不同位置分支管道對油氣爆炸強度的影響

蔣新生， 魏樹旺， 何 標， 徐建楠， 周建忠， 袁廣強

(后勤工程學院 軍事供油工程系，重慶 401311)

不同位置分支管道對油氣爆炸強度的影響

蔣新生， 魏樹旺， 何 標， 徐建楠， 周建忠， 袁廣強

(后勤工程學院 軍事供油工程系，重慶 401311)

為研究不同位置分支管道對油氣爆炸強度的影響，搭建了不同分支管道實驗系統。分別在直管道和具有不同位置分支管道的直管道中進行了油氣濃度為1.75%的爆炸實驗，并分析了爆炸超壓值、升壓速率、火焰傳播速度以及火焰強度等特性參數變化情況。實驗結果表明：分支管道對直管內的爆炸超壓、升壓速率、火焰傳播速度、火焰強度和火焰持續時間有強化作用，并且距離點火端越遠，強化作用越顯著，火焰傳播速度對火焰持續時間也有重要影響；分支管道前的爆炸超壓變化曲線可以分為加速上升、膨脹泄壓、振蕩強化和振蕩衰減等4個階段，分支管道后的爆炸超壓變化曲線可以分為加速上升、振蕩強化和振蕩衰減等3個階段。

油氣爆炸；不同位置；分支管道；爆炸波；火焰

在市政管網、洞庫坑道、洞庫呼吸管路、煤礦坑道以及交通隧道等狹長受限空間中，各種可燃性氣體爆炸事故時有發生[1-2]，給人民生命和財產安全構成嚴重威脅，而大量實際狹長受限空間中往往具有不同的幾何結構，對可燃氣體爆炸產生不同的影響。王漢良等[3-5]研究了L型管道對可燃氣體爆炸的影響，發現L型管道對爆炸強度有強化作用；楊志等[6]研究了丙烷-空氣混合氣體爆炸通過Z型管道的傳播規律，發現穩定爆轟波和非穩定爆轟波的火焰傳播速度具有差異，呈現出不確定性；YE等[7]還研究了U型管道對可燃氣體爆炸的影響，認為拐彎處的破壞力很大；ZHU等則通過U型管和Z型管的對比實驗證明拐彎的方向對爆炸強度無影響。以上研究中，雖然對復雜管道內可燃氣體爆炸進行了實驗研究，但是對于分支管道這種常見的管道形式研究并不多見，林柏泉等[8-10]通過在分支管道中的瓦斯爆炸實驗中發現分支管道對于爆炸超壓和火焰傳播速度有強化作用，但是瓦斯是單分子氣體，無法揭示油氣這種多分子混合物爆炸傳播規律。杜揚等[11-12]針對分支管道油氣爆炸進行了實驗研究，取得了一定的成果，但對不同位置分支管道油氣爆炸的傳播規律沒有給出解釋。鑒于此，筆者利用實驗室分支管道模擬實驗臺架，以汽油-空氣混合氣作為燃燒反應介質，重點研究不同位置分支管道對管道內油氣爆炸傳播過程中的爆炸超壓值、升壓速率、火焰傳播速度和火焰強度的影響。

1 實驗系統和方案

1.1 實驗系統

實驗臺架由2段2.5 m、2段2.45 m和1段4.8 m長的鋼制管道以及2個三通組成。直管道如圖1所示，由2段2.5m和2段2.45m長的管道組成，稱為1#管道；在遠離點火端的三通連接1段4.8 m長的管道，稱為2#管道，如圖2所示；在靠近點火端的三通連接1段4.8 m長的管道，稱為3#管道，如圖3所示。所有管道和三通均用法蘭連接，管道內徑150 mm，壁厚5 mm，耐壓6 MPa。每段管道一側和管道末端均有螺紋孔，可以安裝壓力傳感器、火焰速度傳感器和火焰強度傳感器。

