張培理，杜 揚(yáng)

(中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311)

油氣爆炸的氮?dú)夥穷A(yù)混抑制實(shí)驗(yàn)*

張培理，杜 揚(yáng)

(中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶 401311)

依靠激波管可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，完成了油氣爆炸的氮?dú)夥穷A(yù)混抑制實(shí)驗(yàn)，獲得了火焰前鋒在氮?dú)夥穷A(yù)混段內(nèi)衰減、熄滅過程的高速攝影照片。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和高速攝影照片的分析，討論了油氣爆炸氮?dú)夥穷A(yù)混抑制過程的超壓特性和火焰行為。結(jié)果表明，采用氮?dú)夥穷A(yù)混手段能顯著降低油氣爆炸過程的超壓與超壓上升速率。油氣爆炸的氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程經(jīng)歷了慣性相持期、抑制衰減期和擴(kuò)散熄滅期3個(gè)階段。氮?dú)夥肿幼鳛榈谌w參與化學(xué)反應(yīng)并攜帶走高能自由基的能量，促使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)向中止鏈大量發(fā)展，這是油氣爆炸氮?dú)夥穷A(yù)混抑制過程的主要機(jī)理。抑制衰減期的火焰由衰減抑制區(qū)和核心區(qū)火焰構(gòu)成，火焰與氮?dú)獾南嗷プ饔弥饕l(fā)生在衰減抑制區(qū)內(nèi)。在抑制衰減期內(nèi)，火焰速度的衰減可用線性公式描述。

爆炸力學(xué)；氮?dú)夥穷A(yù)混抑制；超壓；油氣爆炸；火焰行為；火焰速度；可視化

在眾多的油氣資源中，氣態(tài)的油氣資源，例如天然氣、瓦斯和原油、成品油揮發(fā)氣體等，屬于典型的易燃易爆氣體，稍有不慎就可能引發(fā)火災(zāi)爆炸安全事故，從而造成重大人員傷亡和巨額經(jīng)濟(jì)損失。近年來，油氣火災(zāi)爆炸事故仍時(shí)有發(fā)生，造成大量人員傷亡和難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免受限空間內(nèi)油氣爆炸事故的發(fā)生，減少人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，尚需加強(qiáng)對油氣爆炸抑制過程的研究，從而提出有效的油氣爆炸抑制技術(shù)和措施。

可燃?xì)怏w爆炸抑制過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，從抑制手段上看可以分為主動(dòng)抑制和被動(dòng)抑制2類[1]。然而，無論采用何種抑制手段，其目的均是控制可燃?xì)怏w爆炸過程中火焰的發(fā)展，從而使火焰在傳播過程中逐漸減速衰減并熄滅。然而，從掌握的文獻(xiàn)來看，涉及可燃?xì)怏w爆炸抑制劑[2-3]和抑制技術(shù)[4-5]的文獻(xiàn)較多，而涉及抑爆機(jī)理的文獻(xiàn)較少，特別是涉及油氣爆炸抑制過程火焰行為的文獻(xiàn)十分少見。

氮?dú)馐且环N非常穩(wěn)定的惰性阻燃?xì)怏w，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金等領(lǐng)域中有防火防爆要求的各種場合。因此，許多文獻(xiàn)中對氮?dú)獾亩杌匦訹6]、稀釋特性[7]以及防火防爆性能[8]開展了較為深入的探究。然而在這些文獻(xiàn)中，氮?dú)獬３１挥米黝A(yù)混抑制劑以惰化、稀釋可燃?xì)怏w，而將氮?dú)庾鳛榉穷A(yù)混抑制劑來抑制受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸還鮮有報(bào)道。

本文中擬在激波管上通過可視化實(shí)驗(yàn)手段，對油氣爆炸氮?dú)夥穷A(yù)混抑制過程進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究，從而獲得油氣爆炸氮?dú)夥穷A(yù)混抑制過程的火焰行為，以期為油料洞庫或坑道等涉油氣受限空間內(nèi)油氣爆炸的氮?dú)夥穷A(yù)混抑制技術(shù)和裝備的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

圖1 主要實(shí)驗(yàn)裝置布置圖Fig.1 Schematic illustration of the main experimental setup

