含弱約束受限空間油氣爆炸外部特性研究

王世茂， 杜 揚， 李國慶， 齊 圣， 李陽超， 徐長航

(1. 中國人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系， 重慶 401311;2. 中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

含弱約束受限空間油氣爆炸外部特性研究

王世茂1， 杜 揚1， 李國慶1， 齊 圣1， 李陽超1， 徐長航2

(1. 中國人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系， 重慶 401311;2. 中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

構(gòu)建了含弱約束面的受限空間油氣爆炸模擬實驗系統(tǒng)，對含有弱約束的受限空間油氣爆炸外部特性進行了實驗研究。實驗獲得了容器外部不同位置處爆炸超壓隨時間的變化規(guī)律，同時利用高速攝影系統(tǒng)記錄了爆炸火焰發(fā)展變化過程。研究結(jié)果表明：① 豎直方向和水平方向爆炸壓力隨時間變化規(guī)律均為“破膜與泄流正超壓→最大負超壓→外部爆燃正超壓→二次負超壓”，豎直方向上最大爆炸壓力要略大于水平方向上的最大爆炸壓力。② 隨著油氣濃度的增加，爆炸超壓先增大后減小，在初始油氣濃度為1.79%時爆炸超壓達到最大值。③ 隨著比例距離的增大，外部爆炸超壓呈負指數(shù)規(guī)律遞減。④ 火焰形態(tài)變化過程可分為“噴射引燃階段→卷曲變形階段→蘑菇云狀火焰階段→衰弱熄滅階段”，火焰最大高度為0.85 m，最大直徑為0.6 m。

油氣； 受限空間； 弱約束； 外部爆炸特性； 超壓； 火焰

油氣、天然氣等具有易燃、易爆、易揮發(fā)的性質(zhì)，近年來，由于油氣、天然氣泄漏所發(fā)生的爆炸事故不斷發(fā)生，造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。油氣爆炸易發(fā)生在油罐、泵房、操作間、閥室等受限空間中，這類受限空間均含有弱鏈接罐頂、門、窗、塑料隔膜等強度較弱且在爆炸荷載作用下易變形破壞的弱約束面。若此類空間中發(fā)生油氣爆炸，弱約束面遭到破壞，沖擊波和火焰從破壞口沖出，使得工況急劇變化，形成泄放式爆炸，對人員及設(shè)備安全造成極大威脅，甚至?xí)茐钠渌O(shè)備導(dǎo)致更嚴重的泄漏及爆燃，進而引發(fā)連鎖安全事故。因此，系統(tǒng)研究含有弱約束面受限空間油氣爆炸特性，確定弱約束面破壞后受限空間外部超壓變化及火焰發(fā)展特性，對預(yù)測油氣爆炸的毀傷效應(yīng)、研究防爆抑爆安全措施、構(gòu)建油氣爆燃安全評估標(biāo)準(zhǔn)有著重要的參考價值。

對于受限空間內(nèi)部可燃氣體爆炸特性，現(xiàn)階段的主要研究內(nèi)容為不同形狀的全封閉容積式受限空間內(nèi)[1-5]以及不同結(jié)構(gòu)的全封閉管道式受限空間內(nèi)[6-11]可燃氣體爆炸壓力及火焰發(fā)展規(guī)律；而對于可燃氣體爆炸外流場的研究，當(dāng)前主要集中于甲烷、氫氣等可燃氣體的泄爆外流場特性，而針對油氣混合介質(zhì)研究相對欠缺，因此本文用93#汽油蒸汽——空氣混合物作為實驗介質(zhì)，對含弱約束面受限空間油氣爆炸的外部超壓場及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律特性進行了實驗研究，并對其實驗規(guī)律進行了相應(yīng)的機理分析。

1 實驗系統(tǒng)與方案

1.1 實驗系統(tǒng)

如圖1所示，含弱約束面受限空間油氣爆炸實驗系統(tǒng)由實驗容器、濃度測試儀、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、同步控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)等組成。容器直徑0.27 m，高0.26 m，頂部設(shè)置開口，開口率為80%，用鋁箔泄爆膜片作為弱約束面對頂端進行封口，膜片承壓能力為25 kPa。為測量容器外部不同位置處壓力的變化情況，在容器外沿豎直和水平方向設(shè)置壓力傳感器陣列，傳感器型號為ZXP-660，量程為0～10 kPa；豎直方向傳感器標(biāo)號為P1——P4，到弱約束面的垂直距離分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m；水平方向傳感器標(biāo)號為P5——P8，到頂部中心的水平距離分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m。利用真空泵系統(tǒng)進行配氣時，只打開1、2號閥門，真空泵產(chǎn)生的高速氣流會沖擊瓶內(nèi)汽油并產(chǎn)生氣泡，從而將油氣通過配氣管路充入實驗容器；待充入一定濃度的油氣后，關(guān)閉1、2號閥門，打開3、4號閥門，對容器內(nèi)的混合氣進行循環(huán)攪拌，最終使油氣在容器內(nèi)均勻分布。用高速攝影儀對火焰形態(tài)變化過程進行捕捉。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

