破膜壓力對(duì)氫-空氣預(yù)混氣體燃爆特性的影響*

杜賽楓，張 凱，陳 昊，郭 進(jìn)，段在鵬

（1.福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福州大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，福建 福州 350116）

近年來(lái)，氫氣作為工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的重要原料和燃料而備受關(guān)注，并且已進(jìn)入快速發(fā)展期。氫氣具有可燃范圍廣、點(diǎn)火能量低和燃燒速率快等特點(diǎn)[1-2]，在生產(chǎn)、處理、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中容易造成火災(zāi)或爆炸事故，存在嚴(yán)重的爆炸安全問(wèn)題，一旦發(fā)生爆炸事故，往往會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。泄爆是用來(lái)減輕意外爆炸中設(shè)備和人員傷害的經(jīng)濟(jì)有效的方法，它可以通過(guò)預(yù)設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)，快速釋放爆炸產(chǎn)生的超壓，從而最大限度地降低可燃?xì)怏w的意外爆炸危害[5-6]。泄爆的關(guān)鍵是通過(guò)設(shè)置恰當(dāng)?shù)男贡瑓?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速有效地降壓，并避免泄爆導(dǎo)致的二次災(zāi)害。

破膜壓力是影響可燃?xì)怏w泄爆特性的重要參數(shù)之一。Chow 等[7]比較了在1.4 和11.8 kPa 兩種破膜壓力下甲烷爆炸的壓力-時(shí)間曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者的主要區(qū)別在于第一個(gè)壓力峰值的大小，而隨后兩者的壓力-時(shí)間曲線幾乎一致。Kasmani 等[8]在0.2 m3的圓柱形容器中使用4%的丙烷和9.5%的甲烷/空氣混合物進(jìn)行了中心點(diǎn)火和尾端點(diǎn)火泄爆實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最大超壓并不總是隨著破膜壓力的升高而增大。Bao 等[9]在12 m3的燃燒室中進(jìn)行了甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的壓力-時(shí)間歷程始終以泄爆膜破裂產(chǎn)生或以聲波與火焰耦合作用下產(chǎn)生為主，且前者隨破膜壓力的升高而升高，而后者則先升高后降低。文虎等[10]基于FLACS 數(shù)值模擬軟件研究了泄爆口強(qiáng)度對(duì)管道內(nèi)天然氣爆炸流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)泄爆口強(qiáng)度顯著影響管道內(nèi)爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但管?nèi)溫度幾乎與泄爆口強(qiáng)度無(wú)關(guān)。Dou 等[11]在水平放置的1 m 管道中進(jìn)行了沼氣泄爆實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了破膜壓力對(duì)內(nèi)部超壓的影響，發(fā)現(xiàn)在超壓曲線中存在3 個(gè)可能的壓力峰值（pb、pmfa、pext），分別對(duì)應(yīng)于泄爆膜破裂、最大火焰面積和外部爆炸壓力，pext總是最小且與破膜壓力無(wú)關(guān)。Rui 等[12]通過(guò)FLACS 數(shù)值模擬軟件與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了低破膜壓力條件對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃的影響，結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。

除上述破膜壓力對(duì)碳?xì)淙剂系男贡匦匝芯客?，學(xué)者們還對(duì)反應(yīng)性更強(qiáng)的氫氣-空氣混合物進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Cao 等[13]利用一個(gè)圓柱形容器研究了點(diǎn)火位置和破膜壓力對(duì)外部爆炸的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外部超壓與破膜壓力和點(diǎn)火位置有關(guān)。尾端點(diǎn)火時(shí)的外部超壓受破膜壓力影響較小，但在中心點(diǎn)火和前點(diǎn)火時(shí)，外部超壓隨破膜壓力的升高而升高。Rui 等[14]采用一個(gè)1 m3的爆炸艙來(lái)研究體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣爆炸的泄爆特性，結(jié)果表明，亥姆霍茲震蕩的幅度隨破膜壓力的升高而增大，而亥姆霍茲震蕩的持續(xù)時(shí)間隨破膜壓力的升高而縮短。Zhang 等[15]在水平放置的3 m 阻塞管道中進(jìn)行了氫氣泄爆實(shí)驗(yàn)，管道阻塞率為46.2%，實(shí)驗(yàn)觀察到最大內(nèi)外超壓隨破膜壓力的升高而非單調(diào)增大。

