汽油蒸氣與異辛烷定容爆炸壓力的當(dāng)量比等效

張培理　宋哲　張德洋　劉沖　王建

摘????? 要：在理論計算異辛烷定容絕熱爆炸壓力的基礎(chǔ)上，通過標(biāo)準(zhǔn)20 L球形爆炸裝置內(nèi)的汽油蒸氣爆炸實驗，獲得了不同汽油蒸氣體積濃度下的爆炸壓力。通過分析異辛烷定容爆炸壓力理論計算值與汽油蒸氣定容爆炸壓力實驗值之間的誤差，提出了汽油蒸氣與異辛烷定容爆炸壓力的當(dāng)量比等效關(guān)系式。該關(guān)系式不僅可以方便地用異辛烷來預(yù)測汽油蒸氣爆炸壓力，還可以修正汽油蒸氣爆炸壓力數(shù)值計算模型，使模型計算值與實驗值之間的誤差顯著降低。

關(guān)? 鍵? 詞：汽油蒸氣;爆炸壓力;當(dāng)量比;等效關(guān)系式

中圖分類號：TQ038.4 ??????文獻標(biāo)識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）06-1013-04

Equivalent Ratio Equivalence for the Explosion Pressure of

Gasoline-Air and Isooctane-Air Mixture

ZHANG Pei-li¹， SONG Zhe²，ZHANG De-yang³， LIU Chong¹， WANG Jian¹

（1. Dept. of Fuel， Army Logistics University， Chongqing 401331， China;

2. Chongqing Fire Safety Research & Service Co.， Ltd.， Chongqing 401120， China;

3. 92274 Troops， Qingdao Shandong 266400， China）

Abstract： On the basis of calculating isooctane adiabatic explosion pressures under different equivalent ratios， the explosion pressures of the gasoline-air mixture under different gasoline vapor concentrations were obtained by carrying explosion experiments in the standard 20 L spherical explosive device. By analyzing the error between the theoretical value of isooctane explosion pressure and the experiment pressure of the gasoline-air mixture， the equivalence relation formula of the equivalent ratio for the gasoline vapor and isooctane explosion pressure was put forward. This relation formula can be used not only to predict gasoline vapor explosion pressure， but also to amend the gasoline vapor explosion pressure numerical calculation model， so that the error between the calculated value and the experimental value can be significantly reduced.

Key words： Gasoline vapor; Explosion pressure; Equivalent ratio; Equivalence relation formula

汽油作為重要的動力燃料之一，廣泛應(yīng)用于各類動力設(shè)備。同時，汽油又是典型的混合物，成分構(gòu)成復(fù)雜，氣相色譜-質(zhì)譜分析表明其至少有94種成分，質(zhì)量濃度由高到低依次為烷烴、烯烴、苯系物、環(huán)烷烴等^[1]。由于汽油成份的復(fù)雜性，因此其揮發(fā)成的油蒸氣成分也十分復(fù)雜。

目前相關(guān)領(lǐng)域在對汽油蒸氣的燃燒放熱、汽油蒸氣氧化動力學(xué)模型等開展研究時，為了簡化模型和便于分析，一般以汽油蒸氣替代物來開展相關(guān)實驗和計算，最常見的汽油蒸氣替代物有異辛烷（iso-octane）和PRF（Primary Reference Fuels）兩種。PRF是異辛烷和正庚烷的二元混合物，主要用于研究內(nèi)燃機點火過程及辛烷值的確定等^[2-3]。異辛烷常常被國內(nèi)外學(xué)者用來研究汽油蒸氣氧化過程的放熱^[4-5]、化學(xué)動力學(xué)模型^[6-13]以及火焰速度等特性^{[12， 14-15]}，因此在計算汽油蒸氣爆炸超壓、火焰溫度時，常用異辛烷來代替油蒸汽成份，符合相關(guān)領(lǐng)域的處理習(xí)慣。然而這樣的簡化處理，常常會造成理論計算值與實際數(shù)據(jù)之間存在一定誤差。為了消除這類誤差，必須深入研究異辛烷與油蒸汽之間的等效關(guān)系。