實(shí)驗(yàn)的主要裝置包括可組裝式激波管(200 mm×200 mm×5 500 mm)、油氣循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝影儀、計(jì)算機(jī)等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括壓力采集系統(tǒng)和濃度測試系統(tǒng)等。圖1是氮?dú)夥穷A(yù)混抑制油氣爆炸時(shí)的主要實(shí)驗(yàn)裝置布置示意圖。

為了直觀地分析氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程的火焰行為和抑爆機(jī)理，在激波管上安裝了可視化段(280 mm×200 mm)，并利用高速攝影儀捕捉火焰遭遇氮?dú)夂蟮幕鹧嫘袨?，以揭示火焰在氮?dú)庵械男袨橐?guī)律和氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程的機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)中，用FASTCAM-Ultima 512型高速攝影儀捕捉火焰在氮?dú)夥穷A(yù)混段內(nèi)的行為，根據(jù)高速攝影儀的快門速度與采樣頻率就可以獲得火焰前鋒速度[9-10]。具體來說就是根據(jù)相鄰照片中火焰前鋒的位置差和相鄰照片的時(shí)間差來計(jì)算火焰速度。

油氣循環(huán)系統(tǒng)包括真空循環(huán)泵、油氣蒸發(fā)裝置(具體結(jié)構(gòu)及工作原理見文獻(xiàn)[11-12]。壓力采集系統(tǒng)主要由壓力傳感器、采集卡和計(jì)算機(jī)組成。沿激波管共布置了3個(gè)壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)中以這3個(gè)壓力傳感器采集到數(shù)據(jù)的平均值作為激波管內(nèi)的壓力值。濃度采集系統(tǒng)主要由GXH-1050 型紅外分析儀和NHA-502型汽車尾氣分析儀組成。實(shí)驗(yàn)中油氣濃度由GXH-1050 型紅外分析儀測試，而其他氣體組分，如O2、CO、CO2等，均由NHA-502型汽車尾氣分析儀測量。

實(shí)驗(yàn)用的氮?dú)庥傻獨(dú)庵苽湎到y(tǒng)提供，氮?dú)饧兌燃s為95%(其余氣體組分為主要為氧氣)。非預(yù)混氮?dú)舛斡煤穸葹?.2 mm的塑料薄膜隔離形成，由于激波管可組裝，因此非預(yù)混氮?dú)舛伍L度可調(diào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先由氮?dú)獍l(fā)生裝置制備好所需氮?dú)猓笤O(shè)置好氮?dú)庖直伍L度、位置并充入氮?dú)猓缓笙蚣げü軆?nèi)充入一定濃度的油氣，最后點(diǎn)火并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，實(shí)驗(yàn)中油氣當(dāng)量比(按異辛烷計(jì)算)設(shè)置為1，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)的初始油氣體積分?jǐn)?shù)約為1.61%。本文實(shí)驗(yàn)的初始條件設(shè)置為：氮?dú)舛伍L度為226 cm，氮?dú)舛谓伺c點(diǎn)火源的距離為55 cm，氮?dú)舛蔚獨(dú)夂脱鯕獾捏w積分?jǐn)?shù)分別為95%和5%，油氣初始體積分?jǐn)?shù)為1.61%，氧氣的初始體積分?jǐn)?shù)為20.6%，點(diǎn)火能為5 J，初始溫度為300 K，初始相對壓力為0 Pa。

圖2 有無氮?dú)夥穷A(yù)混抑制時(shí)的超壓曲線Fig.2 Curves of overpressure of the explosion with and without suppression by non-premixed nitrogen

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氮?dú)夥穷A(yù)混抑制過程超壓與主要組分體積分?jǐn)?shù)變化

