置障條件下半密閉空間油氣爆炸特性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

歐益宏，李潤(rùn)，袁廣強(qiáng)，李國(guó)慶，王世茂

（1陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401311；2陸軍72489部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 265301）

置障條件下半密閉空間油氣爆炸特性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

歐益宏1，李潤(rùn)1，袁廣強(qiáng)2，李國(guó)慶1，王世茂1

（1陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401311；2陸軍72489部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 265301）

針對(duì)置障條件下容積式半密閉空間內(nèi)油氣著火爆炸特性進(jìn)行了研究，通過(guò)高速攝影等技術(shù)手段對(duì)爆炸過(guò)程中火焰形態(tài)，爆炸超壓特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大渦模擬，精確模擬了火焰與障礙物相互作用時(shí)的火焰形態(tài)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，超壓特性，與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：障礙物的存在會(huì)使火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)半球形圓錐形毛刷形的轉(zhuǎn)變，并在障礙物下游由于未燃?xì)怏w的卷吸產(chǎn)生火焰旋渦；爆炸超壓峰值的產(chǎn)生是燃燒速度與泄壓速度相互耦合作用的結(jié)果，在油氣爆炸過(guò)程中，障礙物的存在會(huì)導(dǎo)致燃燒速度以及泄壓速度的變化，進(jìn)而對(duì)超壓峰值產(chǎn)生一定的影響。

障礙物；半密閉空間；大渦模擬；油氣；湍流；混合物；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

引 言

油料在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中不可避免地?fù)]發(fā)、泄漏形成油氣，一旦產(chǎn)生爆炸，將會(huì)嚴(yán)重破壞人員生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。以往有學(xué)者針對(duì)不同空間下油氣著火爆炸特性進(jìn)行了研究[4-9]，然而這些研究大多針對(duì)連續(xù)無(wú)障礙空間，對(duì)于置障條件下油氣的爆炸特性研究較少。事實(shí)上，在如泵房、倉(cāng)庫(kù)、操作間中等油氣容易聚集的半封閉空間中，常常存在各種障礙物，如油泵、裝備以及各類支護(hù)設(shè)施等，當(dāng)爆炸火焰?zhèn)鞑サ秸系K物處，火焰會(huì)由于障礙物對(duì)氣體流場(chǎng)和火焰的擾動(dòng)引發(fā)更強(qiáng)烈的爆炸，對(duì)人員生命財(cái)產(chǎn)安全造成更大的威脅。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)置障條件下可燃?xì)怏w爆炸火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、流?chǎng)結(jié)構(gòu)以及爆炸超壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬[10-21]，研究了不同初始條件[13]下障礙物的數(shù)量[14]、間距[15-16]、結(jié)構(gòu)形狀[17]、布置方式對(duì)爆炸特性的影響，并運(yùn)用LES模型對(duì)不同置障條件下可燃?xì)怏w爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬[18-21]，得到了容器內(nèi)爆炸的火焰結(jié)構(gòu)、超壓特性，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。然而，這些研究大多針對(duì)甲烷、氫氣等單一工質(zhì)氣體在不同條件下可燃?xì)怏w爆炸的火焰結(jié)構(gòu)、超壓等表征特性，對(duì)于油氣這種混合工質(zhì)[22]在置障工況下的爆炸特性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。同時(shí)，對(duì)于置障條件油氣爆炸下火焰結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)和壓力波的耦合關(guān)系以及超壓峰值產(chǎn)生的原因還需進(jìn)行更深入的研究?；诖?，對(duì)置障條件下半密閉空間內(nèi)油氣著火爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究障礙物對(duì)油氣爆炸過(guò)程中火焰形態(tài)、爆炸超壓的影響，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大渦模擬，以精確模擬火焰與障礙物相互作用時(shí)的火焰形態(tài)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、超壓特性，重點(diǎn)分析火焰結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)與壓力波的耦合關(guān)系以及超壓峰值的產(chǎn)生機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由爆炸容器、CH濃度測(cè)試儀、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝影儀和同步控制器組成，如圖1所示。

