陳愛(ài)萍,胡 超,梁志星,鄭昊宇,謝 樂(lè),高超蘭,王金貴,

(1.福州大學(xué) 至誠(chéng)學(xué)院,福州 350002;2.福州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,福州 350116)

天然氣主要成分為甲烷,是一種清潔氣體能源,被廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、氣體發(fā)動(dòng)機(jī)和民用煤氣等。甲烷在使用、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中也伴隨各類安全問(wèn)題,而爆炸是最嚴(yán)重的災(zāi)害類型。泄爆是減弱爆炸事故損失的重要方法,其本質(zhì)是在容器上預(yù)設(shè)低強(qiáng)度材料薄弱面,實(shí)現(xiàn)爆炸壓力、溫度和有害氣體等的泄放[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用多種實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展了不同點(diǎn)火位置、氣體類型與濃度等的泄爆實(shí)驗(yàn)[2-8],發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火位置、氣體類型與濃度等是影響泄爆狀態(tài)的重要因素。鄭立剛等在方管中研究了點(diǎn)火位置對(duì)摻氫甲烷和單一甲烷氣體泄爆過(guò)程中火焰演化結(jié)構(gòu)和爆炸壓力的影響[2]。曹勇等探究圓柱型容器中點(diǎn)火位置對(duì)氫氣泄爆過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俾?、火焰面積以及內(nèi)部超壓的影響規(guī)律[3]。李國(guó)慶等基于管道研究了點(diǎn)火位置對(duì)油氣爆炸超壓和火焰形態(tài)的影響[4]。許闖等研究了點(diǎn)火位置和開(kāi)口率對(duì)連接容器內(nèi)天然氣爆炸壓力特性的影響[5]。Guo等在當(dāng)量比為0.6～5.0的氫氣泄爆實(shí)驗(yàn)中探究了點(diǎn)火位置與內(nèi)外超壓之間的關(guān)系[6]。Yang等研究了點(diǎn)火位置對(duì)當(dāng)量比為0.8～3.0的H2-CO爆炸的影響[7]。梳理發(fā)現(xiàn),容器形狀與尺寸等對(duì)氣體泄爆特性有明顯影響,先前研究多基于小尺寸實(shí)驗(yàn)裝置,形狀多以圓柱體或管道為主,而對(duì)中等尺寸(1 m3)矩形容器泄爆特性研究較少。且以往多集中于壓力-時(shí)程特征研究,而對(duì)相應(yīng)火焰行為尚未得到很好的闡明。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)頂部泄爆時(shí),頂部點(diǎn)火比中、底部點(diǎn)火的爆炸超壓更大[8]。因此,有必要開(kāi)展中尺寸矩形容器(1 m3)頂部點(diǎn)火條件下甲烷-空氣預(yù)混泄爆特性及其機(jī)制研究。

綜上所述,利用自主設(shè)計(jì)和搭建的1 m3矩形泄爆系統(tǒng),在頂部點(diǎn)火條件下,開(kāi)展了濃度范圍為7%～13%的甲烷-空氣預(yù)混泄爆實(shí)驗(yàn),研究甲烷濃度對(duì)泄爆過(guò)程中火焰演化和內(nèi)部超壓特性的影響規(guī)律,并結(jié)合壓力時(shí)程曲線和火焰演化圖像等探究其影響機(jī)制,以期對(duì)甲烷爆炸預(yù)防和控制提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)裝置為高1800 mm、長(zhǎng)1000 mm、寬550 mm的方形泄爆容器,頂部泄爆口尺寸為600 mm×400 mm,如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用法蘭螺栓連接的鋁膜封閉泄爆口[1,8,9],該膜靜態(tài)破膜壓力約為9.5 kPa。點(diǎn)火電極位于距容器頂部100 mm處的中間位置,點(diǎn)火能量約為500 mJ,精度±5 mJ。根據(jù)道爾頓分壓定律配置7種甲烷-空氣預(yù)混氣體,甲烷濃度分別為7%、8%、9%、10%、11%、12%和13%,每個(gè)濃度開(kāi)展3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。為記錄和觀察容器內(nèi)的火焰演化過(guò)程,矩形容器的正立面有3個(gè)長(zhǎng)為700 mm、寬為400 mm的透明觀察窗,利用高速攝像機(jī)(HX-3,NAC)以500 Hz的頻率拍攝火焰演化圖像。在容器右側(cè)壁中部安裝一個(gè)壓電式壓力傳感器(PCB-102B16),以記錄泄爆過(guò)程中的內(nèi)部超壓。所有實(shí)驗(yàn)均在初始?jí)毫统跏紲囟确謩e為101 kPa和280 K的條件下進(jìn)行,點(diǎn)火電極、高速相機(jī)和壓力傳感器通過(guò)信號(hào)發(fā)生器同步觸發(fā)。具體實(shí)驗(yàn)操作步驟與方法詳見(jiàn)團(tuán)隊(duì)前期研究[1]。

