局部開口受限空間油氣爆燃的超壓瞬變與火焰行為

王世茂，杜揚(yáng)，李國慶，齊圣，王波，李陽超

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局部開口受限空間油氣爆燃的超壓瞬變與火焰行為

王世茂1,2，杜揚(yáng)1,2，李國慶1,2，齊圣1,2，王波1,2，李陽超1,2

（1后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401331；2重慶市火災(zāi)與爆炸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401331）

開展了油氣在局部開口受限空間內(nèi)油氣爆燃的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同初始濃度下油氣爆燃超壓及火焰特性。研究結(jié)果表明：內(nèi)場有兩個超壓峰值，外場僅有一個，開口處出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。內(nèi)外最大超壓大小基本相同，均由外部爆燃形成。隨著濃度的升高，超壓先增后減，最大超壓對應(yīng)初始濃度為1.88%。火焰的傳播過程分為3個階段，火焰的形態(tài)、顏色、各階段持續(xù)時間、直徑、平均速度均受初始濃度的影響。隨著初始濃度升高，火焰從淡藍(lán)色層流光滑火焰變?yōu)榱咙S色褶皺火焰，層流傳播階段和加速變形階段的持續(xù)時間先增后減，潰散熄滅階段的持續(xù)時間增加?；鹎蛑睆脚c濃度的關(guān)系可用三次多項(xiàng)式描述，火焰平均速度隨時間的變化可用二次多項(xiàng)式描述。隨著開口率的升高，爆燃超壓和火焰速度逐漸減小，火球直徑先增大后減小。

局部開口；受限空間；油氣；混合物；爆燃；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

引 言

汽油的易燃、易爆、易揮發(fā)性是導(dǎo)致油氣爆燃事故的主要原因。油氣爆燃事故多發(fā)生在受限空間中，而且局部開口受限空間在生產(chǎn)生活中較為常見，如浮頂油罐、地下空間出口通道等。針對局部開口受限空間中可燃?xì)怏w爆燃研究集中于泄爆領(lǐng)域[1-20]，研究內(nèi)容主要為氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w泄爆過程中超壓和火焰形態(tài)的變化特征。

在泄爆過程中，內(nèi)場超壓受點(diǎn)火位置[1,6]、開口大小[2-5,8]、初始濃度[2,4,9-10]、破膜壓力[3,7]、容器尺度[4-5,10-13]、障礙物個數(shù)[5]、可燃?xì)怏w預(yù)混均勻度[4]、泄流管長度[9]的影響，有多個峰值，最大峰值主要由破膜[3,7]、泄流[1-5,7-8,11-20]、外部爆炸（爆燃）[1-13]、熱聲耦合[1,3]等形成。另外，峰值的大小與開口有關(guān)，大開口時峰值由外部爆炸引發(fā)[3]；小開口時峰值由破膜和泄流引發(fā)[2-3]。大尺度空間中的泄爆過程會形成多個峰值，同時出現(xiàn)不均勻燃燒導(dǎo)致的峰值[5,10,16]。當(dāng)前對泄爆火焰特性的研究手段主要是高速攝影法[4,6-7,9-10]和高速紋影法[4,6-7,9]，前者拍攝火焰整體變化特征，后者拍攝火焰細(xì)節(jié)變化特征，火焰受開口的影響，小開口時為欠膨脹射流火焰，大開口時為蘑菇云狀火球[2,14]。

針對油氣泄爆過程的研究當(dāng)前完成了小體積燃燒腔[2]、短管[21]、多泄放口短管[22]內(nèi)的泄爆實(shí)驗(yàn)，控制變量為濃度、開口大小、泄放口個數(shù)等。端部全開時內(nèi)外場超壓均小于3 kPa[21]；而加裝泄爆片后超壓大小受破膜壓力影響[2]，但針對爆燃壓力峰值生成原因、火焰細(xì)節(jié)的研究仍有不足。因此本研究以有機(jī)玻璃圓筒為實(shí)驗(yàn)容器，對局部開口受限空間油氣爆燃過程開展實(shí)驗(yàn)，以期為該類空間中防爆抑爆等工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)支撐和理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及初始條件

