含弱約束端面短管道油氣爆炸特性實驗研究

杜 揚，王世茂，袁廣強，齊 圣，王 波，李國慶，李陽超

(中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311)

近年來，發(fā)生于管道等受限空間中的可燃氣體爆炸事故不斷，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，諸多學(xué)者對狹長受限空間中的可燃氣體爆炸特性進行了大量實驗研究[1-8]，其研究介質(zhì)為瓦斯、氫氣、丙烷、天然氣等工業(yè)可燃氣體，主要側(cè)重點為受限空間中可燃氣體的爆炸特性如超壓、超壓上升速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊取?shù)值模擬方面，近年來各種計算模型被廣泛應(yīng)用于對受限空間中的可燃氣體爆炸特性的計算，主要針對不同幾何形狀、不同初始條件下的可燃氣體爆燃壓力、火焰發(fā)展的計算[9-12]。上述研究表明現(xiàn)階段研究方向集中于甲烷、氫氣等工業(yè)可燃氣體在受限空間中的爆炸特性，而對油氣這種多分子復(fù)雜介質(zhì)的研究相對欠缺，尤其是缺乏對含有弱約束端面管道中油氣爆炸特性的研究。本文中以93號油氣作為反應(yīng)介質(zhì)，研究含有弱約束端面短管道油氣爆炸特性，并進行相應(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，實驗系統(tǒng)由長徑比為4的一端開口的透明玻璃管道、參數(shù)測試系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)構(gòu)成。玻璃管規(guī)格為10 cm×10 cm×40 cm，采用強度20 kPa泄爆膜作為弱約束端面進行封口，當(dāng)構(gòu)造無約束工況條件時，利用強度為0.3 kPa的塑料膜封口，此時薄膜固有強度對爆炸的影響可忽略不計。管道內(nèi)P1點、管道外P2點分別設(shè)一壓力傳感器，以測量爆炸壓力，P1在管道內(nèi)距底部20 cm，P2位于管道外部中軸線上，距離開口端20 cm；用高速攝影系統(tǒng)對火焰發(fā)展過程進行捕捉。

1.2 實驗方案

根據(jù)已有的研究，93號油氣在常溫常壓條件下爆炸極限為0.85%～3.1%[13]，因此本文中采用體積分?jǐn)?shù)為0.9%～3.15%的93號油氣為實驗介質(zhì)，對含弱約束端面短管道油氣爆炸特性進行研究。一方面測量管道內(nèi)外的爆炸壓力隨時間的變化特性，另一方面使用高速攝影系統(tǒng)對不同初始油氣濃度條件下火焰形態(tài)發(fā)展蔓延規(guī)律進行可視化研究，兩部高速攝影儀分別用于拍攝火焰總體變化過程和點火初期火焰的局部細節(jié)變化過程。使用同步控制器實現(xiàn)對壓力采集、高速攝影、點火激發(fā)的同步控制。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 油氣爆炸超壓特性變化規(guī)律

2.1.1管道內(nèi)部超壓隨時間的變化規(guī)律

圖2反應(yīng)了在含弱約束端面和無約束端面條件下管道內(nèi)部測點P1處的爆炸超壓隨時間的變化關(guān)系?？梢钥闯?，對于含有弱約束端面的短管道，其超壓變化受多個機制控制，總體呈現(xiàn)為多峰值現(xiàn)象。