圖1 1#管道示意圖

圖2 2#管道示意圖

圖3 3#管道示意圖

壓力傳感器采用ZXP610型壓阻式壓力傳感器，測試量程為5 MPa，采樣頻率為10 Hz，精度等級為0.2級，數據采集系統為TST6300動態測試分析儀，采集分析軟件為DAP7.10。火焰強度傳感器基于紅外火焰探測技術，可以探測波長較長的紅外線，并將光信號轉化為電信號，對其他頻譜范圍的光線不敏感，使系統避開了太陽的干擾。實驗中先用UNI-T381型照度計對火焰強度電壓信號進行標定，使電壓信號(單位：V)與光強信號(單位： Lux)一一對應，以便于分析。火焰速度采用成都新辰光電設備研究所制造的HSJ-2火焰傳播速度信號采集系統進行采集，在傳感器之間距離已知的情況下，通過測試相鄰兩個傳感器之間火焰經過的時間，可以計算得到相鄰兩個傳感器之間的平均火焰傳播速度。油氣濃度檢測系統采用北京均方理化科技研究所研制的GXH-1050碳氫分析儀，用于檢測實驗系統中的油氣濃度。采用智能點火系統，點火位置在右側法蘭端蓋中心。壓力傳感器、火焰速度傳感器、火焰強度傳感器以及點火裝置安裝位置已在圖中進行了標注，Pi為i號壓力傳感器，Vi為i號火焰速度傳感器，F表示火焰強度傳感器。

1.2 實驗方案

在已有的受限空間油氣爆炸實驗中，爆炸超壓值、升壓速率、火焰傳播速度最大的油氣濃度在1.6%～1.8%之間，實驗時油氣濃度為1.75%，點火能量為1.5 J，每組實驗均進行5次，保證實驗的可重復性。

首先連接好傳感器線路，檢測可行性，然后向油氣霧化裝置內倒入一定量的汽油，使用2X-8旋片式真空泵在霧化裝置內形成真空，將汽油霧化噴入管道，利用循環管路系統循環約20 min，然后使用油氣濃度檢測系統在管道的兩端、中部以及分支管道中部分別測量油氣濃度，測量位置為距離兩端部1 m處、P2與V3中間位置、距離支管端部1.8 m處，如果4點油氣濃度差小于0. 3%，則可認為管道內各處油氣混合均勻。關閉循環管路進出口球閥，利用點火系統進行點火，通過測試系統對特性參數進行采集。

2 實驗結果與討論

2.1 分支管道對爆炸超壓的影響

1#、2#、3#管道不同位置最大爆炸超壓值變化曲線如圖4所示。

2#管道與3#管道的區別為分支管道的位置不同，2#管道的分支管道在P3、P4之間，3#管道的分支管道在P2、P3之間。由圖4可知，不同管道中各個位置的最大爆炸超壓值變化趨勢相同，均是先降低再增大，這是因為管道前部較高的前驅波壓力前鋒推動燃料向管道中后部運動，增大了燃燒反應的距離，使前半段油氣濃度有所降低，因此單位體積內補充的能量相應減少，從而出現最大超壓值隨傳播距離增大而下降的現象；隨著火焰陣面推進到后部油氣濃度較高的位置，最大爆炸超壓值會呈現上升的趨勢。

圖4 1#、2#、3#管道不同位置最大爆炸超壓值變化曲線

Fig.4 Changing curve of different position’s maximum overpressure in No.1, No.2, No.3 pipe

