唐澤斯，郭 進(jìn)，張 蘇，王金貴

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)，也可作為安全防護(hù)構(gòu)件.可靠的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證爆炸容器安全的關(guān)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(qiáng)度問題的實(shí)質(zhì)是瞬態(tài)沖擊激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)問題.在設(shè)計(jì)、加工爆炸容器時(shí)，一般都會(huì)依據(jù)使用需求偏大設(shè)計(jì)額定強(qiáng)度，特別是含泄爆設(shè)計(jì)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(duì)爆炸容器瞬態(tài)沖擊激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)問題尚缺乏充分認(rèn)識(shí)，爆炸容器設(shè)計(jì)尚處于靜態(tài)設(shè)計(jì)水平，其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的工作尚不足.

爆炸產(chǎn)物往往具有強(qiáng)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(dòng)響應(yīng)更為復(fù)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(yīng)機(jī)理.Duffey等[6]分析球形容器的彈性響應(yīng)和爆炸載荷的關(guān)系，并通過數(shù)值分析爆炸容器的振動(dòng)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(jī)理.鐘方平[9-10]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論計(jì)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(dòng)特性與其彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)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(duì)沖擊波傳播規(guī)律和殼體動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大.劉函等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，分析爆炸容器受爆炸荷載作用的振動(dòng)頻率分布及各階模態(tài)固有頻率特征.梳理發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)爆炸容器的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)多集中于定容容器，而對(duì)具有泄爆設(shè)計(jì)的容器動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的研究少見.泄爆設(shè)計(jì)雖然大幅降低了容器內(nèi)部壓力，但爆炸作用下容器的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)對(duì)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(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆作用下容器的振動(dòng)響應(yīng)特性，并進(jìn)一步結(jié)合在實(shí)驗(yàn)過程中泄爆艙內(nèi)部壓力變化、火焰演化和實(shí)驗(yàn)艙固有頻率特征等，探討甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆過程容器動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的機(jī)理.研究成果對(duì)于提高爆炸容器及其配套設(shè)施的設(shè)計(jì)與制造安全水平具有重要意義.

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

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

圖1為自行設(shè)計(jì)并搭建的矩形泄爆實(shí)驗(yàn)艙及其測(cè)試系統(tǒng)示意圖，艙內(nèi)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(shè)置3個(gè)尺寸為700 mm×400 mm的觀察窗；點(diǎn)火電極位于艙幾何中心位置，單次點(diǎn)火能量約為500 mJ.在艙的兩個(gè)側(cè)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(shù)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(yīng)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(jī)(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(diǎn)火時(shí)同步觸發(fā)加速度、壓力及高速攝像采集系統(tǒng).所有實(shí)驗(yàn)均在103 kPa的初始?jí)毫?85 K的初始溫度下進(jìn)行.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

共進(jìn)行3組甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆實(shí)驗(yàn)，各組實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)艙三軸方向均出現(xiàn)雙峰振動(dòng)現(xiàn)象(如圖2所示).實(shí)驗(yàn)艙在三軸方向的動(dòng)力響應(yīng)特征相近，其中在點(diǎn)火后0.52～0.55 s間出現(xiàn)約0.16 km·s-2的低幅值振動(dòng)，緊接著在點(diǎn)火后0.71～0.90 s間出現(xiàn)高達(dá)10 km·s-2左右的高幅值振動(dòng)；總體而言X軸(上下振動(dòng))和Y軸(前后振動(dòng))方向振動(dòng)特征相近，V2振動(dòng)峰值上升較快，振動(dòng)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(dòng)發(fā)育，且振動(dòng)尾波較X、Y軸方向明顯發(fā)育.為了進(jìn)一步分析振動(dòng)響應(yīng)的頻譜特征，分別對(duì)各組實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)振動(dòng)事件(V1和V2)進(jìn)行短時(shí)快速傅里葉變換得到各自的時(shí)頻圖，限于篇幅僅展示實(shí)驗(yàn)1組Z軸方向的時(shí)頻圖(見圖3)；低幅值振動(dòng)V1的主頻為100 Hz和480 Hz，而高幅值振動(dòng)的主頻為480、980和1100 Hz.3組實(shí)驗(yàn)泄爆艙各動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)及其頻譜參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.

