單側(cè)弱面受限空間油氣爆炸超壓荷載的實驗研究*

王世茂，杜 揚(yáng)，楊文旭，李國慶，齊 圣，韋世豪，李 蒙

(1.中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶 401331； 2.重慶市消防安全技術(shù)研究服務(wù)有限責(zé)任公司，重慶 401120 )

0 引言

油氣、天然氣等可燃?xì)怏w具有易燃、易爆、易揮發(fā)的性質(zhì)。近年來，油氣、天然氣等可燃?xì)怏w泄漏所導(dǎo)致的爆炸事故時有發(fā)生。在當(dāng)前石油化工工業(yè)領(lǐng)域，常見的含有油氣危險源的受限空間有油罐、泵房、操作間等，這類受限空間上的門和玻璃窗等結(jié)構(gòu)均可看做單側(cè)弱面結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生油氣爆炸事故時，受限空間的弱面結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而形成泄放爆炸。

現(xiàn)階段針對含有弱面的受限空間可燃?xì)怏w爆炸特征研究主要集中在甲烷、氫氣等可燃?xì)怏w的泄爆特性上。Fakandu和Guo等[1-2]研究了破膜壓力對泄爆過程內(nèi)流場超壓荷載變化規(guī)律的影響，得到了破膜壓力越高內(nèi)場最大超壓峰值越大的結(jié)論；Bauwens等[3-6]針對大尺寸受限空間中甲烷和氫氣的泄爆過程開展了實驗和數(shù)值模擬研究，其研究的重點主要針對于初始湍流強(qiáng)度、初始點火位置、初始?xì)怏w組分對爆炸內(nèi)場超壓荷載和火焰行為的影響規(guī)律，并結(jié)合實驗結(jié)果構(gòu)建了基于大渦模擬的可燃?xì)怏w爆炸過程的數(shù)值計算模型；Schiavetti等[7]研究了雙層壁面結(jié)構(gòu)的受限空間內(nèi)氫氣的爆炸模式，主要確定了不同點火位置對雙層壁面結(jié)構(gòu)受限空間內(nèi)氫氣爆炸過程的影響規(guī)律；Qi等[8]研究了大尺度受限空間內(nèi)甲烷的泄爆過程，根據(jù)峰值個數(shù)的不同提出了4種超壓時序曲線，并分析了大尺度條件下固有的不穩(wěn)定燃燒超壓峰值。

當(dāng)前，針對含有弱面受限空間汽油蒸汽爆炸過程的研究已有一定進(jìn)展，Qi等[9]利用2 L的小型燃燒初步研究了油氣的爆炸特性，提出了影響超壓峰值的4種關(guān)鍵機(jī)制；李陽超等[10]和吳松林等[11]分別針對端部全開條件下和雙爆炸口條件下管道內(nèi)的油氣爆炸過程進(jìn)行了研究。但是針對不同開口、不同點火能條件下的油氣爆炸過程的研究，仍較為有限。因此，本文采用92#汽油蒸汽—空氣混合物作為實驗介質(zhì)，對單側(cè)弱面受限空間油氣爆炸過程進(jìn)行了實驗研究，以期為該類工業(yè)設(shè)備的安全設(shè)計提供實驗支撐和理論依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)與方案

1.1 實驗系統(tǒng)

本文中實驗系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Scheme of experimental system

容器尺寸為0.1 m×0.1 m×0.4 m，容器端部設(shè)置不同開口率的泄口，用鋁箔爆炸膜片對泄放口進(jìn)行封閉，鋁箔片厚度為0.02 mm，不同開口率條件下其破壞壓力有所差異，開口率越小，破壞壓力越大。為準(zhǔn)確測量容器內(nèi)外場壓力變化特征，在容器內(nèi)部設(shè)置壓力傳感器PT1，容器外部沿豎直方向設(shè)置壓力傳感器PT2，PT3。傳感器布置位置如圖1所示：PT1安放于容器側(cè)壁上，位于容器中間位置，PT1到容器口部和底部的距離均為0.2 m；PT2安放于容器外場，位于容器中軸線上，PT2到容器口部的距離為0.2 m；PT3位于容器外場，與PT2在同一垂直面上，PT3到容器口部所在平面的垂直距離為0.2 m，到容器中軸線的垂直距離為0.2 m。PT1，PT2，PT3均為ZXP660型傳感器，PT1量程為0 ～ 100 kPa，PT2量程0 ～ 20 kPa，PT3量程為0 ～ 5 kPa，壓力采集系統(tǒng)為TEST6400，軟件為DAP6.13，采樣頻率為20 kHz，采樣誤差為±0.3%。利用電火花發(fā)生裝置進(jìn)行點火，點火電壓1 500 V，點火能范圍為0-15 J，誤差為±0.1 J。利用真空泵吹掃汽油液體的方式進(jìn)行配氣，通過調(diào)整1～4號閥門的開閉完成充入油氣和吹掃循環(huán)。用高速攝影儀對火焰形態(tài)變化過程進(jìn)行捕捉，采樣頻率為500 FPS。當(dāng)完成預(yù)定初始參數(shù)的實驗準(zhǔn)備后，利用同步控制器完成點火系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)據(jù)采集器、高速攝影儀的同步啟動。

