点火方式对受限空间油气爆燃规律的影响

吴松林，杜扬，张培理，梁建军（后勤工程学院重庆火灾与爆炸重点实验室，重庆 403；后勤工程学院基础部，重庆 403）



点火方式对受限空间油气爆燃规律的影响

吴松林1,2，杜扬1，张培理1，梁建军1
（1后勤工程学院重庆火灾与爆炸重点实验室，重庆 401311；2后勤工程学院基础部，重庆 401311）

摘要：通过可视化和数据分析方法，针对电火花、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种常见的点火方式，对油气在受限空间的整个爆燃过程进行了对比分析。不同点火方式下油气爆燃的起燃条件、起燃速度、火焰结构、火焰颜色存在很大的区别，并进行了细节分析。尽管油气在受限空间的爆燃过程都呈现出4个阶段，但火焰颜色、持续时间对不同的点火方式是不同的。通过对最大爆炸超压和超压典型曲线的分析，最大爆炸超压由大到小的点火方式依次是突遇高温热壁、电火花、直接加热热源和持续加热热壁，并分析了受限空间中超压曲线的典型特征。

关键词：受限空间；油气；混合物；爆炸；点火方式；实验验证

2015-06-19收到初稿，2015-10-12收到修改稿。

联系人及第一作者：吴松林（1973—），男，硕士，副教授。

Received date: 2015-06-19.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51276195) and the Basic and Frontier Research Project of Chongqing (cstc2013jcyjA00006).

引　言

近年来，可燃气体给人们方便、高效使用能源带来了很大的便利，但也给生命和财产带来了极大的危害。这使得人们对可燃气体的相关研究不断深入，取得了很多的成果[1-19]。在起燃过程中，主要在于确定爆炸浓度极限[4-5]，寻找影响点火的条件[6-7]，确定延迟时间[8]，反应动力学机理[9]，需要的最低点火能量等；在传播过程中，主要在于分析湍流和爆燃的正反馈作用，湍流的加速机理，不同封闭空间中爆炸超压、火焰速度和火焰结构等的传播规律等[10-19]。

汽油是成品油中易挥发的液体。本文研究的油气主要指汽油挥发物和空气的混合物，具有复杂组分的可燃性气体，爆炸浓度极限为0.8%～6.5%。由于它易满足爆炸的条件，从而带来重大的人员和财产损失。如2013年“11-22”青岛输油管道燃爆事故共造成62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。事故的主因是腐蚀造成原油泄漏，所挥发的油气与暗渠当中的空气混合形成易燃易爆气体，在相对封闭的空间内集聚，最后遇到火花，发生爆燃，继而发生蔓延、扩散，在大范围内连续发生爆炸。尽管已有作者获得了油气在受限空间的起燃和传播规律[20]，也对油气燃烧的反应机理、爆炸传播规律进行了初步探索[21]，但总地来看，对油气起燃、起爆规律的研究还有待深入，如起燃过程的“细节”研究，不同点火方式下起燃过程，爆炸发展过程有哪些共同点和不同点，哪些点火方式容易发生，会造成多大的破坏程度等。这些都属于爆炸的基础研究领域，所得结果可以丰富相关安全研究成果，但不同点火方式的油气爆燃对比研究还未见相关报道。

众所周知，点火能量是影响可燃气体起爆的重要因素之一，譬如可影响火焰的起燃速度、传播过程的超压速度等。事实上，不同的点火方式会造成能量聚集不同，从而会造成可燃气体在起爆过程中火焰结构、爆炸的传播规律完全不同[22-24]。本文针对电火花点火、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种常见的点火方式，对油气在受限空间中的起燃、爆燃过程进行了可视化对比研究，对爆燃过程超压进行了对比分析。

1　实验装置

自主设计可视化封闭实验圆形坑道，以及各个系统的连接情况见图1。其中实验坑道长1700 mm，半径为200 mm，设置有2个观察窗和1个热源放置平台。实验系统包含压力测试系统、温度测试系统、浓度测试系统、油气循环系统、电火花点火系统和热源加热系统。

透过图1中的观察窗，放置点火装置，包括点火电极和热源装置（图2）。其中点火电极与自主设计的多功能电点火器（图3）相连，其点火能量范围为0.1～6.9 J。为了达到热点火条件，通过前期探索，温度必须在800 K以上，一般的加热平板都难以达到要求，故自行设计加热系统，包括电源、变压器、热源装置和耐高温电线，其中热源主要由2000～3000 W不同功率的电热丝组成。绝热电线穿过实验台架的底座，将电热丝与变压器相连起来。为了使得发热均匀，将2 mm铜板覆盖在热源上，周围用绝热层隔开，热源面积为100 mm×100 mm。

