障礙物數(shù)量對(duì)油氣泄壓爆炸特性的影響

杜揚(yáng)，李國(guó)慶，王世茂，齊圣，李陽超，王波

（后勤工程學(xué)院供油工程系，重慶 401311）

障礙物數(shù)量對(duì)油氣泄壓爆炸特性的影響

杜揚(yáng)，李國(guó)慶，王世茂，齊圣，李陽超，王波

（后勤工程學(xué)院供油工程系，重慶 401311）

為了研究障礙物數(shù)量對(duì)油氣泄壓爆炸傳播特性的影響，選取了高（2.1%）、中（1.7%）、低（1.3%）3種初始油氣濃度，在半開口全透明有機(jī)玻璃管道內(nèi)進(jìn)行了一系列油氣泄壓爆炸對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：①半開口管道內(nèi)油氣爆炸超壓曲線存在3個(gè)典型的壓力峰值pv、pmax、pneg；其中pv的大小只與封口材料破裂常數(shù)有關(guān)，與障礙物數(shù)量無關(guān)，而pmax的數(shù)值大小和pneg的絕對(duì)值大小隨著障礙物數(shù)量的增大而增大，但是到達(dá)pmax的時(shí)間長(zhǎng)短不完全由障礙物數(shù)量決定；②火焰在傳播初期以比較規(guī)則的“指尖形”火焰?zhèn)鞑ィ?dāng)受到障礙物的擾動(dòng)之后火焰鋒面的規(guī)則形狀會(huì)受到破壞，加快火焰形態(tài)從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩，并最終在管道外部形成“蘑菇狀”火焰，并且管道內(nèi)障礙物數(shù)量越多，這種“蘑菇狀”火焰越明顯；③障礙物對(duì)油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ哂酗@著的加速效應(yīng)，而且隨障礙物數(shù)量的增大，這種加速效應(yīng)越明顯，獲得的最大火焰速度越大；④油氣爆炸過程的爆炸超壓和和火焰?zhèn)鞑ゾ哂姓答伡?lì)的耦合關(guān)系，二者在爆炸演變過程中互相促進(jìn)，這種耦合關(guān)系隨著障礙物數(shù)量的增大體現(xiàn)得越明顯。⑤障礙物數(shù)量對(duì)油氣爆炸pmax和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃笞饔迷诟邼舛龋?.1%）和低濃度（1.3%）工況下比中間濃度（1.7%）時(shí)體現(xiàn)得更加顯著。

油氣爆炸；障礙物數(shù)量；爆炸超壓；火焰速度；湍流；混合物；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

引 言

大量的事實(shí)表明，在化工生產(chǎn)領(lǐng)域、煤礦、油庫(kù)等工業(yè)生產(chǎn)和危險(xiǎn)品儲(chǔ)存場(chǎng)所，可燃?xì)怏w的爆炸事故頻繁發(fā)生，不僅導(dǎo)致工期的延誤、生產(chǎn)效益的損失，更造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1-2]。如2013年6月11日，蘇州市發(fā)生一起液化石油氣泄漏爆炸事故，造成11人死亡，9人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1833萬元；2013年11月，中石油黃島油庫(kù)輸油管道爆炸，造成62人遇難，9人失蹤，166人受傷；2015年1月31日，臨沂燁華焦化有限公司化學(xué)分廠粗苯車間終冷器檢修期間發(fā)生爆炸，造成 7人死亡；2016年10月31日，重慶市永川區(qū)金山溝煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成33人遇難。

以往研究表明可燃?xì)怏w爆炸過程伴隨著高溫和高壓，破壞性極強(qiáng)，尤其是當(dāng)爆炸在具有固體障礙物或者存在可以被視為平面障礙物的通道面積縮小的地方發(fā)生，由于存在障礙物對(duì)氣流和火焰的擾動(dòng)，導(dǎo)致湍流火焰加速形成，從而加速火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⑿纬筛觿×业谋ǔ瑝海瑤砀鼑?yán)重的損害后果[3]。因此，研究障礙物對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性的影響規(guī)律對(duì)于評(píng)估化工生產(chǎn)場(chǎng)所存在的爆炸危險(xiǎn)性和提高此類場(chǎng)所的爆炸安全防護(hù)技術(shù)是十分必要的。以往大量針對(duì)障礙物對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性影響的研究主要關(guān)注的是障礙物的形狀、數(shù)量、相鄰障礙物間距、阻塞率、障礙物距離點(diǎn)火源距離等邊界條件對(duì)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱鹊挠绊懸?guī)律[4-13]。并且，隨著測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，研究者們?cè)谘芯窟^程中也引入高速攝影儀、紋影儀、離子探針、粒子成像測(cè)速（PIV）和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬等技術(shù)和手段，并獲得了大量的研究成果[12,14-17]。

