破膜壓力對氫氣-甲烷-空氣泄爆的影響*

陳 昊，郭 進，王金貴，洪溢都

（福州大學環境與安全工程學院，福建 福州 350108）

摻氫甲烷（氫氣和甲烷所組成的混合氣體）是未來天然氣行業發展的重要方向之一，引起了全球學者的關注與重視。目前，荷蘭、法國、德國等國家在城市燃氣管道方面開展了天然氣摻氫相關項目。然而不可避免的是，向甲烷中摻入氫氣可能會增加密閉空間內發生爆炸的嚴重程度。已經有學者在定容燃燒彈中展開了諸多工作，研究摻氫甲烷-空氣混合物的火焰前沿結構及其不穩定性、層流燃燒速度和馬克斯坦長度[1-3]。大量的研究表明向甲烷中加入氫氣可拓寬可燃極限范圍，提高火焰傳播速度，并增加壓力上升率和爆燃指數[4-10]。Yu 等[11-12]和Wang 等[13]通過實驗研究了摻氫甲烷的摻氫比(χ)、摻氫甲烷當量比(?)和管道尺寸對火焰結構、火焰速度以及內部超壓的影響。研究發現，郁金香火焰的形成取決于χ、管道的長寬比和管道的形狀；例如，只有在 ? =0.8 且χ 在0%～50%時，才會在實驗中觀察到郁金香火焰[11],并且管道越長郁金香火焰越明顯[12]。Zheng 等[14]研究了χ 和 ? 對500 mm 長含障礙物的管道中摻氫甲烷-空氣混合物火焰傳播的影響。結果表明，當摻氫甲烷-空氣混合物中的χ＜75%時，爆炸超壓才會隨χ 顯著增加，并且在相同情況下，火焰速度也呈現出類似的趨勢。Lowesmith 等[15]在一個3 m×2.8 m×8.25 m 的裝置內進行了實驗，他們發現將χ 增加至50%時，火焰速度和爆炸超壓顯著增加，此外在受限空間內加入障礙物后，火焰速度和超壓也顯著增加。

為了降低摻氫甲烷爆炸導致的危害，通常采用泄爆的方式控制受限空間內的爆炸危害。Shirvill 等[16]利用一個3 m×3 m×2 m 的試驗裝置進行了泄爆實驗，研究者發現，當甲烷中摻入小于25%的氫氣，不會顯著增加爆炸的危險性，爆炸超壓與單獨使用甲烷的情況相近。Yang 等[17]研究了 ? 對摻氫甲烷-空氣混合物泄爆的影響。他們發現當 ? 在0.6～1.8 的范圍內時，能夠觀察到內部超壓的亥姆霍茲振蕩，在?≥1.0 時出現聲學振蕩；隨著 ? 從0.6 增加到1.8，最大內部超壓和最大外部超壓都是呈先增大后減小的趨勢。Duan 等[18]在相同的通風管道中研究了化學計量χ 的范圍從0～1.0 的摻氫甲烷-空氣混合物的泄爆。當χ ≤ 20%時能夠觀察到整個火焰球泡的亥姆霍茲振蕩，當χ 從0 增加到1.0 時，最大內部超壓和最大外部超壓先緩慢增加，然后快速增長。除此之外，研究者還發現χ 會影響摻氫甲烷-空氣混合物爆轟波胞格尺寸[19]。此外，研究者發現泄爆和點火位置密切相關。曹勇等[20]在一個圓柱形容器中對不同點火位置條件下氫氣-空氣預混氣的泄爆特性進行研究，得出不同點火位置會顯著影響火焰面積、火焰傳播速率以及容器內部壓力曲線。

上述實驗證明了泄爆與χ、?、障礙物分布、容器形狀和點火位置密切相關，且爆破壓力pv是一個重要影響因素，但是現有研究主要集中在甲烷-空氣[21]、氫氣-空氣[22]、乙烯-空氣[23]等單一氣體-空氣混合物泄爆方面，然而現有的研究尚無法闡明摻氫甲烷-空氣混合物的泄爆過程，因此需要進行更加深入的研究，為以天然氣和氫氣為基礎的設備和工廠的安全設計提供依據。基于不同pv下的混合氣體泄爆研究成果很少，pv對摻氫甲烷泄爆過程中內部火焰的亥姆霍茲振蕩、聲學振蕩、外部爆炸的形成、內部和外部壓力變化及其峰值的影響仍不清楚。為了解決上述問題，本文在一個高1 m 且頂部設有泄爆口的管道中進行摻氫甲烷-空氣預混氣體泄爆實驗，研究0～44 kPa 的pv對火焰演化和管道內外壓力變化的影響。

