油氣爆炸在細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)的振蕩傳播特性

王 波， 杜 揚(yáng)， 齊 圣， 袁廣強(qiáng)， 王世茂

(后勤工程學(xué)院 供油系， 重慶 401311)

油氣爆炸在細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)的振蕩傳播特性

王 波， 杜 揚(yáng)， 齊 圣， 袁廣強(qiáng)， 王世茂

(后勤工程學(xué)院 供油系， 重慶 401311)

針對(duì)細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)汽油蒸氣-空氣混合氣爆炸的振蕩傳播特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究表明：細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)的油氣爆炸分為振蕩和非振蕩兩種爆炸模式；振蕩爆炸超壓呈現(xiàn)出鋸齒狀振蕩特征，其超壓增長(zhǎng)期由4個(gè)階段組成：第1階段無明顯的壓力上升；第2階段的高壓力上升速率與快速的火焰有關(guān)；第3階段的超壓振幅以拋物線形式增長(zhǎng)，此階段是否有壓力振蕩與油氣濃度、管道長(zhǎng)徑比有關(guān)，第3階段的振蕩周期隨時(shí)間減小，振蕩周期與火焰鋒面前方的未燃區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)；第4階段的超壓振幅以指數(shù)形式增長(zhǎng)，振蕩周期趨于穩(wěn)定并隨管道長(zhǎng)度的增加呈線性關(guān)系增加，振蕩周期受到油氣濃度的影響；振蕩爆炸只在一定油氣濃度范圍內(nèi)發(fā)生，且振蕩爆炸的發(fā)生與油氣濃度、管道長(zhǎng)徑比有關(guān)；振蕩爆炸極限范圍及其在油氣的爆炸極限內(nèi)所占比例均隨管道長(zhǎng)徑比的增加而增大。

細(xì)長(zhǎng)密閉管道； 油氣； 長(zhǎng)徑比； 振蕩爆炸； 振幅； 周期

汽油是易揮發(fā)的烴類液體燃料，它本身是不爆炸的，但是其蒸氣能夠容易地與空氣混合形成可燃?xì)怏w爆炸環(huán)境，油氣爆炸事故時(shí)有發(fā)生，常造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，如2005年倫敦邦斯菲爾德油庫(kù)爆炸事故[1]。密閉油氣管道，如輸油結(jié)束之后富油氣狀態(tài)的管道，如果發(fā)生爆炸，將比長(zhǎng)徑比約為1的密閉體內(nèi)的純超壓爆炸造成的破壞更嚴(yán)重[2]。前期已有作者對(duì)密閉空間中油氣的起燃和爆炸傳播規(guī)律開展研究，杜揚(yáng)等[3]研究發(fā)現(xiàn)高溫?zé)岜跅l件下油氣著火模式為燃燒、熱爆燃和熱爆炸；吳松林等[4]研究表明不同點(diǎn)火方式下油氣爆燃的起燃條件、起燃速度及火焰顏色存在很大的區(qū)別，爆炸超壓峰值受到點(diǎn)火方式的影響；張培理等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)分支管道能夠提升油氣爆炸的最大超壓、壓力上升速率及火焰速度等。以往的研究主要是針對(duì)油氣的著火模式、超壓峰值等爆炸特性，已有研究表明封閉管道內(nèi)的瓦斯爆炸呈明顯的振蕩特征，振蕩使得最大爆炸超壓較開口型系統(tǒng)內(nèi)的高[7]，但針對(duì)油氣在密閉管道內(nèi)爆炸的振蕩傳播特性研究還未見相關(guān)報(bào)道，這一特性的研究對(duì)油氣管道爆炸防控具有重大意義。近年來許多學(xué)者針對(duì)管道長(zhǎng)徑比對(duì)可燃?xì)怏w爆炸的超壓、爆燃指數(shù)、火焰速度等重要參數(shù)的影響開展了相關(guān)研究，例如，崔益清等[8]研究了球形容器接管后接管長(zhǎng)度對(duì)球形容器內(nèi)和管道末端甲烷氣體爆炸強(qiáng)度的影響；Razus等[9-11]研究表明碳?xì)淙剂?空氣混合物在長(zhǎng)徑比L/D=1-2.5的密閉圓管中爆炸時(shí)的爆燃指數(shù)KG受到圓管長(zhǎng)徑比的影響；Bi等[12]研究發(fā)現(xiàn)甲烷在長(zhǎng)徑比L/D=6-10.35的密閉管道中爆燃時(shí)的最大火焰速度隨長(zhǎng)徑比的增大線性增加。但針對(duì)管道長(zhǎng)徑比對(duì)油氣爆炸的振蕩傳播特性的影響研究還未見相關(guān)報(bào)道。鑒于此，本文利用汽油蒸氣-空氣混合氣作為爆炸反應(yīng)介質(zhì)，重點(diǎn)研究油氣爆炸在細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)的振蕩傳播特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

