反射波對預混氣體爆炸過程與管壁動態響應的影響*

周 寧，張冰冰，馮 磊，耿 瑩，姜 帥，張 路

(常州大學油氣儲運技術省重點實驗室,江蘇 常州 213016)

反射波對預混氣體爆炸過程與管壁動態響應的影響*

周 寧，張冰冰，馮 磊，耿 瑩，姜 帥，張 路

(常州大學油氣儲運技術省重點實驗室,江蘇 常州 213016)

為研究管道內甲烷/空氣混合氣體火焰和壓力波的傳播規律，對內載壓力波作用下管壁的動態響應進行實驗。結果表明，末端閉口實驗中，管道末端的反射激波會引起當地火焰亮度的增大，而前端反射激波則有可能導致火焰內部的分離從而出現熄滅與復燃現象。相對于末端開口工況，末端閉口實驗時管道兩端產生的往復反射激波對管壁具有疊加加載作用，導致管壁產生較大的環向應變。

爆炸力學；反射激波；火焰速度；壓力；爆轟管；管壁應變

天然氣泄漏爆炸事故是油氣儲運過程中備受關注的問題，氣體爆炸導致輸氣管道撕裂使事故后果更加嚴重。因此，對可燃氣體在受限和非受限空間內的燃燒以及爆炸規律的研究就顯得非常重要。周凱元等[1]通過管道內丙烷/空氣的預混氣體爆燃實驗，研究了管道直徑、點火能量以及障礙物等因素對爆燃波火焰陣面傳播的影響規律。林伯泉等[2-3]也分析了瓦斯爆炸過程中障礙物對火焰傳播的加速機理及其對爆炸過程中的激波誘導作用。陳先鋒等[4]研究了瓦斯爆炸火焰的動力學行為及其對火焰陣面結構的影響規律。丁以斌等[5-6]通過實驗研究了不同樣式的平面障礙物和立體結構障礙物對于火焰傳播規律的影響。然而，對于密閉輸氣管道中傳播的爆炸波會由于阻火器等連接元件的作用產生較強的反射波，而以往關于該種反射波對預混氣體爆炸火焰與壓力波傳播規律的影響機理的研究并不多。反射波對火焰陣面傳播規律的影響，往往與反射波強度以及反射波與火焰相互作用的位置相關[7]。此外，內載爆炸波作用下輸氣管道管壁的動力學響應及其破壞規律目前研究也不夠深入，亟需加強該方面的研究。基于長輸管道的安全設計和安全運營，本文中開展末端閉口(閉口端)和末端開口(開口端)工況下甲烷/空氣混合氣體的燃爆實驗，通過對火焰速度、爆炸壓力和管壁環向應變的測量，探討末端反射激波對氣體反應及管道響應的影響，以期為后續研究提供一定參考。

1 實 驗

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic of experimental setup

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要由配氣系統、抽真空系統、點火系統和數據采集系統構成，如圖1所示。配氣系統包括空壓機、40 L體積分數為99.9%的甲烷儲氣瓶和預混氣體儲罐，實驗時按照實驗要求配置所需不同組分的預混氣體。主體實驗管道為316型不銹鋼鋼管，內徑125 mm，外徑136 mm，壁厚5.5 mm，總長12 m，設計最大可承受內壓為5 MPa。點火系統采用EPT-6點火能量試驗臺，點火能量可調，最大點火能量1 000 mJ。

1.2 傳感器布置

為研究管道內氣體爆炸的火焰和壓力傳播規律以及管道的動態響應，分別在管道上布設光電傳感器、壓力傳感器和應變傳感器進行實驗測量。傳感器的布置如圖2所示，自點火端開始，共布置10個光電傳感器，6個壓力傳感器和2個應變傳感器，如表1所示，L為距離點火端距離。由于管道內爆炸波壓力較低(預計初始壓力約0.2 MPa)，因此產生的應變較小，采用半導體應變片來監測管壁的環向應變，該半導體應變片靈敏度約為普通電阻式應變計的55倍，可以監測更小范圍內的動態應變信號。