2　实验结果及分析

采取电火花、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种点火方式，完成了不同浓度油气在受限空间的起爆实验。通过高速摄影，“记录”了典型火焰的发生和发展过程，通过压力传感器，记录了受限空间压力的动态变化。

图2　热壁结构Fig.2　Diagram of hot wall

图3　多功能智能点火器Fig.3　Multifunctional intelligent ignition device

2.1实验基本参数

由于油气浓度是影响起燃过程的一个重要因素，但对不同点火方式，最佳起燃效果的浓度是不一样的，如在持续加热热壁下，油气浓度在2.0%以下很难起燃。为了显示较好的起燃效果，经过大量实验，就每种点火方式分别选取了不同浓度的一次典型实验进行对比，基本参数见表1。

2.2不同点火方式下油气起燃过程的比较分析

为了探索点火方式对油气起燃过程的影响，在以上4种点火方式下对油气火焰的起燃火焰过程（图4～图7）进行对比分析，探索火焰结构、起燃速度、火焰颜色等的变化。

通过对图4～图7的起燃过程进行分析，可以得出如下结论。

表1　4次实验的基本参数Table 1　Basic parameters of 4 experiments

图4　电火花下油气浓度为1.5%的起燃火焰Fig.4　Flame of concentration 1.5% under electric spark

图5　突遇高温热壁下油气浓度为1.72%的起燃火焰Fig.5　Flame of concentration 1.72% under hot wall suddenly touched

图6　直接加热热源下油气浓度为1.62%的起燃火焰Fig.6　Flame of concentration 1.62% under hot resource direct heated

图7　持续加热热壁下油气浓度为2.4%的起燃火焰Fig.7　Flame of concentration 2.4% under hot wall continuous heated

（1）从火焰结构上分析：电火花和直接加热

（1）从火焰结构上分析：电火花和直接加热热源两种点火方式的火焰周围产生了大面积的淡蓝色次生火焰。相比于热源点燃，电火花产生的能量很集中，点燃后蓝色次生火焰发展更快，但热源加热点燃后蓝色火焰呈现了一些皱褶，说明已有弱湍流燃烧；对突遇高温热壁后，油气被点燃这种情况，由于点火面积大、温度高，能量也就非常大，油气层流燃烧非常迅猛，只有薄薄的一层淡蓝色火焰前锋；对持续加热热壁这种点火方式，因热壁上方的温度逐渐上升，造成油气处于缓慢氧化状态，一旦油气被点燃，火焰结构完全不同于其他3种点火方式，火焰先呈现为“尖峰”状，后变为“石柱”状，不断有明亮的活性区域出现。

（2）从起燃的难易程度来看，由于可燃气体的最低电火花点火能量只需要几个毫焦，比较易点燃；通过前期研究，直接接触高于自燃点的高温，油气也容易点燃；但是，不接触明火，由持续加热热壁的辐射热点燃油气是比较困难的，主要原因是逐渐上升的温度，使得油气发生了缓慢氧化反应[21]，在热壁上方形成了“保护层”。本课题组另一项研究结果表明，在该种点火方式下，油气起燃受到了热壁的最高温度、油气浓度、热壁的加热速度、环境湿度、环境压力、空间尺度等众多因素的影响，其中热壁的最高温度、油气浓度和热壁的加热速度都是影响油气能否起燃的关键因素。该种条件下，油气浓度下限在1.9%，远高于油气爆炸下限；油气的最低着火温度需要大于873 K，高于油气自燃的最低温度。

（3）从起燃时间和火焰速度来看，当起燃火焰充满整个观察窗时，电火花、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种方式下分别用的时间为200、160、320和380 ms。起燃过程所用时间越短，说明了点火能量相对越集中，燃烧反应较快，火焰速度比较大。这样来看，起燃阶段火焰的平均速度由大到小的点火方式依次为突遇高温热壁、电火花、直接加热热源和持续加热热壁。

