甲烷-空氣預混氣體泄爆作用下容器振動響應特性

唐澤斯，郭 進，張 蘇，王金貴

(福州大學環(huán)境與資源學院，福建 福州 350108)

0 引言

爆炸容器是一種特殊的壓力容器，可用于開展爆炸效應的實驗，也可作為安全防護構件.可靠的強度及結構設計是保證爆炸容器安全的關鍵，而泄爆是一種降低爆炸荷載、減小事故損失的有效手段[1].爆炸容器在爆炸載荷下的強度問題的實質是瞬態(tài)沖擊激勵下的強迫振動響應問題.在設計、加工爆炸容器時，一般都會依據(jù)使用需求偏大設計額定強度，特別是含泄爆設計的容器，疲勞損傷才是影響爆炸容器壽命的主要因素.但到目前為止，人們對爆炸容器瞬態(tài)沖擊激勵下的強迫振動響應問題尚缺乏充分認識，爆炸容器設計尚處于靜態(tài)設計水平，其動力學響應研究及動態(tài)設計的工作尚不足.

爆炸產(chǎn)物往往具有強烈沖擊、壓縮作用，形成的沖擊波在容器壁面發(fā)生多次反射，各反射波相互作用，使得沖擊波傳播過程和容器振動響應更為復雜[2-3].Baker等[4-5]提出薄壁球殼在瞬態(tài)荷載作用下的彈塑性響應機理.Duffey等[6]分析球形容器的彈性響應和爆炸載荷的關系，并通過數(shù)值分析爆炸容器的振動特性.Kambouchev等[7-8]數(shù)值分析氣體沖擊波和約束板的流固耦合機理.鐘方平[9-10]通過實驗測試、理論計算和數(shù)值模擬等手段，探究爆炸容器(圓柱形)在爆炸載荷作用下的振動特性與其彈塑性結構響應的關系.張亞軍等[11]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)裝藥量和殼體壁厚對沖擊波傳播規(guī)律和殼體動態(tài)響應影響較大.劉函等[12]通過實驗研究及數(shù)值模擬，分析爆炸容器受爆炸荷載作用的振動頻率分布及各階模態(tài)固有頻率特征.梳理發(fā)現(xiàn)，國內外對爆炸容器的動態(tài)力學響應多集中于定容容器，而對具有泄爆設計的容器動態(tài)力學響應的研究少見.泄爆設計雖然大幅降低了容器內部壓力，但爆炸作用下容器的動態(tài)力學響應對于容器及其配套裝置的影響仍不能忽視.

本文通過自主搭建氣體泄爆容器動態(tài)力學響應測試系統(tǒng)，實驗研究甲烷-空氣預混氣體泄爆作用下容器的振動響應特性，并進一步結合在實驗過程中泄爆艙內部壓力變化、火焰演化和實驗艙固有頻率特征等，探討甲烷-空氣預混氣體泄爆過程容器動態(tài)力學響應的機理.研究成果對于提高爆炸容器及其配套設施的設計與制造安全水平具有重要意義.

1 實驗簡介

圖1 泄爆艙及其測試系統(tǒng)示意圖 (單位： mm)Fig.1 Experimental apparatus(unit: mm)

圖1為自行設計并搭建的矩形泄爆實驗艙及其測試系統(tǒng)示意圖，艙內部高1 800 mm，寬1 000 mm，厚550 mm；上端有一尺寸為600 mm×400 mm的泄爆口，泄爆口利用一張5 mm厚的鋁膜封堵，并用法蘭螺栓固定；艙前立面等間距設置3個尺寸為700 mm×400 mm的觀察窗；點火電極位于艙幾何中心位置，單次點火能量約為500 mJ.在艙的兩個側壁中心位置分別布置有加速度傳感器和氣體壓力傳感器，其中加速度傳感器為江蘇聯(lián)能電子技術有限公司生產(chǎn)的CA-YD-3153型三軸壓電式加速度傳感器，頻率響應1～5 000 Hz，最大允許加速度50 km·s-2；壓電壓力傳感器(PCB-102B16)安裝前，在傳感器表面涂有薄硅脂層以避免高溫影響.利用高速攝像機(NAC，HX-3)通過前立面的觀察窗捕捉甲烷泄爆火焰圖像，拍攝頻率1 000 Hz.根據(jù)道爾頓分壓定律配置濃度為10%的甲烷-空氣混合物，點火時同步觸發(fā)加速度、壓力及高速攝像采集系統(tǒng).所有實驗均在103 kPa的初始壓力和285 K的初始溫度下進行.