1 實驗裝置與實驗過程

如圖1 所示，本次實驗采用300 mm×300 mm×1000 mm 的泄爆管道，管道頂部中央有250 mm×250 mm的正方形開口。在管道的正面設有750 mm×300 mm 的窗口，使用高速攝像機(Nac Memrecam HX-3)拍攝火焰圖像，拍攝頻率為2000 Hz。點火裝置位于管道的中心處，點火電極連接15 kV 脈沖電源，點火能量約為500 mJ。將3 個壓阻式壓力傳感器PS1～PS3 分別安裝在距離頂部泄爆口875 mm、500 mm 和125 mm 處，記錄內部超壓，另一個壓力傳感器PS4 安裝在距離管道頂部350 mm 處，用以記錄外部超壓，壓力傳感器的量程為0～150 kPa。

圖1 實驗裝置Fig. 1 Experimental apparatus.

用厚度(δ)為10～72 μm 的鋁箔封閉泄爆口，并用螺栓將其固定在孔板與管道頂端之間。再根據道爾頓分壓定律配置化學計量的摻氫甲烷-空氣混合物。氫氣與甲烷的體積分數分別為75%和25%。氣體配置完畢后靜置15 min，最后由同步控制器輸出信號，同步觸發點火系統、高速相機及壓力數據存儲記錄儀。所有實驗均在101 kPa 的初始壓力和280 K 的初始溫度下重復2 次，結果顯示重復性良好。

2 實驗結果與討論

2.1 破膜壓力與厚度的關系

首先通過實驗測量不同厚度鋁箔的破膜壓力（pv）。具體步驟如下：首先將一定厚度(δ)的鋁箔密封在泄爆口處，使管道內部形成一個封閉的空間，然后隨著氣體緩慢注入管道，內部壓力會逐漸上升，當內部壓力超過鋁箔的破裂壓力時，鋁箔破裂。以開始加壓為時間零點，圖2 為 δ =36 μm 時靜態破膜壓力測試的壓力-時間變化。密閉管道內部超壓在135 s 內幾乎呈線性增加至約19 kPa，當鋁箔破裂后內部超壓開始急劇下降。泄爆封口破裂前管道內的壓力上升率為8.4 kPa/min，因此根據文獻[24]，δ=36 μm 時的破膜壓力pv為19 kPa。

如圖2 所示，當泄爆封口破裂后，內部壓力會急劇下降至負壓，然后在環境壓力附近以70 Hz 的頻率振蕩，實驗結果表明振蕩頻率與 δ 幾乎無關。這種現象的產生是由于泄放時的氣流慣性，同時這種慣性還會加強火焰的振蕩，具體原因將在下一節中討論。圖3 總結了不同厚度鋁箔的破膜壓力。可以明顯看出pv與 δ 呈線性增加，在下文中，將取多組實驗中pv的平均值來說明 δ 對火焰演化和管道內外壓力變化的影響。

圖2 δ =36 μm 時靜態破膜壓力測試的壓力-時間變化Fig. 2 Pressure-time history in the static burst pressure test at δ =36 μm

圖3 pv 與 δ 的關系圖Fig. 3 Relationship between pv and δ

2.2 泄爆過程的火焰演化

圖4 為pv=31 kPa 時點火后的火焰演化圖像。如圖4(a)所示，點火后，火球迅速以球形膨脹。在火焰接觸到管道壁后，火球被縱向拉伸呈橢圓體。從圖4(c)中可以發現，當泄爆封口破裂時，火球還未到達泄爆口。因此，首先被排出管道的是未燃燒的摻氫甲烷-空氣混合物，并在管道外形成可燃云，這種現象已經通過紋影和示蹤技術得到了證明[25-27]。在圖4(d)～(g)中可以觀察到，由于未燃氣體的泄放，火焰上鋒面向上加速，整個火球也向上運動，當火焰上鋒面到達泄爆口時，管道外的可燃氣云被點燃，從而產生外部爆炸。通過比較圖4(f)和(g)可以發現，在氣體泄放的慣性產生負超壓及外部爆炸共同作用下，管道內部的火焰鋒面突然向下跳躍，隨后上下地做活塞式運動。當火焰下鋒面接近管道底部時，管道上部和外部的火焰已經基本消失。然而，由于聲波-燃燒的耦合作用[28]，在泄爆的最后階段，管道底部的燃燒會被增強。通過觀測不同pv條件下的火焰演變，發現只有pv＝ 0 kPa 和7 kPa 時不存在如圖4(j)所示的聲波強化燃燒現象。