1.2 實驗方案

為系統(tǒng)研究不同初始濃度條件下含弱約束面受限空間油氣爆炸外部特性，在圖1所示的實驗系統(tǒng)中，以初始濃度為1.07 %、1.30 %、1.56 %、1.79 %、1.98 %、2.20 %、2.48 %、2.75%的油氣混合物進行爆炸實驗，并對受限空間外部壓力變化特性和火焰形態(tài)變化規(guī)律進行測量，實驗初始條件如表1所示。

表1 實驗條件

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 容器外部爆炸超壓隨時間變化規(guī)律

2.1.1 容器外部沿豎直方向超壓隨時間的變化規(guī)律

如圖2(a)所示，頂部含有弱約束結(jié)構(gòu)的受限空間外部沿豎直方向上爆炸壓力隨時間變化規(guī)律為“破膜與泄流正超壓——最大負超壓——外部爆燃正超壓——二次負超壓”。

以測點P1為例對油氣爆炸超壓隨時間的變化過程進行分析，當(dāng)點火后，容器內(nèi)油氣發(fā)生爆燃使得壓力上升，最終導(dǎo)致弱約束面破裂(0.054 s)，內(nèi)部憋壓泄放使外部超壓增大，同時高速運動的氣流沖擊在測點感應(yīng)面上也使得壓力上升，二者相互耦合共同作用形成破膜泄流超壓Pbrust/fv，大小為3.05 kPa。隨著約束膜的破裂，已燃氣體隨火焰外泄使得外場密度迅速下降，從而形成導(dǎo)致超壓下降并產(chǎn)生最大負超壓Pneg，大小為-3.35 kPa。未燃油氣泄出后在外部形成內(nèi)形成高密度、高濃度的油氣云團，當(dāng)外部油氣云團被引燃后迅速燃燒并在短時間內(nèi)釋放能量，從而引發(fā)外部爆燃(0.06 s)，壓力迅速上升并外部爆燃超壓峰值Pext，大小為8.52 kPa。當(dāng)外部爆燃結(jié)束后，高密度油氣在外部爆燃過程中變?yōu)榈兔芏热紵a(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物在爆炸熱流的推動下進一步擴散，使得外部氣體處于低密度狀態(tài)，同時由于外部爆炸產(chǎn)生的熱量迅速散失，使得外部溫度降低；二者共同作用誘導(dǎo)形成使壓力迅速降低至并形成二次負超壓Psec neg，大小為-1.083 kPa。

(a) 沿豎直方向的外部超壓——時間曲線

(b) 沿水平方向的外部超壓——時間曲線

2.1.2 容器外部沿水平方向超壓隨時間的變化規(guī)律

容器外部沿水平方向超壓隨時間、變化規(guī)律如圖2(b)所示，從圖中可以看出，頂部含有弱約束結(jié)構(gòu)的受限空間外部沿水平方向爆炸壓力隨時間變化規(guī)律為“破膜與泄流正超壓——最大負超壓——外部爆燃正超壓——二次負超壓”。以測點P5為例，第一個超壓峰值所是由泄爆膜破壞和已燃氣體外泄(0.054 s)共同作用所導(dǎo)致的，其數(shù)值約為2.95 kPa。隨后由于大量已燃氣體外泄，使得外場密度下降，產(chǎn)生最大負超壓，大小約為-3.9 kPa。隨后外部油氣被引燃后產(chǎn)生外部爆燃超壓Pext，大小為5.38 kPa(0.060 s)。當(dāng)外部爆燃發(fā)生后，由外部爆燃所產(chǎn)生的低密度燃燒產(chǎn)物在爆炸熱流的推動下擴散稀釋，外部氣體處于低密度狀態(tài)，外部爆燃帶來的熱量損失也使得溫度下降，從而誘導(dǎo)二次負超壓Psec neg的形成，大小為-1.404 kPa。

