容积式受限空间油气爆燃火焰特征的实验研究*

杜扬　齐圣　李国庆　王世茂　李阳超

(后勤工程学院军事供油工程系　重庆 401311)



容积式受限空间油气爆燃火焰特征的实验研究*

杜扬齐圣李国庆王世茂李阳超

(后勤工程学院军事供油工程系重庆 401311)

摘要根据容积式受限空间油气爆燃火焰特征实验研究的需要，设计了实验系统，进行了不同油气体积分数下的油气爆燃模拟实验。基于实验所得的瞬时火焰信号数据与火焰图像，分析了不同油气体积分数下容积式受限空间内油气爆燃的火焰形态结构、传播速度、强度与持续时间等主要行为特征，所得结果对探索油气爆燃机理与基本规律具有重要参考意义。

关键词受限空间油气爆燃火焰

0引言

油气是生产、生活中必不可少的能源物质，也是典型的易燃易爆物。如何在油气储存、运输、使用的过程中预防或控制火灾、爆炸事故的发生，是相关领域研究人员长期关注的问题[1-9]。研究表明，油气火灾爆炸事故发生初始阶段，往往体现为局部油蒸汽-空气混合气着火，发生以亚音速传播并伴随有压力波的燃烧反应(即爆燃)[1-2]，这一阶段也是采取有效抑制措施，防止事故扩大的关键阶段[2]。可以说，对油气爆燃产生、发展机理及其关键参数变化规律的认识，是油气安全防护技术实施的重要基础，攸关油气爆炸事故防控的成败。

油气爆燃由一系列复杂的物理、化学反应综合而成，火焰是其最为直观、典型的表观特征。分析油气爆燃过程中的火焰形态、传播速度、强度与持续时间等特征的变化情况，是总结油气爆燃规律、探索油气爆燃机理的重要步骤。研究不同爆燃抑制措施下火焰行为特征的变化，是评价抑制措施、优化抑制方案的必由之路。本文通过容积式受限空间中一系列油气爆燃模拟实验，获取了油气爆燃过程的瞬时火焰信号与火焰图像数据，分析了不同油气体积分数下容积式受限空间内油气爆燃的火焰形态结构、传播速度、强度与持续时间等主要特征。

1容积式受限空间油气爆燃模拟实验方案

1.1实验台架

由于油气独特的物理特性，在其储存、运输过程中往往放置于受限空间中，按照长径比的不同，受限空间可分为狭长受限空间和容积式受限空间。其中，容积式受限空间一般指长径比不大于6的密闭空间[10-11]，如地下储库或地面储存库的储罐、反应器、运加油(气)车等。容积式受限空间的油气爆燃实验台架，即为实验室中的模拟受限空间油气爆燃反应容器。本文采用的实验台架由20 mm厚的铸铁焊接而成，四周密闭，内部尺寸为500×200×200 mm，图1为其正视图，容器正面设有可视化窗口，用于观察爆燃过程的火焰形态。可视化窗口尺寸为300×200 mm，其上加装20 mm厚的钢化玻璃。采用自制防干扰点火控制单元模拟导致油气爆燃的外部火源，点火方式为电火花点火，电火花点火头安装于图1中的点火控制单元接口。点火之前，通过压缩机管路将油气经油气循环系统接口充入容器中，并循环均匀。

1-油气循环系统接口；2-可视化窗口；3-点火控制

1.2实验数据采集系统

为监测油气爆燃实时火焰强度，在实验台架上布置火焰强度测试系统。采用可见光式火焰强度探测器，连续、高频地将探测到的可见光强度信号转化为电信号，并经过信号调理设备与计算机连接，通过计算机软件客户端分析采集到的数据。选用北京均方理化科技研究所生产的GXH-1050型红外线分析系统。该系统可以测量CH化合物，N2，O2，CO2，CO等气体的体积分数，量程为10-4～10-2，响应时间较短，重复性强，工作稳定，能够满足油气爆燃实验对反应物、反应产物等混合气组分的监控和测量需求。采用日本photron公司生产的FASTCAM-Ultima512型高速摄影仪，它具有512×512全幅像素，最高频率为32 000 FPS，可拍摄全幅照片2 048帧，并可通过图像采集卡与配套软件在计算机上对图像进行采集、编辑。