油氣爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1所示，由實(shí)驗(yàn)管道、壓力采集系統(tǒng)、油氣霧化循環(huán)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰信號(hào)采集系統(tǒng)、油氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)試系統(tǒng)等組成。在實(shí)驗(yàn)中使用了4種不同長(zhǎng)徑比的鋼制圓管道，其尺寸參數(shù)如表 1所示，直徑10 cm的圓管有四節(jié)，長(zhǎng)度分別為30 cm、71 cm、86 cm、86 cm，可以自由組合成管道C0、C1、C2、C3，在法蘭連接處使用密封墊圈以保證結(jié)合部位的氣密性。管道C3上傳感器的布置如圖 2所示，F(xiàn)i為火焰?zhèn)鞲衅鳎琍1為壓力傳感器，F(xiàn)S1為火焰強(qiáng)度傳感器，作為火焰?zhèn)鞲衅鞯难a(bǔ)充。壓力采集系統(tǒng)采用TST6300動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，最高采樣率200 ksps，壓力傳感器采用ZXP610型壓阻式壓力傳感器，量程為0～2 MPa，安裝于管端法蘭中心上。點(diǎn)火系統(tǒng)采用WGDH-5型高能無干擾點(diǎn)火器，點(diǎn)火頭安裝于另一端法蘭中心上，點(diǎn)火器點(diǎn)火是通過電容器充電放電實(shí)施的，根據(jù)W=(CU2)/2公式可以換算得到點(diǎn)火能量，在實(shí)驗(yàn)中采用1 μF電容、1 500 V電壓，即點(diǎn)火能量為1.125 J?；鹧嫘盘?hào)采集系統(tǒng)采用HSJ-2型火焰?zhèn)鞑バ盘?hào)采集器，采樣頻率為1 kHz，主要用于采集兩測(cè)點(diǎn)之間的火焰持續(xù)時(shí)間Δt，火焰速度可以由式ν=Δx/Δt計(jì)算得到(Δx為兩測(cè)點(diǎn)之間的距離)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 管道C3上傳感器的布置示意圖(cm)

每次實(shí)驗(yàn)前先對(duì)管道進(jìn)行充氣。分壓原理配氣方法主要用于常溫下為氣態(tài)的可燃?xì)怏w，針對(duì)汽油這種特殊介質(zhì)并不適用，因此設(shè)計(jì)了專用的配氣系統(tǒng)。圖 1所示的油氣霧化循環(huán)系統(tǒng)由電磁式空氣泵、球閥、油瓶、三通等組成，空氣泵的流量為50 L/min。配氣時(shí)，打開1、4號(hào)球閥并關(guān)閉2、3號(hào)球閥，空氣泵產(chǎn)生的氣流從液面下吹掃油瓶?jī)?nèi)的汽油時(shí)，會(huì)在液面上產(chǎn)生大量氣泡，加速油氣的揮發(fā)并將其吹入循環(huán)回路中，充入管道。待充入一定油氣后，關(guān)閉1、4號(hào)球閥，打開2、3號(hào)球閥，繼續(xù)循環(huán)攪拌使得油氣混合均勻，同時(shí)利用GX-1050E型CH濃度測(cè)試儀對(duì)管內(nèi)油氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)管內(nèi)油氣濃度趨于穩(wěn)定時(shí)，關(guān)閉空氣泵和所有閥門。