然而，以往大量針對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性的研究主要針對(duì)甲烷、丙烷和氫氣等氣體，極少的研究是采用的汽油蒸氣。然而，油氣也是一種極其危險(xiǎn)的易燃易爆化學(xué)物質(zhì)，并且是目前人們?cè)谏a(chǎn)、生活中使用最廣泛的化學(xué)燃料。如果油氣和空氣等氧化劑混合，極易形成高危潛在爆炸氣體，一旦爆炸將會(huì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來毀滅性的破壞[2,18-19]。并且，以往針對(duì)障礙物管道內(nèi)氣體爆炸特性的研究大多是在鋼制密閉管道中進(jìn)行，對(duì)于火焰形態(tài)變化的研究偏少，盡管也存在一些可視化研究，但是采用的管道長(zhǎng)徑比一般不超過5[14,16,20-22]，研究成果的普適性有限。鑒于此，本研究采用長(zhǎng)徑比為10的有機(jī)玻璃全透明方管，通過改變管道內(nèi)障礙物的數(shù)量，采用初始油氣濃度為1.3%、1.7%和2.1%的3種不同油氣進(jìn)行油氣爆炸實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)探究障礙物對(duì)油氣爆炸壓力、火焰形態(tài)和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊鹊挠绊懸?guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由一節(jié)半開口有機(jī)玻璃管道（管道長(zhǎng)度 L=1000 mm、橫截面尺寸100 mm×100 mm、管壁厚度20 mm、長(zhǎng)徑比L/D10、容積V10 L）、高速攝影儀、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、碳?xì)錆舛葴y(cè)試系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和同步控制裝置等組成。

管道的右側(cè)端部用鋼制盲板密封，為了確保管道密閉性，在盲板和管道法蘭之間用橡膠密封圈連接。管道左側(cè)開口端用很薄的聚乙烯薄膜密封，保證點(diǎn)火前管道內(nèi)可燃?xì)怏w不泄漏到管道外。聚乙烯薄膜在很低的壓力條件下就可以破裂，因此對(duì)油氣爆炸壓力的影響很小。在實(shí)驗(yàn)中，選用4片阻塞率為49.8%、通道形狀為圓形的平板障礙物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，障礙物邊長(zhǎng)為100 mm，圓形通道半徑為40 mm，厚度為3 mm，如圖2所示。高速攝影儀的型號(hào)為PHOTRON公司的FASTCAM-ultima 512，拍攝速度設(shè)定為1000幀/秒。壓力傳感器采用寶雞市智星傳感器有限責(zé)任公司的ZXP660高頻瞬態(tài)壓力傳感器（量程 0～200 kPa，精度誤差＜0.3%），測(cè)試系統(tǒng)采用成都泰斯特公司的DAP7.10。點(diǎn)火系統(tǒng)采用的是實(shí)驗(yàn)室定制的抗干擾點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火能量范圍為2～20 J。點(diǎn)火頭安放在管道盲板中間位置，初始點(diǎn)火能量設(shè)置為6 J。汽油蒸汽由配氣系統(tǒng)產(chǎn)生，并采用碳?xì)錅y(cè)試儀 GXH-1050（使用運(yùn)行環(huán)境 0～40℃、重復(fù)性≤±1%、線性誤差：≤±2%F.S、量程為0.01%～100%）監(jiān)測(cè)汽油蒸氣的體積濃度，使之到達(dá)實(shí)驗(yàn)所需的初始油氣濃度。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生油氣的方法和文獻(xiàn)[19]相同，在真空泵的作用下，空氣在密閉管道和油瓶中循環(huán)，產(chǎn)生初始油氣混合物，此時(shí)閥門1、2、3、5打開，閥門4關(guān)閉（閥門編號(hào)見圖 1）。當(dāng)油氣在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)一段時(shí)間之后（根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的初始油氣濃度決定時(shí)間長(zhǎng)短），再關(guān)閉閥門2和3，打開閥門4，讓系統(tǒng)內(nèi)混合氣體循環(huán)大約3 min，使氣體混合均勻。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 障礙物實(shí)物和尺寸Fig.2 Schematic of obstacles (R=40 mm,H=100 mm, BR=49.8%)

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

實(shí)驗(yàn)中采用初始體積濃度為 1.3%、1.70%和2.1%的3種油氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，往管道內(nèi)充入油氣之前先用薄膜把管道開口端部封住，以防油氣泄漏。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將第1塊障礙物安裝在距離點(diǎn)火端100 mm的位置，并且相鄰障礙物之間的安裝間距也為100 mm，障礙物的數(shù)量從1變化到4，4種工況的障礙物布置形式如圖3所示，并在盲板上距離點(diǎn)火頭 20 mm的位置安裝壓力傳感器記錄油氣爆炸過程的壓力-時(shí)間曲線。同時(shí)，利用高速攝影儀記錄了油氣從起爆到熄滅的整個(gè)過程中火焰形態(tài)和火焰鋒面位置變化過程。為了保證各個(gè)測(cè)試系統(tǒng)工作的同步性，實(shí)驗(yàn)中采用同步觸發(fā)控制裝置來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)的同步觸發(fā)。同時(shí)，為了保證可燃?xì)怏w充分混合均勻，每次點(diǎn)火之前讓管道內(nèi)氣體靜置30 s。初始點(diǎn)火能量選用6 J，預(yù)混氣體初始溫度和初始?jí)毫Ψ謩e為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度和當(dāng)?shù)卮髿鈮骸楸ＷC實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每一組實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行了至少3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 障礙物數(shù)量對(duì)油氣爆炸超壓峰值變化規(guī)律的影響