1.2 實驗方案

以圖1所示的實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)完成不同工況下的汽油蒸汽爆炸實驗，每個實驗重復(fù)3次。初始油氣體積分?jǐn)?shù)分布為1.13%到2.59%共7個工況點；初始開口率分別為25%(破口壓力為50 kPa)、50%(破壞壓力為35 kPa)、100%(破壞壓力為27 kPa)；電火花點火桿位于封閉端中心位置，點火能分別為1.5，4.5，7.5，10.5，13.5 J共5個工況點。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 不同開口面積下超壓荷載變化規(guī)律

已有的研究顯示，當(dāng)初始油氣濃度為1.60%～1.78%時，油氣爆炸的強(qiáng)度將達(dá)到最大，爆炸現(xiàn)象最具有典型性和代表性[9-12]。因此，在觀察不同開口面積下超壓的變化規(guī)律時，以油氣濃度為1.69%、點火能為1.5 J作為典型工況。

2.1.1 25%和50%開口率條件下超壓荷載變化規(guī)律

圖2和圖3給出了初始油氣濃度為1.69%、點火能為1.5 J時，爆炸口開口面積25%和50%條件下容器內(nèi)外超壓與火焰形態(tài)隨時間的變化關(guān)系。從圖2中可以看出，對于小口條件下(25%和50%開口率)的油氣爆炸過程，其內(nèi)外壓力荷載及火焰行為隨時間的變化關(guān)系具有較高的一致性，其主要特點為：

1)內(nèi)場超壓荷載均只有1個峰值(△PB)，且該峰值產(chǎn)生于爆炸膜破壞瞬間[12]。

2)沿不同方向的外部超壓荷載的峰值個數(shù)不同，軸向測點(PT2)上具有2個超壓荷載峰值(△PB和△PFV)[13-14]，而徑向測點(PT3)近具有1個超壓荷載峰值。

3)隨著開口的增大，外場軸向測點與徑向測點的超壓峰值的差值減小。

以圖2為例，在點火初期，火焰呈層流燃燒的狀態(tài)，整個火焰鋒面呈光滑的球狀層流火焰(0.039 s)，此階段壓力上升較為緩慢，整個過程為定容燃燒的狀態(tài)，火焰面?zhèn)鞑シ秶^小。隨著油氣的燃燒，內(nèi)部壓力逐漸增大，最終使得弱約束端面被破壞，形成破膜超壓PB，同時大量未燃油氣瞬間泄放，此時受限空間內(nèi)部壓力達(dá)到最大值，大小約為55 kPa。在內(nèi)部超壓的擠壓作用和強(qiáng)泄流效應(yīng)的加速作用下，火焰瞬間拉伸加速，形狀發(fā)生變化，無法再維持光滑的橢球形(0.051 s)，此時火焰面瞬間加速，其前鋒面位置達(dá)到0.334 m。

在爆炸膜破壞的瞬間，由于外部環(huán)境為靜止大氣，內(nèi)部為高壓狀態(tài)的氣體混合物，此時內(nèi)外壓力比值大于1，從而誘導(dǎo)形成典型的欠膨脹射流流動[15]。另外，爆炸口附近產(chǎn)生破膜激波PB并以發(fā)散方式向外傳播，另外泄出的未燃?xì)怏w瞬間膨脹，油氣的泄放導(dǎo)致內(nèi)部壓力降低，當(dāng)火焰加速沖出泄放口時，先期泄放到容器外部的油氣被引燃，由于爆炸面破壞瞬間容器內(nèi)外有較大的壓差，沿軸向形成柱狀射流火焰，該火焰持續(xù)時間較長，沿軸向傳播范圍大，沿徑向傳播范圍小，火焰前鋒面最大傳播范圍約為0.81 m。油氣燃燒殆盡后，射流火焰熄滅，壓力下降至大氣壓強(qiáng)。

