預點火湍流對正戊烷云霧爆炸參數的影響*

劉雪嶺，張 奇

（1. 貴州理工學院礦業工程學院，貴州 貴陽 550003；2. 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081）

近年來，云霧爆炸科學主要集中于云爆彈（FAE）的研究，如起爆能量[1]、爆燃轉爆轟[2]及爆轟波結構[3-7]等。然而在目前工業生產及生活領域，危險性液體意外泄漏、噴濺形成的云霧，也會產生危害嚴重的爆炸。云霧形成機理及其災害效應日益得到人們的關注。英國標準BS EN 60079-10-1中包含一個新的附加內容，它提供了一些云霧燃爆危險性的定性指導意見和少量的定量方法。英國能源研究所執業守則也指出：“當前，還沒有云霧形成機理的完整認知及其相關危險領域分級方法，這一切還需要更進一步的研究”[8]。Zabetakis[9]、Burgoyne等[10]和Faeth等[11]通過對四氫化萘云霧燃爆實驗研究得到液滴粒徑大小和液滴間距對云霧爆炸極限的影響規律。Williams[12]預測云霧粒徑在5～15 μm范圍內，存在一個“轉變區域”（transition range），并指出在該區域云霧爆炸強度會出現激增現象，但至今云霧的“轉變區域”預測還未真正的實驗驗證。上述研究成果多數以云霧液相作為主要研究對象，但云霧中液滴的蒸發，會使其云霧呈氣、液兩相共存的狀態。王悅等[13-14]和Liu等[15-18]基于云霧液滴大小、氣液兩相濃度等多種耦合影響因素，研究得出云霧爆炸極限、超壓、溫度及最小點火能等特征參數的變化規律。

當前學術界關于預點火湍流強度對氣體和粉塵爆炸參數的顯著影響已得到共識[19-23]，然而關于預點火湍流強度下云霧爆炸影響規律研究報道很少。對于普遍存在的氣動壓力方式所形成的云霧過程中，除涉及云霧均勻性、粒徑分布、氣液兩相濃度等自身物理特性的瞬態多變性外，湍流場作為云霧環境不可避免存在的外部因素，也加速了云霧物理化學特性的變化，會對云霧爆炸參數產生重大影響。云霧爆炸力學特征的系統性研究，對云霧危險區域的劃分、標準及規范的制定，預防及減少云霧爆炸災害技術措施等方面，具有重要的現實意義。本文中以正戊烷云霧作為研究對象，進行預點火湍流對云霧爆炸參數影響的實驗，進而建立云霧爆炸參數與湍流相關性模型。

1 實驗裝置及方法

1.1 概述

云霧湍流、濃度、粒徑測量裝置，由20 L圓柱形長徑比1∶1透明有機玻璃罐體、對稱安裝的兩套氣動噴霧分散裝置、觸發控制系統等組成，并分別應用自行研發的瞬態云霧濃度與粒徑測量系統[15]和云霧湍流測量系統[23]進行測定。其中，瞬態濃度與粒徑測量系統包括：多波長激光發射單元與光照度傳感器、接收信號轉換單元、計算機數據接收系統（光學粒徑及濃度檢測系統軟件）共同構成，如圖1所示；云霧湍流測量系統包括：激光片光發生器、高速攝像系統、同步觸發控制系統、計算機數據儲存與分析系統，如圖2所示。云霧爆炸參數測量系統由20 L圓柱形長徑比1∶1鑄鐵罐體、氣動噴霧分散裝置、觸發控制系統、連續可調火花放電點火系統、高速壓力溫度數據采集處理儲存系統組成，實驗系統如圖3所示。

對于國際20 L標準裝置，噴頭一般設置于罐體底部，考慮了分散的均勻性而相對弱化了湍流強度。自行研發的云霧分散系統在圓柱形罐體上對稱安裝2套氣動分散裝置，并安裝改進的專用噴頭，如圖4所示。開孔方式：首先在軸向0～45°內進行開孔，然后在圓柱形罐體的徑向進行拓展開孔（單個方向開口角度在60°以內）。實驗驗證表明，這樣即可避免大量液滴直接噴到桶壁發生損耗問題，又能滿足圓柱罐體快速分散均勻性要求。