由圖4可知，2#、3#管道直管上各個位置最大爆炸超壓值都要大于1#管道的相應位置，說明分支管道的存在對于爆炸波有增強作用。局部分支管道示意圖如圖5所示，壁面BAC可以看成是一個楔形障礙物，B點是一個擾動源；同時分支管道處面積突然擴大，因此可以把分支管道看成是帶有楔形障礙物的面積突擴管道，當爆炸波傳播至此的時候，受到障礙物和面積突擴雙重擾動作用。障礙物會誘導湍流的產生，面積突擴會導致湍流度增大，使燃燒速度增大。當火焰陣面經過壁面BAC時，B點作為擾動源將火焰陣面進行分離，產生漩渦，形成渦流，使湍流度增加，導致火焰陣面發生褶皺；由于管道面積突擴的誘導，使火焰陣面發生膨脹、拉伸，也導致其發生褶皺，并且增大火焰面積，使燃燒反應更加充分、燃燒速率增大、熱釋放速率增加，而高速燃燒產生的爆炸波進一步壓縮、預熱未燃氣體并產生更大的擾動，導致更強烈的火焰彎曲和褶皺，從而產生更高的湍流動能和燃燒速率。如此下去，形成了氣體流動和燃燒過程之間的正反饋耦合作用。同時，壁面BAC使爆炸波產生反射、繞射，也會增大反應速率和熱釋放速率，使爆炸波超壓值顯著增大。

圖5 局部分支管道示意圖

在直管中，最大爆炸超壓值在P2～P4之間逐漸增大，P3點最大超壓值上升13.65%，P4點最大超壓值上升10.70%，2#管道中P3點位于分支管道前，最大爆炸超壓值僅上升3.05%，上升趨勢較直管小很多，這是因為P3點后分支管道的突擴作用對該點起到一定的分壓作用。而3#管道中位于分支管道后的P3點最大超壓值上升32.46%，2#管道中位于分支管道后的P4點最大超壓值更是上升了71.83%，不僅說明分支管道對于后側管道爆炸升壓速率有重要影響，還說明分支管道距離點火端越遠，這種影響更顯著，這是因為分支管道距離點火端越遠，到達分支管道位置時的爆炸超壓值越大，受到分支管道障礙物和面積突擴擾動影響越顯著，產生的彎曲和褶皺尺度更大，燃燒速率、熱釋放速率更大，因此導致爆炸波超壓值和火焰傳播速度更大。

圖4中，3#管道支管內爆炸超壓值呈衰減趨勢，而2#管道支管內爆炸超壓值呈上升趨勢，且超壓值均大于3#管道支管，這是因為3#管道支管距離點火端較近，還沒有形成較強的前驅波陣面，從而進入3#管道支管的爆炸波超壓較小，并且支管距離管末端較遠，爆炸反射波較弱，不能起到振蕩強化作用，所以3#管道支管內爆炸超壓值呈衰減趨勢；相反，2#管道支管距離點火端較遠，爆炸波和燃燒火焰能夠充分發展，從而進入2#管道支管的爆炸波超壓較大，并且支管距離管末端較近，爆炸反射波較強，能夠起到振蕩強化作用，所以2#管道支管內爆炸超壓值呈上升趨勢。

由于不同管道內P4點最大爆炸超壓值最大，相應的升壓速率最大，比較不同管道P4點升壓速率可以反映不同分支管道對升壓速率的影響。表1為不同管道中P4點最大爆炸超壓值、達到最大爆炸超壓值耗時和升壓速率數據表。

表1 不同管道P4點最大爆炸超壓值、耗時和升壓速率

由表1可知，分支管道對于升壓速率有強化作用，直管中P4點升壓速率為12 507.6 kPa·s，而3#管道和2#管道中P4點升壓速率分別為13 690.15 kPa·s和21 402.24 kPa·s，分別增大9.45%和71.11%，可見分支管道距離點火端越遠，升壓速率增大越顯著。

在具有分支管道的直管中，分支管道前后的爆炸超壓變化具有代表性，以2#管道為例，P3和P4爆炸超壓變化曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 P3點爆炸超壓變化曲線

圖7 P4點爆炸超壓變化曲線

由圖6可知，P3點爆炸超壓變化曲線可以分為以下4個階段：

(1) 加速上升階段(0～0.051 s)：點火后，受限空間中的油氣被點燃，油氣在燃燒過程中產生前驅沖擊波，使得測點處爆炸超壓值逐漸增大，在這一階段中，P3點爆炸超壓值加速上升，在0.051 s時達到106.36 kPa；

