正方形和長(zhǎng)方形泄爆口對(duì)爆炸超壓影響的研究

李天旭

摘要：為了探究正方形和長(zhǎng)方形泄爆口對(duì)甲烷爆炸超壓的影響，在自主設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，開(kāi)展了泄爆口為正方形和長(zhǎng)方形條件下的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：正方形和長(zhǎng)方形泄爆口條件下，超壓波形結(jié)構(gòu)差異明顯。正方形泄爆口工況的超壓波形結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)明顯的超壓峰值，Pb、Pfv、Pcv和Prev;長(zhǎng)方形泄爆口工況超壓波形結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)明顯的超壓峰值，P'b、P'hel、P'cv和P'mfa。正方形泄爆口工況最大爆炸超壓最大超壓81.10mbar;長(zhǎng)方形泄爆口工況最大爆炸超壓90.82mbar，較正方形泄爆口工況增加約12%。

關(guān)鍵詞：甲烷爆炸;泄爆;泄爆口形狀;爆炸超壓;多峰結(jié)構(gòu)

天然氣作為一種清潔能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的重要位置日益凸顯。日常生活中，天然氣作為燃?xì)庠谧≌ㄖ斜稽c(diǎn)燃使用。然而，在天然氣為人們生活提供便利的同時(shí)，也伴隨著天然氣爆炸隱患的存在和事故的發(fā)生。住宅建筑中的窗口的主要用途為通風(fēng)和采光，作為主要與外界聯(lián)通的建筑部件，住宅建筑內(nèi)發(fā)生天然氣爆炸時(shí)，窗口作為泄爆口尤為重要。

設(shè)置泄爆口作為防爆措施中的減輕行技術(shù)措施，因其易實(shí)現(xiàn)、成本低的特點(diǎn)，受到眾多學(xué)者的關(guān)注。氣體濃度、泄爆面積、泄爆強(qiáng)度、尺度效應(yīng)、點(diǎn)火位置、障礙物、初始湍流和開(kāi)口位置等因素均會(huì)對(duì)天然氣或甲烷（天然氣主要成分）爆炸造成影響。住宅建筑中的窗口在形狀上大體可分為正方形和長(zhǎng)方形，因此需對(duì)正方形和長(zhǎng)方形泄爆口對(duì)爆炸的影響進(jìn)行研究。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

在自主設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由PMMA爆炸腔體、泄壓面、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。PMMA爆炸腔體內(nèi)部空腔300mm×300mm×600mm，L/D=2，壁厚30mm，滿足承壓要求?？紤]住宅建筑天然氣爆炸現(xiàn)場(chǎng)圖片顯示的頂板和地板受損程度不同，在靠近泄壓端上部和下部對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)預(yù)壓力傳感器預(yù)留孔。泄壓面由厚度為10mm的Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板、密封橡膠墊和PE薄膜三部分組成。配氣系統(tǒng)由甲烷、空氣壓縮機(jī)、質(zhì)量流量計(jì)和排氣管路組成，通過(guò)2個(gè)安裝在輸氣管路上的質(zhì)量流量計(jì)分別控制99.99%的甲烷和空氣的流量。點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火頭、電線和點(diǎn)火器構(gòu)成，端部中心點(diǎn)火。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)組成。

（二）實(shí)驗(yàn)工況與方法

本文研究端部正方形和長(zhǎng)方形泄爆口對(duì)9.5%甲烷爆炸的影響。泄爆口形狀由鋼板開(kāi)口確定，如圖2所示。泄爆面積均為腔室橫截面積的30%，即=0.3m×0.3m×0.3=0.027m2。

首先，通入4倍空腔體積的甲烷-空氣預(yù)混氣體排除腔室內(nèi)的原始?xì)怏w，配制化學(xué)計(jì)量濃度9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣;然后，關(guān)閉配氣球閥和排氣球閥，為降低初始湍流對(duì)爆炸的影響，靜置30s;接著，啟動(dòng)點(diǎn)火器點(diǎn)火，光電傳感器在探測(cè)到電火花信號(hào)后，通過(guò)同步控制儀觸發(fā)PC-圖像采集和PC-壓力采集同步采集原始圖像和壓力數(shù)據(jù);最后，手動(dòng)保存數(shù)據(jù)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