圖4是低、中、高3種油氣濃度工況下管道內(nèi)油氣爆炸超壓隨障礙物數(shù)量變化的典型壓力-時(shí)間曲線。從圖中可見，初始油氣濃度和障礙物數(shù)量對(duì)油氣爆炸的超壓變化過程都有顯著影響。對(duì)于所有的工況來講，壓力曲線都出現(xiàn)了3個(gè)明顯的壓力峰值，分別是pv、pmax、pneg。其中pv是由管道開口端薄膜瞬時(shí)破裂引起的，大多的文獻(xiàn)將這個(gè)壓力峰值定義為“泄壓峰值”[16,23]；pmax的產(chǎn)生原因與未燃?xì)怏w反應(yīng)速率及泄爆速度有關(guān)[24]，其形成機(jī)理和數(shù)值大小的變化比 pv更為復(fù)雜[23,25]；pneg可能是由管道內(nèi)氣體泄放到管道外部之后在管道內(nèi)形成短期“真空腔”所引起。從圖4可見隨著實(shí)驗(yàn)工況的改變，這3個(gè)壓力峰值的變化也很顯著。

圖3 4種不同的障礙物工況Fig.3 Four configurations varying in terms of obstacle number

圖4 3種油氣濃度工況下爆炸超壓時(shí)序曲線隨障礙物數(shù)量的變化Fig.4 Overpressure histories under three gasoline vapor concentrations in terms of obstacle number

從圖4(a)可見，當(dāng)油氣濃度為1.3%時(shí)，4種障礙物結(jié)構(gòu)管道內(nèi)pv的數(shù)值基本一樣，可見“泄壓”峰值的大小與障礙物數(shù)量多少?zèng)]有直接關(guān)系，只與薄膜材料有關(guān)系，這個(gè)現(xiàn)象在Hisken等[26]的研究中也得到證明。對(duì)于最大爆炸壓力峰值pmax來講，隨著障礙物數(shù)量的增大，最大爆炸壓力峰值的數(shù)值也增大。具體來講，對(duì)于障礙物數(shù)量為 1、2、3、4的管道，pmax的數(shù)值分別為 11.48、34.23、69.8和119.91 kPa，后面三者的數(shù)值和第1種結(jié)構(gòu)的數(shù)值相比較分別增大了 198%、508%和 945%，可見障礙物數(shù)量對(duì)油氣最大爆炸壓力峰值的影響相當(dāng)顯著。從圖 4(a)還能觀察到隨著障礙物數(shù)量的增多，油氣爆炸過程的負(fù)壓峰值的絕對(duì)值也隨之增大，但是其變化幅度相比pmax的變化幅度來講更小，并且當(dāng)障礙物數(shù)量為1的時(shí)候，基本不出現(xiàn)負(fù)壓峰值。負(fù)壓峰值的這種變化規(guī)律可能是由于隨著障礙物數(shù)量的增大，管道內(nèi)氣流湍流度增大，氣體的流速增大，泄放到管道外部的氣體增多，從而導(dǎo)致管道內(nèi)部真空度增大，并最終導(dǎo)致負(fù)壓增大。

圖 4(b)和(c)所示分別是初始油氣濃度為 1.7%和2.1%時(shí)油氣爆炸超壓隨時(shí)間的變化曲線。從這兩個(gè)圖中可以看到壓力-時(shí)間曲線的變化規(guī)律和圖 4(a)所示油氣濃度為1.3%時(shí)的變化相似，pv的大小和濃度1.3%基本一致，并且pneg的絕對(duì)值也隨著障礙物數(shù)量的增大而增大，但是pmax的數(shù)值和1.3%濃度相比有一定的差異。具體來講，對(duì)于濃度為1.7%的油氣，當(dāng)管道內(nèi)障礙物數(shù)量分別為1、2、3、4個(gè)的時(shí)候，其最大爆炸壓力峰值分別為19.4、50.25、109.52和194.77 kPa，后面三者與1個(gè)障礙物的管道相比較其數(shù)值分別增大了 159%、461.86%、903.97%。對(duì)于濃度為2.1%的工況，當(dāng)障礙物數(shù)量為1、2、3、4時(shí)，最大爆炸壓力峰值分別為9.14、40.18、58.1和87 kPa，與第1種結(jié)構(gòu)相比較，后面三者的數(shù)值分別提升了339.6%、536%和852%。從上面的分析可見，障礙物數(shù)量的增大對(duì)于提升高、中、低濃度的油氣混合物爆炸過程的最大爆炸壓力峰值有很明顯的影響，這種影響可能由以下機(jī)理導(dǎo)致。