表1 密閉管道的尺寸參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)油氣振蕩爆炸的一般特征

圖3和圖 4分別給出了管道C3(L/D=24.3)中不同濃度時(shí)油氣爆炸的壓力、火焰前鋒位置及火焰速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。從圖 3可以看出，油氣爆炸超壓增長(zhǎng)期由4個(gè)階段組成，以油氣濃度1.6%的爆炸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

第1階段(0～19.6 ms)為點(diǎn)火初期，油氣爆炸反應(yīng)僅發(fā)生在點(diǎn)火點(diǎn)附近，參與反應(yīng)的油氣量較少，壓力無明顯上升。此階段火焰鋒面遠(yuǎn)離壁面，未受到壁面的約束，因此，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嗉涌欤?9.6 ms時(shí)的火焰速度達(dá)到27.8 m/s。第2階段(19.6～41.5 ms)的持續(xù)時(shí)間為21.9 ms，此階段結(jié)束時(shí)的壓力pmax2為0.722 bar，壓力上升速率曲線上有兩個(gè)壓力上升速率峰值，把在此階段取得的峰值記為(dp/dt)max1。圖 5給出了管道C3中的最大壓力上升速率隨油氣濃度變化的規(guī)律，濃度1.6%的油氣爆炸超壓的第一個(gè)壓力上升速率峰值(dp/dt)max1為64.842 bar/s(34.9 ms)，而最大火焰速度為83.33 m/s(31.78 ms)，顯然第一個(gè)壓力上升速率峰值(dp/dt)max1是在最大火焰速度已經(jīng)達(dá)到之后取得的，因此第2階段的高壓力上升速率與快速的火焰有關(guān)。從圖 4可以看出，在第2階段火焰經(jīng)歷了兩次加速過程，火焰速度從第1階段結(jié)束時(shí)的27.8 m/s(19.6 ms)增加到43.1 m/s(27.05 ms)，再到83.33 m/s(31.78 ms)，在這兩次加速過程中，火焰在軸向上被快速地拉長(zhǎng)，這將使得火焰面積大幅度增加，進(jìn)而引起高質(zhì)量燃燒速率，最終導(dǎo)致第2階段的高壓力上升速率和爆炸初期階段的顯著超壓。第3階段(41.5～126 ms)的持續(xù)時(shí)間為84.5 ms，大約為達(dá)到最大爆炸壓力所需時(shí)間Tmax的47.83%。當(dāng)油氣爆炸進(jìn)入超壓增長(zhǎng)期第3階段后，壓力振蕩立即開始，壓力曲線呈現(xiàn)出鋸齒狀特征，并以“拋物線”形式振蕩上升。第4階段(126～176.65 ms)的持續(xù)時(shí)間為50.65 ms，大約為達(dá)到最大爆炸壓力所需時(shí)間Tmax的28.67%。當(dāng)油氣爆炸進(jìn)入第4階段后，立即改變了壓力振蕩方式，而又以“指數(shù)”形式振蕩上升，振幅增長(zhǎng)速度明顯加快，最終達(dá)到了8.98 bar的超壓峰值。而實(shí)際情況是大多數(shù)建筑物和工業(yè)結(jié)構(gòu)在第2階段的超壓作用下就會(huì)失效[13]，從爆炸安全的角度來看，第3階段和第4階段是不相關(guān)的，除非這些構(gòu)筑物能夠承受第2階段的超壓1倍以上的壓力。把在第3階段和第4階段內(nèi)取得的壓力上升速率峰值記為(dp/dt)max2，從圖 5可以看出，振蕩爆炸提高了油氣爆炸超壓的壓力上升速率，如濃度1.6%的第二個(gè)壓力上升速率峰值(dp/dt)max2為93.993 bar/s，而濃度1.35%時(shí)則高達(dá)144.237 bar/s。顯然，振蕩爆炸比一般爆炸更具破壞性。