2.1.3 容器外部不同位置爆炸超壓峰值差異性及機理分析

表2給出了外部不同測點處超壓峰值的變化情況，從表2中可以看出，容器外部不同位置處爆炸超壓峰值行為具有明顯的差異性，其主要差異性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：① 沿豎直方向上的超壓峰值要高于沿水平方向上的超壓峰值：對于破膜泄流超壓Pbrust/fv，P1和P5的壓力值分別為3.05 kPa和2.96 kPa；對于外部爆炸超壓Pext，P1和P5的壓力值分別為8.53 kPa和5.35 kPa。② 對于最大負超壓Pneg，近場位置處豎直方向壓力值要大于水平方向壓力值(P1和P5分別為-3.34 kPa和-3.96 kPa)，遠場位置處豎直方向壓力值要大于水平方向壓力值(P4和P8分別為-0.63 kPa和-0.40 kPa)。③ 沿豎直方向上二次負超壓Pnegsec數(shù)值的衰減速率明顯大于水平方向，以測點P3、P4和P7、P8為例，P3和P4處二次負超壓僅為-0.46 kPa和-0.29 kPa，而P7和P8處二次負超壓仍保持-0.92 kPa和-0.40 kPa。

表2 不同測點處爆炸超壓特征

從能量釋放角度來看，超壓值大小體現(xiàn)了油氣爆炸能量釋放量的大小，外部某點附近的油氣濃度越大，則油氣爆炸釋放能量越多，該點處的超壓值越大。

當(dāng)弱約束結(jié)構(gòu)破壞時，在爆炸壓力的驅(qū)動作用下，未燃油氣迅速噴出容器，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生沿著豎直方向的強泄流效應(yīng)，驅(qū)動未燃油氣沿豎直方向高速運動，這就使得未燃油氣主要沿著豎直方向擴散；而當(dāng)高速運動的油氣噴入相對靜止的外部大氣時，在不穩(wěn)定因素的作用下，壓力梯度與密度梯度不再平行而是出現(xiàn)了相交，產(chǎn)生斜壓效應(yīng)，使得流場內(nèi)出現(xiàn)渦旋，渦旋的橫向拉伸效應(yīng)驅(qū)動油氣沿水平方向擴散。由于沿豎直方向上的強泄流驅(qū)動效應(yīng)要遠大于沿水平方向渦旋拉伸效應(yīng)，因此未燃油氣仍主要是沿豎直方向分布，水平方向上油氣濃度相對較小，因此被點燃后沿豎直方向的能量釋放率較大，從而形成較大的外部爆燃超壓Pext。

另外，當(dāng)弱約束膜破壞后，已燃油氣隨火焰噴射而出，產(chǎn)生強泄流。由于已燃氣體密度較小而且泄流過程具有較大的慣性，因此導(dǎo)致破膜與泄流超壓峰值生成后壓力迅速降低，從而形成最大負超壓Pneg。在遠場位置，沿豎直方向泄流慣性效應(yīng)較為明顯，使得最大負超壓相對與沿水平方向的測點處更小。

2.2 初始條件對油氣爆炸超壓的影響

對于含有單個弱結(jié)構(gòu)的受限空間，當(dāng)空間內(nèi)部的油氣含量已知時，其外部不同位置處的爆炸超壓主要受兩個因素制約：① 外部某點到受限空間幾何中心的相對距離;② 受限空間本身的幾何屬性，由于本文采用圓柱筒作為實驗容器，因此定義圓柱筒的中心為原點，綜合考慮相對距離和幾何屬性兩種因素，定義無量綱數(shù)比例距離，其定義式為

(1)

式中：Hver和Lhor分別為豎直方向比例距離和水平方向比例距離。h和r分別為外部某測點到原點的垂直直線距離和水平直線距離，m。H和R分別為原點到頂部開口的垂直距離和原點到筒壁的水平距離，m。本文所用的實驗容器原點為筒體中心，則H和R分別為0.135 m和0.13 m。

圖3給出了不同初始油氣濃度條件下油氣爆炸外部超壓與比例距離的關(guān)系。

2.2.1 初始油氣濃度對爆炸超壓的影響

從圖3可以看出，隨著油氣濃度的增加，爆炸超壓先增大后減小，當(dāng)初始油氣濃度為1.79%時，各測點處爆炸超壓明顯高于其他濃度條件下的爆炸超壓，因此定義1.79%為最危險油氣濃度。油氣濃度對爆炸超壓的影響機理主要體現(xiàn)在能量釋放量和化學(xué)反應(yīng)速率上：