為進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，爆炸容器分為無(wú)障與置障兩種工況，容器由截面尺寸為150 mm×150 mm、高為200 mm、壁厚為20 mm的全透明有機(jī)玻璃制成，左右兩側(cè)開(kāi)有6個(gè)直徑為20 mm的標(biāo)準(zhǔn)螺孔，頂部用聚乙烯薄膜密封，底部用鋼板密封，障礙物為 4塊150 mm×40 mm的平板，厚度為7.5 mm，平行對(duì)稱地安裝于容器兩側(cè)壁面，與容器底部的距離分別為75、125 mm，障礙物阻塞率為0.53。CH濃度測(cè)試儀為GXH-1050碳?xì)浞治鰞x（精度0.01%）。點(diǎn)火系統(tǒng)采用實(shí)驗(yàn)室定制的抗干擾點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火能量為1.6 J，點(diǎn)火頭安裝于容器底部中心位置。配氣系統(tǒng)由真空泵、油瓶、管路和閥門組成。壓力傳感器量程為0～5 kPa，測(cè)量精度為0.5%。位于側(cè)壁，距頂端50 mm，距兩邊各75 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)采集頻率為10 kHz。采集分析軟件采用成都泰斯特公司生產(chǎn)的DAP7.1。高速攝影儀為 JVC高速閃存攝像機(jī)，頻率設(shè)置為500幀/秒。采用同步控制器來(lái)保證點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝影儀的同步觸發(fā)。為避免陽(yáng)光對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的干擾，實(shí)驗(yàn)在暗室下進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)初始溫度為20℃，初始?jí)毫?.1 MPa，采用體積分?jǐn)?shù)為 1.7%的油氣（化學(xué)當(dāng)量比為1.05[23]）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校核，確保測(cè)量誤差合理。然后利用真空泵產(chǎn)生的氣流在油瓶和管路中循環(huán)，加速油氣的揮發(fā)并將其吹入循環(huán)回路中，同時(shí)用CH氣體濃度分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油氣體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)油氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.7%時(shí)，停止配氣。關(guān)閉油瓶左右兩側(cè)閥門，打開(kāi)油瓶上部閥門，使油氣混合氣體在系統(tǒng)內(nèi)自然循環(huán) 2 min，使油氣均勻混合，接著啟動(dòng)同步控制器，使點(diǎn)火系統(tǒng)、瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試儀和高速攝影儀同步觸發(fā)，對(duì)火焰圖像和壓力進(jìn)行采集。最后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀器，分析數(shù)據(jù)。為確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，取數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

由于在置障條件下的油氣爆炸是一個(gè)強(qiáng)湍流爆燃過(guò)程，因此采用較能捕捉湍流特征的壁面自適應(yīng)局部渦黏模型（WALE）的大渦模擬（LES）對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了重現(xiàn)。大渦模擬對(duì)小尺度的脈動(dòng)進(jìn)行過(guò)濾，而只對(duì)大尺度的湍流脈動(dòng)通過(guò)N-S方程進(jìn)行計(jì)算求解，而對(duì)小尺度脈動(dòng)產(chǎn)生的影響則通過(guò)亞網(wǎng)格模型進(jìn)行模型假設(shè)來(lái)模擬，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后大渦模擬的控制方程[24]為

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

反應(yīng)進(jìn)程變量c的輸運(yùn)方程

式中，ρ為密度；p為壓力；t為時(shí)間；ui、uj為速度分量；hs為顯焓；λ為熱導(dǎo)率；D為擴(kuò)散系數(shù)；ω˙為歸一化的化學(xué)反應(yīng)速率；橫線上角標(biāo)為物理空間過(guò)濾量，波浪線上角標(biāo)為質(zhì)量權(quán)重過(guò)濾量。亞網(wǎng)格熱焓通量通過(guò)梯度近似設(shè)為

式中，μSGS為亞網(wǎng)格黏度；PrSGS為亞網(wǎng)格Prandtl數(shù)；T為溫度；cp為比定壓熱容。

建立亞網(wǎng)格模型使控制方程封閉，WALE模型通過(guò)大渦速度場(chǎng)動(dòng)態(tài)地求出亞網(wǎng)格模型的系數(shù)，能夠較為精確地捕捉層流到湍流的轉(zhuǎn)變，且不需要顯式過(guò)濾[25]，計(jì)算量較小。因此采用WALE模型作為計(jì)算的亞網(wǎng)格模型。其中渦黏模型方程為