（1）隨著障礙物數(shù)量的增大，火焰在傳播過程中火焰鋒面的形狀會(huì)受到障礙物的影響而使其穩(wěn)定性受到破壞，并產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，形成大量的褶皺，增大火焰鋒面的面積，進(jìn)而大幅提高已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w的組分輸運(yùn)速率，從而導(dǎo)致燃燒速率的提升，增強(qiáng)單位時(shí)間的燃燒熱釋放率，進(jìn)而減少熱量的損耗，增強(qiáng)油氣爆炸的壓力。

（2）由于障礙物的存在，火焰鋒面前方的氣流會(huì)因?yàn)檎系K物的擾動(dòng)而加快從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩，并且由于障礙物附近區(qū)域存在較大的速度梯度和壓力梯度，會(huì)導(dǎo)致氣體渦旋的形成。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ竭@些區(qū)域時(shí)，由于渦旋的影響，會(huì)增強(qiáng)火焰對(duì)未燃?xì)怏w的卷吸作用，增大火焰面積，進(jìn)而提高燃燒速率和爆炸強(qiáng)度，并且障礙物數(shù)量越多，這種擾動(dòng)將會(huì)越顯著，因此對(duì)爆炸強(qiáng)度的正激勵(lì)作用越強(qiáng)烈。

但是，從上述對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論和分析也發(fā)現(xiàn)當(dāng)油氣濃度較低（1.3%）和較高（2.1%）時(shí)，障礙物的數(shù)量對(duì)油氣爆炸強(qiáng)度的影響比中間濃度的時(shí)候更明顯。并且，中間濃度油氣（1.7%）和較高和較低濃度油氣相比較，到達(dá)最大爆炸壓力峰值的時(shí)間更短。為了便于說明，選取3種濃度條件下管道內(nèi)放置4種障礙物的工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，對(duì)于濃度為1.3%、1.7%和 2.1%的工況，達(dá)到最大壓力峰值的時(shí)間分別為32.5、27.4和44.9 ms。另外，通過實(shí)驗(yàn)還能發(fā)現(xiàn)盡管最大爆炸壓力峰值隨著障礙物數(shù)量的增大而增大，但是到達(dá)最大爆炸壓力峰值的時(shí)間并不完全依賴于障礙物的數(shù)量的多少。比如，當(dāng)濃度為 1.3%時(shí)，對(duì)于障礙物數(shù)量為 1、2、3、4的工況，到達(dá)最大爆炸壓力峰值的時(shí)間分別為33.7、32.7、34.8和32.5 ms，這種現(xiàn)象和文獻(xiàn)[16]中的研究結(jié)果類似。

2.2 障礙物數(shù)量對(duì)火焰鋒面?zhèn)鞑バ螒B(tài)和火焰鋒面位置的影響

圖5是高速攝影儀記錄的不同時(shí)刻管道內(nèi)外油氣爆炸火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)圖，由于篇幅有限，本文僅選取油氣濃度為1.7%工況進(jìn)行分析。從圖5中可見，對(duì)于4種結(jié)構(gòu)的管道，油氣爆炸火焰在傳播初期都呈現(xiàn)比較規(guī)則的“指尖形”火焰形狀，這是由于在火焰?zhèn)鞑コ跗冢鹧孢€沒受到障礙物的擾動(dòng)影響，火焰保持層流傳播狀態(tài)，鋒面的規(guī)則形狀還沒受到破壞。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過障礙物時(shí)，火焰鋒面形狀逐漸由“指尖形”轉(zhuǎn)變?yōu)椤板F形”，加速往管道出口傳播，并且在火焰經(jīng)過全部障礙物之后，火焰鋒面已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，形成了“毛刷狀”結(jié)構(gòu)，明顯增大了火焰鋒面與未燃?xì)怏w的接觸面積。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ焦艿劳獠繒r(shí)，起初會(huì)形成一根長(zhǎng)直的火柱，緊接著會(huì)轉(zhuǎn)變成“蘑菇狀”火焰，并且這種“蘑菇狀”火焰隨著障礙物數(shù)量的增大變得更加明顯，這是由火焰沖出管道之后，沿管道軸向的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@高于徑向的傳播速度導(dǎo)致的，并且障礙物數(shù)量越多，火焰沿軸向的傳播速度就越大，因此對(duì)“蘑菇狀”火焰的形成就會(huì)有更好的促進(jìn)作用。當(dāng)火焰在管道外部形成“蘑菇狀”火焰后，火焰面積大幅增大，因此會(huì)引起由于薄膜破裂泄放到管道外部的未燃油氣產(chǎn)生比管道內(nèi)更為強(qiáng)烈的爆炸。