圖4 pv ＝31 kPa 時的火焰圖像Fig. 4 Flame images for pv =31 kPa

通過對連續的火焰圖像進行測量，可以得到火焰上、下鋒面至電極的距離；將連續圖像的火焰鋒面之間的距離除以連續圖像之間的時間(0.5 ms)，就可以得到火焰速度。以點火時刻為時間零點，圖5 給出了火焰上、下鋒面至電極的距離和火焰速度(其中負值表示火焰鋒面向泄爆口相反方向運動)。從圖中可以觀察到，在泄爆封口破裂前，火焰速度呈振蕩趨勢進行傳播，但是由于浮力作用[29]，火球的縱向拉伸并不是完全對稱；當泄爆口破裂時，可以測得上部和下部火焰前沿分別距離電極270 和220 mm。

從圖5 中可以直觀地看出，當泄爆封口破裂后，火焰上鋒面向泄爆口加速，而火焰下鋒面的速度開始劇烈振蕩，振蕩幅度逐漸減弱。整個火球到達泄爆口時，火焰下鋒面的速度高達90 m/s。當火焰噴出管道時，在內部負壓和外部爆炸的共同作用下，火焰下鋒面的速度達到-85 m/s。隨著泄爆過程的進行，火焰下鋒面速度振蕩的幅度會逐漸減小。

圖5 pv =31 kPa 時火焰前沿的位置和速度Fig. 5 Flame front location and speed for pv =31 kPa.

2.3 破膜壓力對壓力-時間變化的影響

圖6 給出了pv=14 kPa 時管道內部壓力-時間變化曲線，從圖中可以明顯看到兩個壓力峰值(p1和p2)以及兩種不同類型的振蕩(亥姆霍茲振蕩和聲學振蕩)。壓力峰值p1的形成是由于管道內部壓力不斷增大，泄爆封口破裂所導致的，p1的幅值隨至泄爆口距離的增加而增大。泄爆封口破裂后火焰下峰面開始做活塞式運動，引起內部超壓的亥姆霍茲振蕩，在振蕩的開始階段，出現第二個壓力峰值p2。從同步的火焰圖像中也可以看出，此時火焰下鋒面忽然向下運動，壓縮了管道底部的氣體從而形成壓力峰值p2。圖5 可以加以佐證，當火焰下鋒面的振蕩幅度減小，亥姆霍茲振蕩的幅度也在不斷減弱，這種關聯性說明后者會受到前者的影響，火焰下鋒面的運動與壓縮是p2出現的關鍵要素。在泄爆的最后階段出現了聲學振蕩，這是由于聲波在管道底部的拐角處增強了未燃氣體的燃燒，火焰圖像如圖4(j)所示[30]。

圖6 pv =14 kPa 時管道內壓力-時間變化曲線Fig. 6 Pressure-time history inside the duct for pv =14 kPa.

圖7 為不同pv對容器內部壓力的影響。當pv≤7 kPa 時只能觀察到亥姆霍茲振蕩，并沒有出現聲學振蕩，當pv≥12 kPa 時亥姆霍茲振蕩和聲學振蕩會同時出現。不同于碳氫燃料-空氣混合氣體的泄爆[31]，摻氫甲烷-空氣混合氣體泄爆產生的亥姆霍茲振蕩和聲學振蕩之間略有重合，兩者無明顯分界。研究發現，亥姆霍茲振蕩頻率與管道內混合氣體的平均聲速成正比[32]，并且隨著pv的增加，亥姆霍茲振蕩頻率也在緩慢增加。這是因為隨pv增大，更多摻氫甲烷-空氣混合物參與了燃燒反應，從而導致管道內混合氣體溫度及平均聲速升高。此外，圖2 中氣流慣性引起的頻率為70 Hz 的壓力振蕩，遠低于圖7 中泄爆過程產生的亥姆霍茲振蕩頻率。因為后者除氣流慣性的作用外，還受到外部爆炸和火焰下鋒面振蕩的影響。當pv≥12 kPa 時，亥姆霍茲振蕩后會出現頻率約為1200 Hz 的聲學振蕩，且頻率與pv無關。