(a) 1.6%

(b) 1.35%

(c) 1.24%

(a) 1.6%

(b) 1.35%

(c) 1.24%

表 2給出了密閉管道內(nèi)油氣的爆炸極限和振蕩爆炸極限。振蕩爆炸只在一定油氣濃度范圍內(nèi)(即振蕩爆炸極限內(nèi))發(fā)生，因此振蕩爆炸的發(fā)生與油氣濃度有關(guān)。同時(shí)隨著管道長(zhǎng)徑比的增加，爆炸極限范圍逐漸收窄，而振蕩爆炸極限范圍卻逐漸放寬，這是由振蕩爆炸下限降低和振蕩爆炸上限升高引起的，如管道C0中的振蕩爆炸下限為1.61%，而管道C3中僅為0.96%，結(jié)果是振蕩爆炸極限范圍在整個(gè)油氣爆炸極限內(nèi)的占比會(huì)隨著管道長(zhǎng)徑比的增加而增大，如管道C0中的振蕩爆炸極限范圍占比僅為25%，而管道C1、C2和C3中的占比分別高達(dá)61.2%、71.03%、80.4%。從表 2還看出，僅管道C2(L/D=15.7)和管道C3(L/D=24.3)中的油氣爆炸超壓增長(zhǎng)期第3階段有壓力振蕩發(fā)生，因此超壓增長(zhǎng)期第3階段是否有壓力振蕩與管道的長(zhǎng)徑比密切相關(guān)。

此外，振蕩爆炸的發(fā)生也與可燃?xì)怏w的種類有關(guān)，例如，Movileanu等[14]發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道長(zhǎng)徑比為2.4(L=20 cm)時(shí)乙烯-空氣混合氣在爆炸過程中沒有壓力振蕩發(fā)生，Phylaktou等[15]發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道長(zhǎng)徑比為6.2(L=100 cm)時(shí)甲烷-空氣混合氣在爆炸過程中也沒有壓力振蕩發(fā)生，而汽油蒸氣-空氣混合氣在長(zhǎng)徑比為3的管道C0(L=30 cm)內(nèi)仍有振蕩爆炸發(fā)生。

表2 密閉管道內(nèi)油氣的爆炸極限和振蕩爆炸極限

圖5 管道C3(L/D=24.3)中的最大壓力上升速率

圖6給出了管道C3中不同油氣濃度下爆炸超壓隨時(shí)間變化的規(guī)律。結(jié)合表 2，在油氣的爆炸極限范圍內(nèi)，C2、C3等較大長(zhǎng)徑比管道內(nèi)的油氣爆炸壓力有三種上升發(fā)展模式：① 在超壓增長(zhǎng)期內(nèi)沒有壓力振蕩發(fā)生，如油氣濃度0.95%(C3)時(shí)；② 經(jīng)過第1、第2和第3階段的壓力發(fā)展之后，最后在超壓增長(zhǎng)期的第4階段才出現(xiàn)壓力振蕩，如油氣濃度1.16%(C3)時(shí)；③ 超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束后壓力振蕩立即開始，一直到達(dá)到最大爆炸壓力，如油氣濃度1.24%(C3)時(shí)。而C0、C1等較小長(zhǎng)徑比管道內(nèi)的油氣爆炸壓力則只有(1)和(2)兩種上升發(fā)展模式。

圖6 油氣爆炸過程中的壓力演化：1-0.95 vol.%；2-1.16 vol.%；3-1.24 vol.%

Fig.6 Pressure evolution during explosions of gasoline-air mixture in tube C3 (L/D=24.3): 1-0.95 vol.%; 2-1.16 vol.%; 3-1.24 vol.%

