杜 揚(yáng)，王世茂，袁廣強(qiáng)，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?xì)怏w爆炸事故不斷，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，諸多學(xué)者對(duì)狹長(zhǎng)受限空間中的可燃?xì)怏w爆炸特性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)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?xì)怏w，主要側(cè)重點(diǎn)為受限空間中可燃?xì)怏w的爆炸特性如超壓、超壓上升速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?。?shù)值模擬方面，近年來各種計(jì)算模型被廣泛應(yīng)用于對(duì)受限空間中的可燃?xì)怏w爆炸特性的計(jì)算，主要針對(duì)不同幾何形狀、不同初始條件下的可燃?xì)怏w爆燃?jí)毫?、火焰發(fā)展的計(jì)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?xì)怏w在受限空間中的爆炸特性，而對(duì)油氣這種多分子復(fù)雜介質(zhì)的研究相對(duì)欠缺，尤其是缺乏對(duì)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(hào)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(jìn)行相應(yīng)的機(jī)理分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由長(zhǎng)徑比為4的一端開口的透明玻璃管道、參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)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(qiáng)度20 kPa泄爆膜作為弱約束端面進(jìn)行封口，當(dāng)構(gòu)造無約束工況條件時(shí)，利用強(qiáng)度為0.3 kPa的塑料膜封口，此時(shí)薄膜固有強(qiáng)度對(duì)爆炸的影響可忽略不計(jì)。管道內(nèi)P1點(diǎn)、管道外P2點(diǎn)分別設(shè)一壓力傳感器，以測(cè)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(duì)火焰發(fā)展過程進(jìn)行捕捉。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)已有的研究，93號(hào)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(hào)油氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)含弱約束端面短管道油氣爆炸特性進(jìn)行研究。一方面測(cè)量管道內(nèi)外的爆炸壓力隨時(shí)間的變化特性，另一方面使用高速攝影系統(tǒng)對(duì)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(jìn)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(diǎn)火初期火焰的局部細(xì)節(jié)變化過程。使用同步控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力采集、高速攝影、點(diǎn)火激發(fā)的同步控制。

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)點(diǎn)P1處的爆炸超壓隨時(shí)間的變化關(guān)系。可以看出，對(duì)于含有弱約束端面的短管道，其超壓變化受多個(gè)機(jī)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(diǎn)火后，管道內(nèi)壓力上升，當(dāng)壓力上升至24.23 kPa時(shí)，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(shí)形成第一個(gè)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(dòng)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(shí)高速運(yùn)動(dòng)的火焰射流將在極短時(shí)間內(nèi)引燃泄放出的油氣，云團(tuán)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(dòng)階段(0.048～0.057 s)：由于劇烈的熱損失，已燃物的溫度會(huì)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(duì)撞產(chǎn)生劇烈的燃燒，火焰鋒面進(jìn)一步擴(kuò)張，使得壓力再次上升；擴(kuò)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(gè)周期性的往復(fù)振蕩流動(dòng)，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(fù)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(qiáng)了體系內(nèi)的湍流強(qiáng)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(shí)間的變化更為復(fù)雜和劇烈，出現(xiàn)部分峰值合并、強(qiáng)振蕩等特點(diǎn)，二者的對(duì)比如表1所示。

表1 管道內(nèi)部爆炸特性對(duì)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(shí)刻；pext為外部爆炸超壓峰值；text為外部爆炸超壓峰值時(shí)刻；pref為回流燃燒超壓；Δt為震蕩持續(xù)時(shí)間；T為振蕩周期。

當(dāng)管道端面含有弱約束端面時(shí)，出現(xiàn)3個(gè)超壓峰值，而無約束時(shí)，僅有2個(gè)超壓峰值；說明弱約束端面的存在會(huì)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(shí)，出現(xiàn)破膜超壓pb和反向燃燒超壓prev，而當(dāng)無約束時(shí)，這2個(gè)超壓值并未出現(xiàn)；(2) 含有弱約束端面時(shí)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(shí)間的變化規(guī)律