文獻(xiàn)綜述表明，以往的研究大多集中于甲烷、丙烷等燃燒速率較低的碳?xì)浠衔镄贡瑢?shí)驗(yàn)，而由于受到設(shè)備、安全和成本等因素的影響，有限的氫氣-空氣泄爆實(shí)驗(yàn)通常是在小長(zhǎng)徑比管道或球形容器中進(jìn)行，這可能與真實(shí)的氫氣泄漏燃爆事故在尺度上存在差異，例如氫氣管道運(yùn)輸燃爆事故。小長(zhǎng)徑比容器研究結(jié)論不能直接運(yùn)用于開(kāi)發(fā)大長(zhǎng)徑比的容器爆炸防護(hù)措施。例如，在長(zhǎng)徑比小的泄爆容器中，各處的爆炸壓力基本一致；而本文中采用的大長(zhǎng)徑比管道中，爆炸壓力隨位置發(fā)生變化。國(guó)際上廣泛使用的EN 14994[16]和NFPA 68[17]標(biāo)準(zhǔn)都涉及到大長(zhǎng)徑比裝置的泄爆問(wèn)題，且給出了爆炸壓力的計(jì)算方法，然而其適用的條件是可燃物的燃燒速度小于0.46 m/s。此外，在先前的研究中主要針對(duì)的是破膜壓力對(duì)管道內(nèi)外超壓的影響，而針對(duì)不同破膜壓力下大長(zhǎng)徑比管道內(nèi)外火焰行為差異的研究卻很少涉及。因此，了解破膜壓力對(duì)大長(zhǎng)徑比容器中氫氣的燃爆特性的影響，對(duì)該類設(shè)備或結(jié)構(gòu)以及泄爆口設(shè)計(jì)尤為重要。由于接近化學(xué)計(jì)量比的氫氣-空氣混合物反應(yīng)性更強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，爆炸壓力上升速率更高，因此本文中利用自主設(shè)計(jì)的長(zhǎng)徑比為16.7 的矩形管道，對(duì)氫氣體積分?jǐn)?shù)為30 %的氫氣-空氣預(yù)混氣體進(jìn)行不同破膜壓力下的燃爆實(shí)驗(yàn)，以期闡明不同破膜壓力下管道內(nèi)外氫氣-空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑バ袨榈牟町悾约捌颇毫?duì)管道內(nèi)外爆炸超壓的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

氫氣-空氣預(yù)混氣體燃爆實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)5.00 m、橫截面尺寸為0.30 m × 0.30 m 的矩形管道中進(jìn)行，管道裝置如圖1 所示。管道由5 個(gè)長(zhǎng)1.00 m 的短管拼接而成，為了觀察管道中的火焰發(fā)展過(guò)程，在每個(gè)短管道的中心設(shè)置一個(gè)尺寸為0.50 m × 0.15 m 的窗口，并使用高速相機(jī)來(lái)記錄火焰圖像，高速相機(jī)的拍攝頻率為2.5 kHz。管道一端采用盲板密封作為封閉端；另一端作為泄爆口，使用鋁膜密封并用法蘭螺栓固定。3 個(gè)壓電壓力傳感器PT1～PT3 分別安裝在泄爆口上游4.25、2.25 和0.25 m 處，以測(cè)量管道內(nèi)的壓力，另外2 個(gè)壓電壓力傳感器PT4 和PT5 分別安裝在泄爆口下游1.25 和2.50 m 處，以測(cè)量管道外部壓力。壓力傳感器采用PCB-102B16 型壓電式壓力傳感器，測(cè)試量程為0～689.4 kPa，響應(yīng)頻率大于等于500 kHz。數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為MR8847A，采樣頻率為10 kHz。為避免熱效應(yīng)對(duì)壓力測(cè)量產(chǎn)生影響，每個(gè)壓力傳感器都涂有一層薄薄的硅脂。通過(guò)安裝在泄爆口上游4.75 m 處的點(diǎn)火電極點(diǎn)燃?xì)錃?空氣預(yù)混氣體，點(diǎn)火能量約為500 mJ。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