圖2是激波管內(nèi)油氣爆炸有無氮?dú)夥穷A(yù)混抑制的超壓(p)曲線。由圖2可以看出，無氮?dú)夥穷A(yù)混抑制時(shí)油氣爆炸最大超壓為0.430 MPa，達(dá)到最大超壓時(shí)的耗時(shí)為0.342 s，超壓上升速率為1.26 MPa/s。而當(dāng)有氮?dú)夥穷A(yù)混抑制時(shí)油氣爆炸最大超壓僅為0.126 MPa，達(dá)到最大超壓時(shí)的耗時(shí)為0.210 s，超壓上升速率約為0.60 MPa/s。有氮?dú)夥穷A(yù)混抑制時(shí)的最大超壓比無氮?dú)夥穷A(yù)混抑制時(shí)下降了約70.7%，平均超壓上升速率比無氮?dú)夥穷A(yù)混抑制時(shí)下降了約52.4%。

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)獨(dú)舛紊嫌蔚挠蜌獗稽c(diǎn)燃后，火焰面后的已燃高溫高壓氣體會(huì)推動(dòng)火焰面前的未燃?xì)怏w向下游運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氮?dú)舛紊嫌蔚谋∧?huì)先在壓力作用下破裂，這會(huì)導(dǎo)致火焰前方的未燃?xì)怏w和氮?dú)舛蝺?nèi)的氮?dú)饣旌稀Ｒ虼?，火焰必然?huì)進(jìn)入氮?dú)舛蝹鞑ァ４藭r(shí)，如果火焰能持續(xù)穿過氮?dú)舛?，則抑制實(shí)驗(yàn)失敗，如果火焰未穿過氮?dú)舛危瑒t抑制實(shí)驗(yàn)成功。抑制實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?，與氮?dú)夥穷A(yù)混段長度、氮?dú)舛紊嫌蔚挠蜌舛伍L度、氮?dú)舛蝺?nèi)氮?dú)獾募兌?、初始油氣濃度等因素有關(guān)[13]。但是僅以油氣爆炸最大超壓和平均超壓上升速率來說明油氣爆炸氮?dú)夥穷A(yù)混抑制成功與否還不夠充分，還必須提供其他證據(jù)。表1是油氣爆炸氮?dú)夥穷A(yù)混抑制實(shí)驗(yàn)前后激波管內(nèi)主要?dú)怏w組分的體積分?jǐn)?shù)(φ)。實(shí)驗(yàn)后激波管內(nèi)油氣、O2、CO2和CO的體積分?jǐn)?shù)分別為1.19%、15.24%、2.86%和0.89%。這表明，實(shí)驗(yàn)后激波管內(nèi)仍有大量的油氣和O2剩余，并且均處于油氣爆炸所需的極限[14]內(nèi)。這說明，本次實(shí)驗(yàn)中氮?dú)夥穷A(yù)混段后的油氣混合物并未發(fā)生燃燒，即火焰并未穿過氮?dú)夥穷A(yù)混段，本次抑制實(shí)驗(yàn)是成功的。

表1 實(shí)驗(yàn)前后激波管內(nèi)主要?dú)怏w組分的體積分?jǐn)?shù)Table 1 Volume fraction of main gas components before and after the experiment

2.2 氮?dú)夥穷A(yù)混抑制過程火焰行為與火焰速度

圖3是高速攝影儀捕捉到的火焰前鋒在氮?dú)夥穷A(yù)混段中熄滅的過程。其中高速攝影儀采樣頻率為1 000 s-1，快門時(shí)間周期為0.001 s。

圖3 高速攝影儀捕捉到的火焰前鋒在氮?dú)庵邢绲倪^程Fig.3 Photos of flame front in extinction, captured by high speed camera

由圖3可以看出：

(1) 油氣爆炸火焰前鋒進(jìn)入氮?dú)舛魏?，在初期仍保持上游的發(fā)展趨勢向前發(fā)展，此時(shí)火焰前鋒仍由較為清晰的輪廓，火焰前鋒的形狀略呈向下游凸出的拋物線(228～232 ms)。這主要是由于火焰受上游膨脹壓力波作用，從上游進(jìn)入氮?dú)舛螘r(shí)，流場速度大于火焰的燃燒速度，因此火焰仍具有一定的“慣性”，持續(xù)發(fā)生燃燒反應(yīng)并放出熱量，這也導(dǎo)致火焰前鋒邊界有能量支撐，呈現(xiàn)較為清晰的輪廓。這一階段火焰最主要的特征是慣性相持。