圖6所示是3種不同濃度工況下4種障礙物數(shù)量管道內(nèi)火焰鋒面位置隨時(shí)間的變化關(guān)系。火焰鋒面的位置通過測(cè)量火焰鋒面與管道底部在管道軸線方向的最大距離獲得[16]。從圖中可見，障礙物數(shù)量對(duì)火焰鋒面的傳播過程影響比較顯著。以油氣濃度為1.3%的工況為主要分析對(duì)象，從圖6(a)中可見，在火焰?zhèn)鞑ミ€未到達(dá)第1個(gè)障礙物時(shí)，4種結(jié)構(gòu)管道內(nèi)火焰鋒面位置隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，都保持1階線性的上升趨勢(shì)。當(dāng)火焰接觸第1個(gè)障礙物之后，4種結(jié)構(gòu)管道內(nèi)火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣扔形⑿〉纳仙钱?dāng)火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過第2個(gè)障礙物之后，障礙物數(shù)量為2、3、4的管道內(nèi)火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣乳_始急劇增大，并且上升趨勢(shì)由之前的1階線性轉(zhuǎn)變成指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)，障礙物數(shù)量為1的管道內(nèi)火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣纫脖３旨铀賯鞑ィ勤厔?shì)較其余三者更加平緩。并且，在障礙物數(shù)量從1增加到4的過程中，火焰鋒面?zhèn)鞑ブ凉艿莱隹谒脮r(shí)間分別為40、34、32和31 ms左右，到達(dá)最大火焰鋒面位置的時(shí)間分別為45、37、36和35 ms左右。可見隨著障礙物數(shù)量的增大，火焰鋒面在管道內(nèi)部和外部的傳播速度都增大，并且火焰鋒面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x也更遠(yuǎn)。

圖5 油氣濃度為1.7%時(shí)4種障礙物數(shù)量工況下火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)對(duì)比Fig.5 Comparison of sequential images of flame propagation process under initial gasoline vapor concentration of 1.7%

對(duì)于油氣濃度為 1.7%和 2.1%的工況，其火焰鋒面位置隨時(shí)間的變化規(guī)律和濃度 1.3%的工況相似。但是，當(dāng)油氣濃度為1.7%時(shí)，管道內(nèi)火焰鋒面開始加速傳播的時(shí)刻在 20 ms左右，相對(duì)于濃度1.3%和2.1%時(shí)出現(xiàn)得更早，并且火焰鋒面?zhèn)鞑ブ磷畲蠡鹧驿h面位置的時(shí)間也更短，這表明初始油氣濃度對(duì)內(nèi)置障礙物的管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゾ哂幸欢ǖ挠绊懀?dāng)濃度在當(dāng)量比濃度附近時(shí)，火焰鋒面的傳播速度較低濃度和高濃度時(shí)更高。

圖6 3種不同油氣濃度工況下火焰鋒面位置與障礙物數(shù)量的關(guān)系Fig.6 Flame locations under three gasoline vapor concentrations in terms of obstacle number

2.3 障礙物數(shù)量對(duì)油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

圖7所示為不同工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間的變化曲線，火焰速度由式（1）計(jì)算得到

式中，Sf為火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺·s-1； xn+1-xn為相鄰的兩幅高速攝影照片中火焰鋒面的真實(shí)距離之差，m；Δtn為選取的兩幅高速攝影照片的拍攝時(shí)間差，此處Δtn=0.001 s。

圖7 3種不同油氣濃度工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c障礙物數(shù)量的關(guān)系Fig.7 Flame speeds under three gasoline vapor concentrations in terms of obstacle number

從圖中可見，對(duì)于3種油氣濃度工況，火焰在傳播初期，由于受到障礙物的擾動(dòng)很小，所以在 4種障礙物數(shù)量的管道內(nèi)，火焰保持勻速傳播，并且傳播速度較小，保持在9 m·s-1左右。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過障礙物之后，由于受到障礙物帶來的流場(chǎng)強(qiáng)湍流效應(yīng)，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑グl(fā)生明顯的加速現(xiàn)象，并且在加速傳播的過程中出現(xiàn)“振蕩”上升的現(xiàn)象。同時(shí)，從圖7和表1中可以很明顯地觀察到，隨著障礙物數(shù)量的增大，油氣爆炸傳播過程的最大火焰速度也增大，并且到達(dá)最大火焰速度的時(shí)間縮短。另外，通過表1的數(shù)據(jù)可以看到當(dāng)初始油氣濃度為1.3%和2.1%時(shí)，障礙物數(shù)量的增加對(duì)油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣葞淼摹凹铀傩?yīng)”比1.7%時(shí)更為明顯。

表1 3種不同油氣濃度工況下最大火焰速度與障礙物數(shù)量的關(guān)系Table 1 Maximum flame speeds under three different initial gasoline vapor concentrations in terms of obstacle number