實(shí)驗(yàn)前對(duì)不同厚度鋁膜的靜態(tài)破膜壓力進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)NFPA68[17]推薦的方法，具體步驟如下：首先，將一定厚度的鋁膜密封在泄爆口處，使管道內(nèi)部形成一個(gè)密閉空間；隨后，將壓縮空氣緩慢注入管道，內(nèi)部壓力會(huì)逐漸上升，直到靠近泄爆口處的壓力傳感器PT3 記錄到的壓力突然降低，表明鋁膜破裂，PT3 壓力傳感器所記錄到的最大壓力即為該厚度下鋁膜的靜態(tài)破膜壓力。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)2 次，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果保留為整數(shù)，不同厚度鋁膜靜態(tài)破膜壓力匯總?cè)绫? 所示。

表1 不同厚度鋁膜的靜態(tài)破膜壓力Table 1 Static vent burst pressure for various thicknesses of aluminum film

利用真空泵對(duì)管道進(jìn)行抽真空處理，并根據(jù)道爾頓分壓定律制備氫氣體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣-空氣預(yù)混氣體。泄爆口采用厚0.025～0.325 mm 的鋁膜密封，所有實(shí)驗(yàn)均在環(huán)境壓力和初始溫度為280 K 的條件下進(jìn)行，每次實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)2 次，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性良好。

2 結(jié)果與討論

2.1 破膜壓力對(duì)管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>

圖2 給出了破膜壓力pv=186 kPa 時(shí)高速相機(jī)記錄的管道內(nèi)的典型火焰圖像，圖3 為點(diǎn)火后火焰前沿位置以及火焰的傳播速度與時(shí)間的關(guān)系，火焰速度由相鄰2 張火焰圖像之間的距離和二者之間的時(shí)間差（0.4 ms）計(jì)算得到。點(diǎn)火初期，火焰從點(diǎn)火位置以半球狀向四周傳播，此時(shí)火焰向泄爆口的傳播速度為15～20 m/s，而Dahoe[18]在先前類似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下測(cè)得體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣的層流燃燒速度為2.25 m/s。通過(guò)對(duì)比可知，此時(shí)火焰速度遠(yuǎn)高于該實(shí)驗(yàn)條件下氫氣的層流燃燒速度。根據(jù)Ferrara 等[19]、李艷超等[20]的研究，這是由于層流傳播的火焰會(huì)受到流體力學(xué)和熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的影響，從而促進(jìn)管道內(nèi)氫氣的燃燒和能量的釋放，最終導(dǎo)致火焰的自加速行為。在管道壁的約束下，火焰沿管道軸向的傳播速度遠(yuǎn)高于沿管道徑向的傳播速度，火焰被橫向拉長(zhǎng)且火焰結(jié)構(gòu)由半球形轉(zhuǎn)變?yōu)橹感?。由于氫氣燃燒釋放的熱量以及產(chǎn)生的壓力波不斷作用于前方未燃?xì)怏w，大大提高了管道內(nèi)氫氣的反應(yīng)速率，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偬嵘?，?0.0 ms 時(shí)火焰速度已高達(dá)175 m/s。點(diǎn)火后約26.0 ms，在氫氣-空氣預(yù)混氣體燃燒產(chǎn)生的超壓作用下，覆蓋在泄爆口的鋁膜破裂，泄爆口被打開(kāi)，然而此時(shí)管道內(nèi)的火焰沒(méi)有觀察到明顯的加速現(xiàn)象；相反，火焰經(jīng)歷一個(gè)減速階段。值得注意的是，鋁膜破裂時(shí)火焰仍離泄爆口較遠(yuǎn)，因此部分未燃燒的氫氣-空氣預(yù)混氣體被排出管道，并在管道外形成可燃云[21-22]。隨著火焰在管道中繼續(xù)傳播，在30.4 ms 時(shí)，可以觀察到火焰前沿的顯著變形，高速相機(jī)記錄到一個(gè)典型的郁金香形火焰。因此，可以確定之前的火焰減速與火焰結(jié)構(gòu)從指形到郁金香形轉(zhuǎn)變有關(guān)[23]。隨后，由于火焰的泰勒不穩(wěn)定性和郁金香形火焰的生成，火焰表面積大幅增加，從而導(dǎo)致了火焰的二次加速行為。在后期階段，火焰形狀保持郁金香形并向泄爆口傳播直至沖出管道，火焰在管道內(nèi)的最大傳播速度在管道出口處達(dá)到約432 m/s。