圖7給出了三種不同長(zhǎng)徑比管道中濃度為1.35%時(shí)油氣爆炸超壓隨時(shí)間變化的規(guī)律。從圖 7看出，當(dāng)油氣濃度為一定值時(shí)，不同長(zhǎng)徑比管道中油氣爆炸壓力有不同的演化過程，在管道C0中，在油氣爆炸過程中沒有壓力振蕩發(fā)生，而在更大長(zhǎng)徑比管道C1和管道C3中均有壓力振蕩發(fā)生，說明壓力振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)與管道長(zhǎng)徑比密切相關(guān)。在管道C1中，只在第4階段才有壓力振蕩發(fā)生，然而在管道C3中，爆炸超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束后壓力振蕩立即開始，且與管道C1相比，管道C3中振蕩的振幅更大。從表 2可以看到，僅管道C2和C3中的油氣爆炸超壓增長(zhǎng)期第3階段有壓力振蕩發(fā)生，其振蕩極限范圍分別為0.73%和0.96%，且在各自的整個(gè)振蕩爆炸極限內(nèi)的占比分別為48.03%和61.54%，顯然隨著管道長(zhǎng)徑比的增加，第3階段有壓力振蕩的極限范圍逐漸增大。表 3給出了濃度為1.35%時(shí)油氣爆炸超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束時(shí)的爆炸參數(shù)，結(jié)合圖 7，超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束時(shí)的壓力pmax2隨著管道長(zhǎng)徑比的增加而逐漸減小，從管道

1. 管道C0(L/D=3)； 2. 管道C1(L/D=8.6)； 3. 管道C3(L/D=24.3)

Fig.7 Pressure evolution during explosions of a 1.35% gasoline-air mixture: 1-tube C0 (L/D=3); 2-tube C1 (L/D=8.6); 3-tube C3 (L/D=24.3)

C0(L/D=3)中的2.58 bar，減小到管道C1(L/D=8.6)中的1.1 bar，再到管道C3(L/D=24.3)中的0.774 bar。同時(shí)，管道的長(zhǎng)徑比越大，超壓增長(zhǎng)期第1階段和第2階段的持續(xù)時(shí)間之和越短，而第3階段和第4階段的持續(xù)時(shí)間之和越長(zhǎng)，在管道C0、C1和C3中，超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束時(shí)的時(shí)間t2分別為54.6 ms、40.7 ms和37.1 ms，顯然，超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束時(shí)的壓力pmax2均是在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到的，因此為細(xì)長(zhǎng)密閉管道配備的任何泄壓系統(tǒng)或抑爆系統(tǒng)都應(yīng)該有非常快的響應(yīng)。

表3 濃度為1.35%時(shí)油氣爆炸超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束時(shí)的爆炸參數(shù)