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)容器是一個直徑和高度均為280 mm的有機(jī)玻璃筒，底端封閉，頂端開口?？扇冀橘|(zhì)為93#汽油蒸氣/空氣混合物，型號與文獻(xiàn)[2]相同。利用TEST6300型采集系統(tǒng)配合壓力傳感器采集爆燃超壓，采樣頻率50 kHz，量程0～3 kPa，誤差為0.1%，傳感器位置如圖1所示。用1號高速攝影儀拍攝火焰的總特征，攝影儀型號為FASTCAM-Ultima512，采集頻率為500幀/秒。利用紋影系統(tǒng)捕捉火焰細(xì)節(jié)特征，紋影系統(tǒng)拍攝頻率為2000幀/秒。充入油氣時將蓋板蓋上，打開氣泵并開啟1和2號閥門，氣泵產(chǎn)生氣流攪拌瓶內(nèi)汽油，形成氣泡充入容器中，油氣濃度升高，用GXH-1050型CH濃度測試儀監(jiān)測油氣濃度；當(dāng)油氣濃度達(dá)到要求時，關(guān)閉1、2閥門并打開3、4閥門，繼續(xù)吹氣循環(huán)使氣體混合均勻，當(dāng)油氣濃度穩(wěn)定后，關(guān)閉氣泵和所有閥門。利用火花發(fā)生裝置點(diǎn)火，點(diǎn)火電壓為1500 V，點(diǎn)火能范圍為0～10 J，誤差±0.1 J。完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備后，撤掉蓋板，利用同步控制裝置完成高能點(diǎn)火器、動態(tài)采集系統(tǒng)、高速攝影儀的啟動。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)初始條件

基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展油氣爆燃實(shí)驗(yàn)，每個實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，具體初始條件見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)初始條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 受限空間內(nèi)外部超壓峰值變化特性

2.1.1 正超壓峰值Δ1和Δ2圖2為油氣濃度1.56%和2.23%時的壓力曲線，結(jié)果表明不同濃度時壓力曲線有較高相似性，因此以1.56%濃度時超壓曲線為例分析超壓峰值變化。超壓峰值Δ1出現(xiàn)在0.036 s，僅PT1和PT2測點(diǎn)出現(xiàn)，大小為0.097 kPa。此時火焰鋒面抵達(dá)頂部開口，表示燃燒產(chǎn)物開始泄放，故Δ1為燃燒產(chǎn)物泄流正超壓。爆燃超壓大小主要受兩個過程影響：油氣燃燒過程和氣體泄放過程[5,13]，前者使超壓升高，后者使超壓降低，但爆燃初期（0～0.036 s）油氣燃燒過程占優(yōu)勢，使超壓增大。當(dāng)火焰鋒面抵達(dá)開口后，燃燒產(chǎn)物開始泄放，由于燃燒產(chǎn)物密度低于未燃油氣密度，而且泄放體積流量與密度呈反比，這使得體積流量增大從而又導(dǎo)致壓力下降，最終出現(xiàn)峰值Δ1[5]。Δ1大小僅為0.097 kPa，這說明先期泄放的未燃油氣和后期泄放的已燃?xì)怏w密度差較小，無法形成明顯的壓力差。

圖2 內(nèi)外場壓力時序曲線

超壓峰值Δ2大小為0.28 kPa (0.056 s)，此時火焰呈蘑菇云狀，火焰亮度較大且相對“濃密”，表明外部燃燒最為猛烈，因此峰值Δ2是由外部油氣迅速燃燒形成，即外部爆燃超壓[1,3,7]。促使外部爆燃發(fā)生與加劇因素主要有3個：①已燃?xì)怏w加速泄放增強(qiáng)了湍流，火焰變?yōu)槊钔牧骰鹧?，如圖3(a)所示；②內(nèi)場低密度已燃?xì)怏w向外場高密度未燃油氣加速加劇了R-T不穩(wěn)定性[5,12]，火焰褶皺增多，燃燒面積增大，如圖3(b)所示；③切向速度差誘導(dǎo)的K-H不穩(wěn)定性[5,12]和壓力梯度與密度梯度斜交誘導(dǎo)的斜壓效應(yīng)[17]使火焰沿水平方向拉伸形成渦旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增大了燃燒范圍，如圖3(c)所示。外部油氣被引燃后，3種因素相互耦合并產(chǎn)生正反饋效應(yīng)，產(chǎn)生外部爆燃，最終形成峰值Δ2。