對于受限空間外部的超壓，從圖2和圖3可以看出，在小開口條件下外部軸向測點和徑向測點的最大超壓值差距較大，在25%開口率條件下軸向和徑向的最大超壓分別為17.1 kPa和0.81 kPa，前者是后者的21.1倍，二者存在數(shù)量級差異；而在50%開口率條件下，軸向和徑向的最大超壓分別為12.01 kPa和2.05 kPa，前者為后者的5.85倍，二者不存在數(shù)量級差異；這說明隨著開口率的增加，軸向最大超壓與徑向最大超壓的差值逐漸縮小。

對于軸向測點而言，外部壓力峰值主要為破膜超壓PB和泄流超壓PFV，而由欠膨脹射流沖擊引發(fā)的PFV是形成較大的超壓峰值的主要原因。當(dāng)爆炸膜破裂后，高速氣流從泄放口噴射而出，被點燃后形成小范圍的沿軸向的高速噴射火焰，軸向測點向上的超壓值主要為泄流超壓PFV，即當(dāng)高速運(yùn)動的氣流沖擊到壓力測點感應(yīng)面時，壓力值升高，因此超壓值較大。而在沿徑向上的超壓峰值主要為破膜超壓PB，即破膜瞬間產(chǎn)生的破膜壓力波，同時由于在縱向位置上并無明顯的射流沖擊，因此難以形成泄流超壓PFV。

2.1.2 100%開口率條件下超壓荷載變化規(guī)律

圖4給出了初始濃度為1.69%時，100%開口條件下內(nèi)外部超壓與火焰形態(tài)隨時間的變化關(guān)系。

圖4 內(nèi)外部超壓與火焰隨時間的變化關(guān)系(100%開口率)Fig.4 Relationship of internal and external △P-t profiles and flame behaviors with a large vent opening(100% vent size)

從圖4中可以得出，大口條件下汽油蒸汽的爆炸過程具有以下的特征：

1)內(nèi)部超壓隨時間的變化更為復(fù)雜，具有多個超壓峰值，并出現(xiàn)壓力荷載振蕩和外部爆炸。

2)外部超壓數(shù)值在同一數(shù)量級，有2個超壓峰值分別為破膜超壓(PB)和外部爆炸超壓(PEXT)，而且最大超壓峰值由外部爆炸所形成。

與小開口條件類似，大口條件下油氣爆炸初期火焰形態(tài)同樣為光滑球狀層流火焰，整個過程為定容爆炸過程(19 ms)。隨著內(nèi)部壓力的升高，導(dǎo)致爆炸膜破壞并形成破膜超壓PB，大小為31.1 kPa，此時火焰鋒面瞬間加速，并出現(xiàn)明顯的拉伸變形，前鋒面?zhèn)鞑ブ?.36 m處(0.044 s)。

當(dāng)爆炸膜破壞后，壓縮的油氣從空間內(nèi)迅速泄出，在容器外部泄放口附近形成高密度、高油氣濃度的預(yù)混區(qū)域，當(dāng)從火焰射流點燃外部油氣云團(tuán)后，云團(tuán)內(nèi)油氣迅速燃燒，引起壓力的急劇上升，發(fā)生外部爆炸[16]，外部爆炸與泄流相互耦合形成超壓峰值PFV&EXT，大小為20.1 kPa，此時火焰沿橫向拉伸擴(kuò)張并形成典型的球狀火焰(0.053 s)，火焰前鋒面運(yùn)動至0.62 m。當(dāng)外部油氣被引燃后，一方面引發(fā)外部爆炸導(dǎo)致超壓升高，另外同時產(chǎn)生反向的沖擊力，驅(qū)動外部的氣體向容器內(nèi)流動，泄流效應(yīng)使得容器內(nèi)壓力降低產(chǎn)生負(fù)壓；而反向流動使容器內(nèi)湍流強(qiáng)度增加，加劇了油氣的燃燒，使得壓力升高形成正壓，最終導(dǎo)致容器內(nèi)部產(chǎn)生周期性振蕩超壓(0.055～0.075 s)。隨著燃燒的進(jìn)行，殘余油氣完全反應(yīng)，火焰逐漸熄滅，壓力恢復(fù)至大氣壓強(qiáng)。