(2) 膨脹泄壓階段(0.051～0.054 s)：當爆炸波經過P3點到達分支管道后，由于面積突擴作用的影響，在分支管道處將形成膨脹波，即負壓真空區，相當于泄壓效應，因此距離分支管道較近的P3點爆炸超壓值有短暫負值存在，時刻為0.052 s，大小為-245.66 kPa；

(3) 振蕩強化階段(0.054～0.071 s)：在經過短暫膨脹泄壓階段后，由于爆炸燃燒反應的繼續發展以及分支管道面積突擴和障礙物的雙重誘導下，該階段呈現爆炸超壓振蕩強化的趨勢，在0.071 s達到722.40 kPa，并且具有一定的周期性變化規律，周期為0.004 s；

(4) 振蕩衰減階段(0.071～0.12 s)：在振蕩強化階段過后，在管壁的冷卻效應和爆炸波與管壁碰撞導致能量損失的雙重作用下，爆炸超壓呈現振蕩衰減趨勢，并且呈現一定的周期性變化規律，但周期從最初的0.004 s到最后的0.008 s，可見該階段對振蕩周期也有衰減作用。

由圖7可知，P4點爆炸超壓變化曲線可以分為以下3個階段：

(1) 加速上升階段(0～0.054 s)：點火后，爆炸超壓值加速上升，在0.054 s達到671.68 kPa；

(2) 振蕩強化階段(0.054～0.058 s)：加速上升階段的超壓峰值為前驅沖擊波超壓峰值，前驅沖擊波過后，在分支管道障礙物和面積突擴的雙重誘導以及火焰陣面持續推進和燃燒反應的發展下，爆炸超壓值顯著上升，相較于P3點，P4點沒有膨脹泄壓階段，因此振蕩強化階段爆炸超壓值更大，達到1 241.33 kPa。與P3點不同，P4點振蕩強化階段持續時間很短，這是由于P3點受到分支管道和直管道反射波的雙重強化作用，而P4點位于分支管道后，分支管道的反射波與直管道末端的反射波方向相反，起到削弱作用，相關示意圖如圖8所示，所以振蕩強化階段持續時間較短；

(3) 振蕩衰減階段(0.058～0.12 s)：在振蕩強化階段過后，在管壁的冷卻效應和爆炸波與管壁碰撞導致能量損失的雙重作用下，爆炸超壓呈現振蕩衰減趨勢，并且呈現一定的周期性變化規律，但周期從最初的0.005 s到最后的0.013 s，可見該階段對振蕩周期也有衰減作用，衰減趨勢大于P3點，并且相同時刻P3點爆炸超壓值要高于P4點，這是因為分支管道的反射波與直管道末端的反射波方向相反，因此衰減幅度更大。

圖8 分支管道爆炸波反射示意圖

2.2 分支管道對火焰傳播速度的影響

圖9為V1-V2、V2-V3、V3-V4、V4-V5中間位置平均火焰傳播速度變化曲線圖，可以看出，起始階段，火焰陣面受反射波的阻滯作用以及壁面冷卻作用的雙重影響導致傳播速度下降。而后火焰傳播速度逐漸增大，但具有分支管道的直管中火焰傳播速度增幅更大，特別是在分支管道后加速明顯。這是因為分支管道障礙物和面積突擴的雙重誘導下，湍流度增加，火焰陣面發生褶皺和彎曲，使得燃燒更加充分，所以火焰傳播速度明顯增大。3#管道中火焰傳播速度由分支管道前的107.14 m/s增大到分支管道后的150 m/s，增大了40%，而2#管道中火焰傳播速度由分支管道前的250 m/s 增大到分支管道后的500 m/s，增大了100%，說明2#管道比3#管道加速作用明顯，這是因為3#管道的分支管道距離點火端較近，還沒有形成燃燒足夠強烈的火焰陣面，分支管道的擾動作用較小；并且2#管道的分支管道距離管道末端更近，反射波的擾動作用更大，更容易造成火焰陣面的褶皺和彎曲，加速火焰傳播。由于1#管道中為層流火焰，湍流度較小，因此在管道后部受到更強的反射波的阻滯作用導致火焰傳播速度下降，而具有分支管道的2#、3#管道即使在管道后部火焰傳播速度仍然在增大。