以往的研究表明火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱淖兓^程存在一定的耦合關(guān)系[3,24,27-30]，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃笠话惆殡S著爆炸超壓的急劇上升，反之亦然，在本實(shí)驗(yàn)研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的關(guān)系。圖8所示是濃度為1.7%，障礙物數(shù)量為4的工況下油氣爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€對(duì)比圖。

從圖8中可見，在18.5 ms之前火焰鋒面以比較低的速度勻速傳播，此時(shí)爆炸壓力開始緩慢上升，但是數(shù)值很小，維持在6.5 kPa以下。從18.5 ms開始，火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始上升，此時(shí)超壓曲線也出現(xiàn)“泄壓峰值”pv，表征著此刻管道開口端的薄膜破裂，也表明此時(shí)的火焰加速與薄膜的破裂有密切的關(guān)系。從23 ms左右開始，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)急劇的上升，并且此時(shí)爆炸超壓也開始急劇上升，并且二者幾乎同時(shí)在27 ms左右到達(dá)最大值，之后二者又以相似的變化趨勢(shì)開始急劇下降，并在30 ms左右爆炸超壓達(dá)到負(fù)壓峰值，火焰鋒面也停滯向前傳播。火焰速度和爆炸超壓的這種變化趨勢(shì)體現(xiàn)了油氣爆炸過程中二者的正反饋激勵(lì)耦合關(guān)系，在油氣爆炸傳播過程中，隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃螅蜌獾娜紵俾试龃螅専崧试鰪?qiáng)，燃燒釋放出大量的能量導(dǎo)致爆炸壓力的急劇上升；同時(shí)，爆炸壓力在上升的過程中，其在管道內(nèi)外和火焰鋒面處的復(fù)雜的反射、衍射等爆炸波系演變行為又會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)湍流度的增強(qiáng)和火焰面積的增大，反過來促進(jìn)火焰燃燒的劇烈程度，進(jìn)而讓火焰能保持以較高的速度傳播。在本研究中，針對(duì)其余幾種工況壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊鸟詈弦?guī)律不作贅述，只重點(diǎn)討論火焰速度和爆炸超壓到達(dá)最大值的時(shí)間關(guān)系。火焰速度和爆炸超壓達(dá)到最大值的時(shí)間對(duì)比關(guān)系如圖9所示，從圖9中可見火焰速度達(dá)到最大值的時(shí)刻和壓力達(dá)到最大值的時(shí)刻基本一致，但是對(duì)于只有一個(gè)障礙物的工況，二者的時(shí)間差相對(duì)其余工況更大，并且隨著障礙物數(shù)量的增大，二者的時(shí)間差異變得更小，這也說明隨著障礙物數(shù)量的增加，壓力和火焰?zhèn)鞑ブg的耦合關(guān)系體現(xiàn)的更加明顯。

圖8 超壓和火焰速度隨時(shí)間的變化關(guān)系對(duì)比Fig.8 Comparison of overpressure history and flame speed vs.time (CH%=1.7%, obstacle number=4)

3 結(jié) 論

圖9 到達(dá)最大火焰速度和爆炸超壓峰值時(shí)間對(duì)比Fig.9 Comparison of time to get to max flame speeds and max overpressure peaks

選取高（2.1%）、中（1.7%）、低（1.3%）3種初始油氣濃度，進(jìn)行了一系列半開口全透明有機(jī)玻璃管道內(nèi)放置不同數(shù)量平板障礙物工況下油氣泄壓爆炸對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并重點(diǎn)分析和討論了障礙物數(shù)量對(duì)油氣泄壓爆炸超壓變化規(guī)律、火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扰c爆炸超壓變化耦合關(guān)系等的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論。

（1）半開口管道內(nèi)油氣爆炸超壓曲線存在 3個(gè)典型的壓力峰值pv、pmax、pneg；其中pv的大小只與封口材料破裂常數(shù)有關(guān)，與障礙物數(shù)量無關(guān)，而pmax的數(shù)值大小和 pneg的絕對(duì)值大小隨著障礙物數(shù)量的增大而增大，但是到達(dá)pmax的時(shí)間長(zhǎng)短不完全由障礙物數(shù)量決定。

（2）火焰在傳播初期以比較規(guī)則的“指尖形”火焰?zhèn)鞑ィ?dāng)受到障礙物的擾動(dòng)之后火焰鋒面的規(guī)則形狀會(huì)受到破壞，加快火焰形態(tài)從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩，并最終在管道外部形成“蘑菇狀”火焰，并且管道內(nèi)障礙物數(shù)量越多，這種“蘑菇狀”火焰越明顯。

（3）障礙物對(duì)油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ哂酗@著的加速效應(yīng)，而且障礙物數(shù)量越大，這種加速效應(yīng)越明顯，獲得的最大火焰速度越大。

（4）油氣爆炸過程的爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ゾ哂姓答伡?lì)的耦合關(guān)系，二者在爆炸演變過程中互相促進(jìn)，這種耦合關(guān)系隨著障礙物數(shù)量的增大體現(xiàn)的越明顯。