另外，從圖4中可以看出，大口條件下外部超壓的控制機(jī)制與小口相比有明顯的不同，大口條件下外部壓力主要受兩個因素影響：破膜超壓PB和外部爆炸超壓PEXT，其中，外部爆炸引發(fā)的超壓峰值相對較大，但軸向上測點的超壓值要略大于沿水平方向上測點的超壓值(PT2處的外部爆炸超壓峰值為3.2 kPa，PT3處的外部爆炸超壓峰值為2.4 kPa)，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；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)爆炸膜破壞時，未燃油氣迅速噴出容器，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生沿著軸向的強(qiáng)泄流效應(yīng)，這就使得未燃油氣沿軸向擴(kuò)散。當(dāng)高速運(yùn)動的油氣噴入相對靜止的外部大氣時，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，渦旋拉伸效應(yīng)驅(qū)動油氣沿縱向擴(kuò)散。沿軸向上的強(qiáng)泄流驅(qū)動效應(yīng)要遠(yuǎn)大于沿縱向渦旋拉伸效應(yīng)，因此軸向上油氣含量較多，能量釋放量大，產(chǎn)生更大的超壓值。

2.1.3 不同開口條件下超壓與火焰行為關(guān)鍵參數(shù)對比

從圖2和圖3可以看出，不同開口條件下汽油蒸汽爆炸過程關(guān)鍵參數(shù)，如超壓峰值大小、超壓峰值的生成機(jī)制、火焰具體形態(tài)、火焰最大傳播范圍等，表1給出了初始油氣濃度為1.69%時，3種開口條件下爆炸過程中超壓和火焰行為關(guān)鍵參數(shù)的對比情況。

表1 關(guān)鍵參數(shù)對比

注：“—”代表該超壓峰值未出現(xiàn)。

從表1可以看出，不同開口條件下汽油蒸汽爆炸過程中的關(guān)鍵參數(shù)相差明顯，但最關(guān)鍵的就在于小口(25%和50%開口率)和大口(100%開口率)條件下超壓荷載的形成機(jī)制具有顯著不同。

從內(nèi)部超壓峰值來看，在大口條件下，內(nèi)場出現(xiàn)外部爆炸超壓峰值PFV&EXT，說明外部爆炸與泄流耦合足以影響到內(nèi)場超壓荷載的變化，而小口條件下僅有1個峰值，未出現(xiàn)外部爆炸峰值。從外部超壓荷載來看，對于小口條件下軸向測點(PT2)的超壓峰值要遠(yuǎn)大于徑向測點(PT3)的超壓峰值(在25%和50%開口條件下，PT2和PT3最大超壓峰值的比值分別為21.11和5.85)，而在大口條件下，外部不同方向測點超壓峰值無明顯差異(PT2和PT3的最大超壓比值僅為1.33)。從火焰?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x來看，隨著開口的增大，火焰沿軸向傳播的最大距離逐漸減小，當(dāng)開口率為25%時，最大傳播距離為0.81 m，而當(dāng)開口率為100%時，最大傳播距離僅為0.62 m。

從25%，50%，100%爆炸超壓參數(shù)的對比來看，造成大口爆炸和小口爆炸的內(nèi)外超壓與火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x差異性的根本原因在于外部爆炸的發(fā)生。25%和50%開口率條件下爆炸過程為局部射流燃燒的狀態(tài)，大量未燃油氣集中在沿開口的軸向上，形成傳播距離較大的高速射流火焰，射流火焰沖擊軸向測點PT2，從而導(dǎo)致PT2出現(xiàn)明顯的壓力峰值PFV；但由于此工況下未發(fā)生外部爆炸，故難以導(dǎo)致內(nèi)場出現(xiàn)第2個峰值PEXT。對于大口條件下的爆炸過程，由于大量油氣沿泄放口同時泄出，在外部產(chǎn)生油氣云團(tuán)，促進(jìn)了外部爆炸的發(fā)生，從而導(dǎo)致第2個峰值PEXT的出現(xiàn)，而且在軸向和徑向上的外部超壓基本在相同數(shù)量級上；另外，由于未燃油氣在外部的分布相對均勻，故外部爆炸發(fā)生后形成沿各個方向同時傳播的火球，而不是射流狀火焰，因此火焰的最大傳播距離較小。