圖7 不同破膜壓力 pv 的壓力-時間變化曲線Fig. 7 Internal pressure-time histories for different pv

圖8 對比了不同pv條件下管道內三個測點處的最大超壓。可以明顯看出管道內不同位置的最大超壓變化趨勢各異。靠近泄爆口處(PS3) 和管道中心(PS2) 的最大超壓隨著pv線性增加，因為當pv≥12 kPa 時，p1始終是最大壓力峰值且隨pv的增加而增大。這與甲烷-空氣混合物[33]和氫氣-空氣混合物[22]的壓力峰值變化趨勢相一致。反觀管道底部(PS1)的最大超壓隨pv非線性增加，變化過程可以分成3 個階段：當pv從0 增加到18 kPa，最大超壓呈上升趨勢，p2為主要壓力峰值；當pv從18 kPa 增加到31 kPa 時，p2會隨著pv的進一步增大而減小；當pv≥31 kPa 時，主要壓力峰值轉變為p1，并隨著pv線性增加。從圖8 中可以看出，管道內的最大超壓總是出現在管道底部(PS1)，換句話說，管道中的最大超壓隨著pv非單調性增加。Bao 等[34]在甲烷濃度為9.5%的甲烷-空氣預混氣泄爆過程中也發現最大超壓隨pv非線性增加；但是不同于本文研究混合氣體/空氣混合物泄爆，這種單一氣體/空氣混合物的壓力峰值之所以隨pv非線性地變化，是由于聲學和火焰之間耦合導致的，而不是因為壓力峰值的轉變。

圖8 最大內部超壓與 pv 之間的關系(實心符表示平均值)Fig. 8 Relationship between the maximum internal overpressure and pv (solid symbols present the mean values)

2.4 破膜壓力對外部爆炸的影響

圖9 比較了pv=7 kPa 和31 kPa 的外部壓力變化過程。可以明顯分辨出2 個壓力峰值(p3和p4)，除了在pv=0 的試驗中沒有發現p3外，在其余的試驗中均觀察到了p3和相似的外部壓力變化過程。研究發現[26]，p3是泄爆封口破裂產生的弱沖擊波傳播所致。結合同步火焰圖像可以知道，p4總是出現在管道外的火球形成過程中。根據目前的研究[26]，p4是外部爆炸的結果且始終是最大外部壓力峰值。

圖9 不同 pv 條件下外部壓力-時間變化曲線Fig. 9 External pressure-time histories for various pv

圖10 最大外部超壓 p4 與破膜壓力 pv (實心符表示平均值)Fig. 10 Relationship between the maximum external overpressure p4 and film breaking pressuerpv(solid symbols present the mean values)

當前研究表明外部爆炸會影響內部泄爆，這與前人的研究結果基本一致[26]。在圖11 中，管道內部p2與泄爆口外p4幾乎是同時出現的，因為外部爆炸會導致泄爆內外的壓力梯度降低[35-36]。如前文所述，當pv≤31 kPa 時，外部爆炸引起的壓力峰值p2是管道底部的最大超壓，并隨著外部爆炸的增強而增加。但是如圖11(b)所示，在進行pv較高的實驗時，p2的幅值遠小于p1的幅值，且持續時間變短。也就是說，外部爆炸對內部泄爆的影響會隨著pv的增加而逐漸減弱[36]。

圖11 外部爆炸對內部泄爆的影響Fig. 11 Effect of the external explosion on internal explosion venting

3 結 論

通過對高1 m 管道中的摻氫甲烷-空氣混合氣體的泄爆過程進行研究，分析了pv對火焰傳播、管道內外壓力-時間變化和外部爆炸的影響，得出以下結論：

(1)所有的實驗均在泄爆封口破裂后觀察到火焰鋒面的劇烈振蕩現象，該現象伴隨著內部超壓的亥姆霍茲振蕩。當pv≥12 kPa 時，還會出現頻率約為1200 Hz 的聲學振蕩。

(2)管道內部分別出現了由于泄爆封口破裂和外部爆炸引起的兩個壓力峰值。pv和至泄爆口的距離會對壓力峰值有顯著影響。對于某一確定的pv，最大的內部超壓隨至泄爆口之間距離的增大而增大。靠近泄爆口處和管道中心的最大內部超壓幾乎隨著pv呈線性增加；但是靠近管道底部的最大壓力與pv呈非線性遞增關系。

(3) 外部爆炸的產生是由于未燃混合氣體排出，在管道外形成可燃云團，隨著火焰的排出，從而形成了外部爆炸。同時外部爆炸會產生一壓力峰值，其幅值會隨著pv的增大而增加。在所有試驗中，外部爆炸都會影響內部泄爆過程，當pv≥31kPa 時，這種影響會明顯減弱。