(2) 油氣爆炸火焰前鋒從234 ms開始由拋物線狀逐漸演化為布滿激波管橫斷面的矩形，火焰的顏色也從外圍逐漸由亮黃色變成暗紅色，火焰前鋒的輪廓也變得模糊(234～244 ms)。這主要是由于從234 ms開始，氮?dú)鈱τ蜌獗ɑ鹧娴囊种菩Ч_始顯現(xiàn)，氮?dú)夥肿釉诨鹧娣艧岙a(chǎn)生的對流機(jī)制作用下，開始由火焰外圍向火焰內(nèi)部擴(kuò)散。由于氮?dú)夥肿邮嵌栊缘?，它在火焰高溫下作為?體[15]參與油氣爆炸的化學(xué)反應(yīng)，其主要反應(yīng)過程可用以下方程式表示：

式(1)～(3)中左邊的氮?dú)夥肿幼陨砟芰枯^低，右邊氮?dú)夥肿幽芰枯^高，它們參與反應(yīng)主要是攜帶走CH、O、OH、CO等高能自由基的能量，在碰撞反應(yīng)過程中高能自由基將內(nèi)能傳遞給氮?dú)夥肿?，成為氮?dú)夥肿拥膭?dòng)能，氮?dú)夥肿哟偈规準(zhǔn)椒磻?yīng)向中止鏈大量發(fā)展。正是由于這一機(jī)制的存在，使得鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的方向發(fā)生了變化，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)逐漸中止。相應(yīng)的，火焰溫度隨著化學(xué)反應(yīng)歷程的改變逐漸降低，這導(dǎo)致碳煙顆粒激發(fā)態(tài)的輻射強(qiáng)度下降，相應(yīng)的輻射光顏色也由亮黃色逐漸向暗紅色過渡?；鹧嬖谶@一階段最主要的特征是抑制衰減。圖4顯示了處于抑制衰減階段的火焰結(jié)構(gòu)。從圖4可以看出，此時(shí)的火焰由衰減抑制區(qū)和核心區(qū)火焰構(gòu)成，火焰與氮?dú)獾南嗷プ饔弥饕l(fā)生在衰減抑制區(qū)內(nèi)。

(3) 火焰前鋒在246～276 ms之間持續(xù)衰減，顏色由黃紅色逐漸變?yōu)榘导t色，火焰區(qū)形狀不能自持并逐漸擴(kuò)散消失。這是由于此時(shí)火焰前鋒在氮?dú)獾囊种谱饔孟拢瘜W(xué)反應(yīng)速度持續(xù)衰減，化學(xué)反應(yīng)放熱已不能為火焰的繼續(xù)傳播提供能量，火焰區(qū)在流場作用下已不能維持自身形狀，逐漸向四周擴(kuò)散，這又導(dǎo)致熱量損失進(jìn)一步的加劇，火焰區(qū)溫度迅速下降，火焰厚度迅速變薄，最終火焰完全在氮?dú)庵邢??；鹧嬖谶@一階段最主要的特征是擴(kuò)散熄滅。

從上述分析可以看出，氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，即慣性相持期、抑制衰減期、擴(kuò)散熄滅期。這3個(gè)階段分別耗時(shí)約6、12和32 ms。

圖5是根據(jù)火焰行為的高速攝影照片得到的氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程中火焰前鋒速度(v)隨時(shí)間的變化曲線。由圖5可以看出：(1) 氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程中火焰前鋒的速度隨時(shí)間波動(dòng)，這主要是由于火焰在傳播過程中，放熱與熱損失、混合氣體的速度場、邊界條件(如開口或閉口)以及油氣爆炸壓力波相互作用的共同作用導(dǎo)致了受限空間火焰速度的波動(dòng)。這一現(xiàn)象與機(jī)理在文獻(xiàn)中[11]已進(jìn)行了詳細(xì)的討論。(2) 油氣爆炸火焰進(jìn)入氮?dú)庖种贫螘r(shí)速度約為20 m/s，在上游慣性作用下火焰速度上升至43 m/s，之后氮?dú)獾囊种谱饔瞄_始顯現(xiàn)，火焰開始減速。在約238 ms時(shí)火焰速度降低至零，此時(shí)的火焰為駐留火焰，之后，火焰的減速并沒有停止，火焰開始向后方運(yùn)動(dòng)，火焰速度出現(xiàn)了負(fù)值，在約240 ms時(shí)火焰速度出現(xiàn)最小值，約為-12.92 m/s。之后為擴(kuò)散熄滅期，火焰在振蕩流場影響下，速度又開始增加，在244 ms時(shí)火焰速度又上升至10.77 m/s。然而之后，油氣爆炸火焰隨流場開始擴(kuò)散，火焰放熱、火焰溫度、火焰面積等迅速減小，直至火焰完全熄滅。(3) 在抑制衰減期內(nèi)，火焰速度的衰減可用以下線性擬合公式描述：