模型中

2.2 燃燒模型

在湍流預(yù)混燃燒的模擬中，火焰的厚度一般較小，若直接計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格的要求一般會(huì)比較高，因此采用的燃燒模型為Zimont模型，在該模型中，通過(guò)加厚火焰前鋒來(lái)計(jì)算湍流火焰速度

式中，A為模型常數(shù)；u'為均方速度；Ul為層流火焰速度；α=k/cp，為未燃混合物的摩爾傳熱系數(shù)；lt為湍流長(zhǎng)度尺度。

2.3 計(jì)算模型

如圖2所示，所采用的計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)臺(tái)架一致，為更精確地模擬邊界出口，在容器出口添加一600 mm×600 mm×300 mm擴(kuò)展區(qū)域，并采用邊長(zhǎng)為2 mm的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)容器區(qū)域進(jìn)行了加密處理，至外場(chǎng)區(qū)域逐漸擴(kuò)大，總網(wǎng)格數(shù)量約為106萬(wàn)個(gè)。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用有限體積法對(duì)區(qū)域進(jìn)行離散，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。初始區(qū)域溫度設(shè)置為300 K，壓力設(shè)置為大氣壓，即p=0，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程變量 c=0，在容器底部中心區(qū)域設(shè)置一個(gè)半徑為5 mm的半球形區(qū)域[26]，利用patch功能將該區(qū)域的反應(yīng)進(jìn)程變量c設(shè)為0.5，采用熱傳導(dǎo)方式模擬電火花進(jìn)行點(diǎn)火，計(jì)算區(qū)域的邊界條件設(shè)為壁面固定、封閉、絕熱、無(wú)變形、無(wú)滑移、無(wú)滲透。

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格Fig.2 Model and grid of calculation

3 結(jié)果與討論

3.1 火焰結(jié)構(gòu)

圖3為無(wú)障條件下高速攝影火焰?zhèn)鞑D像，初始時(shí)刻火焰形狀為半球形，火焰鋒面光滑，呈現(xiàn)層流燃燒狀態(tài)。t=14 ms以后由于浮力效應(yīng)和容器側(cè)壁的限制，火焰形狀由半球形變?yōu)橹讣庑?。燃燒核形狀由近似圓形拉長(zhǎng)為圓柱形。t=28 ms時(shí)，壓力波沖破聚乙烯薄膜，此時(shí)火焰還未傳播到容器口。在高溫已燃油氣的擠壓和容器內(nèi)外壓差的作用下，大量未燃油氣以較高速度泄放到空氣中，形成油氣云。由于破膜壓力小，未燃油氣泄放對(duì)火焰結(jié)構(gòu)影響較小，火焰陣面未發(fā)生明顯變化，火焰形狀一直保持指尖形，t=36 ms時(shí)，火焰?zhèn)鞑ブ寥萜骺凇?/p>

圖3 無(wú)障條件下高速攝影火焰?zhèn)鞑D像Fig.3 High-speed photographic flame propagation without obstacles

圖4 置障條件下高速攝影火焰?zhèn)鞑D像Fig.4 High-speed photographic flame propagation with obstacles

圖4為用高速攝影儀拍攝置障條件下的不同時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)，將其與圖3對(duì)比可以看出，初始階段，火焰發(fā)展基本與無(wú)障礙時(shí)保持一致，火焰呈半球形向上傳播，t=20 ms，火焰前鋒在障礙物的作用下開(kāi)始向內(nèi)擠壓，火焰陣面開(kāi)始變形，火焰由層流向湍流狀態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)變，火焰?zhèn)鞑ラ_(kāi)始加速。t=22 ms時(shí)，火焰剛好越過(guò)第1對(duì)障礙物，火焰峰面開(kāi)始向兩側(cè)拉伸。t=26 ms時(shí)，聚乙烯薄膜破裂，火焰前鋒通過(guò)第2對(duì)障礙物，此時(shí)第1對(duì)障礙物下游的火焰面開(kāi)始向兩側(cè)發(fā)生卷曲，并產(chǎn)生褶皺。t=30 ms時(shí)，火焰鋒面已經(jīng)越過(guò)第2對(duì)障礙物并開(kāi)始向兩側(cè)拉伸，呈現(xiàn)“毛刷狀”，此時(shí)第1個(gè)障礙物下游火焰面已經(jīng)形成旋渦，t=36 ms時(shí)，火焰已經(jīng)傳播至容器外部，在容器內(nèi)部的火焰迅速擴(kuò)展燃燒，形成強(qiáng)湍流火焰。