圖1 爆炸實(shí)驗(yàn)艙及其示意圖(單位:mm)Fig. 1 Explosion experiment chamber and its schematic diagram(unit:mm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 甲烷-空氣泄爆典型特征分析

圖2為9%濃度甲烷-空氣預(yù)混氣體火焰演化圖像。氣體被點(diǎn)燃后,火球從點(diǎn)火電極處迅速向四周膨脹,內(nèi)部超壓呈指數(shù)型增長(zhǎng)至大于破膜壓力后,鋁膜破碎,容器內(nèi)氣體從泄爆口快速泄放。當(dāng)泄放引起的壓力下降速率等于內(nèi)部燃燒引起的壓力上升速率時(shí)[1],容器內(nèi)產(chǎn)生第一個(gè)超壓峰值P1,如圖3所示。隨后,泄放氣體速率大于內(nèi)部氣體燃燒速率,內(nèi)部超壓逐漸降低。在這過(guò)程中氣體燃燒速率逐漸增大,泄放氣體速率逐漸減小,當(dāng)兩者再次相等時(shí),由于容器內(nèi)部氣體的過(guò)度泄放產(chǎn)生負(fù)壓峰值Pneg,壓力的增減由該競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制決定,依次循環(huán)往復(fù),在壓力波形上表現(xiàn)為劇烈周期性振蕩,如圖3所示。此時(shí)可以觀察到火焰底部在容器內(nèi)上下跳躍,該現(xiàn)象稱為亥姆霍茲振蕩[1],經(jīng)換算單位時(shí)間內(nèi)壓力振蕩次數(shù)可得此時(shí)的亥姆霍茲振蕩頻率約為63 Hz,如圖2(b)～(c)所示。當(dāng)火焰向下運(yùn)動(dòng)時(shí),火焰內(nèi)部已燃?xì)怏w和容器內(nèi)部未燃?xì)怏w密度不同,將觸發(fā)泰勒不穩(wěn)定現(xiàn)象[1,8],導(dǎo)致火焰底部出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu),如圖2(d)所示。此外,亥姆霍茲振蕩會(huì)導(dǎo)致火焰表面的泰勒不穩(wěn)定性,而泰勒不穩(wěn)定性又會(huì)加劇亥姆霍茲振蕩[2]。這種正反饋機(jī)制進(jìn)一步促進(jìn)火焰表面出現(xiàn)大量細(xì)胞狀結(jié)構(gòu),會(huì)極大地增加火焰與未燃?xì)怏w的接觸面積,再次加速火焰的燃燒及傳播。頂部點(diǎn)火為火焰的向下傳播提供較長(zhǎng)的燃燒路徑,同時(shí)大量未燃?xì)怏w被限制于容器內(nèi),為火焰向下傳播提供大量可燃質(zhì),使頂部點(diǎn)火時(shí)火焰有著較長(zhǎng)且較強(qiáng)的燃燒行為。隨著火焰的進(jìn)一步傳播,容器外部火焰強(qiáng)度減弱,火焰逐漸接觸容器底部,迅速點(diǎn)燃容器底部殘余的未燃?xì)怏w,發(fā)出耀眼的光,如圖2(g)所示,此時(shí)形成圖3所示的第二個(gè)壓力峰值P2,稱為聲學(xué)振蕩峰值[1],經(jīng)換算該階段單位時(shí)間內(nèi)壓力振蕩次數(shù)可得其頻率約為440 Hz。最后隨著容器內(nèi)氣體的燃盡,容器內(nèi)部超壓逐漸恢復(fù)到常壓。

圖2 9%濃度爆炸火焰演化圖Fig. 2 Flame evolutions for methane concentration of 9%

圖3 9%濃度泄爆容器內(nèi)部超壓時(shí)程圖Fig. 3 Overpressure-time history inside the vessel for methane concentration of 9%

2.2 甲烷濃度對(duì)內(nèi)部超壓的影響

經(jīng)對(duì)所有實(shí)驗(yàn)濃度下的壓力圖像匯總發(fā)現(xiàn)在整個(gè)泄爆過(guò)程中[8],爆炸超壓主要由兩種峰值主導(dǎo):一是在泄爆初期由于初始火焰?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形成前期主導(dǎo)峰值P1;二是在泄爆后期由于火焰和聲波的耦合作用產(chǎn)生的第二個(gè)主導(dǎo)壓力峰值P2[1,8]。因此后續(xù)主要針對(duì)濃度對(duì)峰值P1和P2的影響展開(kāi)研究。