(1) 當(dāng)初始油氣濃度較小時，空氣較為富余，整個反應(yīng)體系內(nèi)油氣量不足，油氣爆炸所釋放的能量也相對較小；另外，較少的油氣量導(dǎo)致整個反應(yīng)過程中產(chǎn)生的活化基團相對不足，使得整個爆炸反應(yīng)體系中化學(xué)反應(yīng)速率較低，能量無法在短時間內(nèi)快速釋放，因此低濃度條件下超壓值相對小。

(a) 超壓值與水平方向比例距離之間的關(guān)系

(b) 超壓值與豎直方向比例距離之間的關(guān)系

Fig.3 Relationship curves of external overpressure and proportional distance under different concentration

(2) 隨著初始油氣濃度增大，參與反應(yīng)的油氣量增多，所能量釋放的能量也較多；另外，較多的油氣也產(chǎn)生較為充足的活化基團，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，因此超壓值逐漸增大并在初始濃度為1.79%時達到最大值。

(3) 當(dāng)油氣濃度進一步增大時，油氣過剩，容器中的氧氣不足以支撐油氣完全燃燒，油氣在不完全燃燒時其蘊含的化學(xué)能無法完全釋放；另外，由于油氣濃度過高，導(dǎo)致整個反應(yīng)體系中活化基團的濃度降低，減慢了化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致超壓值降低。

2.2.2 爆炸超壓與相對距離的變化關(guān)系

以最危險油氣濃度即CCH=1.79%的工況為例，受限空間外部爆炸超壓隨著比例距離的增大而減?。簭膱D3中可以看出，當(dāng)豎直方向比例距離分別為2.48(測點P1)和6.92(測點P4)時，外部超壓分別為8.53 kPa和1.28 kPa；當(dāng)水平方向比例距離分別為2.54(測點P5)和7.15(測點P8)時，外部超壓分別為5.35 kPa和0.85 kPa，根據(jù)圖3可以擬合出最危險濃度下超壓與比例距離的關(guān)系式，為

(2)

根據(jù)圖3和式(2)可以得出，隨著外部測點到弱約束面中心的距離增加，爆炸超壓值呈指數(shù)減小的趨勢，這是由于點火后容器內(nèi)壓力升高最終導(dǎo)致約束面破壞，高度壓縮未燃油氣從破壞口噴射而出形成油氣云團，當(dāng)油氣云團被引燃后迅速爆炸，產(chǎn)生的壓力隨著距離的增加而衰減。另外，在豎直方向的爆炸超壓要明顯大于沿水平方向的爆炸超壓，這是由于弱約束破壞瞬間，油氣大量噴出，沿豎直方向的驅(qū)動力為破膜引發(fā)的強泄流效應(yīng)和內(nèi)部燃燒引發(fā)的上升熱流，二者共同作用使得油氣在沿豎直方向上具有較大的運動速度，因此油氣也集中分布在豎直方向上；而沿水平方向由于沒有受到超壓擠壓和燃燒熱流推舉的影響，其主要驅(qū)動力為斜壓效應(yīng)誘導(dǎo)生成的渦旋，這種驅(qū)動力遠小于沿豎直方向上強泄流和上升熱流產(chǎn)生的驅(qū)動力，油氣在水平方向上的濃度也就相對較小。油氣在空間上的不均勻分布導(dǎo)致爆炸能量釋放的不均勻分布，油氣含量多的區(qū)域，能量釋放較多，因此豎直方向上的爆炸超壓要大于沿水平方向上的爆炸超壓。

2.3 容器外部火焰行為研究

圖4為典型的含弱約束面受限空間油氣爆炸外部火焰發(fā)展變化過程，從圖4中可以看出，含弱約束面受限空間油氣爆炸外部火焰形態(tài)變化過程為“噴射引燃階段→卷曲變形階段→蘑菇云狀火焰階段→衰弱熄滅階段”。

圖4 火焰形態(tài)變化規(guī)律

噴射引燃階段(54 ms)：點火后容器內(nèi)油氣爆炸使得壓力升高，最終導(dǎo)致約束面破裂，高度壓縮的未燃油氣從破壞口噴出。由于前期憋壓的作用，內(nèi)外的壓力差較大，從而引發(fā)強泄流效應(yīng)，火焰陣面向容器口加速運動，最終沖出破壞口形成噴射狀火焰。