圖5為采用大渦模擬時(shí)火焰結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的三維圖，為觀察火焰鋒面結(jié)構(gòu)，選用反應(yīng)進(jìn)程變量c=0.5等值面近似視為預(yù)混燃燒面[18]，在大渦模擬中，火焰結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)半球形→圓錐形→毛刷形的轉(zhuǎn)變，并在障礙物下游由于未燃?xì)怏w的卷吸產(chǎn)生火焰旋渦，最終形成強(qiáng)湍流火焰，將圖5與圖4進(jìn)行比較，可以看到，大渦模擬很好地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，這也驗(yàn)證了 LES模型對(duì)模擬置障條件下油氣爆炸實(shí)驗(yàn)的可行性。

圖5 火焰?zhèn)鞑ゴ鬁u模擬三維時(shí)序圖Fig.5 Flame propagation large eddy simulation 3D timing diagram

3.2 火焰結(jié)構(gòu)分析

為深入分析置障條件下油氣爆炸火焰結(jié)構(gòu)變化，在驗(yàn)證了大渦模擬的有效性后，通過(guò)大渦模擬得到了火焰發(fā)展各個(gè)時(shí)期的壓力云圖和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)（圖6），并將其與火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步揭示火焰結(jié)構(gòu)、壓力波與流場(chǎng)之間的相互作用。

如圖6所示，t=20 ms時(shí)，當(dāng)火焰穿過(guò)障礙物時(shí)，火焰前驅(qū)壓力波已經(jīng)傳播至第2個(gè)障礙物，由于障礙的阻礙，壓力波傳播到障礙物下游的壓力大大減小，因此在第1對(duì)障礙物下游形成了一個(gè)壓力遞減的低壓區(qū)域，形成較大的壓力梯度。同時(shí)由于壓力波的傳播，推動(dòng)未燃?xì)怏w以較高的速度向上傳播，障礙物下游區(qū)域受到壓力波影響較小，產(chǎn)生較大的速度梯度，最終在障礙物下游產(chǎn)生了氣體旋渦區(qū)域。隨后，火焰前鋒越過(guò)第1對(duì)障礙物，由于障礙物下游與無(wú)障礙區(qū)域存在較大的速度梯度，且火焰鋒面向兩側(cè)拉伸，導(dǎo)致高溫低密度的燃燒流入低溫高密度的未燃?xì)怏w，在 Helmholtz不穩(wěn)定和Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定[27]的作用下，火焰鋒面出現(xiàn)褶皺。t=26 ms時(shí)火焰前鋒傳播到第2個(gè)障礙物，此時(shí)壓力波已經(jīng)越過(guò)第2個(gè)障礙物向上傳播至容器口，此時(shí)在兩對(duì)障礙物下游都形成了明顯的低壓圓形區(qū)域，未燃?xì)怏w繞此圓形區(qū)域形成明顯的速度旋渦，在第1對(duì)障礙物下游火焰鋒面在未燃?xì)怏w旋渦的卷吸下逐漸卷曲，并產(chǎn)生褶皺，形成弱湍流火焰，此時(shí)火焰表面積急劇增大，燃燒速率加快，壓力波同時(shí)也增強(qiáng)。t=30 ms時(shí)，火焰前鋒越過(guò)第2對(duì)障礙物并迅速向兩側(cè)擴(kuò)展呈“毛刷狀”，此時(shí)壓力波已經(jīng)傳播至容器外部，但是可以看到，第2對(duì)障礙物下游的低壓區(qū)域仍然沒(méi)有消失，圍繞低壓區(qū)域仍然具有明顯的速度旋渦。

圖6 爆炸過(guò)程火焰結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壓力云圖Fig.6 Explosion process flame structure, flow field structure and pressure cloud

