一方面，燃燒越來越激烈，火焰面積越來越大，促進(jìn)超壓上升趨勢變快，另一方面，徑向火焰發(fā)展受限，能量損失增加，促使超壓上升趨勢變慢，當(dāng)兩者效果抵消時(shí)，就會在超壓時(shí)序曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)。

在第2次超壓上升階段，超壓上升趨勢先變慢后變快再變慢，直到超壓達(dá)到最大值。開始時(shí)由于火焰與壁面接觸面積不斷增大，超壓上升趨勢變慢，由此導(dǎo)致的能量損失越來越多，而且火焰的徑向發(fā)展受限，兩者帶來的影響相對較大， 所以超壓上升趨勢會變慢，甚至當(dāng)初始油氣濃度為0.86%時(shí)，在油氣被點(diǎn)燃后的221～357 ms出現(xiàn)了壓力下降的情況，這是因?yàn)槟芰康暮纳⒋笥卺尫?，油氣燃燒產(chǎn)生的增壓效果較弱，所以出現(xiàn)壓力下降情況。接著，超壓上升趨勢變快，因?yàn)樵谶@段時(shí)間里，燃燒越來越激烈，帶來的增壓效果越來越強(qiáng)，而徑向火焰發(fā)展受限和壁面導(dǎo)熱帶來的影響逐漸減弱，所以超壓上升趨勢變快。隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，管道內(nèi)油氣成分和氧氣逐漸被消耗，在超壓達(dá)到最大值之前，燃燒的激烈程度已經(jīng)開始減弱，所以超壓上升趨勢會變慢。對于不同初始濃度的油氣，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為1.73%時(shí)，管道內(nèi)的最大超壓峰值最大，而且達(dá)到最大超壓峰值所用的時(shí)間最短。而初始濃度為1.73%和1.90%的2種油氣，在超壓上升階段各個(gè)時(shí)刻的超壓變化趨勢比較接近，超壓數(shù)值也比較接近。

在超壓下降階段，管道內(nèi)油氣成分和氧氣進(jìn)一步被消耗，火焰逐漸潰散熄滅，此時(shí)的燃燒反應(yīng)速率和能量釋放速率已經(jīng)變得很低，而且存在著管道壁面導(dǎo)熱的現(xiàn)象，所以超壓呈現(xiàn)下降趨勢。

從圖2可以看出，隨著初始油氣濃度的增加，當(dāng)初始油氣濃度為1.90%，2.15%和2.65%時(shí)，分別在168～303 ms，182～330 ms和566～772 ms出現(xiàn)了明顯的壓力振蕩現(xiàn)象。說明密閉管道內(nèi)的油氣爆炸，當(dāng)初始濃度較大時(shí)，會在最大超壓峰值附近產(chǎn)生壓力振蕩。部分學(xué)者給出的解釋是，爆炸產(chǎn)生的壓力波在管道內(nèi)產(chǎn)生折射和反射，并且與火焰鋒面相互耦合，促使流場湍流度增加，共同促進(jìn)了壓力振蕩，并且使得最大超壓峰值增大[14-15]。

到目前，不同的學(xué)者對于最大超壓峰值的研究比較多，但關(guān)于爆炸發(fā)生初始階段的研究相對較少，下面著重分析第1次超壓上升階段。表1所示為不同初始濃度油氣爆炸第1次超壓上升階段的持續(xù)時(shí)間、結(jié)束時(shí)刻的超壓數(shù)值和平均升壓速率，圖4和圖5是由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所作的曲線圖。這幾個(gè)數(shù)據(jù)在一定程度上反映了受限空間條件下，油氣爆炸初始發(fā)展階段的激烈程度和壁面邊界對火焰發(fā)展的干擾程度。

表1 不同濃度油氣爆炸第1次超壓上升階段的持續(xù)時(shí)間、結(jié)束時(shí)刻的超壓數(shù)值和平均升壓速率Table 1 The time spent in the first overpressure rise phase, overpressure value at the end time and average pressure rise rate under different initial concentration

圖4 油氣爆炸第1次超壓上升階段的持續(xù)時(shí)間、結(jié)束時(shí)刻的超壓數(shù)值與初始油氣濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between duration time of first overpressure rise stage, overpressure value at end time and initial concentration of gasoline-air mixture

圖5 油氣爆炸第1次超壓上升階段平均升壓速率與初始油氣濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between average pressure rise rate of first overpressure rise stage and initial concentration of gasoline-air mixture

結(jié)合表1、圖4和圖5分析可以得出，對于封閉短管道內(nèi)油氣爆炸，隨著初始油氣濃度的增大，第1次超壓上升階段的持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在初始油氣濃度為1.73%時(shí)取得最小值，為33 ms。并且，持續(xù)時(shí)間與初始油氣濃度的對應(yīng)關(guān)系可以擬合為二次函數(shù)，如式(1)，相關(guān)系數(shù)R2為0.907 6。

t=3.01C2-11.004C+10.664

(1)