圖3 外場典型火焰行為紋影圖像

2.1.2 內(nèi)外場測點(diǎn)超壓峰值的差異性 由圖2可以看出，內(nèi)外場超壓時序曲線具有一定的差異性，主要體現(xiàn)在兩個方面。

（1）外場測點(diǎn)（PT3和PT4）處僅出現(xiàn)峰值Δ2，無峰值Δ1，原因在于容器頂部全開，點(diǎn)火后油氣邊燃燒邊泄放，未形成明顯的憋壓，油氣未經(jīng)壓縮就泄放至空間外部，與已燃?xì)怏w的密度差較小，無法產(chǎn)生足夠大的響應(yīng)值。

（2）測點(diǎn)PT3在0.03～0.055 s時段內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，數(shù)值約為-0.08 kPa，點(diǎn)火后油氣向外泄放，在開口附近由于K-H不穩(wěn)定和R-M不穩(wěn)定性[23-25]的影響，流場內(nèi)出現(xiàn)旋渦，如圖4所示。

PT3恰好位于渦核區(qū)，由旋渦理論可知，渦核區(qū)域的壓強(qiáng)要小于外部環(huán)流區(qū)域的壓強(qiáng)，且沿旋渦軸向具有一定壓力梯度，而且由圖2(b)可得，在PT3形成負(fù)壓的時間段內(nèi)（0.0～0.055 s），旋渦外部區(qū)域測點(diǎn)（PT4）超壓近似為零，因此PT3在該時段內(nèi)出現(xiàn)明顯的負(fù)壓。

圖4 外場未燃?xì)怏w渦旋紋影圖像

2.2 初始濃度對超壓峰值的影響

2.2.1 超壓峰值Δ1和Δ2隨濃度的變化規(guī)律 圖2表明不同測點(diǎn)的超壓變化特征有一定相似性，為了完整地反映峰值Δ1和Δ2的變化特征，以PT1的測量結(jié)果為分析對象。

圖5反映了峰值Δ1和Δ2的變化規(guī)律，隨著初始油氣濃度增加，Δ1和Δ2均先增大后減小，Δ1和Δ2平均最大值分別為0.16和0.4 kPa，最大峰值對應(yīng)濃度為1.88%。

圖5 超壓峰值隨初始油氣濃度的變化關(guān)系（PT1）

當(dāng)濃度較低時，較少的油氣釋放的能量較少，也難以生成足夠多的自由基，限制了化學(xué)反應(yīng)速率；另外泄放到外部的油氣濃度較低，導(dǎo)致已燃?xì)怏w和外部未燃?xì)怏w的密度相差不大，低濃度的外部油氣也無法產(chǎn)生強(qiáng)度較大的外部爆燃，因此低濃度條件下峰值Δ1和Δ2均較小。

隨著始濃度增大，油氣量增多，釋放的能量增多，同時產(chǎn)生更多自由基，提高了化學(xué)反應(yīng)速率；另外，由于層流火焰速度隨濃度的升高而增大[10]，較快的火焰速度導(dǎo)致點(diǎn)火后很短的時間內(nèi)火焰就傳播至開口，外部油氣不具備足夠的擴(kuò)散和稀釋的時間，導(dǎo)致外部油氣被點(diǎn)燃時處于較“濃密”的狀態(tài)，產(chǎn)生較強(qiáng)的外部爆燃，油氣濃度為1.88%時，Δ1和Δ2均達(dá)到最大。

當(dāng)初始濃度進(jìn)一步升高，體系內(nèi)油氣過剩，油氣處于不完全燃燒狀態(tài)，能量釋放量減少，而且較高的油氣濃度使得體系內(nèi)自由基的濃度降低，減慢了化學(xué)反應(yīng)速度，從而使超壓峰值下降。