圖2 破膜壓力186 kPa 時(shí)管道內(nèi)的典型火焰圖像Fig.2 Typical flame images inside the duct at the vent burst pressure of 186 kPa

圖3 破膜壓力186 kPa 時(shí)火焰前沿位置和火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.3 Location of flame front and flame speed at the vent burst pressure of 186 kPa

不同破膜壓力下管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑D像如圖4 所示。管道內(nèi)火焰結(jié)構(gòu)的前3 個(gè)階段均為半球形、指形和郁金香形火焰。點(diǎn)火初期，火焰在一個(gè)完全封閉的管道內(nèi)傳播，管道內(nèi)火焰行為在不同破膜壓力下無(wú)明顯差異，火焰都經(jīng)過(guò)了從半球形到指形的轉(zhuǎn)變。但泄爆口打開(kāi)后，管道內(nèi)郁金香形火焰結(jié)構(gòu)及其之后的發(fā)展在不同破膜壓力下存在顯著差異。當(dāng)pv＜71 kPa 時(shí)，在管道末端，郁金香形火焰下側(cè)火焰鋒面消退，火焰受到浮力影響緊貼上壁面沿著泄爆口方向傳播，如圖4(a)～(b)所示。此外，在部分實(shí)驗(yàn)中，可以觀察到管道內(nèi)出現(xiàn)的郁金香形火焰結(jié)構(gòu)并不沿著管道軸線上下對(duì)稱，郁金香形火焰的下方火舌比上方火舌傳播速度較快，如圖4(c)～(d)所示。這種上下火舌速度的差異，是由火焰不穩(wěn)定性與重力的相互作用導(dǎo)致的[24]。隨著管道內(nèi)火焰的繼續(xù)傳播，郁金香形火焰結(jié)構(gòu)的上下兩個(gè)火舌逐漸靠近，在管道出口處郁金香形火焰結(jié)構(gòu)消失，當(dāng)pv=71 kPa 時(shí)甚至可以觀察到火焰在管口處形成了新的指形火焰結(jié)構(gòu)。

圖4 不同破膜壓力下管道內(nèi)的典型火焰?zhèn)鞑D像Fig.4 Typical flame propagation images inside the duct under different vent burst pressures

2.2 破膜壓力對(duì)管道內(nèi)壓力特性的影響

爆炸超壓是易燃?xì)怏w安全防護(hù)領(lǐng)域最重要的參數(shù)之一，圖5 為不同破膜壓力下的內(nèi)部壓力-時(shí)間變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，管道封閉端壓力傳感器PT1 和中心處壓力傳感器PT2 測(cè)得的爆炸超壓具有相似的變化規(guī)律。在低破膜壓力下，PT1 和PT2 單調(diào)增加至峰值后下降至負(fù)壓峰；而當(dāng)pv≥71 kPa 時(shí)，PT1 和PT2 在達(dá)到最大壓力峰值之前都經(jīng)歷了下降階段，這可能是由于泄爆口打開(kāi)時(shí)間較晚，火焰溫度過(guò)高, 在管道封閉端和中心處管道壁面存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，造成了部分能量損失。相較于PT1 和PT2，開(kāi)口端壓力傳感器PT3 測(cè)得的壓力-時(shí)間變化曲線存在較大差異。

圖5 不同破膜壓力下內(nèi)部壓力-時(shí)間曲線Fig.5 Internal pressure-time histories under different vent burst pressures

從圖5 可以看出，在開(kāi)口端壓力傳感器PT3 測(cè)得的壓力-時(shí)間曲線中可以觀察到多峰現(xiàn)象，特定的超壓峰值與特定的產(chǎn)生機(jī)制有關(guān)。第1 個(gè)壓力峰值pb是由覆蓋在泄爆口的鋁膜破裂所致[25-26]，也被稱為動(dòng)態(tài)破膜壓力，因此該超壓峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻可近似看作泄爆口開(kāi)啟時(shí)間topen。當(dāng)火焰到達(dá)泄爆口時(shí)，可以觀察到第2 個(gè)超壓峰值pout，它是由燃燒混合物的泄放引起的[27]，燃燒混合物的泄放會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)的體積流出率急劇增加，這也可由對(duì)應(yīng)時(shí)刻的火焰圖像加以佐證。當(dāng)先前從管道排出的未燃燒氫氣-空氣預(yù)混氣體被火焰點(diǎn)燃時(shí)，發(fā)生外部爆炸，外部爆炸會(huì)使管道外部壓力上升，從而降低了泄爆口的內(nèi)外壓力梯度[28-29]，進(jìn)而阻礙了管道內(nèi)部壓力釋放，最終增大內(nèi)部超壓并產(chǎn)生了第3 個(gè)壓力峰值pext。