2.2超壓振蕩幅值及周期分析

2.2.1 超壓振蕩幅值分析

上面已經(jīng)提到，細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)的油氣爆炸超壓呈明顯的鋸齒狀振蕩特征，而由于研究條件的不同，一端封閉一端開口管道內(nèi)的爆炸超壓呈近似正弦波形狀振蕩[16]，說明邊界條件對(duì)氣體爆炸超壓特征有影響。在油氣爆炸初期階段，由于燃燒反應(yīng)速度較慢，產(chǎn)生的壓力波的超壓較小，壓力反射波在管道內(nèi)傳播時(shí)，受到阻尼的影響會(huì)很快消散掉，不會(huì)出現(xiàn)壓力振蕩。隨著燃燒反應(yīng)速度逐漸加快，火焰鋒面溫度不斷升高，產(chǎn)生的壓力反射波在傳播過程中不能完全消散，于是會(huì)在管道內(nèi)往復(fù)反射，呈現(xiàn)出振蕩特征。此外，火焰加速機(jī)理導(dǎo)致能量釋放增強(qiáng)，從而快速激發(fā)爆炸容器中的聲學(xué)共振，引起壓力振蕩[17]。圖 8和圖 9分別給出了油氣爆炸超壓增長(zhǎng)期第3階段和第4階段的振蕩幅值隨時(shí)間變化的規(guī)律，超壓增長(zhǎng)期第3階段內(nèi)振蕩升壓和振蕩降壓部分的幅值分別以拋物線形式隨時(shí)間增長(zhǎng)，而超壓增長(zhǎng)期第4階段內(nèi)振蕩升壓和振蕩降壓部分的幅值則分別以指數(shù)形式隨時(shí)間增長(zhǎng)，由圖 3和圖 4可知，超壓上升過程伴隨著火焰速度的變化，因此兩階段呈現(xiàn)不同的振蕩方式是與火焰-壓力波相互作用密切相關(guān)的，火焰減速產(chǎn)生的膨脹波激發(fā)了火焰與壓力波的相互作用[18]。以管道C3中濃度1.6%的油氣爆炸為例，當(dāng)油氣爆炸進(jìn)入超壓增長(zhǎng)期第3階段后，火焰速度一直在下降，但仍然維持在較高值，同時(shí)爆炸超壓相對(duì)較小，壓力波對(duì)火焰鋒面的擾動(dòng)不強(qiáng)烈，能促進(jìn)火焰鋒面的燃燒反應(yīng)，其反應(yīng)放熱僅能使超壓振幅以增長(zhǎng)速度較慢的拋物線形式增長(zhǎng)。當(dāng)油氣爆炸進(jìn)入超壓增長(zhǎng)期第4階段后，火焰還需要向前傳播一段距離才能抵達(dá)管端，火焰鋒面移動(dòng)較慢，其最大火焰速度僅為6.51 m/s，而經(jīng)過第3階段的壓力上升發(fā)展之后，爆炸超壓達(dá)到了較高值，壓力波能對(duì)火焰鋒面造成強(qiáng)烈擾動(dòng)，利于前方未燃?xì)獾目焖偃紵?，反?yīng)放熱速率大幅提高，超壓振幅會(huì)以增長(zhǎng)速度更快的指數(shù)形式增長(zhǎng)。然而超壓振蕩并不會(huì)一直持續(xù)下去，當(dāng)管道內(nèi)的油氣消耗殆盡，不能為超壓發(fā)展提供能量支持時(shí)，加之壁面散熱和粗糙度等因素的影響，超壓在達(dá)到峰值以后會(huì)很快衰減，超壓衰減期的振幅呈負(fù)指數(shù)衰減，如圖 10所示，相比于濃度1.35%，濃度1.24%的振幅衰減速度更快。

(a) L/D=24.3(C3)

(b) L/D=24.3(C3)

(c) L/D=15.7(C2)

(a) L/D=8.6(C1)

(b) L/D=8.6(C1)

(c) L/D=3(C0)

(d) L/D=3(C0)

圖10 管道C3(L/D=24.3)中油氣爆炸超壓衰減階段的振蕩幅值

Fig.10 Amplitude of decay phase of gasoline-air explosion overpressure in tube C3 (L/D=24.3)