式中：t表示第1次超壓上升階段的持續(xù)時(shí)間，ms；C表示初始油氣濃度，vol.%。

與持續(xù)時(shí)間的變化趨勢相反，第1次超壓上升階段結(jié)束時(shí)刻的超壓數(shù)值卻隨著初始油氣濃度的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，但同樣在初始油氣濃度為1.73%時(shí)取得最大值，為58.5 kPa。同樣，超壓數(shù)值與初始油氣濃度的對應(yīng)關(guān)系可以擬合為二次函數(shù)，如式(2)，相關(guān)系數(shù)R2為0.901 5。

P=-24.739C2+85.257C-17.463

(2)

式中：P表示第1次超壓上升階段結(jié)束時(shí)刻的超壓數(shù)值，kPa；C表示初始油氣濃度，vol.%。

用結(jié)束時(shí)刻的超壓數(shù)值除以持續(xù)時(shí)間，便得到平均升壓速率，結(jié)合圖4中2個(gè)參數(shù)的變化趨勢，不難得出，平均升壓速率隨著初始油氣濃度的增大會先增大，后減小，如圖5所示。同樣，在1.73%時(shí)取得最大值，為1.773 kPa/ms，兩者的對應(yīng)關(guān)系擬合為二次函數(shù)，如式(3)，相關(guān)系數(shù)R2為0.924 0。

ν=-1.676C2+6.026C-3.847

(3)

式中：ν表示第1次超壓上升階段的平均升壓速率，kPa/ms；C表示初始油氣濃度，vol.%。

第1次超壓上升階段的持續(xù)時(shí)間越短，說明爆炸初始階段的的發(fā)展越激烈，火焰鋒面很快就發(fā)展到與管道壁面相接觸。初始油氣濃度為1.73%時(shí)，在短時(shí)間里超壓數(shù)值就可以提升很多，爆炸初始階段發(fā)展最激烈，無論濃度減小或增大，激烈程度都會減弱。這一結(jié)論與許多學(xué)者得到的結(jié)論相近，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度接近化學(xué)當(dāng)量比時(shí)，燃燒反應(yīng)速率最快，能量釋放速率最大[16-17]。

2.2 爆炸火焰行為及分析

目前，許多學(xué)者就管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸時(shí)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦宰隽搜芯浚ɑ鹧娴膫鞑ニ俣?、火焰的顏色和火焰的形態(tài)等。其中關(guān)于火焰形態(tài)的研究，由于流場的不穩(wěn)定性，使得火焰形態(tài)變化多端，在細(xì)微結(jié)構(gòu)上難以捉摸，所以學(xué)者們大多給出了各階段火焰的大致形態(tài)特征。其中出現(xiàn)比較多的是Tulip火焰，下面著重分析Tulip火焰的形成及發(fā)展。圖6所示為不同初始濃度油氣爆炸時(shí)的火焰鋒面形態(tài)變化圖像。

圖6 不同初始濃度油氣爆炸時(shí)的火焰鋒面形態(tài)變化Fig.6 Change of flame front shape under different initial concentrations of gasoline-air mixture

結(jié)合圖6可以看出，無論是低濃度還是高濃度的油氣在密閉管道中的爆炸，都有產(chǎn)生Tulip火焰的趨勢。當(dāng)初始油氣濃度分別為1.21%，1.38%，1.73%和1.90%時(shí)，Tulip火焰形成后，一直保持到火焰鋒面?zhèn)鞑サ焦艿烙叶恕．?dāng)初始油氣濃度為0.86%時(shí)，從225 ms開始，火焰鋒面開始從中心位置向內(nèi)凹，直到285 ms形成近似Tulip火焰的鯊魚嘴形狀火焰，之后下側(cè)火焰鋒面消退，到465 ms時(shí)形成刀尖形火焰。對于刀尖形火焰的形成，部分學(xué)者將其歸因?yàn)橹亓突鹧娌环€(wěn)定性的相互作用。與0.86%濃度油氣相似，當(dāng)初始油氣濃度為1.08%時(shí)，從90 ms開始逐漸形成Tulip火焰，到200 ms時(shí)形成明顯的Tulip火焰，但接著向鯊魚嘴形狀火焰轉(zhuǎn)變，到440 ms時(shí)形成刀尖形火焰。當(dāng)初始油氣濃度為2.15%時(shí)，從55 ms開始逐漸形成Tulip火焰，到95 ms時(shí)形成典型的Tulip火焰，但接著向鯊魚嘴形狀火焰轉(zhuǎn)變，到210 ms時(shí)形成鯊魚嘴形狀火焰，此時(shí)火焰鋒面接近管道右端，所以沒有轉(zhuǎn)變?yōu)榈都庑位鹧?。?dāng)初始油氣濃度為2.65%時(shí)，從145～240 ms逐漸形成Tulip火焰，接著轉(zhuǎn)變?yōu)轷忯~嘴形狀火焰，325 ms時(shí)形成刀尖形火焰。所以密閉管道中低濃度和高濃度的油氣爆炸，火焰在傳播的過程中，其形狀也有向Tulip火焰轉(zhuǎn)變的趨勢，然后經(jīng)由鯊魚嘴形狀火焰轉(zhuǎn)變?yōu)榈都庑位鹧妗?/p>