隨著pv的升高，鋁膜破裂所需能量增加，泄爆口開(kāi)啟時(shí)間延長(zhǎng)。在pv=14 kPa 時(shí)，泄爆口最早開(kāi)啟時(shí)間topen為21.2 ms，最晚開(kāi)啟時(shí)間topen在pv=186 kPa 時(shí)取得，約為 26.0 ms，后者較前者延長(zhǎng)了22.6%。當(dāng)pv=14 kPa 時(shí)，在pb和pout之間可以觀察到PT3 傳感器記錄到的壓力出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，如圖5(a)所示。這可以歸因于管道內(nèi)燃燒產(chǎn)物的生成率與未燃燒混合物的體積流出率之間的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)前者大于后者時(shí)，壓力上升，反之壓力下降。此外，當(dāng)管道內(nèi)部壓力逐漸下降到環(huán)境壓力時(shí)，氣體在慣性作用下繼續(xù)向管道外部泄放，導(dǎo)致管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。因本文中管道長(zhǎng)徑比較大（16.7），管道內(nèi)的負(fù)壓也不同；離泄爆口越遠(yuǎn)，負(fù)壓也越大。Rui 等[14]利用高度為 1.8 m 的容器開(kāi)展泄爆實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。若可燃?xì)怏w的層流燃燒速度慢或者泄爆容器的長(zhǎng)徑比小，則該現(xiàn)象不明顯[9,30]。

圖6 顯示了各超壓峰值與pv之間的函數(shù)關(guān)系。pb隨pv的升高而單調(diào)升高，在pv≥42 kPa 時(shí)，pb為最大壓力峰值。pb始終高于pv，這種差異是由于材料在動(dòng)態(tài)瞬時(shí)壓力脈沖負(fù)荷下比在緩慢的靜態(tài)壓力負(fù)荷下更堅(jiān)固[31]。超壓峰值pout隨pv的升高而逐漸升高，這是由于隨著pv的升高，泄爆口打開(kāi)時(shí)間越晚，管道內(nèi)消耗的氫氣-空氣混合氣體越多，反應(yīng)越劇烈，火焰泄放前管道內(nèi)燃燒產(chǎn)物的生成率與未燃燒混合物的體積流出率之間的差值越大，pout越高。值得注意的是，當(dāng)pv≤27 kPa 時(shí)，pout略高于pb；當(dāng)pv升高到42 kPa，pb開(kāi)始超過(guò)pout，且兩者之間差異隨著pv的繼續(xù)升高而顯著升高。此外，超壓峰值pext隨pv的升高而升高，是所有實(shí)驗(yàn)中最低的峰值。

圖6 壓力峰值與破膜壓力之間的關(guān)系Fig.6 Relationships between the pressure peaks and the vent burst pressure

圖7 為不同破膜壓力下管道內(nèi)3 個(gè)壓力傳感器測(cè)得的最大超壓。當(dāng)pv由14 kPa 升高到186 kPa 時(shí)，管道內(nèi)的最大超壓從54.9 kPa 升高到 195.0 kPa，增幅為255.2%，管道內(nèi)部最大超壓隨pv的升高而升高。分析認(rèn)為：隨著pv的升高，管道內(nèi)參與反應(yīng)的氫氣增加，且氫氣燃燒產(chǎn)生的能量無(wú)法及時(shí)得到釋放，從而導(dǎo)致超壓升高。此外，管道內(nèi)最大超壓的位置，即由PT1、PT2 或PT3 測(cè)得的最大超壓，取決于pv。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)pv≤42 kPa 時(shí)，管道內(nèi)部最大超壓始終在管道中心處（PT2）測(cè)得；而隨著pv繼續(xù)升高，管道內(nèi)部最大超壓在泄爆口附近處（PT3）取得，這是因?yàn)楸疚闹胁捎玫男贡艿篱L(zhǎng)徑比較大，內(nèi)部壓力隨距泄爆口距離變化而變化。當(dāng)破膜壓力較低時(shí)，泄爆封口較早破裂，離泄爆口近的位置，泄放效果明顯，最大壓力也低；而在管道的點(diǎn)火端，因燃燒產(chǎn)物向壁面?zhèn)鳠釋?dǎo)致壓力降低。隨著破膜壓力升高，泄壓時(shí)間推遲；泄爆封口破裂前，由于管道內(nèi)的氫氣點(diǎn)燃后產(chǎn)生了亞聲速傳播的壓縮波以及之后的燃燒波，此時(shí)管道內(nèi)部的未燃燒氫氣會(huì)受到壓力波沖擊影響向前推動(dòng)，可燃?xì)怏w被壓縮至管道末端且湍流度升高，因此管道末端的的爆炸壓力也就升高。李靜野等[32]和Zhou 等[33]分別在3.5 和7.2 m 的密閉管道進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了管道內(nèi)不同位置最大壓力不一致的現(xiàn)象。