卷曲變形階段(60～68 ms)：由界面穩(wěn)定理論可知，由燃燒產(chǎn)物組成的低密度的流體向壓縮的未燃油氣組成的高密度流體的加速是不穩(wěn)定的，稱為R-T不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定性導(dǎo)致火焰失穩(wěn)變形，并產(chǎn)生大量褶皺[12-14]；另外，燃燒反應(yīng)放出的熱量使火焰鋒面前方溫度上升，氣體受熱膨脹加速運動，進而導(dǎo)致了沿切向的速度梯度，這會誘發(fā)產(chǎn)生K-H不穩(wěn)定[1]。不穩(wěn)定性的共同作用使得流場內(nèi)湍流強度增強，火焰鋒面進一步加速，火焰加速后其鋒面上產(chǎn)生的R-T和K-H不穩(wěn)定性會進一步增強，又增強了湍流強度，從而形成了正反饋機制。這種正反饋使外部流場的結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜變化，復(fù)雜變化的流場使得油氣云團分布不再均勻，火焰開始卷曲變形，并沿水平方向拉伸，逐漸形成球狀火焰。

蘑菇云狀火焰階段(76～84 ms)：隨著火焰鋒面的擴展，R-T不穩(wěn)定性和K-H不穩(wěn)定性會逐漸增強，流場發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生斜壓效應(yīng)，流場內(nèi)形成強烈的的渦旋，體現(xiàn)在火焰鋒面上就是出現(xiàn)漩渦構(gòu)造[12]，同時外部油氣劇烈燃燒會產(chǎn)生較強的熱浮力，這會導(dǎo)致火焰沿豎直方向迅速上升拉伸，從而形成上半部分火焰直徑較大下半部分火焰直徑較小的蘑菇云狀火焰，在1.79%濃度條件下，火焰的最大高度為0.85 m，最大直徑為0.6 m。

衰弱熄滅階段(98 ms)：當(dāng)外部爆炸反應(yīng)完畢后，剩余的油氣不足以支持火焰的燃燒，火焰開始逐漸消散，無法繼續(xù)維持蘑菇云狀。當(dāng)容器外火焰完全消失時，容器內(nèi)殘余的火焰仍繼續(xù)燃燒直至完全熄滅。

3 結(jié) 論

本文構(gòu)建了頂部含弱約束面受限空間可燃氣體爆炸參數(shù)測試系統(tǒng)，并基于模擬實驗對含弱約束面受限空間油氣爆炸外部壓力及火焰相關(guān)特性進行了研究，具體結(jié)論如下：

(1) 外部壓力隨時間變化規(guī)律均為“破膜與泄流正超壓→最大負超壓→外部爆燃正超壓→二次負超壓”，且沿豎直方向上爆炸壓力要大于沿水平方向上的爆炸壓力。

(2) 隨著初始油氣濃度的增大，外部爆炸超壓呈先增大后減小的變化規(guī)律，濃度對爆炸壓力的影響主要是體現(xiàn)在能量釋放量和化學(xué)反應(yīng)速率上，最危險初始油氣濃度為1.79%。

(3) 在最危險初始油氣濃度條件下，隨著比例距離的增大，外部爆炸超壓呈負指數(shù)規(guī)律遞減，而且沿豎直方向超壓衰減更為明顯。

(4) 油氣爆炸外部火焰形態(tài)變化過程可分為“噴射引燃階段→卷曲變形階段→蘑菇云狀火焰階段→衰弱熄滅階段”。由于受到R-T不穩(wěn)定、K-H不穩(wěn)定、斜壓效應(yīng)等因素的影響，火焰陣面出現(xiàn)強烈的卷曲和褶皺，火焰的擴展范圍在蘑菇云狀火焰階段達到最大值，最大高度為0.85 m，最大直徑為0.6 m。

[1] 歐益宏, 杜揚, 蔣新生, 等. 熱源條件下油氣二次熱著火實驗[J]. 爆炸與沖擊, 2011,31(5):510-515.

OU Yihong,DU Yang,JIANG Xinsheng,et al. Secondary thermal ignition of gasoline-air mixture induced by hot source[J].Explosion and Shock Waves,2011,31(5):510-515.

[2] MOVILEANU C, GOSA V, RAZUS D. Explosion of gaseous ethylene-air mixtures in closed cylindrical vessels with central ignition[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012,235/236:108-115.

[3] CUI Y, WANG Z, JIANG J, et al. Size effect on explosion intensity of methane-air mixture in spherical vessels and pipes[J]. Procedia Engineering, 2012,45:483-488.