v=-0.575 6t+1 368

(4)

式中：火焰速度v的單位為m/s，時(shí)間t的單位為ms。擬合因子R2為0.983。可以看出火焰速度的衰減強(qiáng)度約為576 m/s，因此氮?dú)鈱鹧娴囊种菩Ч浅ｏ@著。

圖4 抑制衰減階段的火焰結(jié)構(gòu)Fig.4 Flame structure in the phase of suppression/attenuation

圖5 氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程中火焰速度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of the flame speed with time in suppression process

3 結(jié) 論

本文中在激波管內(nèi)完成了油氣爆炸的氮?dú)夥穷A(yù)混抑制實(shí)驗(yàn)。通過可視化手段，得到了油氣爆炸火焰在氮?dú)舛蝺?nèi)衰減熄滅的照片。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，氮?dú)夥穷A(yù)混抑制手段能顯著降低油氣爆炸過程的超壓和平均超壓上升速率；油氣爆炸的氮?dú)夥穷A(yù)混抑爆過程經(jīng)歷了慣性相持階段、抑制衰減階段和擴(kuò)散熄滅階段3個(gè)階段；惰性氮?dú)夥肿釉诨鹧娓邷叵伦鳛榈?體參與化學(xué)反應(yīng)并攜帶走高能自由基的能量，促使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)向中止鏈大量發(fā)展，這是油氣爆炸氮?dú)夥穷A(yù)混抑制過程的主要機(jī)理；處于抑制衰減階段的火焰結(jié)構(gòu)由衰減抑制區(qū)和核心區(qū)火焰構(gòu)成，火焰與氮?dú)獾南嗷プ饔弥饕l(fā)生在衰減抑制區(qū)內(nèi)；在抑制衰減期內(nèi)，火焰速度的衰減可用線性擬合公式描述。

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(責(zé)任編輯 王小飛)

Experiments of nitrogen non-premixed suppression of gasoline-air mixture explosion

Zhang Peili, Du Yang

(DepartmentofMilitaryPetroleumSupplyEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing401311,China)

We carried out experiments of suppressing the gasoline-air explosion by non-premixed nitrogen using the visualization experimental bench and a high-speed camera to take photos of the flame front extinction to capture the suppression process. Based on the analysis of the experimental data and high-speed taken photos, we examined the overpressure characteristics and the flame behavior of the suppression process. Results from our study show that the suppression by non-premixed nitrogen can significantly reduce the overpressure in the gasoline-air mixture explosion and its rise rate, and in the suppression process three phases are identified: sustained inertia, suppression/attenuation, and diffusion/extinction. The mechanism governing the suppression process is that nitrogen molecules participate in the chemical reaction as a third part and can then absorb energy from the high-energy free radicals so that the main reaction chains are changed to termination chains. The flame in the phase of the suppression/attenuation can be divided into the suppression/attenuation zone (where suppression and attenuation occur) and the core zone. In the phase of suppression and attenuation, the relationship between the flame speed and time can be described by a linear formula.

mechanics of explosion; nitrogen non-premixed suppression; overpressure; gasoline-air mixture explosion; flame behavior; flame speed; visualization

10.11883/1001-1455(2016)03-0347-06

2014-10-27；

2015-03-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276195)；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2016jcyjA1617)

張培理(1985- )，男，博士，講師；

杜 揚(yáng)，zpl6123@163.com。

O381國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A