2.2.2 超壓振蕩周期分析

為了研究超壓振蕩特征，對(duì)油氣爆炸超壓振蕩增長(zhǎng)期的振蕩周期進(jìn)行了計(jì)算分析。圖 11給出了油氣濃度為1.35%時(shí)振蕩周期和火焰鋒面前方未燃區(qū)長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律，振蕩周期是變化的，在超壓增長(zhǎng)期第3階段內(nèi)，振蕩周期隨時(shí)間減小，而在增長(zhǎng)期第4階段內(nèi)，振蕩周期趨于穩(wěn)定，有小幅波動(dòng)并維持在5.8 ms左右。從圖 11看出，未燃區(qū)長(zhǎng)度隨時(shí)間減小，而當(dāng)未燃區(qū)長(zhǎng)度在156.4～39.8 cm范圍內(nèi)時(shí)，振蕩周期也隨時(shí)間減小，說明振蕩周期與火焰前鋒和封閉端之間未燃區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)。Petchenko等[19]通過直接數(shù)值模擬研究了從管道開口端到封閉端的預(yù)混火焰?zhèn)鞑?，發(fā)現(xiàn)火焰形狀和燃燒速率呈明顯的振蕩特征，認(rèn)為火焰前鋒到封閉端的距離(實(shí)際就是未燃區(qū)長(zhǎng)度)控制著火焰前鋒和封閉端之間壓力波的狀態(tài)參數(shù)。隨著燃燒的進(jìn)行，火焰速度、未燃區(qū)長(zhǎng)度均隨時(shí)間減小，未燃?xì)庵械膲嚎s波強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，從而?duì)壓力反射波的影響逐漸減弱，振蕩周期不斷降低，而當(dāng)未燃區(qū)長(zhǎng)度小于39.8 cm時(shí)，未燃?xì)庵械膲嚎s波對(duì)壓力反射波幾乎無影響，壓力反射波能比較自由地傳播，振蕩周期趨于穩(wěn)定。表 4給出了油氣爆炸超壓增長(zhǎng)期第4階段的振蕩周期和振蕩頻率。管道長(zhǎng)度對(duì)振蕩周期的影響如圖 12所示，當(dāng)油氣濃度為一定值時(shí)，振蕩周期隨著管道長(zhǎng)度的增加呈線性關(guān)系增加，如油氣濃度為1.72%時(shí)的振蕩周期和管道長(zhǎng)度之間的線性擬合式為：t=-0.065 4+2.318L。油氣濃度對(duì)振蕩周期的影響如圖 13所示，管道C1、C2及C3內(nèi)的振蕩周期與油氣濃度的關(guān)系可用2次函數(shù)描述，如管道C1內(nèi)的擬合式為：t=0.577x2-2x+3.655，最小的振蕩周期在油氣濃度1.72%附近取得，而管道C0內(nèi)的振蕩周期受油氣濃度的影響較小，維持在0.65 ms左右，不滿足2次函數(shù)式。

圖11 管道C3(L/D=24.3)中濃度為1.35%時(shí)油氣爆炸超壓增長(zhǎng)階段的振蕩周期及未燃區(qū)長(zhǎng)度

Fig.11 Oscillation periods and length of unburned zone for growing phases of a 1.35% gasoline-air mixture explosion overpressure in tube C3 (L/D=24.3)

圖12 不同油氣濃度下振蕩周期隨管道長(zhǎng)度的變化

Fig.12 Variation of oscillation periods with tube length under different gasoline-air mixture concentrations

表4密閉管道中油氣爆炸超壓第4階段的振蕩周期和

振蕩頻率

Tab.4Oscillationperiodsandfrequenciesofthe4thstageofgasoline-airexplosionoverpressureinclosedtubes

汽油蒸氣(vol.%)L/D=3(C0)L/D=8.6(C1)L/D=15.7(C2)L/D=24.3(C3)振蕩周期振蕩頻率振蕩周期振蕩頻率振蕩周期振蕩頻率振蕩周期振蕩頻率1.35--2.05003.82635.81721.720.616671.95263.652745.61821.850.616671.955133.82635.81722.10.714282.05003.92566.051652.47--2.24544.52227.1141注:振蕩周期的單位為ms,振蕩頻率的單位為Hz

圖13 油氣濃度對(duì)振蕩周期的影響

由以上分析可知，細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)的油氣爆炸為高頻高壓的振蕩爆炸，產(chǎn)生的振蕩壓力波極易使得管壁金屬材料發(fā)生高溫蠕變，可能導(dǎo)致管道的塑性斷裂，對(duì)管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響，因此應(yīng)該避免振蕩爆炸的發(fā)生。