2 實驗結果及分析

共進行3組甲烷-空氣預混氣體泄爆實驗，各組實驗中實驗艙三軸方向均出現(xiàn)雙峰振動現(xiàn)象(如圖2所示).實驗艙在三軸方向的動力響應特征相近，其中在點火后0.52～0.55 s間出現(xiàn)約0.16 km·s-2的低幅值振動，緊接著在點火后0.71～0.90 s間出現(xiàn)高達10 km·s-2左右的高幅值振動；總體而言X軸(上下振動)和Y軸(前后振動)方向振動特征相近，V2振動峰值上升較快，振動衰減也較快；而Z軸(垂直艙壁)方向的V2峰值之前出現(xiàn)明顯的振動發(fā)育，且振動尾波較X、Y軸方向明顯發(fā)育.為了進一步分析振動響應的頻譜特征，分別對各組實驗的兩個振動事件(V1和V2)進行短時快速傅里葉變換得到各自的時頻圖，限于篇幅僅展示實驗1組Z軸方向的時頻圖(見圖3)；低幅值振動V1的主頻為100 Hz和480 Hz，而高幅值振動的主頻為480、980和1100 Hz.3組實驗泄爆艙各動態(tài)力學響應及其頻譜參數(shù)統(tǒng)計結果見表1.

圖2 實驗1組實驗艙三軸動態(tài)力學響應曲線Fig.2 Structural response of the vessel for test 1

圖3 實驗1組Z軸動態(tài)力學響應時頻圖Fig.3 Frequency-time distribution of the vibration signal for test 1 (Z axis)

表1 泄爆作用下實驗艙動態(tài)力學響應特征

3 實驗艙動態(tài)力學響應機制

理論上來說，結構動力響應是幾種模式的組合，每一種模式都對應不同的頻率，且根據(jù)結構及負載特性，不同的模式對結構總體響應的貢獻不同.本實驗中實驗艙的振動主要包括受迫振動和自由(阻尼)振動，受迫振動為爆炸沖擊波作用下實驗艙的強迫振動，其振動頻率與驅動力(即沖擊波震蕩)頻率相近；自由(阻尼)振動則是實驗艙在爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生的自由振動，其頻率與結構固有頻率相近.

為了分析實驗艙在甲烷泄爆作用下的動態(tài)力學響應機理，本文結合在實驗過程中艙內部壓力、火焰演化和實驗艙固有頻率等特征，探討前述實驗艙動態(tài)力學的響應機制.

3.1 實驗艙內部超壓時程特征

圖4 實驗1組實驗艙內部超壓時程曲線Fig.4 Overpressure-time histories for test 1

圖4為實驗1組艙內部超壓時程曲線(相對于大氣壓力的壓力曲線)，存在與結構動態(tài)力學響應相類似雙峰現(xiàn)象(P1和P2)，且兩者出現(xiàn)的時間節(jié)點相近，說明前述泄爆艙的結構動力響應雙峰現(xiàn)象與艙內沖擊波變化特征有關.利用短時快速傅里葉變換得到P1和P2的時頻圖(見圖5)，分析發(fā)現(xiàn)P1的主頻也在100和480 Hz左右，P2的主頻為480和980 Hz；除了V2主頻為1 100 Hz外，其它結構動力響應主頻段均有艙內壓力變化主頻對應.