圖2 傳感器測點布置Fig.2 Arrangement of sensors

表1 管道上傳感器布置Table 1 Arrangement of sensors on the blast tube

1.3 實驗條件

實驗在常溫常壓下進行，實驗中配置的甲烷的體積分數為10.2%，點火能量為1 000 mJ。為研究反射波對管道內預混氣體爆炸過程與管道動態響應的影響，開展末端閉口和末端開口2種工況的實驗。為使管道內產生較強的前驅沖擊波從而獲得較大的管道加載效應，在點火端放置一組由6片阻塞率為60%的圓環形鋼片串聯而成的加速障礙物，環形鋼片間距為15 cm，障礙物前端距離點火電極25 cm。

2 實驗結果

2.1 管道內壓力

圖3(a)～(b)所示為甲烷體積分數為10.2%時，末端閉口和末端開口2種工況下的管道內各測點的壓力時程曲線。從圖中可以看出，經過障礙物的激勵加速后(0.25～1.00 m)，激波的上升沿逐漸變得較為陡峭(S11～S13段)，距離點火端1.0 m處，爆炸激波的峰值壓力約為0.3 MPa，在激波向下游傳播的過程中，峰值壓力逐漸降低。對于閉口端實驗，爆炸激波到達末端后，在盲板的固壁反射作用下產生反射激波，反射激波自管道末端向點火端傳播，并與當地壓力波疊加產生更高的壓力峰值，如圖3(a)所示。對于開口端實驗，由于管道末端直接連通大氣，因此在爆炸激波到達末端時，會向管道點火端反射回稀疏波，稀疏波自末端向點火端傳播，并與當地壓力疊加后產生負壓，如圖3(b)所示。

圖3 不同工況下管道內各點壓力時程曲線Fig.3 Pressure histories from different test points in experimental tubes

2.2 管道應變

圖4(a)～(b)分別為末端閉口和末端開口工況下距點火端6.5 m處管壁的應變時程曲線，由圖中知，閉口工況下，管壁的動態響應過程非常復雜，管壁應變時程曲線清晰地反映了激波在前后管端的來回反射形成的壓力疊加對管道的加載作用。當爆炸激波在管道內來回反射時，管道內的壓力會反復疊加，導致管壁周期性地膨脹與收縮。該應變信號主要分為2個部分，首先由激波引起的初始動態應變，其后隨著反射激波的往返作用，應變曲線出現較長時間的震蕩信號。對于開口端實驗，爆炸激波首先導致管壁產生1個環向的沖擊應變，其后由于慣性作用，出現收縮現象，但最大應變遠小于閉口端實驗時產生的應變最大。

圖4 不同工況下管道應變時程曲線Fig.4 Strain histories in different experimental cases

3 實驗結果討論與分析

3.1 反射波對火焰傳播規律的影響

圖5所示為閉口端實驗測得的4個典型位置的壓力和光電信號對比圖。由圖知，隨著氣體爆炸向管道下游的傳播，火焰與壓力信號之間時差逐漸增大，即激波逐漸與火焰陣面分離。當激波傳播到管道末端時，在盲板處產生反射，反射激波為壓縮波并由管道的末端向點火端傳播。當末端反射激波與燃燒反應區相遇時，對應時刻的光電信號出現1個階躍峰值，如圖5(a)～(c)紅線框內部分(約0.03 s處)所示，即在反射激波的作用下，此處火焰亮度增加，然而由于無法確定此時氣體是否燃燒完全，火焰亮度的增大有可能是反射激波增大了波陣面后方燃燒區預混氣體的擾動，因此對當地氣體燃燒起到了正激勵的作用；另一種情況是，如果此時氣體已經完全燃燒，則此時只是反向激波對火焰厚度方向的壓縮作用導致的亮度增大。而在管道后段(S8～S10段)，由光電信號幅值較低，火焰亮度下降，光電信號的變化反映了明顯的火焰淬熄，然后又復燃的現象。林柏泉等[7]研究表明，當一維受限空間內反射激波與在火焰內部與反應區相遇時，對火焰的傳播速度并無明顯影響，但可能造成火焰內部的分離現象，而從圖5(c)～(d)可知，火焰陣面與反射激波相遇在S8和S10之間，因此分析認為S8所測火焰的熄滅與復燃應該是由反射波的氣體伴流作用導致的火焰分離現象。對于圖5(d)中的對比信號(S10與S16)，首次末端反射激波通過測點時，火焰陣面尚未傳播到該區域，反射激波對火焰傳播無影響，此后的火焰內部也有壓力作用下火焰亮度增大以及火焰的熄滅與復燃現象，但S10處氣體反應已處于反射波流場中，由于缺乏更多的探測手段，此時是否是殘留可燃氣體的作用導致S10信號的突變目前無法詳細解釋。