(1) 發(fā)展破壞階段(0～0.042 s)：點火后，管道內(nèi)壓力上升，當(dāng)壓力上升至24.23 kPa時，泄爆膜破裂，大量未燃油氣噴射泄出。在泄爆膜破裂前管道油氣爆炸類型為定容爆炸，在泄爆膜破壞時形成第一個超壓峰值pb。(2) 加速泄流及外部爆炸階段(0.042～0.048 s)：當(dāng)泄爆膜破裂后，壓力瞬間泄放導(dǎo)致管道內(nèi)壓力迅速降低。在超壓的推動作用下，壓縮的油氣從管道內(nèi)迅速噴出引發(fā)壓力的升高，形成泄流沖擊超壓峰值pfv，同時高速運動的火焰射流將在極短時間內(nèi)引燃泄放出的油氣，云團內(nèi)油氣迅速燃燒也引起壓力的急劇上升，誘導(dǎo)形成外部爆炸超壓峰值pext，且泄流沖擊超壓峰值和外部爆炸超壓峰值出現(xiàn)合并，大小為22.07 kPa。(3) 振蕩波動階段(0.048～0.057 s)：由于劇烈的熱損失，已燃物的溫度會有所下降，從而引發(fā)管道內(nèi)壓力下降；由于真空區(qū)的倒吸作用和外部爆炸的擠壓作用，外部未燃的油氣回流至管道內(nèi)，回流油氣與火焰鋒面對撞產(chǎn)生劇烈的燃燒，火焰鋒面進一步擴張，使得壓力再次上升；擴張的火焰鋒面將更多的氣體擠壓到容器外，壓力又再一次降低，形成一個周期性的往復(fù)振蕩流動，管道變?yōu)榈湫偷腍elmholtz諧振腔，誘導(dǎo)產(chǎn)生峰值遞減的振蕩超壓，稱為Helmholtz振蕩[14-15]。(4) 衰弱熄滅階段(0.057～0.100 s)：由于管道內(nèi)的油氣被燃燒殆盡，導(dǎo)致高密度油氣變?yōu)榈兔芏热紵a(chǎn)物，管道內(nèi)形成負壓真空，外部未燃盡的油氣被倒吸至管道內(nèi)，油氣燃燒增強了體系內(nèi)的湍流強度，形成超壓prev，大小為6.71 kPa。

從圖2中可以看出，與無約束條件下相比，含弱約束端面管道爆炸超壓隨時間的變化更為復(fù)雜和劇烈，出現(xiàn)部分峰值合并、強振蕩等特點，二者的對比如表1所示。

表1 管道內(nèi)部爆炸特性對比Table 1 Comparison of internal explosion characteristics

注：pb為破膜超壓峰值；pfv為泄流沖擊超壓峰值；tfv為泄流沖擊超壓峰值時刻；pext為外部爆炸超壓峰值；text為外部爆炸超壓峰值時刻；pref為回流燃燒超壓；Δt為震蕩持續(xù)時間；T為振蕩周期。

當(dāng)管道端面含有弱約束端面時，出現(xiàn)3個超壓峰值，而無約束時，僅有2個超壓峰值；說明弱約束端面的存在會誘導(dǎo)管道內(nèi)部的超壓發(fā)生劇烈的變化，主要體現(xiàn)在多超壓峰值的出現(xiàn)和超壓值的劇增：(1) 含有弱約束端面時，出現(xiàn)破膜超壓pb和反向燃燒超壓prev，而當(dāng)無約束時，這2個超壓值并未出現(xiàn)；(2) 含有弱約束端面時泄流超壓pfv為13.70 kPa，外部爆炸超壓pext為22.07 kPa，分別是無約束條件下的pfv的17.24倍和pext的4.44倍。

2.1.2管道外部超壓隨時間的變化規(guī)律

圖3為含弱約束端面和無約束條件下測點P2的爆炸超壓時程曲線。從圖中可以看出，當(dāng)管道含有弱約束端面時，P2測點第一個超壓峰值pb出現(xiàn)于0.042 s，大小為1.94 kPa，此超壓峰值由端面泄爆膜破壞所產(chǎn)生；當(dāng)破膜壓縮波pb通過P2測點位置后，隨后而來的稀疏波導(dǎo)致壓力下降；當(dāng)油氣云團被噴射的火焰點燃，發(fā)生外部爆炸，導(dǎo)致壓力上升，并于0.048 s時達到超壓峰值pext，大小為5.45 kPa；外部爆炸結(jié)束后，由于受到振蕩流動的影響，測點P2處產(chǎn)生壓力振蕩，即Helmholtz振蕩；隨著油氣的燃燒，振蕩逐漸減小，并最終變?yōu)榇髿鈮簭姟?/p>

同無約束端面的管道相比，含弱約束端面管道外部測點P2的超壓時序變化則相對復(fù)雜，二者對比如表2所示。從表2中可以看出，相對于無約束管道而言，含弱約束端面的管道外部測點有兩個超壓峰值，即破膜超壓pb和外部爆炸超壓pext，大小分別為1.94和5.45 kPa，其中外部爆炸超壓pext是無約束管道爆炸的2.7倍，這是由于弱約束端面破壞瞬間高度壓縮的未燃油氣大量泄出，形成高濃度高密度油氣云團，引燃瞬間釋放更多的能量，產(chǎn)生更大的超壓值。