2.2.2 超壓峰值比例系數(shù)隨濃度的變化關(guān)系 峰值Δ1和Δ2分別是由已燃物泄流和外部爆燃導(dǎo)致，二者比值可反映泄流和外部爆燃的強(qiáng)度差異，定義比例系數(shù)

(1)

圖5給出了隨濃度的變化關(guān)系，隨著油氣濃度的增加，先增大后減小，而且當(dāng)濃度在1.37%～2.23%范圍時，其數(shù)值約為2.6，比其余濃度下的大，說明此濃度范圍內(nèi)外部爆燃會產(chǎn)生相對更大的超壓峰值。當(dāng)油氣濃度為1.37%～2.23%時，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，從點(diǎn)火到火焰泄出開口的時間很短，泄出的未燃油氣沒有足夠時間擴(kuò)散和稀釋，在高濃度和壓縮度的狀態(tài)下被引燃，形成相對更猛烈的外部爆燃，產(chǎn)生更大的外部爆燃峰值Δ2。

2.3 油氣爆燃過程中火焰行為變化規(guī)律

2.3.1 火焰形態(tài)隨時間的變化規(guī)律 圖6為3種典型濃度條件下，油氣爆燃火焰形態(tài)的高速攝像圖片。從圖像來看，火焰形態(tài)隨時間的變化可分為3個階段：容器內(nèi)的球狀層流火焰?zhèn)鞑ルA段，火焰沖出開口后在外場的加速與拉伸階段，火焰的潰散熄滅 階段。

以1.19%濃度條件為例分析火焰行為隨時間的變化規(guī)律。第1階段為層流火焰?zhèn)鞑ルA段，如圖6(a)中0～0.074 s所示。點(diǎn)火后火焰為淡藍(lán)色球狀光滑層流火焰，并緩慢向開口方向傳播；火焰內(nèi)部含有暗紅色燃燒區(qū)域（0.036 s），該區(qū)域?yàn)楦咛荚臃肿臃磻?yīng)過程中生成炭粒受熱發(fā)光所導(dǎo)致[26]。

第2階段為加速與拉伸階段，如圖6(a)中0.090～0.136 s所示。當(dāng)火焰開口泄出時，低密度燃燒產(chǎn)物向外部高密度未燃油氣的加速形成R-T不穩(wěn)定，火焰前鋒面褶皺增多[5,12]，增強(qiáng)了湍流[5,12]；切向速度差誘導(dǎo)產(chǎn)生的K-H不穩(wěn)定[5,12]和密度梯度與壓力梯度斜交誘導(dǎo)產(chǎn)生的斜壓效應(yīng)使流場擾動增強(qiáng)，并形成渦旋。在湍流、R-T不穩(wěn)定、K-H不穩(wěn)定、渦旋效應(yīng)的作用下，火焰沿水平方向翻轉(zhuǎn)卷曲，向外擴(kuò)展形成蘑菇云狀火球，火球的最大直徑約為0.48 m。

第3階段為潰散熄滅階段，如圖6(a) 0.166 s所示。隨著容器外的油氣燃燒，火焰無法繼續(xù)維持蘑菇云狀，并變形潰散，直至外部火焰完全熄滅。

圖6 不同初始濃度條件下火焰行為隨時間的變化規(guī)律

2.3.2 油氣濃度對火焰形態(tài)及顏色的影響 從圖6中可以得出，不同濃度條件下火焰形態(tài)和火焰顏色總體上具有相似性，即火焰形態(tài)經(jīng)歷“球狀層流火焰→拉伸變形→蘑菇云狀火焰→變形潰散”的變化過程，火焰顏色為“藍(lán)綠色前鋒面+橙紅色內(nèi)核”[26-29]組合，其細(xì)節(jié)受初始濃度影響。

從火焰形態(tài)來看，低濃度（1.19%）下，點(diǎn)火后火焰為光滑球形，從開口噴出后形成蘑菇云狀火焰并迅速潰散，整個過程持續(xù)時間和傳播范圍均較小。而隨著濃度的升高（2.52%），火焰鋒面出現(xiàn)褶皺和變形，形成蘑菇云狀火焰后繼續(xù)沿豎直方向蔓延（2.52%，0.52 s）。這種差異主要由高濃度油氣不均勻燃燒形成的火焰褶皺和外部大量油氣燃燒產(chǎn)生的熱浮力導(dǎo)致而成。