3.3 爆炸超壓

圖7 為置障實(shí)驗(yàn)與大渦模擬爆炸超壓隨時(shí)間的變化，結(jié)合圖4分析實(shí)驗(yàn)壓力發(fā)展趨勢(shì)，可以看到容器內(nèi)部超壓可分為4個(gè)階段：第1階段（0～15 ms）火焰呈層流狀態(tài)傳播，火焰表面積較小，超壓上升速率較慢；第2階段（15～26 ms），由于障礙物的擾動(dòng)，火焰逐步“湍流化”，超壓開(kāi)始急劇上升，t=26 ms時(shí)，容器頂部薄膜破裂，容器內(nèi)超壓達(dá)到第 1個(gè)峰值p1=2150.9 Pa。第3階段（26～34 ms）容器內(nèi)超壓出現(xiàn)壓力猛降后迅速回升并再次下降的趨勢(shì)，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)殡S著薄膜破裂，容器變成開(kāi)口狀態(tài)，容器內(nèi)大量未燃油氣隨著壓力波泄放到外部，造成超壓下降，隨后容器內(nèi)火焰表面積逐漸增大，超壓恢復(fù)上升，并在t=31.5 ms時(shí)爆炸出現(xiàn)超壓峰值p2=2045.4 Pa，隨后，容器內(nèi)部超壓逐漸下降；第4階段（34 ms以后），當(dāng)t=34 ms時(shí)，容器內(nèi)超壓達(dá)到一個(gè)低壓峰值p3=1041.1 Pa，與文獻(xiàn)[28]不同，該峰值未能達(dá)到負(fù)壓，可能是由于觀測(cè)點(diǎn)與容器開(kāi)口端較近且容器高度較低，導(dǎo)致外部火焰壓力波傳播時(shí)間較少，壓力還沒(méi)降到負(fù)壓就在外部爆燃的作用下逐漸上升，并于36 ms時(shí)產(chǎn)生超壓峰值p4，隨后超壓下降，在反向傳播的壓力波作用下，容器外部的油氣回流，容器內(nèi)燃燒再次加劇，超壓上升，如此反復(fù)，容器內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)振幅遞減的 Helmholtz振蕩[29-30]，隨著燃料逐漸燃盡，火焰逐漸熄滅，超壓也逐漸下降為零。

圖7 置障油氣爆炸實(shí)驗(yàn)與大渦模擬超壓時(shí)序圖Fig.7 Gasoline-air mixture explosion experiment and large eddy simulation overpressure timing diagram with obstacle

通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬超壓曲線的對(duì)比，可以看到由于實(shí)驗(yàn)時(shí)在容器開(kāi)口處加上了一層薄膜，因此實(shí)驗(yàn)的超壓曲線中多出現(xiàn)了一個(gè)超壓峰值，文獻(xiàn)[17, 31]將其定義為“泄壓峰值”，該峰值的形成與容器體積、泄壓口面積、薄膜材料參數(shù)都有一定的關(guān)系[31]，而與障礙物的有無(wú)、數(shù)量并沒(méi)有直接聯(lián)系[28]。在本文實(shí)驗(yàn)中，置障條件下該峰值 p=2150 Pa，無(wú)障條件下該峰值 p=2339 Pa，數(shù)值相差不大也證明了這一結(jié)論。薄膜破裂后，容器變成開(kāi)口狀態(tài)，容器內(nèi)大量未燃油氣隨著壓力波泄放到外部，造成超壓下降，隨后容器內(nèi)火焰表面積逐漸增大，超壓恢復(fù)上升。在大渦模擬中，由于開(kāi)口端并未設(shè)置任何薄膜，因此未出現(xiàn)此峰值，若忽略此峰值點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)超壓曲線與模擬結(jié)果變化趨勢(shì)基本吻合，說(shuō)明大渦模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)的模擬是可行的。

圖8為無(wú)障礙物時(shí)油氣爆炸超壓隨時(shí)間的變化，通過(guò)圖8可以看出，無(wú)障礙物時(shí)容器內(nèi)部超壓經(jīng)歷了壓力平穩(wěn)—壓力陡升—壓力猛降后回升—振蕩衰減4個(gè)階段，在壓力變化過(guò)程中，容器內(nèi)部超壓僅出現(xiàn)了兩個(gè)峰值。與置障條件下爆炸的超壓曲線相比，“泄壓峰值”出現(xiàn)時(shí)間延后了2 ms，第2個(gè)壓力峰值則是在40 ms時(shí)才出現(xiàn)。可見(jiàn)，障礙物對(duì)容器內(nèi)部的火焰及壓力傳播都具有明顯的促進(jìn)作用。