[4] TANG C, ZHANG S, SI Z, et al. High methane natural gas/air explosion characteristics in confined vessel[J]. Journal of Hazardous Materials, 2014,278:520-528.

[5] 楊書召, 景國勛. 受限空間瓦斯爆炸火焰與毒氣傳播研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014,33(3):257-260.

YANG Shuzhao,JING Guoxun.Study on spread of flame and noxious gas of gas explosion in confined spaces[J].Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),2014,33(3):257-260.

[6] 程浩力, 李睿, 劉德俊. 管道燃氣爆炸特性實驗研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2010,6(4):23-27.

CHENG Haoli,LI Rui,LIU Dejun.Experimental study on the explosion characteristic of combustible gas in pipelines[J].Journal of Safety Science and Technology,2010,6(4):23-27.

[7] ZHANG Q, PANG L, LIANG H M. Effect of scale on the explosion of methane in air and its shockwave[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011,24(1):43-48.

[8] EMAMI S D, RAJABI M, Che HASSAN C R, et al. Experimental study on premixed hydrogen/air and hydrogen-methane/air mixtures explosion in 90 degree bend pipeline[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013,38(32):14115-14120.

[9] NA INNA A M, PHYLAKTOU H N, ANDREWS G E. Effects of obstacle separation distance on gas explosions: the influence of obstacle blockage ratio[J]. Procedia Engineering, 2014,84:306-319.

[10] 劉謙, 林柏泉, 朱傳杰, 等. 管道長度對爆炸波前流速與超壓耦合關(guān)系影響研究[J].采礦與安全工程學(xué)報, 2014(3):476-482.

LI Qian,LIN Boquan,ZHU Chuanjie,et al.Influence of pipe length on coupled relation between flow velocity of detonation front and overpressure[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2014(3):476-482.

[11] ZHAO Z, ZHENYUAN J, HAIZHU L. Characteristics of gas explosion flow fields in complex pipelines[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2015,25(1):157-164.

[12] 姜孝海. 泄爆外流場的動力學(xué)機理研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)工程力學(xué)系, 2004.

[13] KASMANI R M, ANDREWS G E, PHYLAKTOU H N. Experimental study on vented gas explosion in a cylindrical vessel with a vent duct[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2013,91(4):245-252.

[14] TOMLIN G, JOHNSON D M, CRONIN P, et al. The effect of vent size and congestion in large-scale vented natural gas/air explosions[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015,35:169-181.

[15] LEE H G, KIM J. Numerical Simulation of the Three-dimensional Rayleigh Taylor Instability[J]. Computers & Mathematics with Applications, 2013,66(8):1466-1474.

Tests for external explosion characteristics of fuel-air mixture in a confined space with weak constraint surfaces

WANG Shimao1， DU Yang1, LI Guoqing1, QI Sheng1, LI Yangchao1, XU Changhang2

(1.Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University,Chongqing 401311, China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum (Hua Dong), Qingdao 266580, China)

An analog test system for explosion of fuel-air mixture in a confined space with weak constraint surfaces was established, and the external explosion characteristics of fuel-air mixture in the space was studied through tests. The relationship curves of explosion overpressure versus time at different locations outside the vessel were obtained, and the explosion flame development process was recorded with a high speed photographic system. The results showed that the characteristics of the external overpressure is “burst & effusion overpressure→maximum negative pressure→external explosion overpressure→secondary negative overpressure”, the maximum overpressure value in the vertical direction is higher than that in the horizontal direction; with increase in oil gas concentration, the explosion overpressure increases firstly and then decreases, when the initial oil concentration is 1.79%, the explosion overpressure reaches the maximum value; the external explosion overpressure decreases following a negative exponential law with increase in the proportional distance; the flame morphological change process is “pilot injection stage→crimping and deforming stage→mushroom shaped stage→extinction stage”, the flame’s maximum height is 0.85 m and its maximum diameter is 0.6 m.

fuel-air mixture; confined space; weak constraint; external explosion characteristics; overpressure; flame

國家自然科學(xué)基金(51276195)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(R1503020A)；建筑消防工程技術(shù)公安部重點實驗室開放課題(KFKT2014MS03)；重慶市研究生科研創(chuàng)新項目(CYB16128)

2016-10-10 修改稿收到日期：2016-11-22

王世茂 男，博士生，1990年10月生

杜揚 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1958年4月生

E-mail:duyang58@163.com

X932

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.038