圖1 瞬態濃度與粒徑測量系統構成示意圖Fig. 1 The measurement system on mists concentration and

圖2 云霧湍流測量系統構成示意圖Fig. 2 The measurement system of turbulence

圖3 云霧爆炸參數測量系統示意圖Fig. 3 Schematic diagram on mists explosion parameters

圖4 圓柱型罐噴頭示意圖Fig. 4 Schematic diagram of nozzle

1.2 實驗條件及方法

正戊烷噴霧計量濃度為500 g/m3，分別以0.4、0.6和0.8 MPa的氣動壓力進行噴霧，噴霧時長為50 ms。首先進行瞬態云霧濃度與粒徑測量和云霧湍流強度測量。隨后在云霧爆炸參數測量系統中進行正戊烷爆炸及火焰傳播速率的實驗測定。

圖5給出了正戊烷濃度隨時間變化的測試結果。以0.4、0.6和0.8 MPa氣動壓力進行噴霧，在100、150、200和250 ms時刻，云霧濃度（含氣相和液相）的平均值為452 g/m3，濃度標準偏差在0.81%以內。如圖6所示，在100～250 ms內，以0.4、0.6和0.8 MPa氣動噴霧的平均特征直徑（Sauter mean diameter，SMD，D32）分別為21.21、14.51和8.64 μm。在100～250 ms內，正戊烷云霧湍流強度及云霧濃度粒徑實驗結果匯總見表1。

圖5 正戊烷云霧濃度隨時間變化趨勢Fig. 5 The concentrations of n-pentane vs. time

圖6 正戊烷云霧平均特征直徑（D32）隨時間變化趨勢Fig. 6 SMDs (D32) of n-pentane vs. time

正戊烷云霧爆炸實驗中，溫度為21 ℃，濕度為25%，環境壓力為0.1 MPa。點火位置和傳感器位置見圖4。點火方式采用點擊一次性放電點火，放電電極間距為1.5 mm，點火能量為41.52 J。預點火時間（pre-ignition time，PIT）指氣動噴霧啟動時刻到點火觸發時刻的時長。本實驗中，預點火時間定為100、150、200和 250 ms。

2 結果與討論

2.1 預點火湍流特性

湍流場基本特征一般分為強對流湍流場和零平均速率湍流場。強對流湍流場一般具有相對較大的平均湍流速率，而其湍流強度與雷諾數緊密相關；零平均速率湍流場又稱為各向同性湍流，即各向平均湍流速率接近為零，其湍流強度變化主要由湍流均方根速度（vrms）的變化所主導。對于圓柱形罐體對稱式雙噴頭分散系統，流場特征與零平均速率湍流場具有相似性。以0.4 MPa氣動噴霧情形為例，如圖7所示，在50 ms時長的噴霧過程中，湍流強度（）由400上升至500后，100 ms后迅速衰減至100以下，并隨時間逐級衰弱。因此，可以判斷當前所研究的圓柱形罐體流場環境，可近似認定為零平均速率湍流場。

表1 正戊烷云霧湍流強度及濃度粒徑實驗統計結果Table 1 Experiment results of turbulence intensity and concentration

湍流場由大量流體旋渦構成，每個旋渦可視為一個宏觀的流體微團。如圖8所示，其中上圖為湍流速率云圖，下圖為流場矢量分布特征，vmax為最大流場速度。對于湍流來說，雷諾數越大，說明最小旋渦與最大旋渦尺寸差別越大。因此引入湍流雷諾數及三種湍流尺度：湍流積分尺度（Turbulence integral scale）、泰勒（Taylor）微尺度、柯爾莫哥洛夫（Kolmogorov）微尺度[24]。

其中

圖7 氣動壓力為0.4 MPa時湍流強度隨時間的變化Fig. 7 Turbulence intensity vs. time at pneumatic pressure of 0.4 MPa

圖8 噴霧壓力為0.4 MPa時片光2處罐內湍流分布Fig. 8 Turbulence intensity distribution at pneumatic pressure of 0.4 MPa at location 2

式中：ek為單位質量動能?？聽柲缏宸颍↘olmogorov）微尺度有2種物理描述：（1）表示整個湍流中最小渦流或渦線的厚度；（2）表示流動中嵌入的渦流層厚度[25]。