圖3為含弱約束端面和無約束條件下測(cè)點(diǎn)P2的爆炸超壓時(shí)程曲線。從圖中可以看出，當(dāng)管道含有弱約束端面時(shí)，P2測(cè)點(diǎn)第一個(gè)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(cè)點(diǎn)位置后，隨后而來的稀疏波導(dǎo)致壓力下降；當(dāng)油氣云團(tuán)被噴射的火焰點(diǎn)燃，發(fā)生外部爆炸，導(dǎo)致壓力上升，并于0.048 s時(shí)達(dá)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(dòng)的影響，測(cè)點(diǎn)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?qiáng)。

同無約束端面的管道相比，含弱約束端面管道外部測(cè)點(diǎn)P2的超壓時(shí)序變化則相對(duì)復(fù)雜，二者對(duì)比如表2所示。從表2中可以看出，相對(duì)于無約束管道而言，含弱約束端面的管道外部測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)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(tuán)，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(duì)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(duì)比

圖4為含弱約束端面條件下油氣爆炸火焰發(fā)展時(shí)序圖像。當(dāng)油氣被點(diǎn)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(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)泄流效應(yīng)，進(jìn)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(shí)，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(chǎng)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(chǎng)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(shí)序圖像，從圖5(a)～(d)可以看出，當(dāng)無約束時(shí)，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(zhǎng)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(shí)整個(gè)爆炸過程中壓力變化較小，沒有產(chǎn)生強(qiáng)泄流效應(yīng)，無法誘導(dǎo)產(chǎn)生較強(qiáng)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?duì)比

圖6為含弱約束端面和無約束時(shí)，火焰速度隨時(shí)間變化的關(guān)系。結(jié)合火焰速度變化趨勢(shì)和火焰形態(tài)變化圖像，將油氣爆炸過程劃分為4個(gè)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(duì)于無約束條件下的火焰?zhèn)鞑ィ饕铀贆C(jī)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(duì)平緩，最大火焰速度為38.9 m/s；而對(duì)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(qiáng)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(fù)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(diǎn)火后油氣被引燃并形成高能著火點(diǎn)，著火點(diǎn)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(qiáng)泄流效應(yīng)，進(jìn)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?zhàn)饔茫鹧嫦涔艿揽趪娚洳a(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(jìn)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(fù)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(diǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)，火焰燃燒初期為緩慢發(fā)展的橙紅色絮狀火焰，呈現(xiàn)擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢(76 ms)。隨著燃燒的進(jìn)行，火焰沿管道頂部壁面向前擴(kuò)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(duì)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(gè)階段：封閉爆炸階段、開口發(fā)展階段、衰弱熄滅階段。對(duì)不同初始油氣濃度條件下油氣爆炸火焰發(fā)展特性進(jìn)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(diǎn)火初期，約束膜未被破壞，整個(gè)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(kuò)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(shí)，爆炸氧氣含量相對(duì)充足，油氣被點(diǎn)燃后，向各個(gè)方向的傳播速度幾乎相等，形成光滑球形火焰；1.76%2.37%時(shí)，爆炸在嚴(yán)重貧氧條件下進(jìn)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(shí)(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(fù)壓區(qū)，在負(fù)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(shí)(CCH>2.60%)，爆炸強(qiáng)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(dòng)、火焰反向傳播等多種機(jī)制控制，產(chǎn)生多個(gè)峰值，在爆炸過程中形成Helmholtz諧振腔，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩；容器外部超壓具有2個(gè)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(qiáng)，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(gè)階段；對(duì)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(duì)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(shí)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(qiáng)泄流對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔性鰪?qiáng)作用，此階段最大速度為80.2 m/s，相比于無約束時(shí)增強(qiáng)了106.2%。(5) 含弱結(jié)構(gòu)端面狹長(zhǎng)受限空間油氣爆炸過程可分為3個(gè)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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