本文以異辛烷和汽油蒸氣為研究對象，一方面將在理論分析的基礎(chǔ)上，計算不同當(dāng)量比下異辛烷的定容爆炸壓力。另一方面，通過20 L球形標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的汽油蒸氣爆炸實驗，獲得不同汽油蒸氣體積濃度下汽油蒸氣定容爆炸壓力數(shù)據(jù)。通過分析異辛烷定容爆炸壓力計算值與實際汽油蒸氣爆炸實驗壓力數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，試圖找出汽油蒸氣與異辛烷定容爆炸壓力的當(dāng)量比等效關(guān)系式。從而為準(zhǔn)確計算汽油蒸氣爆炸壓力以及汽油蒸氣爆炸過程數(shù)值分析建模等提供重要參考。

1 ?異辛烷定容爆炸壓力的理論計算

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，當(dāng)燃料-空氣混合物在定容條件下進行絕熱燃燒時，有如下的熱力學(xué)方程：

式中：V —容器體積，m³;

P_init和P_f —分別表示初始和終了狀態(tài)的壓力，Pa;

H_reac和H_prod —分別表示反應(yīng)物和生成物的絕對焓，kJ/kmol。

其數(shù)值可由式（2）計算。

式中： ?—組分i標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的生成焓;

—組分i的定容比熱。

應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，消去P_fV項，即

式中： T_init—初始溫度，取值298 K;

T_ad，v—定容絕熱燃燒溫度，K;

n_reac和n_prod—分別表示反應(yīng)物和生成物的摩爾數(shù)總和，其值與實際當(dāng)量比或燃料體積濃度有關(guān)，可根據(jù)實際化學(xué)反應(yīng)方程式求得。

根據(jù)式（3）及初始狀態(tài)和終態(tài)時的氣體狀態(tài)方程就可以計算出P_f。

上述計算過程可借助計算機來完成。表1為異辛烷（C₈H₁₈）當(dāng)量比F 取值0.3～2.0時的計算結(jié)果。圖1為根據(jù)計算結(jié)果得到的T_ad，V和P_f隨F 的變化曲線。

由圖1可以看出，計算得到的異辛烷定容絕熱燃燒溫度T_ad，p和終態(tài)壓力P_f均隨當(dāng)量比F 的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律。當(dāng)F=1.1時定容絕熱燃燒溫度T_ad，p達到峰值（2 666.66 K），當(dāng)F=1.2時終態(tài)壓力P_f達到峰值（989 207 Pa）。終態(tài)壓力P_f峰值對應(yīng)的當(dāng)量比F既不是化學(xué)計量濃度下的F=1.0，也不是最大定容絕熱燃燒溫度對應(yīng)的F=1.1。造成這一現(xiàn)象的原因主要與燃燒熱、產(chǎn)物熱容、產(chǎn)物總摩爾數(shù)等因素有關(guān)，具體原因參見前期研究文獻^[16]，在此不再贅述。

2? 汽油蒸氣定容爆炸壓力實驗測定

2.1? 裝置與方法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)20 L球形爆炸裝置（如圖2所示）測定汽油蒸氣爆炸壓力。相對于其他爆炸裝置來說，20 L球形爆炸裝置具有體積小、操作靈活方便、實驗消耗低等優(yōu)勢，已成為實驗室研究可燃氣體（液體蒸氣）、粉塵爆炸的主流裝置。

實驗時，將左右兩側(cè)接口改成帶閥門雙通，分別用于連接配氣系統(tǒng)和濃度測試系統(tǒng)，壓力傳感器安裝在抽真空口。另外，為了模擬絕熱條件，實驗前在球體外側(cè)包上保溫絕熱材料以減少熱量的損失，改進后的實物如圖3所示。

實驗方法步驟如下：

1）將配氣系統(tǒng)、濃度測試系統(tǒng)與爆炸裝置連接好;

2）用清潔空氣對爆炸腔體進行通風(fēng)吹掃，安裝好壓力傳感器，蓋上密封蓋;

3）開啟汽油蒸氣霧化循環(huán)系統(tǒng)，充入汽油蒸氣并進行循環(huán)攪拌;

4）循環(huán)2 min左右后停泵靜置1 min，利用濃度測試系統(tǒng)分析汽油蒸氣及氧濃度，若汽油蒸氣濃度未達到設(shè)定值再進行配氣動作直至符合要求;

5）關(guān)閉爆炸裝置所有閥門，連接點火器，調(diào)好壓力采集系統(tǒng)，而后點火;