圖5 實驗1組實驗艙內部超壓時程時頻圖Fig.5 Frequency-time distribution of the overpressure signal for test 1 (Z axis)

圖6為實驗1組的典型火焰圖像，分析發(fā)現(xiàn)，與V1對應相同周期的壓力峰值P1(如圖4所示)主要由初始火焰?zhèn)鞑?、外部爆炸、亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩(wěn)定性等因素綜合影響導致[13-17].初始點火后，火焰從點火電極處呈球形膨脹，如圖6(a)所示，艙內部壓力逐漸增加，直至泄爆膜在0.127 s時破裂，此時形成第一壓力峰值P1.圖4顯示P1形成后緊接著是70 Hz的亥姆霍茲振蕩，其主要由火球在泄爆口附近上下波動所致[13-14]，如圖6(c)～ (e)所示，在此期間也可以明顯地觀察到火焰表面[13-15]的泰勒不穩(wěn)定性.圖6(d)～(e)顯示火球中心出現(xiàn)“尖峰”并向下發(fā)展穿透火球，這是由于艙內過度泄放形成負壓峰值Pneg，進而導致艙外部的空氣倒流[13].

由于摩擦等阻力損失，亥姆霍茲振蕩隨火焰向下傳播而衰減[15]，火焰表面出現(xiàn)數(shù)個大的突起，如圖6(i)所示; 隨著火焰的進一步傳播，更多的小突起延伸至存在未燃燒氣體的艙下部四個角落，如圖6(j)～(k)所示.在此期間，艙內壓力接近環(huán)境壓力，如圖4所示.當小突起靠近容器底部時，在聲波和火焰耦合作用下觸發(fā)了高頻振蕩[14-17]，火焰發(fā)光度急劇增加，如圖6(l)所示，產(chǎn)生第二壓力峰值P2，并觸發(fā)艙高幅值振動V2.火焰的振蕩伴隨著內部超壓的聲學類型振蕩，如圖5所示，主頻為480和980 Hz.

3.2 實驗艙固有頻率

測定結構自振頻率的方法主要有強迫振動法和自由振動法[18].本文采用自由振動法中的敲擊法測定艙體自振頻率，即利用脈沖錘快速敲擊艙體，使其受到一個頻率譜連續(xù)的沖擊脈沖，試件將以其自身固有的低階自振頻率做自由振動.圖7(a)為實驗艙受脈沖錘快速敲擊后的自由振動圖，為典型的阻尼振動.對其進行短時快速傅里葉變換，得到該振動的時頻圖(見圖7(b))，從時頻圖可以看出，本實驗艙的固有頻率約為1.076 kHz，與甲烷泄爆過程中艙體高幅值振動V2中的1.1 kHz頻率相近(圖3(b))，該頻率的艙體振動主要為泄爆艙受沖擊后的自振振動.

圖6 實驗1組典型火焰圖像Fig.6 Typical flame images in test 1

圖7 實驗艙受沖擊測試后的自由振動及其時頻圖Fig.7 Vibration and frequency-time distribution of the cabin after being knocked

4 結語

1)容器側壁在三軸方向的動力響應特征相近，均存在明顯的高低幅值雙峰現(xiàn)象.

2)約0.16 km·s-2的低幅值振動主頻為110和480 Hz，高達10 km·s-2的高幅值振動主頻為480、980和1 100 Hz.

3)結合艙內部超壓和火焰演化特征分析發(fā)現(xiàn)，前期低幅值振動主要受艙內氣體沖擊波影響，主要由初始火焰?zhèn)鞑?、外部爆炸、亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩(wěn)定性等因素綜合影響導致.

4)480和980 Hz的高幅值振動主要受艙內氣體沖擊波影響，由艙內聲波和火焰耦合作用觸發(fā)高頻振蕩導致；而1 100 Hz左右的振動主要為實驗艙受沖擊后的自由振動，由艙固有頻率決定.