圖9 不同管道火焰傳播速度變化曲線

2.3 分支管道對火焰強度的影響

圖10為不同管道火焰強度變化曲線，可以看出，分支管道對于火焰強度和火焰持續時間有顯著強化作用。直管中最大火焰強度為577.12 mv，2#管道和3#管道中最大火焰強度分別為1 097.11 mv和1 326.40 mv，分別增大了90.10%和129.83%，1#管道中火焰持續時間僅為0.063 s，而2#管道和3#管道中火焰持續時間分別達到了0.125 s和0.248 s，分別延長了98.41%和293.65%。說明分支管路不僅對爆炸超壓和火焰傳播速度有很大影響，對火焰強度和火焰持續時間也有明顯強化作用。同時3#管道中的火焰強度和火焰持續時間明顯大于2#管道，這是因為2#管道中分支管路距離管道末端更近，分支管道的反射波與直管道末端的反射波方向相反，起到的削弱作用更大，相關示意圖如圖8所示，從而抑制火焰正向傳播的作用更明顯，所以3#管道中的火焰強度和火焰持續時間要大于2#管道，并且2#管道比3#管道火焰傳播速度更快，也是火焰持續時間小于3#管道的重要原因。

圖10 不同管道火焰強度變化曲線

3 結 論

(1) 分支管道對直管內的爆炸超壓和升壓速率有強化作用，并且距離點火端越遠，強化作用越顯著；

(2) 分支管道前的爆炸超壓變化曲線可以分為加速上升、膨脹泄壓、振蕩強化和振蕩衰減等4個階段，分支管道后的爆炸超壓變化曲線可以分為加速上升、振蕩強化和振蕩衰減等3個階段；

(3) 分支管道對直管內的火焰傳播速度有強化作用，并且距離點火端越遠，強化作用越顯著；

(4) 分支管道對直管內的火焰強度和火焰持續時間有強化作用，并且距離點火端越近，強化作用越顯著，火焰傳播速度對火焰持續時間也有重要影響。

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Effect on explosion intensity of gasoline-air mixture in a pipe containing different positions of branch

JIANG Xinsheng, WEI Shuwang, HE Biao, XU Jiannan, ZHOU Jianzhong, YUAN Guangqiang

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

In order to study the effect of different positions of branch pipes on gasoline-air mixture explosion, an experiment system of gasoline-air mixture explosion was set up. Gasoline-air mixture explosion experiments with 1.75% oil gas concentration were conducted in a straight pipe and with different positions of branch. The changes of overpressure, rate of pressure rise, flame propagation velocity and flame intensity were analyzed. Experiment results indicate that overpressure, rate of pressure rise, flame propagation velocity, flame intensity, and flame duration are strengthened with the existence of the branch pipe, and when the branch pipe is farther from the ignition point, the effect is greater; the effect of flame propagation velocity on flame duration is also big; the changing curve of overpressure before the branch pipe can be divided into 4 phases: accelerated increasing, inflation pressure relief, oscillation strengthened, and dying out of oscillation; the changing curve of overpressure after branch pipe can be divided into 3 phases: accelerated increasing, oscillation strengthened and dying out of oscillation.

gasoline-air mixture explosion; different position; branch pipe；explosion wave; flame

國家自然科學基金(51574254)；重慶市科技計劃項目(CSTC 2014YYKFB90001)；火災與爆炸安全防護重慶市重點實驗室建設項目(CSTC 2010CA0005)

2016-06-24 修改稿收到日期：2016-09-08

蔣新生 男，博士，教授，博士生導師，1972年生

魏樹旺 男，碩士生，1991年生 E-mail：weishuwang666@163.com

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A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.036