圖8 無(wú)障油氣爆炸實(shí)驗(yàn)超壓時(shí)序圖Fig.8 Gasoline-air mixture explosion experiment overpressure timing diagram without obstacle

3.4 超壓分析

為進(jìn)一步探究火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中超壓曲線變化以及超壓峰值產(chǎn)生的原因,在大渦模擬中，將第2對(duì)障礙物下游至容器開(kāi)口處獨(dú)立出來(lái)形成一個(gè)新的“容器B”，則“容器B”變成一個(gè)有進(jìn)口、出口的通道，在此通道中分別計(jì)算容器內(nèi)的燃燒速度、泄壓速度，在Zimont模型中，平均反應(yīng)速率為

式中，ρu為未燃混合物密度；Ut為湍流火焰速度。燃燒是通過(guò)未燃油氣的燃燒反應(yīng)而使超壓上升，其速度可以用平均反應(yīng)速率vaverage對(duì)整個(gè)火焰體積V積分計(jì)算表示，即

泄壓則通過(guò)排放氣體使超壓下降，其速度可采用進(jìn)口與出口的油氣質(zhì)量流量差[32]計(jì)算表示，即

為了解超壓產(chǎn)生的機(jī)制以及障礙物在油氣爆炸超壓中起到的作用，繪制了“容器B”內(nèi)燃燒速度與泄壓速度、進(jìn)口與出口油氣質(zhì)量流量隨時(shí)間變化的對(duì)比見(jiàn)圖9。

圖9 “容器B”內(nèi)燃燒速度與泄壓速度、進(jìn)出口質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化Fig.9 "Container B" within burning speed and pressure relief rate, import and export mass flow with time

結(jié)合圖5、圖9可以看出，初始時(shí)刻（t<24 ms時(shí)），火焰尚未傳播至“容器B”，進(jìn)口質(zhì)量流量與出口質(zhì)量流量變化趨勢(shì)相同，燃燒速度與泄壓速度都在零左右波動(dòng)，通道內(nèi)處于充分泄壓狀態(tài)，因此容器內(nèi)超壓變化并沒(méi)有明顯的增加。

t=24 ms時(shí)，火焰?zhèn)鞑ブ琳系K物下游，火焰開(kāi)始在“容器B”內(nèi)發(fā)展，通道內(nèi)燃燒速度迅速增加，由于障礙物對(duì)火焰的加速作用，燃燒速度急劇增加，火焰迅速堵塞“容器B”進(jìn)口，進(jìn)口質(zhì)量流量開(kāi)始減小，出口質(zhì)量流量在燃燒的推動(dòng)下繼續(xù)上升，泄壓速度增加，由于燃燒速度的增加比泄壓速度快，超壓加速上升。

t=31 ms時(shí)，進(jìn)口質(zhì)量流量在進(jìn)口“障礙物側(cè)火焰”的堵塞下達(dá)到最小，進(jìn)口部分幾乎被堵塞，燃燒速度第1次下降到與泄壓速度相等，超壓達(dá)到第1個(gè)峰值。

t=34 ms時(shí)，在前驅(qū)壓力波推動(dòng)下向外泄出的油氣被引燃，容器外部火焰急劇增大，這使得“容器B”內(nèi)的燃燒速度也開(kāi)始上升，引燃的油氣開(kāi)始向容器內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)反向的壓力波，導(dǎo)致通道的出口質(zhì)量開(kāi)始減小，泄壓速度進(jìn)一步減小，“容器B”內(nèi)達(dá)到一個(gè)低壓峰值，在短暫的壓降之后，“容器B”內(nèi)的出口質(zhì)量流量在外部爆燃的誘導(dǎo)下恢復(fù)上升，這使得泄壓速度曲線也開(kāi)始上升，并于36 ms時(shí)與燃燒速度曲線相交，容器內(nèi)超壓達(dá)到第2個(gè)超壓峰值，由于火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中火焰與壓力波的耦合，隨后燃燒速度曲線與泄壓速度曲線不斷地相交、分離，并基于此在超壓曲線中產(chǎn)生了一個(gè)振幅遞減的Helmholtz振蕩。