2.2 初始點火能及油氣濃度爆炸超壓峰值的影響規(guī)律

2.2.1 初始濃度對超壓峰值的影響規(guī)律

圖5反映了不同開口條件下爆炸超壓峰值隨濃度的變化關(guān)系，從圖中可以看出最大爆炸超壓隨初始油氣濃度呈拋物線形狀，可近似用二次多項式進(jìn)行擬合，如圖5所示，而且存在1個臨界濃度值1.69%。

圖5 超壓峰值隨濃度的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between overpressure peaks and concentration

在1.69%初始油氣濃度下，爆炸超壓達(dá)到最大值，低于或高于這個濃度值壓力都較小，低于這個臨界濃度值時，爆炸壓力隨初始油氣濃度的增大而增大，高于這個臨界濃度值，爆炸壓力隨初始油氣濃度的增大而減小。這是由于油氣濃度過低，空氣過剩，能量釋放率較低。隨著油氣濃度增加，單位質(zhì)量混合氣釋放的能量增加，當(dāng)然壓力增加。但當(dāng)超過該數(shù)值，再增加油氣濃度，此時油氣濃度過剩，形成貧氧反應(yīng)。增加的能量一部分要傳給過剩的油氣，當(dāng)然，熱活性也減小。從燃燒化學(xué)動力學(xué)角度看，如油氣濃度相對提高，而活性物質(zhì)濃度相對降低，影響了反應(yīng)速度。用容積燃燒理論的觀點來看，不同氣團(tuán)中由于油氣濃度的相對提高，使氣團(tuán)的反應(yīng)速度下降。

但是，針對大口條件下的外部爆炸超壓峰值而言，當(dāng)初始濃度為2.12%時，外部爆炸超壓峰值PFV&EXT達(dá)到最大，這是由于爆炸前的過程會反應(yīng)掉一部分油氣，使泄放到外部油氣含量相對不足，因此當(dāng)初始油氣濃度較高時，參加外部爆炸過程的泄放油氣總量將處于最佳狀態(tài)，外部超壓峰值所對應(yīng)的初始油氣濃度相對較大。

2.2.2 初始點火能對超壓峰值的影響規(guī)律

點火能是影響油氣爆炸過程中超壓荷載峰值的重要參數(shù)，已有的密閉空間中單分子可燃?xì)怏w的爆炸實驗顯示，點火能對超壓荷載的大小有顯著影響，甚至?xí)淖儽ǖ难葑円?guī)律，促使爆轟的發(fā)生。因此，本文研究了5種初始點火能工況條件下的內(nèi)外最大超壓值，圖6給出了初始油氣濃度為1.69%時，不同的初始點火能條件下，100%開口率條件下爆炸過程中內(nèi)外最大超壓峰值的變化規(guī)律。

圖6 點火能對超壓峰值的影響規(guī)律Fig.6 Relationship curves of ignition energy and pressure peaks

從圖6可以看出，隨著點火能的升高，爆炸過程中內(nèi)外最大超壓均增大，而且點火能和超壓峰值的關(guān)系近似可以用線性表達(dá)式來擬合。當(dāng)初始點火能從1.5 J增加值13.5 J，內(nèi)部最大超壓峰值從31.1 kPa增大到37.5 kPa，增加了20.7%；外部最大超壓峰值而言(以PT2為例)，超壓峰值從這是由于油氣爆炸其本質(zhì)上是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，油氣爆炸時，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)鏈需要提供一定能量，以便斷裂碳?xì)浞肿又械腃—C和C—H共價鍵。因此，初始點火能越高，提供的能量越多，C—C和C—H共價鍵斷裂的數(shù)目越多，從而產(chǎn)生大量活化基團(tuán)，使得汽油蒸汽爆炸過程總體在一個較高的水平上反應(yīng)，減少了點火初期的反應(yīng)孕育過程，加速了爆炸的進(jìn)行，從而使油氣爆炸壓力增強(qiáng)。

2.3 點火能和油氣濃度對外部爆炸發(fā)生的影響規(guī)律

不同開口面積下油氣的爆炸過程具有不同的規(guī)律，對于小口條件下的爆炸過程，爆炸膜破壞后其關(guān)鍵行為為射流燃燒，外部軸向上超壓較大而徑向上超壓較?。粚τ诖罂跅l件下的爆炸過程，爆炸膜破壞后其關(guān)鍵行為為外部爆炸，外部各個位置處超壓值不具有數(shù)量級上的差異，其大小也較為接近。