表2 管道外部爆炸特性對比Table 2 Comparison of external explosion characteristics

2.2 油氣爆炸火焰特性變化規(guī)律

2.2.1火焰形態(tài)發(fā)展變化的對比

圖4為含弱約束端面條件下油氣爆炸火焰發(fā)展時序圖像。當(dāng)油氣被點燃后形成球狀層流火焰(圖4(a))。當(dāng)弱約束膜破壞瞬間，火焰前鋒面加速變形，并向湍流火焰轉(zhuǎn)變(圖4(b))。爆炸壓力驅(qū)動產(chǎn)生強泄流效應(yīng)，進而誘導(dǎo)使火焰形態(tài)發(fā)生劇烈變化，迅速變?yōu)榈埂癡”形Tulip火焰(圖4(c))。由界面穩(wěn)定理論可知，燃燒產(chǎn)物組成的低密度介質(zhì)向未燃高密度油氣的加速是不穩(wěn)定的，稱為Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定；由于火焰的燃燒，火焰鋒面前的氣體受熱膨脹，誘導(dǎo)火焰鋒面變形并產(chǎn)生Helmholtz不穩(wěn)定；當(dāng)火焰加速噴出時，兩種不穩(wěn)定因素共同作用使火焰前鋒面形態(tài)變?yōu)槊?圖4(d))。隨著外部未燃油氣發(fā)生膨脹和變形，流場結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜變化，壓力梯度和密度梯度不再平行，而是發(fā)生斜交，流場渦量發(fā)生變化，產(chǎn)生旋渦并形成旋卷構(gòu)造，即斜壓效應(yīng)[16]；在湍流、不穩(wěn)定因素、斜壓效應(yīng)的影響下，外部火焰鋒面發(fā)生劇烈的翻轉(zhuǎn)和扭曲，形成直徑為0.4 m的蘑菇云狀火焰(圖4(e))。當(dāng)油氣大部分反應(yīng)，火焰變?yōu)榘党壬⒅饾u消散，管道內(nèi)仍保持燃燒狀態(tài)；隨著油氣的燃盡，火焰逐漸熄滅(圖4(f))。

圖5為有無約束條件下油氣爆炸火焰發(fā)展時序圖像，從圖5(a)～(d)可以看出，當(dāng)無約束時，火焰面始終保持半橢球狀發(fā)展直至泄出，球狀層流火焰面最大拉長至0.4 m；另外，無約束條件下外部火焰未產(chǎn)生劇烈的形變，最大直徑約為0.2 m。這是由于無約束時整個爆炸過程中壓力變化較小，沒有產(chǎn)生強泄流效應(yīng)，無法誘導(dǎo)產(chǎn)生較強的湍流、不穩(wěn)定因素、斜壓效應(yīng)等影響火焰形態(tài)變化的因素。

2.2.2火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶Ρ?/p>

圖6為含弱約束端面和無約束時，火焰速度隨時間變化的關(guān)系。結(jié)合火焰速度變化趨勢和火焰形態(tài)變化圖像，將油氣爆炸過程劃分為4個階段：層流燃燒期(階段A)、加速變形期(階段B)、外部爆炸期(階段C)、衰弱期(階段D)。在層流燃燒期(0～0.031 s)，火焰形態(tài)為半橢球形層流火焰，此階段無約束條件下的火焰速度比弱約束端面條件下火焰速度較大，這是由于弱約束端面阻礙了層流火焰的傳播速度，此階段無約束管道和含弱約束端面管道的最大火焰速度為5.95和3.5 m/s。在加速變形階段(0.031～0.046 s)，對于無約束條件下的火焰?zhèn)鞑?，主要加速機制為火焰壁面接觸引發(fā)的拉伸加速，因此火焰速度的上升相對平緩，最大火焰速度為38.9 m/s；而對于含弱約束端面的管道而言，除了受到壁面加速的作用以外，還受到弱約束端面破壞引發(fā)的強泄流效應(yīng)的加速作用，火焰速度的變化更劇烈，最大火焰速度為80.2 m/s。在外部爆炸階段(0.046～0.058 s)含弱約束端面管道火焰速度和無約束管道火焰速度均下降，相比無約束端管道而言，含弱約束端面管道火焰速度下降更快。在衰弱熄滅階段(0.058～0.150 s)，二者的火焰速度變化無明顯差別，這是由于管道內(nèi)氣體成分為低密度產(chǎn)物，負壓也幾乎相同，導(dǎo)致火焰鋒面沿反向速度相同。