2油气爆燃火焰速度测算及分析

2.1平均火焰速度

由油气爆燃火焰图像可以看出，容积式受限空间中的油气爆燃火焰大致呈椭球型，火焰形态比较稳定，故可以通过这些图像计算平均火焰传播速度，具体流程如下：

(1)从拍摄到的火焰时序图像中，选取可观察到火焰的第一幅图像，此时火焰为一个微小的点，记该图像所对应的时刻为t0；

(2)从之后的图像中选择一张火焰轮廓尽可能大的图像，记该图像所对应的时刻为t，将其与前一张图像对比，记录火焰轮廓的最左沿、最右沿、最上沿在图像上移动的距离，分别记作Δx1，Δx2，Δx3(图2)；

(3)将Δx1，Δx2，Δx3分别换算成实际空间中的距离，除以两张图像的时间间隔，可得3个方向的平均火焰速度，取平均值，即可视作该浓度下的平均火焰速度值。即，容积式受限空间中的火焰传播速度采用式(1)求得。

图2　容积式受限空间平均火焰速度测算示意

(1)

式中，φ表示火焰图像的比例尺，即图中距离与其所代表的真实距离的比值。对于高速摄影仪所拍摄的时序图像，时间间隔采用式(2)求算。

(2)

式中，Fc表示摄影仪频率，即每秒钟拍摄的图像张数，IA，IB分别代表所选两张图像的序数。

据此，计算不同油气体积分数下油气爆燃的火焰传播速度，结果见图3。在油气体积分数小于1.6%时，由于可燃气体含量相对不足，平均火焰速度相对较低；随着油气体积分数的上升，平均火焰速度也上升，在油气体积分数处于1.6%～2.0%之间时，由于其接近油气与空气反应的当量配比，火焰速度达到最大；之后，随着油气体积分数继续上升，反应中氧气含量相对不足，导致火焰传播速度显著下降。

图3　不同油气体积分数下的油气爆燃火焰传播平均速度

图4为以二次函数形式拟合的火焰传播速度随油气体积分数的变化关系，具体表达式为y=-2.921x2+10.702x-6.189，拟合相关系数R2=0.909。

2.2瞬时火焰速度

根据上文的平均火焰速度测算思路，若依次记录相邻两张图片间的火焰运动距离与时间间隔，可以得到该时间间隔内火焰运动的平均速度，由于高速摄影仪采用的拍摄频率为每秒250张，相邻图片的时间间隔只有4 ms，该时间间隔内的平均速度可以近似地作为对应时刻火焰传播的瞬时速度。将油气体积分数为2.48%时的油气爆燃火焰图像按照这一思路进行处理，得出该浓度下整个爆燃过程的火焰瞬时速度变化，结果见图4。可见，随着爆燃反应的进行，瞬时火焰速度的变化并不是单调的，而是处于不断的波动中，这主要是爆燃产生的压力波在受限空间中传播并相互叠加，在遇到壁面后发生反射，当火焰传播方向与压力波方向一致时，压力波使火焰加速，反之，压力波阻碍火焰的传播。在25 ms之前，随着反应的进行，反应区温度升高，火焰速度整体呈波动上升趋势，而在25 ms之后，由于爆燃反应产生了显著的压力波，火焰传播速度在2.0～3.0 m/s之间往复波动。