圖7 最大內(nèi)部超壓與破膜壓力之間的關(guān)系Fig.7 Relationships between the maximum internal overpressures and the vent burst pressure

2.3 破膜壓力對(duì)管道外火焰?zhèn)鞑ヌ匦约皦毫Φ挠绊?/h3>

圖8 給出了不同破膜壓力下典型的外部火焰圖像。當(dāng)火焰到達(dá)泄爆口時(shí)，火焰從泄爆口噴出，并點(diǎn)燃外部可燃?xì)庠朴|發(fā)外部爆炸。當(dāng)pv=14 kPa 時(shí)，觀察到外部火焰始終保持射流結(jié)構(gòu)，在幾毫秒內(nèi)迅速蔓延到最大火焰長(zhǎng)度，如圖8(a)所示。但隨著pv的升高，外部火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。以pv=71 kPa 為例，外部爆炸發(fā)生時(shí)，火焰在泄爆口附近形成一個(gè)明亮的蘑菇狀火球。隨后，外部火焰迅速發(fā)展，達(dá)到最大長(zhǎng)度，如圖8(b)所示。這種外部火焰不同的傳播行為可以歸因于外部可燃云結(jié)構(gòu)。在低pv時(shí)，鋁膜過(guò)早破裂，泄爆口開(kāi)啟時(shí)間較早，管道內(nèi)的未燃?xì)庠茣?huì)更早地泄放至管道外并向外噴射到離泄爆口較遠(yuǎn)的范圍，在管道外部形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的可燃?xì)怏w區(qū)[34]，而不是近乎球形的可燃云。此外，通過(guò)對(duì)比圖8 可知，盡管二者外部火焰?zhèn)鞑バ袨榇嬖诓町?，但管道外部最大火焰長(zhǎng)度幾乎相同，pv對(duì)管道外部最大火焰長(zhǎng)度無(wú)明顯影響。

圖8 破膜壓力為14 和71 kPa 時(shí)管道外部的火焰?zhèn)鞑D像Fig.8 Flame propagation images outside the duct at the vent burst pressures of 14 and 71 kPa

圖9 為pv=14 kPa 和pv=71 kPa 時(shí)由壓力傳感器PT4 和PT5 監(jiān)測(cè)到的外部超壓-時(shí)間曲線。當(dāng)pv=71 kPa 時(shí)，在泄爆口打開(kāi)后約3.5 ms，PT4 處可以觀察到一個(gè)微弱的壓力峰值p1，它是由鋁膜破裂后產(chǎn)生的弱沖擊波所致[35]，與pv的大小有關(guān)；當(dāng)pv=14 kPa 時(shí)，由于pv太小而無(wú)法監(jiān)測(cè)到該壓力峰值。通過(guò)計(jì)算該破膜激波從泄爆口以超聲速方式傳播到PT4，平均速度約為357 m/s。隨后在PT4 處可以觀察到壓力開(kāi)始由環(huán)境壓力下降至負(fù)壓，這是由未燃?xì)怏w的膨脹引起的[36]。泄爆口打開(kāi)后，由于管道內(nèi)外存在壓差，未燃?xì)怏w經(jīng)泄爆口排出后繼續(xù)向外膨脹，并在管道外部產(chǎn)生膨脹波，氣體經(jīng)過(guò)膨脹波后，其壓力下降并產(chǎn)生負(fù)壓。由于外部爆炸的發(fā)生，在PT4 的負(fù)壓基礎(chǔ)上疊加一個(gè)較強(qiáng)的壓力脈沖，并產(chǎn)生第2 個(gè)壓力峰值p2，p2在外部壓力-時(shí)間曲線中為最高壓力。值得注意的是，在泄爆口較遠(yuǎn)的PT5 處并沒(méi)有記錄到壓力下降至負(fù)壓的現(xiàn)象，雖然由破膜激波產(chǎn)生的p1以及外部爆炸產(chǎn)生的p2在PT5 中同樣被記錄到，但在PT4 記錄到的p2低于PT5。分析認(rèn)為，這并不是因?yàn)橥獠勘òl(fā)生在距PT5 較近的地方，而是由于之前產(chǎn)生的負(fù)壓降低了其壓力峰值。