圖5 末端閉口工況下典型位置處光電與壓力信號對比Fig.5 Pressure and flame signals at typical positions in close-ended tube

圖6所示為末端開口實驗測得的4個典型位置的壓力與光電信號對比圖，由于末端開口，初始激波到達末端后產生的反射波為稀疏波并向點火端傳播，稀疏波的到達使得測點處壓力迅速下降直至出現負壓區，此外稀疏波引起的伴流方向與火焰傳播方向相同，會加速火焰傳播，但同時會拉長火焰厚度，因此會使得火焰亮度下降，如圖6框內部分中所示，在稀疏波作用區，當地壓力降低，對應的光電信號也呈現出迅速下降的趨勢。

圖6 末端開口工況下典型位置處光電與壓力信號對比Fig.6 Pressure and flame signals at typical positions in open-ended tube

3.2 反射波對管內壓力波傳播與管壁應變的影響

為分析內部氣體爆炸過程中管道的響應規律，選取第1組應變傳感器所測應變信號進行分析，并將其與同一位置處所測壓力信號進行對比，如圖7所示。圖7(a)、(b)分別為閉口端和開口端實驗距離點火端6.5 m處壓力和應變信號的對比圖。

由圖7(a)可知，在管道末端閉口條件下，管壁的環向應變主要有2個部分構成：首先，在爆炸產生的前驅激波作用下，管道呈現環向膨脹狀態，即圖中框內部分；其次，由于壓力激波在管道前端和末端來回反射，管道內壓力水平逐次升高，會對管壁實現逐次的加載，產生較大的環向應變，應變信號與壓力信號呈現出較好的一致性。此后相當一段時間內，激波在來回反射的過程中逐漸衰減，管道內壓下降，管壁應變也隨之逐漸趨于初始狀態。即對于末端閉口空間內的管道氣體爆炸實驗，管壁環向應變的最大值是由激波在管道內來會反射逐次加載產生的。末端開口時，由圖7(b)可知，管壁產生的應變主要由前驅激波引起，當管道內壓力在端部稀疏波的作用下迅速降為負壓直至壓力歸零的過程中，管壁應變也隨之迅速降低，即開口端實驗所產生的最大應變是由激波引起的。

圖7 末端反射激波對管道內壓力波傳播與管壁應變的影響Fig.7 Effect of the reflected shock wave on the pressure and strain in the tube

4 結 論

(1)密閉管道內氣體爆炸時，末端反射激波與火焰相交時，反射激波提高了火焰傳播區域的預混氣體反應劇烈程度，反射激波作用下火焰亮度增加。

(2)密閉管道內氣體爆炸時，末端反射激波作用下相應地出現當地火焰亮度增大現象，而前端反射波則有可能引起內部火焰分離而導致測量信號的熄滅與復燃現象。

(3)管道末端閉口工況下，管壁的最大環向應變是由激波在管道兩端產生的來回反射疊加所引起的，應變較大，管壁的環向應變時程關系與該處壓力時程關系具有良好的一致性；而末端開口時，管壁的應變主要由前驅波引起，最大應變比末端閉口工況下的應變小。

[1] 周凱元,李宗芬.丙烷-空氣爆燃波的火焰面在直管道中的加速運動[J].爆炸與沖擊,2000,20(2):137-142. Zhou Kaiyuan, Li Zongfen. Flame front acceleration of propane-air deflagration in straight tubes[J]. Explosion and Shock Waves, 2000,20(2):137-142.