在所有湍流雷諾數中，特征速度都是速率均方根vrms，故湍流最大湍流尺度（積分尺度）的雷諾數和最小湍流尺度（柯爾莫哥洛夫微尺度）的雷諾數分別為

兩種尺度的關系為

實驗測得氣動噴霧壓力為0.4 MPa時，圓柱形罐體高度1/2位置（圖7位置光片2處）100～250 ms時間范圍測得平均湍流積分尺度為48～72 mm。在已知湍流均方根速度vrms條件下（20 ℃空氣的運動粘度=17.9×10-6Pa·s），可推算湍流最大湍流尺度（積分尺度）的雷諾數為8 000～15 000。表2給出了不同氣動分散作用下湍流積分尺度與相應的雷諾數。可由式（7）推算得出：在100～250 ms內，氣動噴霧壓力為0.4～0.8 MPa時，在0.03～0.1 mm范圍內。

表2 不同氣動噴霧壓力下湍流積分尺度及雷諾數Table 2 Average turbulence integral scale and Reynolds numbers at different dispersing air pressures

2.2 湍流對正戊烷云霧蒸發速率的影響規律

在云霧中液滴的蒸發和冷凝過程及相互作用下，氣、液相濃度隨時間不斷變化（如圖5所示）。由云霧中氣相濃度隨時間的變化可以得到不同時刻的云霧蒸發速率：

圖9 湍流均方根速度vrms與蒸發速率V（t）的關系Fig. 9 Relation between root-mean-square velocities (vrms)and evaporation rate (V(t))

粒徑和湍流對正戊烷云霧蒸發速率V（t）的影響如圖9所示。可以看出，vrms增加均能明顯增加V（t）；對于較小的液滴群，隨湍流強度的增加，液滴群的蒸發速率有更為明顯的提升。V（t）和vrms的關系可表示如下：

根據實驗：A=(3+D32)/0.085, B=6ln(23.5-D32/0.3)。

2.3 湍流對正戊烷云霧爆炸參數的影響規律

圖10～11給出了不同湍流均方根速度條件下正戊烷云霧最大超壓峰值pmax和最大爆炸壓力上升速率的實驗結果?？梢钥闯觯?/p>

（1） pmax與均隨著 vrms呈線性增大，pmax與vrms之間滿足

（2） 隨著 vrms的增加，D32=14.51 或 2 1.21 μm 時 ，pmax與增加趨勢一致，而 D32=8.64 μm 時 ，pmax與增長趨勢更為明顯。實驗表明不同的預點火湍流強度條件下，爆炸參數對D32的敏感度與D32大小范圍密切相關，D32在一定范圍內對pmax和影響顯著。

（3） 為了與正戊烷純氣相爆炸參數對比，在罐體恒溫45℃條件下，對500 g/m3的正戊烷云霧進行爆炸實驗（氣動噴霧壓力為0.8 MPa）。經檢測，D32＜1 μm，即云霧接近純氣相的正戊烷/空氣混合物。圖12給出了在湍流強度約為4 m/s條件下，正戊烷純氣相和不同粒徑云霧爆炸參數結果。相同湍流強度下及濃度下，存在著使正戊烷云霧爆炸強度顯著增大的平均粒徑（D32≈8.64 μm）。Williams[12]和Polymeropoulos[26]曾預測，當5 μm＜D32＜15 μm時，云霧爆炸強度及燃燒速率顯著增大，這個范圍即“轉變區域”（transition range），與本文實驗結果吻合。

圖10 湍流均方根速度（vrms）與超壓峰值（pmax）的關系Fig. 10 Relationship between root-mean-square velocities(vrms) and maximum overpressure (pmax)

圖11 湍流均方根速度（vrms）與最大超壓上升速率（）的關系Fig. 11 Relationship between root-mean-square velocities (vrms)and maximum increasing rate of overpressure ()

圖12 不同粒徑正戊烷云霧爆炸超壓（vrms）及最大壓力上升速率（）對比（vrms=4 m/s)Fig. 12 Comparison of root-mean-square velocities (vrms) and maximum increasing rate of overpressures () at different particle size (vrms=4 m/s)