3 結(jié) 論

針對(duì)細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)汽油蒸氣-空氣混合氣爆炸的振蕩傳播特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過分析爆炸數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：

(1) 細(xì)長(zhǎng)密閉管道內(nèi)的油氣爆炸超壓呈鋸齒狀振蕩特征，振蕩爆炸超壓增長(zhǎng)期由4個(gè)階段組成：第1階段無明顯的壓力上升，但點(diǎn)火后火焰速度卻在快速增大；第2階段的高壓力上升速率與快速的火焰有關(guān)；第3階段的超壓振幅以拋物線形式增長(zhǎng)，此階段是否有壓力振蕩與油氣濃度、管道長(zhǎng)徑比有關(guān)，隨著管道長(zhǎng)徑比的增加，第3階段有壓力振蕩的極限范圍逐漸增大；第4階段的超壓振幅以指數(shù)形式增長(zhǎng)。

(2) 油氣爆炸壓力有三種上升發(fā)展模式：在超壓增長(zhǎng)期內(nèi)沒有壓力振蕩發(fā)生；只在超壓增長(zhǎng)期的第4階段才出現(xiàn)壓力振蕩；超壓增長(zhǎng)期第2階段結(jié)束后壓力振蕩立即開始，一直到達(dá)到最大爆炸壓力。

(3) 振蕩爆炸只在一定油氣濃度范圍內(nèi)(即振蕩爆炸極限內(nèi))發(fā)生，而且振蕩爆炸的發(fā)生與油氣濃度、管道長(zhǎng)徑比有關(guān)。隨著管道長(zhǎng)徑比的增加，振蕩爆炸極限范圍逐漸放寬，振蕩爆炸極限在油氣爆炸極限內(nèi)所占比例逐漸增大。

(4) 振蕩周期是隨時(shí)間變化的，超壓增長(zhǎng)期第3階段的振蕩周期隨時(shí)間減小，振蕩周期與火焰前鋒和封閉端之間未燃區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)，而超壓增長(zhǎng)期第4階段的振蕩周期趨于穩(wěn)定，振蕩周期隨著管道長(zhǎng)度的增加呈線性關(guān)系增加，同時(shí)振蕩周期也受到油氣濃度的影響。

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Oscillationpropagationcharacteristicsofgasoline-airmixtureexplosioninelongatedclosedtubes

WANG Bo, DU Yang, QI Sheng, YUAN Guangqiang, WANG Shimao

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Oscillation propagation characteristics of gasoline-air mixture explosion were tested in several elongated closed tubes. The results showed that gasoline-air mixture explosion has two modes including oscillation and non-oscillation; oscillation explosion overpressures exhibit a saw-toothed oscillation characteristic, their growth interval consists of four stages; the 1st stage has no significant increase in pressure; the high rate of pressure rise for the 2nd stage is associated with very fast flame speed; the overpressure amplitude of the 3rd stage grows in a parabolic curve form, if there is a pressure oscillation at this stage is related to gasoline-air mixture concentration and tube’s length to diameter ratio, the oscillation period of this stage decreases with increase in time, the oscillation period is related to the length of unburned zone in front of flame front; the overpressure amplitude of the 4th stage increases exponentially, the oscillation period tends to be stable and increases linearly with increase in tube length, it is also affected by gasoline-air mixture concentration; oscillations explosions occur only within a certain range of gasoline-air mixture concentration, the occurrence of oscillation explosion is associated with gasoline-air mixture concentration and tube’s length to diameter ratio; the limit range of oscillation explosion and its proportion in the gasoline-air explosion limit increase with increase in tube’s length to diameter ratio.

elongated closed tube; gasoline-air mixture; length to diameter ratio; oscillation explosion; amplitude; period

國(guó)家自然科學(xué)基金(51276195)

2016-09-21 修改稿收到日期：2016-10-25

王波 男，博士，1988年生

杜揚(yáng) 男，博士，教授，1958年生

X932

： A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.17.016