外部爆炸是爆炸過程中所發(fā)生的1種嚴(yán)重的二次災(zāi)害，會對較大范圍內(nèi)的人員和財產(chǎn)造成嚴(yán)重毀傷，因此需要針對外部爆炸發(fā)生的關(guān)鍵條件進(jìn)行研究。本文對于外部爆炸的判斷條件為：火焰形態(tài)為各個方向傳播距離相對一致的火球，外部不同位置測點測得的超壓大小基本一致，且內(nèi)部出現(xiàn)因外部爆炸所引發(fā)的超壓峰值和壓力荷載振蕩[2,12]。

圖7給出了大口(100%開口率)條件下，不同點火能和不同初始濃度時的爆炸發(fā)展模式，從圖中可以看出，汽油蒸汽爆炸主要可分為3種模式：無外部爆炸、發(fā)生外部爆炸、爆炸膜未破。從圖7可以看出，隨著初始點火能的增高，外部爆炸工況所對應(yīng)的初始濃度范圍也逐漸擴(kuò)大。當(dāng)點火能為1.5 J時，僅有初始油氣濃度為1.35%～2.36%時才發(fā)生外部爆炸現(xiàn)象，其余濃度工況下未出現(xiàn)外部爆炸；而當(dāng)點火能增大至7.5 J時，1.13%～2.36%濃度范圍內(nèi)均發(fā)生了外部爆炸現(xiàn)象，而且隨著初始點火能的增加，發(fā)生外部爆炸現(xiàn)象所對應(yīng)的濃度范圍也相對增加。

圖7 不同初始條件下油氣爆炸發(fā)展模式Fig.7 Development mode of venting explosion under different initial conditions

因此可以判斷，當(dāng)初始開口大小確定后，外部爆炸這種關(guān)鍵現(xiàn)象的發(fā)生于否，與初始點火能和初始油氣濃度具有密切關(guān)系，初始點火能越高，外部爆炸發(fā)生時所對應(yīng)的濃度范圍越大。

當(dāng)初始點火能和初始油氣濃度均較小時(如1.13%的油氣濃度和1.5 J的初始點火能)，點火后相當(dāng)一段時間內(nèi)爆炸處于孕育狀態(tài)，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，而且超壓上升較慢，導(dǎo)致膜片破壞前大量的油氣在受限空間內(nèi)部燃燒；膜片破壞后，殘余的少量油氣在泄放至受限空間外部后迅速擴(kuò)散，難以形成濃度和密度較大的外部油氣云團(tuán)，故低濃度和小點火能條件下均難以發(fā)生外部爆炸。隨著初始點火和油氣濃度的升高(如1.69%的初始油氣濃度和4.5 J的初始點火能)，較高的點火能量會使點火后油氣反應(yīng)迅速且超壓升高較快，在較短的時間內(nèi)爆炸膜就會破裂，而且由于初始油氣濃度升高，爆炸膜破壞后大量未燃油氣泄放到容器外部，從而形成濃密的油氣云團(tuán)，當(dāng)外部油氣云團(tuán)被引燃后，短時間內(nèi)迅速燃燒會形成外部爆炸。當(dāng)初始油氣濃度進(jìn)一步升高后，由于容器內(nèi)氧含量不足，導(dǎo)致爆炸強(qiáng)度降低，產(chǎn)生的爆炸壓力不足以破壞弱約束結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)初始油氣濃度過高時，同樣無法發(fā)生外部爆炸現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1)油氣爆炸壓力波與火焰行為相互影響，具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，小口條件下的爆炸過程中的關(guān)鍵現(xiàn)象為射流燃燒，大口條件下的爆炸過程中的關(guān)鍵現(xiàn)象為外部爆炸。

2)小口爆炸內(nèi)部僅形成1個超壓峰值，大口爆炸會形成多個超壓峰值，并伴隨較強(qiáng)的壓力荷載振蕩。

3)初始油氣濃度和點火能對爆炸過程中的超壓荷載有重要影響，最大超壓峰值所對應(yīng)的油氣濃度為1.69%，最大外部爆炸超壓峰值和最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x對應(yīng)的初始油氣濃度為2.12%。

4)隨著初始點火能的升高，受限空間內(nèi)外爆炸超壓均升高，二者近似呈線性關(guān)系，而且外部爆炸發(fā)生時所對應(yīng)的初始濃度范圍增大。

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