表2 不同濃度下火焰顏色

從火焰顏色來看，隨著濃度升高，火焰逐漸由“淡藍(lán)+暗紅”組合變?yōu)椤八{(lán)綠+亮黃”的組合[26-29]。表2為不同濃度條件下火焰顏色的變化規(guī)律。

油氣爆燃簡化反應(yīng)如式（2）～式（7）所示

CH（高碳組分）CH（低碳組分） (2)

CH（低碳組分）+O2CH+CO (3)

CH（低碳組分）+O2C+CO (4)

CH+OOH+CO (5)

CO+O2CO2(6)

OH+O2O+H2O (7)

油氣混合物含有多種碳?xì)浣M分，點(diǎn)火后各組分的燃燒反應(yīng)幾乎同時啟動。低濃度下的主要反應(yīng)為式（2）、式（3）、式（5）～式（7），其中式（5）～式（7）是形成藍(lán)色光的主要反應(yīng)[26-30]。反應(yīng)（4）生成高溫碳顆粒產(chǎn)生紅色光[26,29-30]，低濃度條件下參加反應(yīng)（4）的組分極少，產(chǎn)生的紅色光亮度較弱。

隨著油氣濃度升高，較多的油氣使反應(yīng)（3）和（4）同時進(jìn)行，藍(lán)色火焰和橙紅色火焰同時存在。而油氣濃度進(jìn)一步升高時，氧含量相對不足，反應(yīng)（4）成為主要反應(yīng)，而反應(yīng)（3）所占比重逐漸減小，導(dǎo)致火焰顏色為亮黃色[31]。

表3 火焰?zhèn)鞑ルA段的時間節(jié)點(diǎn)

2.3.3 油氣濃度對火焰各階段持續(xù)時間的影響 根據(jù)火焰行為隨時間的變化，可以獲得不同濃度下油氣爆燃3個階段的時間節(jié)點(diǎn)以及各階段所占的時間比例，如表3所示。

從表3可以得出，各階段持續(xù)時間和其所占比例受濃度的影響。隨著濃度增大，第1、第2階段比例先減小后增加，第3階段比例先增加后減小，說明不同濃度下火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@差別。而且隨著濃度升高，第3階段所占的比例明顯變大，以2.05%濃度為例，其第3階段的持續(xù)時間為0.136 s，為前兩個階段所占時間總和的1.58倍，占整個爆燃持續(xù)時間的61.26%。因此隨著濃度的提高，油氣潰散熄滅燃燒階段占據(jù)主要部分，該階段燃燒較為“緩和”，不會產(chǎn)生猛烈的火焰速度瞬變。

2.3.4 油氣濃度對火焰速度和火球直徑的影響 火焰速度和外部火球直徑是油氣爆燃過程中的重要參數(shù)，定義火球直徑為外部火焰沿水平方向擴(kuò)展到最大范圍時的直徑，定義各階段的火焰平均速度為

(8)

式中，ave為整個階段過程中平均火焰速度，m·s-1；Δ為整個階段過程中火焰前鋒面的運(yùn)動距離；Δ為整個階段過程的總持續(xù)時間。

從圖7可以得出，隨著初始濃度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹎蛑睆骄仍龃蠛鬁p小。

火焰平均傳播速度與濃度的關(guān)系可用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，最大速度所對應(yīng)的油氣濃度均為1.69%，其速度值分別為7.36和12.09 m·s-1，另外加速與拉伸階段（第2階段）的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫哂趯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ルA段（第1階段）?；鹎蛑睆诫S濃度的變化關(guān)系近似可用三次多項(xiàng)式來擬合，最大火球直徑為0.64 m，對應(yīng)濃度為1.88%。低濃度條件下泄放到外部的油氣較少，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?，外部油氣被引燃前已擴(kuò)散稀釋，無法形成大范圍火球。隨著濃度的升高，泄放到外部的油氣增多，火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅紡?qiáng)度均增大，火焰沿橫向拉伸更為明顯，火球直徑增大。當(dāng)油氣濃度過高時，大量油氣持續(xù)燃燒形成較大的熱浮力，從而導(dǎo)致火焰主要沿豎直方向傳播擴(kuò)張，另外高濃度條件下爆燃強(qiáng)度較弱，無法形成明顯橫向拉伸，火球直徑變小。