[2] 林伯泉,周世寧,張仁貴.瓦斯爆炸過程中激波的誘導條件及其分析[J].實驗力學,1998,13(4):463-467. Lin Boquan, Zhou Shining, Zhang Rengui. The inducing condition of shock waves in gas explosion[J]. Journal of Experimental Mechanics, 1998,13(4):463-467.

[3] 林伯泉,張仁貴,呂恒宏.瓦斯爆炸過程中火焰傳播規律及其加速機理的研究[J].煤炭學報,1999,24(1):56-59. Lin Boquan, Zhang Rengui, Lü Henghong. Research on accelerating mechanism and flame transmission in gas explosion[J]. Journal of China Coal Society, 1999,24(1):56-59.

[4] 陳先鋒,陳明,張慶明,等.瓦斯爆炸火焰精細結構及動力學特性的實驗[J].煤炭學報,2010,35(2):246-249. Chen Xianfeng, Chen Ming, Zhang Qingming, et al. Experimental investigation of gas explosion microstructure and dynamic characteristic in a semi-vented pipe[J]. Journal of China Coal Society, 2010,35(2):246-249.

[5] 丁以斌,肖福全,宣曉燕,等.5種結構障礙物對火焰傳播影響的試驗研究[J].中國安全科學學報,2011,21(2):63-67. Ding Yibin, Xiao Fuquan, Xuan Xiaoyan, et al. Experimental study on the effects of five different shaped obstacles on flame propagation[J]. China safety Science Journal, 2011,21(2):63-67.

[6] 丁以斌,肖福全,宣曉燕,等.立體結構障礙物的不同放置方式對甲烷預混火焰傳播影響的研究[J].煤炭學報,2012,37(1):137-140. Ding Yibin, Xiao Fuquan, Xuan Xiaoyan, et al. Deposited manner of solid structure obstacles influence on flame propagation in premixed-methane tube[J]. Journal of China Coal Society, 2012,37(1):137-140.

[7] 林伯泉,菅從光,周世寧.受限空間瓦斯爆炸反射波及對火焰傳播的影響[J].中國礦業大學學報,2005,34(1):1-5. Lin Boquan, Jian Congguang, Zhou Shining. Influence of reflected wave of gas explosion on flame transmission in confined space[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2005,34(1):1-5.

(責任編輯 王易難)

Effects of reflected wave on premixed-gas explosion and dynamic response of tube shells

Zhou Ning, Zhang Bingbing, Feng Lei,Geng Ying, Jiang Shuai, Zhang Lu

(JiangsuKeyLaboratoryofOilandGasStorageandTransportationTechnology,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,Jiangsu,China)

Experiments were carried out and the dynamic response test of the tube wall was conducted simultaneously to characterize the flame and pressure wave propagation generated by methane-air mixture explosion in a shock tube. Our results show that in the closed tube, the reflected compression wave from the end wall produces a positive interference that increases the flame brightness, on the other hand, the compression wave reflected from the front end wall may bring about flame separation and thus lead to flame quenching and recrudescence in the reaction region. In addition, in contrast with the open-ended experimental configuration, the multiple reflections from both of the end walls exhibit a continuous load effect on the tube shell, which results in a larger dynamic elastic strain in the closed blast tube.

mechanics of explosion; reflected wave; flame speed; pressure; blast tube; tube shell strain

10.11883/1001-1455(2016)04-0541-07

2014-11-19；< class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-05

2015-02-05

國家青年自然科學基金項目(51204026);江蘇省高校青藍工程項目(SCZ1409700002)

周 寧(1977— )，男，博士，副教授，zhouning@cczu.edu.cn。

O383 <國標學科代碼：1303510 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1303510 文獻標志碼：A國標學科代碼：1303510

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