2.3 不同初始油氣濃度條件下火焰發(fā)展模式研究

圖7給出了低、中、高3種不同初始油氣濃度條件下，含弱約束端面短管道油氣爆炸火焰形態(tài)變化發(fā)展模式，從圖7可以看出，不同的初始油氣濃度條件下，火焰發(fā)展規(guī)律具有顯著的差異性。

圖7(a)為低油氣濃度(CCH=1.23%，CCH為油氣體積分?jǐn)?shù))條件下油氣爆炸火焰發(fā)展特性，其火焰發(fā)展變化模式為“光滑球形層流火焰-Tulip形火焰-外部射流火焰-衰弱熄滅”。點火后油氣被引燃并形成高能著火點，著火點引燃附近的油氣，形成具有光滑陣面的半橢球形層流火焰(18 ms)。當(dāng)壓力上升最終導(dǎo)致弱約束端面破裂，爆炸產(chǎn)生的內(nèi)外壓差誘導(dǎo)產(chǎn)生強泄流效應(yīng)，進而產(chǎn)生Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定、Helmholtz不穩(wěn)定及湍流，使得火焰瞬間加速，加速變形的火焰更加不穩(wěn)定，使得火焰鋒面前面的氣體也隨之加速從而形成正反饋作用，火焰箱管道口噴射并產(chǎn)生劇烈變形，形成Tulip形火焰(54 ms)。由于初始油氣濃度較小，因此泄放到外部的油氣較少，火焰主要沿縱向分布，呈射流狀火焰(60 ms)。隨著油氣燃燒反應(yīng)的進行，管道內(nèi)部高密度油氣混合物變?yōu)榈兔芏热紵a(chǎn)物，使得內(nèi)部壓力降低形成負壓，導(dǎo)致管道外部火焰逐漸衰弱(76 ms)。當(dāng)管道內(nèi)油氣完全反應(yīng)，火焰最終熄滅(98 ms)。

圖7(b)為中油氣濃度(CCH=1.85%)條件下油氣爆炸火焰發(fā)展特性，其火焰發(fā)展變化模式為“鱗狀褶皺球形層流火焰-Tulip形火焰-蘑菇云狀火焰-衰弱熄滅”。中濃度條件下，點火初期火焰鋒面不再是光滑球形，而是帶有明顯的鱗狀褶皺(24 ms)。當(dāng)壓力升高弱約束端面破裂，火焰陣面迅速變形拉伸，形成Tulip形狀的火焰(44 ms)，并從管道端面加速噴出(58 ms)。外部未燃油氣發(fā)生膨脹和變形，流場結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜變化，壓力梯度和密度梯度不再平行，而是發(fā)生斜交，流場渦量發(fā)生變化，產(chǎn)生旋渦并形成旋卷構(gòu)造，即斜壓效應(yīng)[16]；在湍流、不穩(wěn)定因素、斜壓效應(yīng)的影響下，外部火焰鋒面發(fā)生翻轉(zhuǎn)和扭曲，形成直徑為0.4 m的蘑菇云狀火焰(72 ms)。隨著油氣的逐漸減少，火焰逐漸衰弱熄滅(96 ms)。

圖7(c)為高油氣濃度(CCH=2.60%)條件下油氣爆炸火焰發(fā)展特性，火焰發(fā)展變化模式為“絮狀火焰-沿壁面蔓延燃燒-衰弱熄滅”。當(dāng)CCH=2.60%時，火焰燃燒初期為緩慢發(fā)展的橙紅色絮狀火焰，呈現(xiàn)擴散燃燒的特點，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢(76 ms)。隨著燃燒的進行，火焰沿管道頂部壁面向前擴展拉伸，并沿著壁面蔓延燃燒(170～580 ms)；隨著容器內(nèi)氧氣不斷消耗，火焰逐漸衰弱，范圍減小，并最終熄滅(860 ms)。由于初始油氣濃度較高，油氣在燃燒過程中能量釋放率低，弱約束端面未被破壞，呈封閉燃燒狀態(tài)。