總之，容器內(nèi)超壓峰值的產(chǎn)生是燃燒速度與泄壓速度耦合作用的結(jié)果，在障礙物的作用下，由于“障礙物側(cè)火焰”的堵塞導(dǎo)致了第1個(gè)超壓峰值的產(chǎn)生，在外部爆燃的多重作用下導(dǎo)致了第2個(gè)超壓峰值的產(chǎn)生，并有以下公式

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)置障條件下容積式半密閉空間內(nèi)油氣著火爆炸特性進(jìn)行了研究，通過(guò)高速攝影等技術(shù)手段對(duì)爆炸過(guò)程中火焰形態(tài)、爆炸超壓特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大渦模擬，精確模擬了火焰與障礙物相互作用時(shí)的火焰形態(tài)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、超壓特性，與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了以下結(jié)論。

（1）火焰初始時(shí)刻為層流狀態(tài)，呈“半球形”向上傳播，接近障礙物時(shí)受到障礙物的擾動(dòng)變?yōu)椤皥A錐形”，火焰開(kāi)始由層流向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變，穿過(guò)障礙物后向兩側(cè)卷曲形成旋渦。當(dāng)穿過(guò)第2個(gè)障礙物后，火焰鋒面出現(xiàn)許多褶皺，此時(shí)火焰發(fā)展為充分湍流狀態(tài)。

（2）障礙物下游流場(chǎng)會(huì)由于前驅(qū)壓力波的作用與障礙物的作用形成較大的速度梯度與壓力梯度，從而形成氣體旋渦，當(dāng)火焰陣面?zhèn)鞑ブ链颂帟r(shí)，火焰會(huì)由于未燃?xì)怏w的卷吸作用而被吸入形成火焰旋渦，從而增加火焰表面積，進(jìn)而增強(qiáng)壓力波。

（3）爆炸超壓峰值的產(chǎn)生是燃燒速度與泄壓速度相互耦合作用的結(jié)果，數(shù)值模擬中，在障礙物的作用下，由于障礙物通道內(nèi)火焰的堵塞導(dǎo)致了第 1個(gè)超壓峰值的產(chǎn)生，在外部爆燃的誘導(dǎo)作用下導(dǎo)致了第2個(gè)超壓峰值的產(chǎn)生。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Mvent1——進(jìn)口油氣質(zhì)量流量，kg·s-1

Mvent2——出口油氣質(zhì)量流量，kg·s-1

p1——泄壓峰值，Pa

p2——第2個(gè)超壓峰值，Pa

p3——低壓峰值，Pa

p4——第3個(gè)超壓峰值，Pa

vaverage——平均反應(yīng)速率，kg·m-3·s-1

vcombustion——燃燒速度，kg·s-1

vvent——泄壓速度，kg·s-1

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date:2017-05-02.

LI Run,827833976@qq.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51276195).

Experimental and numerical simulation of gasoline-air mixture explosion characteristics in semi-confined space

OU Yihong1, LI Run1, YUAN Guangqiang2, LI Guoqing1, WANG Shimao1
(1Department of Oil,Army Logistics University of PLA,Chongqing401311,China;2No.72489Troop of Army,Yantai265301,Shandong,China)

the characteristics of oil and gas explosion in volumetric semi-confined space under the condition of barrier is studied. The characteristics of flame shape and explosion overpressure during the explosion process are experimented by high-speed photography and other techniques. The flame shape, the flow field structure and the overpressure characteristic when the flame interacts with the obstacle are simulated accurately, and the results are compared with the experiment. The results show that the presence of obstruction will change the flame structure,the hemisphericalconicalbrush-like transition will occur, and the flame vortex will be generated in the downstream of the obstacle due to the unburned gas. As a result of the coupling between the combustion rate and the pressure relief rate, the presence of obstructions in the oil and gas explosion can lead to changes in the combustion rate and the pressure relief rate, which in turn have an effect on the overpressure peak.

obstacle; semi-confined space; large eddy simulation; gasoline-air; turbulent flow; mixtures;experimental validation

X 932

A

0438—1157（2017）11—4437—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170526

2017-05-02收到初稿，2017-06-26收到修改稿。

聯(lián)系人：李潤(rùn)。

歐益宏（1971—），女，博士。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51276195）。