图4　油气爆燃瞬时火焰速度

3油气爆燃火焰强度与持续时间

3.1火焰强度变化过程

火焰强度传感器实质上是将光强度转化为电信号，通过采集卡在计算机中实时地记录出测试点处光强度的变化情况。通过布置在点火点正上方的火焰强度传感器，可以测定爆燃火焰发光强度的瞬时变化。图5给出了油气体积分数为1.54%时的油气爆燃火焰强度随时间的变化曲线(以点火时刻为0 ms)，该曲线实质上描述了油气爆燃孕育、发展直至熄灭的整个过程。图中I区所示为油气爆燃的孕育期，此期间油气虽受到高能电火花的影响，但处于着火延迟期，尚未辐射出明显的可见光；II区所示为火焰发展期，该时段内形成爆燃火焰包络面并向四周延伸，直至反应区充满整个容器；III区所示为火焰衰减期，该时段内由于容器中的可燃气和氧气大量消耗，爆燃反应逐步减弱，辐射出的光强度也同步减弱；IV区所示的时间段内火焰已完全熄灭，光强度信号最终稳定在初始值。

3.2火焰强度峰值与油气体积分数的关系

根据图5中的曲线，可以获得单次实验中油气爆燃的最大火焰强度，即火焰强度峰值。图6绘制了不同油气体积分数下的火焰强度峰值，可以看出，在油气体积分数小于1.7%时，火焰强度峰值随油气体积分数增加而增加；当油气体积分数大于1.7%时，由于混合气中油气成分较高，氧含量相对不足，导致燃烧不充分，火焰强度峰值大幅下降；当油气体积分数大于2.5%时，火焰强度峰值又开始上升，这是由于爆燃反应的持续时间变长，不完全反应产生的烟尘在高温下发光所导致的。

图5　火焰强度随时间的变化

图6　不同油气体积分数下的最大火焰

3.3火焰持续时间分析

持续时间也是火焰的重要参数，它表征了该处从开始发生剧烈的化学反应到反应结束所需的时间长短。图7给出了不同油气体积分数下的火焰持续时间。可以看出，在油气体积分数小于2.0%时，火焰持续时间随油气体积分数的增加而减小，当油气体积分数大于2.0%时，火焰持续时间随油气体积分数的增加而增加。对比图7与图3可以看出，火焰持续时间与平均火焰传播速度随油气体积分数的变化是完全相反的，这是因为火焰传播速度与油气爆燃反应的速度直接相关，该速度越大，可燃混合气中的油气和氧气消耗就越快，反应结束得也越快，相应地体现为火焰的持续时间缩短。

图7　不同油气体积分数下的火焰持续时间

4结论

(1)容积式受限空间中的油气爆燃火焰模式是典型的漩涡内小火焰燃烧模式，点燃后的预混可燃气首先形成淡蓝色火焰面并向四周褶皱蔓延，随之在已燃区不断出现次生火焰点，反应区火焰颜色从蓝色逐渐过渡到黄白色直至反应结束。

(2)火焰传播的平均速度与油气体积分数相关，前者随后者的递增呈现先增加后减小的变化趋势，具体可表达为y=-2.921x2+10.702x-6.189；火焰传播的瞬时速度则先是跌宕上升，后在爆燃反应的中后期有波动地稳定在一个较高值附近。

(3)单次爆燃的火焰强度变化过程体现了油气爆燃的孕育期、发展期与衰减期；随着油气体积分数的递增，爆燃最大火焰强度呈现出先增加、后减小、再增加的变化趋势；与平均火焰传播速度相反，火焰持续时间随油气体积分数的递增呈现先减小后增加的趋势。

参考文献

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Experimental Study on Flame Characteristics of Gasoline-air Mixture Deflagration in a Confined Space

DU YangQI ShengLI GuoqingWANG ShimaoLI Yangchao

(LogisticalEngineering,UniversityofPLAChongqing401311)

AbstractIn order to meet the needs of experimental studies on gasoline-air mixture deflagration, a corresponding experimental system is designed. By using this system, a series of gasoline-air mixture deflagration experiments have been done under different volume fraction of gasoline. Based on the instantaneous flame sign and flame images obtained in the experiments, the shape, structure, spread speed, intensity and duration of the gasoline-air mixture deflagration flame are analyzed. The results have significant values for the exploration of the mechanisms and laws of the gasoline-air deflagration.

Key Wordsconfined spacegasoline-air mixturedeflagrationflame

*基金项目：国家自然科学基金(51276195)。

作者简介杜扬，教授，主要从事油气安全与防护技术研究。

(收稿日期：2015-04-17)