（5）障礙物數(shù)量對(duì)油氣爆炸 pmax和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃笞饔迷诟邼舛龋?.1%）和低濃度（1.3%）工況下比中間濃度（1.7%）時(shí)體現(xiàn)得更加顯著。

符 號(hào) 說 明

BR ——阻塞率，%

D ——管道內(nèi)徑，mm

H ——障礙物寬度，mm

L ——管道長(zhǎng)度，mm

pmax——最大超壓峰值，kPa

pneg——負(fù)壓峰值，kPa

pv——泄壓峰值，kPa

R ——障礙物通道半徑，mm

Sf——火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺·s-1

Δtn——兩相鄰火焰鋒面時(shí)間差，s

V ——管道容積，L

Xn——火焰鋒面位置，m

[1] ZHU Y, QIAN X M, LIU Z Y, et al. Analysis and assessment of the Qingdao crude oil vapor explosion accident： lessons learnt [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 33： 289-303.

[2] LI G Q, DU Y, QI S, et al. Explosions of gasoline-air mixtures in a closed pipe containing a T-shaped branch structure [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 43： 529-536.

[3] NA’INNA A M, PHYLAKTOU H N, ANDREWS G E. The acceleration of flames in tube explosions with two obstacles as a function of the obstacle separation distance [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2013, 26 (6)： 1597-1603.

[4] BLANCHARD R, ARNDT D, GR?TZ R, et al. Explosions in closed pipes containing baffles and 90 degree bends [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2010, 23 (2)： 253-259.

[5] 孟璐. 立體障礙物對(duì)瓦斯爆炸影響的實(shí)驗(yàn)研究 [D]. 太原： 中北大學(xué), 2011.MENG L. Experimental study of stereo obstacle on gas explosion [D].Taiyuan： North University of China, 2011.

[6] 潘鵬飛. 復(fù)雜障礙物對(duì)瓦斯爆炸影響研究 [D]. 太原： 中北大學(xué),2011.PANG P F. Research on methane explosion in horizontal pipe with complex shape obstacles [D]. Taiyuan： North University of China,2011.

[7] 余明高, 紀(jì)文濤, 溫小萍, 等. 交錯(cuò)障礙物對(duì)瓦斯爆炸影響的實(shí)驗(yàn)研 [J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 42 (3)： 349-354.YU M G, JI W T, WEN X P, et al. Experimental study of the influence of staggered obstacle on gas explosion [J]. Journal of China University of Mining &Technology, 2013, 42 (3)： 349-354.

[8] NA’INNA A M, PHYLAKTOU H N, ANDREWS G E. Effects of obstacle separation distance on gas explosions： the influence of obstacle blockage ratio [J]. Procedia Engineering, 2014, 84： 306-319.

[9] NA’INNA A M, SOMUANO G B, PHYLAKTOU H N, et al. Flame acceleration in tube explosions with up to three flat-bar obstacles with variable obstacle separation distance [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 38： 119-124.

[10] 郭丹彤, 呂淑然, 楊凱. 障礙物布置對(duì)氣體爆炸壓力場(chǎng)的影響效果研究 [J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2015, (9)： 88-93.GUO D T, Lü S R, YANG K. Research on impact effect of obstacle arrangement to pressure field of gas explosion [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015, (9)： 88-93.

[11] 尉存娟, 譚迎新, 張建忠, 等. 不同間距障礙物下瓦斯爆炸特性的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2015, (2)： 188-190.YU C J, TAN Y X, ZHANG J Z, et al. Experimental research on blast characters of methane under obstacle with different distance [J].Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2015,(2)： 188-190.

[12] LI D, ZHANG Q, MA Q, et al. Influence of built-in obstacles on unconfined vapor cloud explosion [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 43： 449-456.

[13] JOHANSEN C T, CICCARELLI G. Visualization of the unburned gas flow field ahead of an accelerating flame in an obstructed square channel [J]. Combustion & Flame, 2009, 156 (2)： 405-416.

[14] WEN X P, YU M G, LIU Z, et al. Large eddy simulation of methane-air deflagration in an obstructed chamber using different combustion models [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2012, 25 (4)： 730-738.

[15] LI D, ZHANG Q, MA Q, et al. Comparison of explosion characteristics between hydrogen/air and methane/air at the stoichiometric concentrations [J]. International Journal of HydrogenEnergy, 2015, 40 (28)： 8761-8768.

[16] WEN X P, YU M G, JI W T, et al. Methane-air explosion characteristics with different obstacle configurations [J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2015, 25 (2)： 213-218.

[17] LUO C, ZANGANEH J, MOGHTADERI B. A 3D numerical study on the effects of obstacles on flame propagation in a cylindrical explosion vessel connected to a vented tube [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 44： 53-61.

[18] ZHANG P L, DU Y, QI S, et al. Experiments of gasoline-air mixture explosion suppression by non-premixed nitrogen in a closed tunnel [J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2015, 121 (2)： 885-893.