圖7 不同濃度下的平均火焰速度及火球直徑

2.4 開口大小對油氣爆燃過程中關(guān)鍵參數(shù)的影響

局部開口的大小對油氣爆燃過程中的超壓及火焰參數(shù)均有明顯影響，圖8、圖9分別給出了油氣濃度為1.88%時不同開口條件下最大超壓值和火焰參數(shù)隨開口率的變化關(guān)系。

從圖8可以得出，超壓峰值Δ1和Δ2均隨著開口率的增加而減小。如當(dāng)開口率為20%時，Δ1和Δ2分別為1.10和1.76 kPa，而開口率為100%時，Δ1和Δ2分別為0.072和0.137 kPa。導(dǎo)致這種差異原因是開口率會影響泄流和外部爆燃強(qiáng)度。第一，當(dāng)開口率較低時，油氣泄放口部面積迅速下降，產(chǎn)生較大擾動并生成更強(qiáng)的湍流，從而增強(qiáng)了燃燒的強(qiáng)度；其次，小口條件下泄放到外部的油氣相對集中，不僅增大了外部未燃?xì)怏w和內(nèi)部已燃?xì)怏w的密度差，而且避免了油氣過度擴(kuò)散，保證了外部未燃油氣被引燃時仍處于高濃度和高密度狀態(tài)，短時間內(nèi)會油氣迅速燃燒產(chǎn)生更強(qiáng)的外部爆燃，從而使Δ1和Δ2均增大。

圖8 不同開口率條件下的最大超壓

圖9 不同開口率條件下的平均火焰速度及火球直徑

圖9表明開口率對火球直徑和第2階段（泄流后的加速與拉伸階段）的火焰速度有較明顯的影響，而對第1階段的火焰速度影響較弱。從火焰速度來看，第1階段主要是油氣在容器內(nèi)的層流燃燒傳播過程，相同油氣濃度條件下該過程無明顯差異，因此開口率對第1階段火焰速度無明顯影響。對于第2階段，較小的開口不僅可以帶來更強(qiáng)的擾動，也增強(qiáng)了容器內(nèi)外的壓力差，從而使得整個過程處于強(qiáng)泄流狀態(tài)，產(chǎn)生更強(qiáng)的湍流和界面不穩(wěn)定性，最終使火焰不斷加速運(yùn)動，火焰速度更大；而隨著開口的增大，產(chǎn)生的擾動強(qiáng)度逐漸減小，加速效應(yīng)較弱，使火焰速度不斷降低。從火球直徑來看，當(dāng)開口較小時，泄放過程中沿豎直方向的速度較大，從而使未燃油氣主要沿豎直方向運(yùn)動，沿水平方向的擴(kuò)展范圍較小，因此火焰球直徑較?。浑S著開口的增大，相對較高的泄放速度可以保證K-H不穩(wěn)定和斜壓效應(yīng)的強(qiáng)度較大，從而使得火焰沿水平方向的擴(kuò)展運(yùn)動，使得泄放到外部的油氣擴(kuò)展范圍變大，增大了火焰直徑；當(dāng)開口率進(jìn)一步增大，由于泄放速度較小，K-H不穩(wěn)定和斜壓效應(yīng)的強(qiáng)度較弱，火焰沿水平方向的擴(kuò)展和翻轉(zhuǎn)的范圍較小，因此火球直徑減小。

3 結(jié) 論

（1）油氣爆燃過程中內(nèi)場出現(xiàn)兩個超壓峰值，分別為已燃?xì)怏w泄流峰值和外部爆燃峰值，外場僅出現(xiàn)外部爆燃峰值，外部爆燃是造成最大超壓的主要因素，內(nèi)外最大超壓峰值無明顯差異。在爆燃過程中，開口附近會產(chǎn)生旋渦并形成負(fù)壓區(qū)域。