對比圖7(a)～(c)可以看出，弱約束端面短管道油氣爆炸火焰發(fā)展的規(guī)律為封閉爆炸、開口泄爆、衰弱熄滅，據(jù)此可將爆炸分為3個階段：封閉爆炸階段、開口發(fā)展階段、衰弱熄滅階段。對不同初始油氣濃度條件下油氣爆炸火焰發(fā)展特性進行了總結(jié)，如表3所示。

表3 不同油氣體積分?jǐn)?shù)下的油氣爆燃火焰發(fā)展特性Table 3 Flame development at different oil volume fraction

注：A-光滑橢球形層流火焰，B-鱗狀褶皺橢球?qū)恿骰鹧?，C-卷曲絮狀火焰，D-射流火焰，E-球形火焰，F(xiàn)蘑菇云狀火焰，G-衰弱熄滅，Null-未燃

在點火初期，約束膜未被破壞，整個過程屬于封閉受限空間的油氣爆炸過程。根據(jù)已有的研究，可將封閉式受限空間油氣爆炸的火焰發(fā)展形態(tài)劃分為光滑球形火焰、鱗狀褶皺火焰、絮狀擴散火焰，火焰形態(tài)劃分的臨界體積分?jǐn)?shù)分別為1.76%和2.37%[13]，該臨界油氣體積分?jǐn)?shù)與表3封閉爆炸過程的火焰變化規(guī)律一致。CCH<1.76%時，爆炸氧氣含量相對充足，油氣被點燃后，向各個方向的傳播速度幾乎相等，形成光滑球形火焰；1.76%2.37%時，爆炸在嚴(yán)重貧氧條件下進行，傾向于發(fā)生析碳反應(yīng)，反應(yīng)速度較為緩慢，形成橙色卷曲絮狀火焰。

當(dāng)端面處約束膜破壞，油氣泄放到管道外部，當(dāng)濃度較低時(CCH<1.35%)，容器外油氣主要集中在縱向上，因此外部火焰主要為射流燃燒；隨著濃度增大(1.35%

當(dāng)大部分油氣燃燒完畢，火焰開始衰弱，由于管道內(nèi)氧氣消耗殆盡，殘余的燃燒產(chǎn)物密度較低，形成負壓區(qū)，在負壓區(qū)的倒吸作用下，火焰逐漸衰弱熄滅。當(dāng)油氣濃度較高時(CCH>2.60%)，爆炸強度較小，端面薄膜未破裂，火焰保持封閉燃燒直至熄滅。

3 結(jié) 論

(1) 含弱約束端管道內(nèi)部超壓變化受破膜、泄流、外部爆炸、振蕩流動、火焰反向傳播等多種機制控制，產(chǎn)生多個峰值，在爆炸過程中形成Helmholtz諧振腔，產(chǎn)生強烈的振蕩；容器外部超壓具有2個峰值，分別由破膜和外部爆炸所引起。(2) 同無約束爆炸相比，含弱約束端管道內(nèi)外爆炸超壓均具有增強，管道內(nèi)部最大超壓為24.23 kPa，外部最大超壓為5.45 kPa，分別為無約束條件下的4.9倍和2.7倍。(3) 火焰變化過程可劃分為“層流燃燒-突變加速-外部爆炸-衰弱熄滅”4個階段；對于含有弱約束端的管道，由于受泄流誘導(dǎo)的湍流、界面不穩(wěn)定、斜壓效應(yīng)等因素的影響，火焰發(fā)生劇烈的拉伸褶皺和卷曲變形，形成Tulip火焰和球狀火焰。(4) 在層流燃燒階段，弱約束端對火焰速度有減弱作用，此階段最大速度為3.5 m/s，相比于無約束時減弱了41.3%；而在突變加速和外部爆炸階段，弱約束端破壞產(chǎn)生的強泄流對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔性鰪娮饔?，此階段最大速度為80.2 m/s，相比于無約束時增強了106.2%。(5) 含弱結(jié)構(gòu)端面狹長受限空間油氣爆炸過程可分為3個階段：封閉爆炸階段、開口發(fā)展階段、衰弱熄滅階段。爆炸過程中火焰發(fā)展模式受到初始油氣濃度的制約，不同初始油氣濃度條件下，爆炸火焰的發(fā)展模式具有明顯差異。

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