正方形和長方形泄爆口對爆炸超壓影響的研究

李天旭

摘要：為了探究正方形和長方形泄爆口對甲烷爆炸超壓的影響，在自主設計搭建的實驗平臺上，開展了泄爆口為正方形和長方形條件下的實驗研究。結果表明：正方形和長方形泄爆口條件下，超壓波形結構差異明顯。正方形泄爆口工況的超壓波形結構中存在4個明顯的超壓峰值，Pb、Pfv、Pcv和Prev;長方形泄爆口工況超壓波形結構中存在4個明顯的超壓峰值，P'b、P'hel、P'cv和P'mfa。正方形泄爆口工況最大爆炸超壓最大超壓81.10mbar;長方形泄爆口工況最大爆炸超壓90.82mbar，較正方形泄爆口工況增加約12%。

關鍵詞：甲烷爆炸;泄爆;泄爆口形狀;爆炸超壓;多峰結構

天然氣作為一種清潔能源，在我國能源結構中的重要位置日益凸顯。日常生活中，天然氣作為燃氣在住宅建筑中被點燃使用。然而，在天然氣為人們生活提供便利的同時，也伴隨著天然氣爆炸隱患的存在和事故的發生。住宅建筑中的窗口的主要用途為通風和采光，作為主要與外界聯通的建筑部件，住宅建筑內發生天然氣爆炸時，窗口作為泄爆口尤為重要。

設置泄爆口作為防爆措施中的減輕行技術措施，因其易實現、成本低的特點，受到眾多學者的關注。氣體濃度、泄爆面積、泄爆強度、尺度效應、點火位置、障礙物、初始湍流和開口位置等因素均會對天然氣或甲烷（天然氣主要成分）爆炸造成影響。住宅建筑中的窗口在形狀上大體可分為正方形和長方形，因此需對正方形和長方形泄爆口對爆炸的影響進行研究。

一、實驗設計

（一）實驗裝置

在自主設計搭建的實驗平臺進行實驗研究，實驗平臺由PMMA爆炸腔體、泄壓面、配氣系統、點火系統、數據采集系統等組成，如圖1所示。PMMA爆炸腔體內部空腔300mm×300mm×600mm，L/D=2，壁厚30mm，滿足承壓要求。考慮住宅建筑天然氣爆炸現場圖片顯示的頂板和地板受損程度不同，在靠近泄壓端上部和下部對稱開設預壓力傳感器預留孔。泄壓面由厚度為10mm的Q235普通碳素結構鋼板、密封橡膠墊和PE薄膜三部分組成。配氣系統由甲烷、空氣壓縮機、質量流量計和排氣管路組成，通過2個安裝在輸氣管路上的質量流量計分別控制99.99%的甲烷和空氣的流量。點火系統由點火頭、電線和點火器構成，端部中心點火。數據采集系統由圖像采集系統、壓力采集系統和同步控制系統組成。

（二）實驗工況與方法

本文研究端部正方形和長方形泄爆口對9.5%甲烷爆炸的影響。泄爆口形狀由鋼板開口確定，如圖2所示。泄爆面積均為腔室橫截面積的30%，即=0.3m×0.3m×0.3=0.027m2。

首先，通入4倍空腔體積的甲烷-空氣預混氣體排除腔室內的原始氣體，配制化學計量濃度9.5%的甲烷-空氣預混氣;然后，關閉配氣球閥和排氣球閥，為降低初始湍流對爆炸的影響，靜置30s;接著，啟動點火器點火，光電傳感器在探測到電火花信號后，通過同步控制儀觸發PC-圖像采集和PC-壓力采集同步采集原始圖像和壓力數據;最后，手動保存數據。每個實驗工況重復3次實驗。

二、實驗結果與分析

正方形泄爆口工況超壓波形，如圖3所示;長方形泄爆口工況超壓波形，如圖4所示。由圖3和圖4可知，正方形和長方形泄爆口工況位于上方和下方的壓力傳感器測得壓力波形均存在明顯差異，經分析認為造成這種現象的主要原因是由于浮力的作用，使得腔室內的甲烷-空氣預混氣體不均勻，腔室內的甲烷發生了分層，即腔室內上部的甲烷密度高于下部的甲烷密度。再者，腔室內發生爆炸的末期，壓力值顯示為負值，未回復到零值，這是爆炸產生的高溫對壓力傳感器作用的結果。正方形泄爆口工況和長方形泄爆口工況均存在多個明顯的超壓峰值，且存在明顯差異。

由圖3可知，正方形泄爆口工況的壓力波形結構中存在4個明顯的波峰，pb、pfv、pcv和prev。在爆炸的初始階段，由于燃燒產物的形成和氣體受熱膨脹對外做功，腔室內部壓力不斷緩慢上升，當壓力達到泄爆口的開啟壓力后，泄爆口打開，腔室內未燃的可燃氣-空氣預混氣體在內外壓差作用下開始向外部釋放，形成壓力峰值pb;內外壓差平衡后，腔室內的氣體停止泄放，在前一次排氣引起的湍流作用下，腔室內燃燒速率增加，壓力上升速率增大，進而形成新的內外壓差，未燃的可燃氣體-空氣預混氣體再次排出，當釋放速率逐漸增大到超過腔室內氣體產生速率時，壓力開始下降，形成壓力峰值pfv;當燃燒的氣體開始從泄爆口流出時，升壓速率急劇下降，形成壓力峰值pcv;在爆炸的后期，由于負壓的作用，一定量的新鮮空氣和火焰被吸到腔室中，剩余的未燃氣體開始燃燒，導致壓力增大，形成壓力峰值prev。對應時刻火焰圖像如圖3中所示。正方形泄爆口工況測點測得的最大超壓峰值為下方壓力測點測得的prev，最大超壓81.10mbar。

由圖4可知，長方形泄爆口工況壓力波形結構中存在4個明顯的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa。的產生機制與相同;在泄爆口開啟期間，引起Helmholtz震蕩，形成震蕩壓力峰值;的產生機制與相同;當爆炸的火焰蔓延到腔室的壁面時，壓力增加的速率達到最大，從而形成壓力峰值。對應時刻火焰圖像如圖4中所示。長方形泄爆口工況測點測得的為下方壓力測點測得的，最大超壓90.82mbar，較正方形泄爆口工況最大超壓峰值增加約12%。

三、結語

（一）泄爆口形狀的改變，會對超壓波形的結構產生顯著的影響。正方形泄爆口工況的壓力波形結構中存在4個明顯的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa;長方形泄爆口工況壓力波形結構中存在4個明顯的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa。

（二）本實驗條件下，正方形和長方形泄爆口工況測得的最大超壓峰值分別為：下方壓力測點測得的prev，最大超壓81.10mbar;下方壓力測點測得p'mfa，最大超壓90.82mbar，較正方形泄爆口工況最大超壓峰值增加約12%。

（三）由泄爆口形狀改變造成的甲烷爆炸超壓差異，應在建筑設計階段加以考慮。

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