[19] QI S, DU Y, WANG S M, et al. The effect of vent size and concentration in vented gasoline-air explosions [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 44： 88-94.

[20] PARK D J, LEE Y S, GREEN A R. Experiments on the effects of multiple obstacles in vented explosion chambers [J]. J. Hazard. Mater.,2008, 153 (1/2)： 340-350.

[21] PARK D J, LEE Y S, GREEN A R. Prediction for vented explosions in chambers with multiple obstacles [J]. J Hazard Mater, 2008, 155(1/2)： 183-192.

[22] SARLI D V, BENEDETTO D A, RUSSO G. Sub-grid scale combustion models for large eddy simulation of unsteady premixed flame propagation around obstacles [J]. J. Hazard. Mater., 2010, 180(1/2/3)： 71-78.

[23] FAKANDU B M, ANDREWS G E, PHYLAKTOU H N. Vent burst pressure effects on vented gas explosion reduced pressure [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 36： 429-438.

[24] 溫小萍, 武建軍, 解茂昭, 等. 瓦斯爆炸火焰結(jié)構(gòu)與壓力波的耦合規(guī)律 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2013, 64 (10)： 3871-3877.WEN X P, WU J J, XIE M Z, et al. Coupled relationship between flame structure and pressure wave of gas explosion [J]. CIESC Journal, 2013, 64 (10)： 3871-3877.

[25] PEDERSEN H H, TOMLIN G, MIDDHA P, et al. Modelling large-scale vented gas explosions in a twin-compartment enclosure [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2013, 26 (6)：1604-1615.

[26] HISKEN H, ENSTAD G A, MIDDHA P, et al. Investigation of concentration effects on the flame acceleration in vented channels [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 36：447-459.

[27] WANG C, HUANG F, ADDAI E K, et al. Effect of concentration and obstacles on flame velocity and overpressure of methane-air mixture[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 43：302-310.

[28] 溫小萍, 余明高, 鄧浩鑫, 等. 小尺度受限空間內(nèi)瓦斯湍流爆燃大渦模擬 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2016, 67 (5)： 1837-1843.WEN X P, YU M G, DENG H X, et al. Large eddy simulation of gas turbulent deflagration in small-scale confined space [J]. CIESC Journal, 2016, 67 (5)： 1837-1843.

[29] XU C, CONG L, YU Z, et al. Numerical simulation of premixed methane-air deflagration in a semi-confined obstructed chamber [J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015, 34 (1)：218-224.

[30] QI S, DU Y, ZHANG P L, et al. Effects of concentration, temperature,humidity, and nitrogen inert dilution on the gasoline vapor explosion[J]. Journal of Hazardous Materials, 2017, 323 (2)： 593-601.

Effects of obstacle number on characteristics of vented gasoline-air mixture explosions

DU Yang, LI Guoqing, WANG Shimao, QI Sheng, LI Yangchao, WANG Bo
(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

In order to investigate the effects of obstacle number on the characteristics of vented gasoline-air mixture explosions, a series of contrast experiments were conducted under three different initial gasoline vapor concentrations in terms of the obstacle number, the conclusions show that： (1) There existed three typical pressure peaks denoted as pv, pmax, and pnegduring the gasoline-air mixture explosions in a semi-opened pipe, and the magnitude of pvwas just associated with the fracture constant of the polyethylene film at the pipe exit but not with the obstacle number, while the magnitudes of pmaxand the absolute values of pnegincreased with the growth of obstacle number, and the time to obtain the pmaxwas not fully dependent on the obstacle number. (2) During the initial flame propagation process, the flame remained a “finger-like” shape, while disturbed by the obstacles, the flame fronts became distorted, and they were accelerated to change from laminar flame to turbulent flame. And finally the flame fronts formed a “mushroom-like” shape outside the pipe, and the more obstacles, the more significant the “mushroom-like” shape. (3) The obstacles had significant effects on the flame acceleration, and the maximum flame speeds increased with the growth of the obstacle number. (4) Overpressure and flame propagation of the explosion process of gasoline-air mixture explosions had a positive feedback coupling relationship between incentives, they promoted with each other during the evolution of explosions, and the coupling relation became more significant with the growth of obstacle number. (5) The effects of obstacle number on the enhancement of pmaxand maximum flame speeds for initial gasoline vapor concentrations of 1.3% and 2.1% were more obvious than that of 1.7%.

gasoline-air explosions; obstacle number; explosion overpressures; flame speeds; turbulent flow;mixtures; experimental validation

date：2016-11-14.

LI Guoqing, boyueshe@sina.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51276195) and the Graduate Research Innovation Project of Chongqing (CYB16128).

X 932

A

0438—1157（2017）07—2946—10

10.11949/j.issn.0438-1157.20161612

2016-11-14收到初稿，2017-01-25收到修改稿。

聯(lián)系人：李國(guó)慶。

杜揚(yáng)（1958—），男，博士，教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51276195）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYB16128）。