圖2 實(shí)驗(yàn)1組實(shí)驗(yàn)艙三軸動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)曲線Fig.2 Structural response of the vessel for test 1

圖3 實(shí)驗(yàn)1組Z軸動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)時(shí)頻圖Fig.3 Frequency-time distribution of the vibration signal for test 1 (Z axis)

表1 泄爆作用下實(shí)驗(yàn)艙動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征

3 實(shí)驗(yàn)艙動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制

理論上來說，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)是幾種模式的組合，每一種模式都對(duì)應(yīng)不同的頻率，且根據(jù)結(jié)構(gòu)及負(fù)載特性，不同的模式對(duì)結(jié)構(gòu)總體響應(yīng)的貢獻(xiàn)不同.本實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)艙的振動(dòng)主要包括受迫振動(dòng)和自由(阻尼)振動(dòng)，受迫振動(dòng)為爆炸沖擊波作用下實(shí)驗(yàn)艙的強(qiáng)迫振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與驅(qū)動(dòng)力(即沖擊波震蕩)頻率相近；自由(阻尼)振動(dòng)則是實(shí)驗(yàn)艙在爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生的自由振動(dòng)，其頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相近.

為了分析實(shí)驗(yàn)艙在甲烷泄爆作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，本文結(jié)合在實(shí)驗(yàn)過程中艙內(nèi)部壓力、火焰演化和實(shí)驗(yàn)艙固有頻率等特征，探討前述實(shí)驗(yàn)艙動(dòng)態(tài)力學(xué)的響應(yīng)機(jī)制.

3.1 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部超壓時(shí)程特征

圖4 實(shí)驗(yàn)1組實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部超壓時(shí)程曲線Fig.4 Overpressure-time histories for test 1

圖4為實(shí)驗(yàn)1組艙內(nèi)部超壓時(shí)程曲線(相對(duì)于大氣壓力的壓力曲線)，存在與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)相類似雙峰現(xiàn)象(P1和P2)，且兩者出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相近，說明前述泄爆艙的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)雙峰現(xiàn)象與艙內(nèi)沖擊波變化特征有關(guān).利用短時(shí)快速傅里葉變換得到P1和P2的時(shí)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(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)主頻段均有艙內(nèi)壓力變化主頻對(duì)應(yīng).

圖5 實(shí)驗(yàn)1組實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部超壓時(shí)程時(shí)頻圖Fig.5 Frequency-time distribution of the overpressure signal for test 1 (Z axis)

圖6為實(shí)驗(yàn)1組的典型火焰圖像，分析發(fā)現(xiàn)，與V1對(duì)應(yīng)相同周期的壓力峰值P1(如圖4所示)主要由初始火焰?zhèn)鞑ァ⑼獠勘?、亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩(wěn)定性等因素綜合影響導(dǎo)致[13-17].初始點(diǎn)火后，火焰從點(diǎn)火電極處呈球形膨脹，如圖6(a)所示，艙內(nèi)部壓力逐漸增加，直至泄爆膜在0.127 s時(shí)破裂，此時(shí)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(dòng)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(nèi)過度泄放形成負(fù)壓峰值Pneg，進(jìn)而導(dǎo)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(gè)大的突起，如圖6(i)所示; 隨著火焰的進(jìn)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(gè)角落，如圖6(j)～(k)所示.在此期間，艙內(nèi)壓力接近環(huán)境壓力，如圖4所示.當(dāng)小突起靠近容器底部時(shí)，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(dòng)V2.火焰的振蕩伴隨著內(nèi)部超壓的聲學(xué)類型振蕩，如圖5所示，主頻為480和980 Hz.

3.2 實(shí)驗(yàn)艙固有頻率

測(cè)定結(jié)構(gòu)自振頻率的方法主要有強(qiáng)迫振動(dòng)法和自由振動(dòng)法[18].本文采用自由振動(dòng)法中的敲擊法測(cè)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(gè)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(dòng).圖7(a)為實(shí)驗(yàn)艙受脈沖錘快速敲擊后的自由振動(dòng)圖，為典型的阻尼振動(dòng).對(duì)其進(jìn)行短時(shí)快速傅里葉變換，得到該振動(dòng)的時(shí)頻圖(見圖7(b))，從時(shí)頻圖可以看出，本實(shí)驗(yàn)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(dòng)V2中的1.1 kHz頻率相近(圖3(b))，該頻率的艙體振動(dòng)主要為泄爆艙受沖擊后的自振振動(dòng).

圖6 實(shí)驗(yàn)1組典型火焰圖像Fig.6 Typical flame images in test 1

圖7 實(shí)驗(yàn)艙受沖擊測(cè)試后的自由振動(dòng)及其時(shí)頻圖Fig.7 Vibration and frequency-time distribution of the cabin after being knocked

4 結(jié)語

1)容器側(cè)壁在三軸方向的動(dòng)力響應(yīng)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(dòng)主頻為110和480 Hz，高達(dá)10 km·s-2的高幅值振動(dòng)主頻為480、980和1 100 Hz.

3)結(jié)合艙內(nèi)部超壓和火焰演化特征分析發(fā)現(xiàn)，前期低幅值振動(dòng)主要受艙內(nèi)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(dǎo)致.

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