6）記錄實驗數(shù)據(jù);

7）打開密封蓋，排出廢氣，用清潔空氣進行吹掃，進行下一組實驗。

2.2? 結(jié)果與分析

基于上文實驗裝置與實驗步驟，控制初始油蒸汽體積分?jǐn)?shù)步長在0.2%之內(nèi)，汽油蒸氣初始體積分?jǐn)?shù)在0.9%～2.4%之間，共完成了10組實驗。其典型的壓力曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，汽油蒸氣在被點燃后，壓力迅速上升至峰值P_max，之后壓力緩慢降低。這主要是由于點火后，火焰呈球形由球形容器中心向容器內(nèi)壁面迅速發(fā)展，當(dāng)火焰燃燒至內(nèi)壁面時，汽油蒸氣與空氣混合物燃燒過程結(jié)束，此時容器內(nèi)溫度最大，壓力達到峰值。之后，溫度逐漸降低，壓力隨之緩慢降低。因此，壓力曲線上的壓力峰值P_max即是理論分析中的壓力終值P_f。

表2為10組實驗得到的壓力峰值P_max以及相同初始體積濃度下異辛烷定容爆炸壓力終值P_f。圖5為根據(jù)表2得到的對比圖。

由圖5可以看出，①汽油蒸氣爆炸壓力實驗值和異辛烷爆炸壓力理論值均隨初始體積分?jǐn)?shù)（當(dāng)量比）呈先上升后下降的趨勢。該趨勢可用開口向下的二次曲線描述。②相同當(dāng)量比下，理論計算值均高于實驗值。這是因為，盡管實驗過程中對20 L球形容器外壁面采用了絕熱處理，但與理論計算時的理想絕熱條件相比仍有較大的熱損失。另一方面，汽油蒸氣的實際燃燒化學(xué)反應(yīng)過程與異辛烷燃燒反應(yīng)過程在放熱量、放熱速率等方面必然存在差異，這導(dǎo)致了實驗壓力與理論計算值之間的差異。③當(dāng)Φ≤1時，實驗值與理論值之間的差值較小且較為一致，約為0.126 MPa;當(dāng)Φ>1時，實驗值與理論值之間的差值隨Φ的增大而增大。

為了便于對定容絕熱條件下汽油蒸氣與異辛烷爆炸壓力進行等效分析，將實驗值與理論值的差值按對應(yīng)的當(dāng)量比繪圖并擬合，如圖6所示。

結(jié)合圖5和圖6，針對汽油蒸氣爆炸壓力實驗值與異辛烷爆炸壓力理論計算值之間的差異，現(xiàn)提出以下等效關(guān)系式：

式（5）即為汽油蒸氣定容爆炸壓力的異辛烷當(dāng)量比等效關(guān)系式。該等效關(guān)系式的意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）只要確定了實驗時的汽油蒸氣體積濃度，計算出對應(yīng)的當(dāng)量比后，便可以方便地預(yù)測汽油蒸氣與空氣預(yù)混后的定容爆炸壓力。

2）汽油蒸氣爆炸領(lǐng)域數(shù)值分析計算建模時，常常以異辛烷來代替汽油蒸氣的成份，然而由模型計算得到的壓力值往往比實際實驗值高。式（5）可以修正汽油蒸氣爆炸壓力計算模型，使模型計算值與實際實驗值之間的誤差顯著降低。

3? 結(jié)論

1）碳氫燃料與空氣預(yù)混后，其當(dāng)量比可表示為燃料體積濃度、碳氫燃料分子式中碳原子和氫原子個數(shù)的函數(shù)。

2）當(dāng)Φ≤1時，汽油蒸氣定容爆炸壓力實驗值與理論值之間的差值較小且較為一致;當(dāng)Φ>1時，其實驗值與理論值之間的差值隨Φ的增大而增大。

3）汽油蒸氣定容爆炸壓力的異辛烷當(dāng)量比等效關(guān)系式可由式（5）描述。只要確定了實驗時的汽油蒸氣體積濃度，便可以方便地預(yù)測汽油蒸氣與空氣預(yù)混后的定容爆炸壓力。

致謝：本文得到后勤工程學(xué)院青年科研基金資助（YQ16-420802）。

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