2.4 湍流對云霧爆炸火焰傳播的影響

云霧爆炸火焰傳播的物理過程主要包括點火、火焰傳播延遲、火焰加速傳播及火焰消亡（超壓上升及壓力衰減）等階段。圖13給出了云霧爆炸實驗得到的典型爆炸超壓歷程，其中云霧爆炸火焰傳播延遲是云霧爆炸過程中一個典型的特征。如圖14所示，點火延遲時間為150 ms條件下，正戊烷云霧的火焰傳播延遲時間t*≈57 ms。這是由火核熱擴散導致的云霧氣相暗燃、液滴預熱蒸發及多點預燃，并最終形成云霧擴散燃燒的一系列傳質傳熱過程導致的。

湍流均方根速度對爆炸火焰傳播延遲時間的影響趨勢如圖15所示。湍流均方根速度vrms在1～6.2 m/s范圍內，火焰傳播延遲時間隨湍流強度呈非線性增長；其增長趨勢可分為2個階段：火焰傳播延遲時間的低增長階段，vrms處于1～4 m/s；火焰傳播延遲時間的高增長階段，vrms處于4～6.2 m/s。火焰傳播延遲時間在其相應的兩個湍流范圍內呈線性增長。分析可知，vrms的增加，加速了云霧液滴群的整體蒸發速率，即增加了云霧場內的吸熱效應，導致反應物放熱及熱擴散速度及效率降低。

圖13 云霧爆炸過程典型的超壓歷程Fig. 13 Aerosols explosion process

圖14 正戊烷云霧爆炸火焰傳播過程Fig. 14 Flame propagation process on n-pentane/air aerosols

圖15 湍流均方根速度（t*）與火焰傳播延遲時間（vrms）的關系Fig. 15 Flame propagation delay time (t*) vs. root-mean-square velocities (vrms)

正戊烷云霧火焰傳播延遲時間t*與湍流強度vrms數學模型可由下式表示：

3 結 論

以正戊烷云霧為對象，研究了預點火湍流強度對云霧爆炸參數的影響規律，得到以下結論。

（1）對于圓柱形罐體對稱式的雙噴頭分散系統，流場特征與零平均速率湍流場具有相似性，即流場環境可近似認定為零平均速率湍流場。在氣動噴霧壓力為0.4、0.6和0.8 MPa，噴霧時長為50 ms時，在100～250 ms內，湍流均方根速度vrms處于1.0～6.2 m/s，平均湍流積分尺度處于48～72 mm，湍流最大湍流尺度的雷諾數處于8 000～15 000范圍內，柯爾莫哥洛夫微尺度處于0.03～0.1 mm。

（2）無論粒徑大小，湍流強度的增加，能明顯增加云霧蒸發速率；對于較小的液滴群，隨湍流強度的增加，液滴群的蒸發速率有更為明顯的提升，云霧蒸發速率和湍流強度具有數學模型關系。

（3） 正戊烷云霧爆炸超壓峰值與最大壓力上升速率均隨著湍流強度呈線性增加。隨著湍流強度的增加，云霧平均特征粒徑為14.51和21.21 μm時，超壓峰值與最大壓力上升速率增長趨勢一致，而平均特征粒徑為8.64 μm時，超壓峰值與最大壓力上升速率增長趨勢更為顯著。

（4）在相同湍流強度環境下，平均粒徑為8.64 μm時的正戊烷云霧爆炸強度發生顯著提升現象，即實驗驗證存在云霧爆炸的“轉變區域”（transition range）。

（5）對于正戊烷SMDs在8～22 μm范圍內，湍流對火焰傳播延遲時間影響趨勢相近；湍流均方根速度處于1.0～4.0 m·s-1時為火焰傳播延遲時間的低增長階段，處于4.0～6.2 m/s時為火焰傳播延遲時間的高增長階段，湍流強度與火焰傳播延遲時間在其相應的兩個湍流強度階段范圍內呈線性增長。但值得注意的是高湍流均方根速率條件下，雖然增加火焰傳播延遲階段的時間，但隨后的火焰加速傳播階段（即超壓上升階段）加速顯著，時間縮短。