圖9 破膜壓力為14 和71 kPa 時(shí)外部壓力-時(shí)間曲線Fig.9 External pressure-time histories at the vent burst pressures of 14 and 71 kPa

不同破膜壓力下管道外部最大超壓如圖10所示。最大外部超壓并不隨著pv的升高而呈現(xiàn)單調(diào)變化規(guī)律。最大外部超壓最小值在pv=42 kPa時(shí)取得，為 41.1 kPa；當(dāng)pv=131 kPa 時(shí)，取得最大外部超壓最大值72.2 kPa。Guo 等[22]的研究表明，外部爆炸的強(qiáng)度與可燃云的結(jié)構(gòu)、體積、體積分?jǐn)?shù)、湍流水平以及火焰出口速度等一系列錯(cuò)綜復(fù)雜的因素有關(guān)。一方面，pv的升高會(huì)導(dǎo)致外部可燃云體積減小，這會(huì)造成外部爆炸強(qiáng)度的削弱；另一方面，pv的升高會(huì)提升外部的湍流水平以及火焰出口速度，進(jìn)而提高外部爆炸強(qiáng)度。當(dāng)前者占主導(dǎo)地位時(shí)，外部爆炸強(qiáng)度被減弱；相反，當(dāng)后者占主導(dǎo)地位時(shí)，外部爆炸強(qiáng)度被提高。

圖10 最大外部超壓與破膜壓力之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between the maximum external overpressure and the vent burst pressure

3 結(jié) 論

利用自主設(shè)計(jì)的5.00 m 長(zhǎng)管道，研究了破膜壓力對(duì)管道中氫氣體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣-空氣預(yù)混氣體火焰行為和壓力特性的影響，得出以下主要結(jié)論。

(1) 在所有實(shí)驗(yàn)中，管道內(nèi)火焰結(jié)構(gòu)的前3 個(gè)階段分別為半球形、指形和郁金香形火焰，但郁金香形火焰結(jié)構(gòu)與其后的發(fā)展在不同破膜壓力下存在顯著差異。郁金香形火焰結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程伴隨著火焰減速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為大長(zhǎng)徑比管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ツＰ偷拈_(kāi)發(fā)和驗(yàn)證提供參考。

(2) 對(duì)于靠近泄爆口的壓力傳感器，在其所記錄的壓力-時(shí)間曲線上可以觀察到3 個(gè)壓力峰。第1 個(gè)壓力峰值pb是由覆蓋在泄爆口上的鋁膜破裂引起的，第2 個(gè)壓力峰值pout是由火焰到達(dá)泄爆口時(shí)燃燒混合物的泄放產(chǎn)生的，第3 個(gè)壓力峰值pext是由外部爆炸引起的。在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，pb為最大壓力峰值。最大內(nèi)部超壓隨破膜壓力pv的升高而升高。當(dāng)pv≤42 kPa 時(shí)，管道內(nèi)部最大超壓在中心處取得；然而，隨著pv繼續(xù)升高，在管道開(kāi)口端測(cè)得管道內(nèi)部最大超壓。

(3)pv對(duì)管道外部火焰?zhèn)鞑バ袨榫哂酗@著影響，當(dāng)pv＜71 kPa 時(shí)，管道外部火焰保持射流狀傳播；當(dāng)pv≥71 kPa 時(shí)，管道外部火焰可以觀察到明亮的蘑菇狀火球。破膜壓力對(duì)外部火焰最大長(zhǎng)度的影響可以忽略不計(jì)。最大外部超壓與pv之間呈現(xiàn)非單調(diào)變化規(guī)律。