2.2.1 甲烷濃度對(duì)壓力峰值P1的影響

圖4為峰值P1及其出現(xiàn)時(shí)間隨著甲烷濃度變化趨勢(shì)。隨著濃度的增加,峰值P1先增大后減小,其出現(xiàn)時(shí)間卻先減小后增大,兩者均在10%取得最值。該濃度下的第一個(gè)壓力峰值最大為8.4 kPa,達(dá)到峰值所需時(shí)間最短為106 ms。前人曾發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始溫度相同時(shí),甲烷在當(dāng)量比為1.1時(shí)層流燃燒速度最快[10]。在本實(shí)驗(yàn)設(shè)置濃度中濃度10%的當(dāng)量比最接近1.1(僅相差0.05),該組濃度下早期甲烷層流燃燒速度最快,容器內(nèi)部壓力率先超過(guò)破膜壓力,泄爆膜最早破裂,燃燒爆炸產(chǎn)生的破壞威力最大,火焰的壓力峰值P1最大。當(dāng)甲烷濃度低于或高于10%時(shí),反應(yīng)分別受甲烷濃度或空氣的限制,均導(dǎo)致燃燒不劇烈,故該峰值較小并出現(xiàn)較晚。

圖4 甲烷濃度對(duì)P1及其出現(xiàn)時(shí)間的影響曲線Fig. 4 P1 and its appearance time for various methane concentrations

2.2.2 甲烷濃度對(duì)壓力峰值P2的影響

在7%～13%濃度中,僅9%濃度下出現(xiàn)P2。火焰接觸容器底部燃燒殘余的未燃?xì)怏w,發(fā)出耀眼的光[1],此時(shí)產(chǎn)生P2。為分析濃度對(duì)P2的影響機(jī)制,圖5選取各濃度下火焰接觸底部瞬間的圖片。由圖可知9%濃度下火焰接觸底部時(shí)的明亮程度明顯高于其他濃度,這是由于此濃度下泄爆膜破裂后引起氣流的擾動(dòng),會(huì)導(dǎo)致流體熱力學(xué)參數(shù)的改變,并導(dǎo)致熱釋放率的波動(dòng);熱釋放率的波動(dòng)激起了聲壓的振動(dòng),而聲波在容器壁內(nèi)多次反射形成了爆炸波,從而加強(qiáng)了聲波的振動(dòng);聲波的振動(dòng)又再次引起容器內(nèi)流體熱力學(xué)參數(shù)的改變,從而形成了正反饋循環(huán)系統(tǒng)[1]。這種正反饋循環(huán)系統(tǒng)最終導(dǎo)致高頻周期振動(dòng)的劇烈燃燒現(xiàn)象,火焰劇烈燃燒發(fā)出耀眼的光,最終觸發(fā)容器的高幅值振蕩[1],從而產(chǎn)生超壓峰值P2。而濃度低于9%或高于10%,由于燃燒后期甲烷濃度或空氣不足,過(guò)量的空氣或甲烷氣體又會(huì)吸收容器內(nèi)部分能量,導(dǎo)致未能形成正反饋循環(huán)系統(tǒng),故火焰燃燒不劇烈,在容器底部觀察不到耀眼的光,超壓峰值P2消失,其典型壓力圖像如圖6所示。

圖5 7%～13%濃度火焰接觸底部時(shí)的圖片F(xiàn)ig. 5 Images of the flame touching the vessel bottom for methane concentration of 7%～13%

圖6 8%濃度壓力時(shí)程曲線Fig. 6 Pressure-time history for methane concentration of 8%

結(jié)合圖4和圖5發(fā)現(xiàn),在本實(shí)驗(yàn)條件下稍富燃(10%濃度)峰值P1最大(見(jiàn)圖4)卻未產(chǎn)生P2,而稍貧燃(9%濃度)P2出現(xiàn)最顯著(見(jiàn)圖5)。分析認(rèn)為由于在燃燒早期,稍富燃(10%濃度)下燃燒較劇烈,在106 ms時(shí)產(chǎn)生峰值為8.4 kPa的P1,而稍貧燃(9%濃度)燃燒較緩慢,在124 ms時(shí)產(chǎn)生峰值為6.2 kPa的P1。比較而言,前者燃燒劇烈容器內(nèi)部超壓較迅速達(dá)到破膜壓力,破膜后容器內(nèi)外壓力差較大導(dǎo)致容器內(nèi)氣體較多地被泄放出去,產(chǎn)生較大峰值P1,容器內(nèi)留存的氣體量不足以產(chǎn)生P2。而后者燃燒較緩慢,破膜后向外泄放的氣體量較少,容器內(nèi)留存的氣體量較多,為燃燒后期產(chǎn)生P2提供了能量。