（2）隨著初始濃度的升高，超壓峰值呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)初始濃度為1.88%時，兩個超壓峰值均達(dá)到最大。外部爆燃超壓峰值大于泄流超壓峰值，當(dāng)初始濃度范圍為1.37%～2.23%時，外部爆燃超壓峰值約為泄流超壓峰值的2.6倍。

（3）火焰?zhèn)鞑ミ^程劃分為球狀層流火焰階段、加速與拉伸階段、潰散熄滅階段?；鹧嬖趥鞑ミ^程中受湍流、R-T不穩(wěn)定、K-H不穩(wěn)定、斜壓效應(yīng)的影響，形成蘑菇云狀火焰。

（4）初始濃度會影響火焰形態(tài)、火焰顏色、各階段持續(xù)時間、火球直徑、平均火焰速度。隨著濃度的增大，火焰形態(tài)由光滑球形火焰變?yōu)轳薨櫱蛐位鹧妫伾傻{(lán)色變?yōu)榱咙S色；球狀層流火焰階段和加速拉伸階段所占的時間比重先減小后增加，潰散熄滅階段所占的時間比重先增加后減小，隨著濃度的升高，火焰?zhèn)鞑ミ^程中的主要階段為潰散熄滅階段?；鹎蛑睆脚c濃度的關(guān)系可用三次多項(xiàng)式來描述，最大直徑為0.64 m，對應(yīng)濃度為1.88%，平均火焰速度與濃度的關(guān)系可用二次多項(xiàng)式描述，第1階段和第2階段的最大速度值分別為7.36和12.09 m·s-1，對應(yīng)濃度為1.69%。

（5）開口率對爆燃超壓、加速與拉伸階段的火焰速度和火球直徑均有明顯影響。隨著開口率的降低，超壓峰值Δ1和Δ2均增大，火球直徑先增大后減小，加速與拉伸階段的火焰速度減小。

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Overpressure transients and flame behaviors of gasoline-air mixture deflagration in confined space with local opening

WANG Shimao1,2, DU Yang1,2, LI Guoqing1,2, QI Sheng1,2, WANG Bo1,2, LI Yangchao1,2

(Department of Petroleum Supply Engineering,Logistical Engineering University, Chongqing 401331, China;2Chongqing Key Laboratory of Fire and Explosion Safety, Chongqing 401331, China)

Experiments on gasoline-air mixture deflagration in the confined space with a local opening was carried out. Overpressure transients and flame behaviors under different concentration were acquired and the results showed that: there were two overpressure peaks inside the vessel but only one outside the vessel, and negative pressure zone was formed near the opening.The maximum value of internal and external overpressure were the same and both of them were caused by external deflagration. The value of overpressure peak showed the trend of first increasing and then decreasing with the increase of concentration, and the concentration corresponding to maximum overpressure peaks was 1.88%. The process of flame propagation could be divided into three stages, and the flame shape, color, duration of each stage, diameter of external fireball and average flame speed were dominated by initial concentration.With the increase of the concentration, the blue laminar flame with smooth front was changed into bright yellow flame with wrinkled front, and the duration of laminar propagating stage as well as accelerating and distorting stage showed the same trend of first increasing and then decreasing, but the duration of extinguishing stage showed a decreasing trend. The relationship between the diameter of fireball and concentration could be fitted by cubic polynomial, and the flame speed of 1stand 2nd stage could be fitted by quadratic polynomial. With the increase of opening ratio, the pressure peaks and flame speed of 2ndstage showed a decreasing trend, and the diameter of fireball showed a first increasing and then decreasing trend.

local opening; confined space; gasoline-air; mixture; explosion; experimental validation

10.11949/j.issn.0438-1157.20161640

X 932

A

0438—1157（2017）08—3310—09

杜揚(yáng)。第一作者：王世茂（1990—），男，博士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51276195）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYB16128，CYB17150）。

2017-01-18收到初稿，2017-03-24收到修改稿。

2017-01-18.

Prof. DU Yang, duyang58@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51276195) and the Graduate Research Innovation Project of Chongqing (CYB16128, CYB17150).