在分析Tulip火焰的形成及發(fā)展中發(fā)現(xiàn)，在已經(jīng)成形的Tulip火焰上，凹陷形成的火焰尾部會隨著時(shí)間上下?lián)u擺，并且從火焰鋒面中脫落，這種運(yùn)動形式類似于卡門渦街，這也說明了火焰?zhèn)鞑ミ^程中的流場不穩(wěn)定性。

由于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟煌煌跏紳舛扔蜌庠诿荛]管道中開始形成Tulip火焰的時(shí)刻不同，Tulip火焰形態(tài)特征最明顯的時(shí)刻不同，并且從開始形成Tulip火焰到形態(tài)特征最明顯所用的時(shí)間也不同，具體關(guān)系如圖7所示，由于當(dāng)初始油氣濃度為0.86%時(shí)，管道中沒有形成明顯的Tulip火焰，所以圖7中不包括這種工況的數(shù)據(jù)。

圖7 Tulip火焰形成與初始油氣濃度的關(guān)系Fig.7 Relationship between formation of Tulip flame and initial concentration of gasoline-air mixture

結(jié)合圖7可以看出，隨著初始油氣濃度從0.86%到2.65%，管道中開始形成Tulip火焰的時(shí)刻、Tulip火焰形態(tài)特征最明顯的時(shí)刻和從開始形成Tulip火焰到形態(tài)特征最明顯所用的時(shí)間都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，并且都是在初始油氣濃度為1.73%時(shí)取得最小值，分別為45，82.5，37.5 ms，說明油氣濃度對Tulip火焰的形成及發(fā)展具有很大的影響，三者與初始油氣濃度的對應(yīng)關(guān)系都可以擬合為二次函數(shù)， 分別如式(4)～(6)所示，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.976 9，0.963 9和0.948 9。

t′=13.555C2-47.342C+46.091

(4)

t″=7.809C2-28.769C+29.254

(5)

Δt=5.614C2-21.850C+23.140

(6)

式中：t′表示管道中開始形成Tulip火焰的時(shí)刻，ms；t″表示Tulip火焰形態(tài)特征最明顯的時(shí)刻，ms；Δt表示從開始形成Tulip火焰到形態(tài)特征最明顯所用的時(shí)間，ms；C表示初始油氣濃度，vol.%。

3 結(jié)論

1)油氣爆炸超壓發(fā)展過程大致分為3個(gè)階段：第1次超壓上升階段、第2次超壓上升階段和超壓下降階段。第1次超壓上升階段出現(xiàn)在爆炸發(fā)生的初始階段，結(jié)束于超壓時(shí)序曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)刻。在此階段，超壓上升趨勢一直在變快，接著，超壓上升趨勢會變慢，原因是燃燒越來越激烈、火焰徑向發(fā)展受限和管道壁面導(dǎo)熱現(xiàn)象造成能量損失分別對超壓上升趨勢帶來的不同影響。

2)初始油氣濃度對爆炸初始階段的發(fā)展具有很大的影響。第1次超壓上升階段的持續(xù)時(shí)間、結(jié)束時(shí)刻的超壓數(shù)值和平均升壓速率與初始油氣濃度對應(yīng)關(guān)系都可以擬合為二次函數(shù)，都在初始油氣濃度為1.73%時(shí)取得極值，該濃度下的油氣爆炸初始階段發(fā)展最激烈。

3)密閉管道內(nèi)的油氣爆炸，當(dāng)初始濃度較大時(shí)，在最大超壓峰值附近，會產(chǎn)生壓力振蕩現(xiàn)象。

4)各種濃度油氣在密閉管道中的爆炸，都有形成Tulip火焰的趨勢，當(dāng)油氣濃度適中時(shí)，Tulip火焰會一直傳播到管道末端。當(dāng)油氣濃度過高或過低時(shí)，會先形成Tulip火焰，接著轉(zhuǎn)變?yōu)轷忯~嘴形狀火焰，最后形成刀尖形火焰，或者直接由鯊魚嘴形狀火焰轉(zhuǎn)變?yōu)榈都庑位鹧妗?/p>

5)初始油氣濃度對Tulip火焰的形成及發(fā)展具有很大的影響。隨著初始油氣濃度的升高，管道中開始形成Tulip火焰的時(shí)刻、Tulip火焰形態(tài)特征最明顯的時(shí)刻和從開始形成Tulip火焰到形態(tài)特征最明顯所用的時(shí)間都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，三者與初始油氣濃度的對應(yīng)關(guān)系都可以擬合為二次函數(shù)，都在初始油氣濃度為1.73%時(shí)取得最小值，該濃度下的油氣爆炸最容易形成Tuilp火焰。