2.2.3 甲烷濃度對(duì)最大內(nèi)部超壓的影響

圖7為不同濃度下對(duì)應(yīng)的最大內(nèi)部超壓,由圖可知,Pmax先隨甲烷濃度增大呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),直至甲烷濃度為9%時(shí)達(dá)到最大值,此后,Pmax又降低。當(dāng)濃度為9%時(shí),由于火焰和聲波的耦合作用產(chǎn)生第二個(gè)壓力峰值P2,其數(shù)值遠(yuǎn)大于該濃度下的P1,故Pmax由P2決定。而在其余濃度下的Pmax仍是由泄爆膜破裂后產(chǎn)生的第一個(gè)壓力峰值P1。因此可得出聲學(xué)振蕩現(xiàn)象的破壞能力更強(qiáng)。

圖7 最大超壓與甲烷濃度的關(guān)系曲線Fig. 7 Maximum inner overpressure vs.methane concentration

2.3 甲烷濃度對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

圖8為以點(diǎn)火電極為起點(diǎn),結(jié)合容器及窗口真實(shí)尺寸和火焰演化圖像分析不同濃度火焰抵達(dá)特殊位置(下部火焰鋒面抵達(dá)容器的上窗口中和下部,中窗口上、中和下部,下窗口上、中和下部)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,得到的火焰在各階段的位移-時(shí)間曲線,規(guī)定火焰向下傳播為正方向。從圖可以發(fā)現(xiàn),稍富燃(10%和11%濃度)狀態(tài)時(shí)燃燒較快。分析認(rèn)為燃燒初期,火球均從點(diǎn)火電極以較慢的層流燃燒速度進(jìn)行燃燒,各濃度下此時(shí)曲線相差不大。隨著泄爆膜破裂,由于各濃度下亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩(wěn)定等機(jī)制影響程度不同,火焰逐漸失穩(wěn)出現(xiàn)細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)的皺褶程度也不同,導(dǎo)致各濃度曲線的差異變大。稍富燃(10%和11%濃度)火焰燃燒較快是因?yàn)樾贡の雌扑榍?由于濃度10%和11%的當(dāng)量比分別為1.05和1.16,最接近當(dāng)量比1.1,其層流燃燒速度較快[10];泄爆膜破碎后,容器內(nèi)大量氣體泄放,容器內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓,導(dǎo)致部分外界空氣回流至容器內(nèi),使容器內(nèi)稍富燃甲烷得到空氣補(bǔ)充后趨于當(dāng)量濃度,有利于后續(xù)燃燒反應(yīng),故燃燒較快。此外,各曲線斜率(即火焰?zhèn)鞑ニ俾?整體呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì),這也是因?yàn)槿紵跗诟鳚舛认禄鹧鎸恿魅紵俣容^慢;燃燒中期火焰出現(xiàn)細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)增大火焰與未燃?xì)怏w的接觸面積,故燃燒速度變快;燃燒后期,亥姆霍茲振蕩和泰勒不穩(wěn)定等影響減弱,火焰細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)皺褶程度減小,燃燒速率變慢。

圖8 7%～13%濃度下火焰位移-時(shí)間曲線Fig. 8 Displacement-time curve vs.methane concentration

3 結(jié)論

利用甲烷-空氣預(yù)混氣體矩形泄爆系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究了頂部點(diǎn)火條件下濃度對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆特性的影響,并結(jié)合容器內(nèi)部超壓、火焰結(jié)構(gòu)與演化等特征,探究其影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn):(1)濃度對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體的泄爆特性有顯著影響,在特定甲烷濃度下,容器內(nèi)部超壓出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象,在各濃度下均出現(xiàn)壓力峰值P1,而壓力峰值P2僅在濃度為9%出現(xiàn)。(2)峰值P1主要由于初始火焰?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形成,隨著濃度的增加,其幅值先增大后減小,而出現(xiàn)該峰值的時(shí)間卻先減小后增大。(3)峰值P2主要由于火焰和聲壓的相互促進(jìn)與擾動(dòng)觸發(fā)熱聲耦合作用,在泄爆最后階段猛烈燃燒,進(jìn)而產(chǎn)生的聲學(xué)峰值P2。