正方形泄爆口工況超壓波形，如圖3所示;長(zhǎng)方形泄爆口工況超壓波形，如圖4所示。由圖3和圖4可知，正方形和長(zhǎng)方形泄爆口工況位于上方和下方的壓力傳感器測(cè)得壓力波形均存在明顯差異，經(jīng)分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于浮力的作用，使得腔室內(nèi)的甲烷-空氣預(yù)混氣體不均勻，腔室內(nèi)的甲烷發(fā)生了分層，即腔室內(nèi)上部的甲烷密度高于下部的甲烷密度。再者，腔室內(nèi)發(fā)生爆炸的末期，壓力值顯示為負(fù)值，未回復(fù)到零值，這是爆炸產(chǎn)生的高溫對(duì)壓力傳感器作用的結(jié)果。正方形泄爆口工況和長(zhǎng)方形泄爆口工況均存在多個(gè)明顯的超壓峰值，且存在明顯差異。

由圖3可知，正方形泄爆口工況的壓力波形結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)明顯的波峰，pb、pfv、pcv和prev。在爆炸的初始階段，由于燃燒產(chǎn)物的形成和氣體受熱膨脹對(duì)外做功，腔室內(nèi)部壓力不斷緩慢上升，當(dāng)壓力達(dá)到泄爆口的開(kāi)啟壓力后，泄爆口打開(kāi)，腔室內(nèi)未燃的可燃?xì)?空氣預(yù)混氣體在內(nèi)外壓差作用下開(kāi)始向外部釋放，形成壓力峰值pb;內(nèi)外壓差平衡后，腔室內(nèi)的氣體停止泄放，在前一次排氣引起的湍流作用下，腔室內(nèi)燃燒速率增加，壓力上升速率增大，進(jìn)而形成新的內(nèi)外壓差，未燃的可燃?xì)怏w-空氣預(yù)混氣體再次排出，當(dāng)釋放速率逐漸增大到超過(guò)腔室內(nèi)氣體產(chǎn)生速率時(shí)，壓力開(kāi)始下降，形成壓力峰值pfv;當(dāng)燃燒的氣體開(kāi)始從泄爆口流出時(shí)，升壓速率急劇下降，形成壓力峰值pcv;在爆炸的后期，由于負(fù)壓的作用，一定量的新鮮空氣和火焰被吸到腔室中，剩余的未燃?xì)怏w開(kāi)始燃燒，導(dǎo)致壓力增大，形成壓力峰值prev。對(duì)應(yīng)時(shí)刻火焰圖像如圖3中所示。正方形泄爆口工況測(cè)點(diǎn)測(cè)得的最大超壓峰值為下方壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)得的prev，最大超壓81.10mbar。

由圖4可知，長(zhǎng)方形泄爆口工況壓力波形結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)明顯的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa。的產(chǎn)生機(jī)制與相同;在泄爆口開(kāi)啟期間，引起Helmholtz震蕩，形成震蕩壓力峰值;的產(chǎn)生機(jī)制與相同;當(dāng)爆炸的火焰蔓延到腔室的壁面時(shí)，壓力增加的速率達(dá)到最大，從而形成壓力峰值。對(duì)應(yīng)時(shí)刻火焰圖像如圖4中所示。長(zhǎng)方形泄爆口工況測(cè)點(diǎn)測(cè)得的為下方壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)得的，最大超壓90.82mbar，較正方形泄爆口工況最大超壓峰值增加約12%。

三、結(jié)語(yǔ)

（一）泄爆口形狀的改變，會(huì)對(duì)超壓波形的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響。正方形泄爆口工況的壓力波形結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)明顯的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa;長(zhǎng)方形泄爆口工況壓力波形結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)明顯的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa。

（二）本實(shí)驗(yàn)條件下，正方形和長(zhǎng)方形泄爆口工況測(cè)得的最大超壓峰值分別為：下方壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)得的prev，最大超壓81.10mbar;下方壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)得p'mfa，最大超壓90.82mbar，較正方形泄爆口工況最大超壓峰值增加約12%。

（三）由泄爆口形狀改變?cè)斐傻募淄楸ǔ瑝翰町?，?yīng)在建筑設(shè)計(jì)階段加以考慮。

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