（4）从起燃的颜色来看，如果直接接触高温，由于能量大，起燃火焰呈现出橘红色；而电火花和高温热源能量相对集中，在燃烧中心为橘红色，周围主要为淡蓝色次生火焰；对高温热壁加热方式来说，由于高浓度油气经过长时间的缓慢氧化反应，产生了一定水蒸气，使得起燃火焰整个颜色很淡，呈现很弱的橘红色，峰尖有一点淡蓝色。由于经过长时间的氧化反应，活化中心已经生成，造成起燃过程中有明亮的丝状燃烧核。由于火焰的颜色主要受油气复杂组分影响，还与温度有关系，如淡蓝色火焰的出现说明有H2、CH4等物质发生反应，温度较低；火焰出现了白色，说明温度很高，至少超过了1200 K。

2.3不同点火方式下油气爆燃过程的比较分析

2.3.1油气爆燃过程火焰的阶段性分析图8～图11是除起燃过程外，4种点火方式下油气其余爆燃过程的截图。从整个过程来看，无论是哪种点火方式，在受限空间中油气爆燃过程都呈现出明显的4个阶段。第1阶段为起燃过程（图4～图7）阶段，表现在观察窗有火焰锋面出现，火焰充满了整个观察窗；第2阶段是火焰锋面先向上，后向下和两侧流动燃烧；第3阶段为燃烧和流动正反馈，形成冲击波，在壁面形成较高的超压，然后冲击波折返，在观察窗中呈现明亮的剧烈燃烧火焰；第4阶段是火焰熄灭阶段，火焰颜色逐渐变得越来越淡，直至熄灭。

图8　电火花下油气的爆燃过程Fig.8　Deflagration process of gasoline-air under electric spark

图9　突遇高温热壁下油气的爆燃过程Fig.9　Deflagration process of gasoline-air under hot wall suddenly touched

图10　直接加热热源下油气的爆燃过程Fig.10　Deflagration process of gasoline-air under hot resource direct heated

图11　持续加热热壁下油气的爆燃过程Fig.11　Deflagration process of gasoline-air under hot wall continuous heated

表2　油气爆燃过程4个阶段的时间节点Table 2　Time node of 4 stages at process of gasoline-air deflagration

表3　4种点火方式下3个测点的最大超压Table 3　Maximum overpressure of 3 measuring points under 4 ignition modes

根据火焰的流动方向和颜色变化，可以统计出4种点火方式下油气爆燃4个阶段的时间节点，获得数据结果见表2，以及相应每个阶段所占时间比例的直方图（图12）。

图12　4种点火方式下油气爆燃过程4个阶段的时间比例Fig.12　Proportion of time under 4 ignition modes of gasoline-air deflagration in 4 stages

从表2和图12可以发现，电火花和突遇高温热壁点火方式下，油气爆燃过程的4个阶段所用时间规律基本一致，略有细微差别，说明它们的火焰速度大致差不多，时间所占比例由大到小依次是第3阶段、第4阶段、第2阶段和第1阶段；与之相比，在直接加热热源下，起燃过程用了320 ms，相对要长一些，起燃速度要慢一点，但其他3个过程所用时间却差不多，火焰速度基本一样；但在持续加热热壁下，每个阶段所用时间都相对较长，特别是熄灭阶段，用了7200 ms，占整个燃烧过程的70.3%，大部分时间都处于“闷燃”状态。

2.3.2油气爆燃过程的超压分析表3表示了4种点火方式下3个压力传感器测得的最大超压。总地来看，由于实验坑道空间大（L/D=4.25），因此3个测点测得的最大超压都不大，都不超过0.2 MPa。从不同测点来看，测点2位于起火点处，压力很小；测点1和测点3都位于两个封闭端，最大超压相对较大，但由于测点3距起火点的距离长，油气爆燃和湍流相互耦合，形成正反馈，冲击波得以加强，因此它的最大超压均比测点1的最大超压略大。从不同的点火方式来看，与之前对应，起燃后强度越大，相应的爆炸最大超压也越大，即本实验条件下，最大爆炸超压的顺序依次是突遇高温热壁、电火花、直接加热热源和持续加热热壁。

图13是4种点火方式下3个压力测点的压力变化曲线。测点2位于起火点，起火后它的波形呈现单峰状，而测点1和测点3的压力波形大致为双峰状，第1个压力波峰最大超压普遍小于第2个压力波峰的最大超压。可燃性气体起火后，在受限空间中受扰动影响，形成湍流，与燃烧耦合，形成冲击波，并不断加速。后经壁面反射，最终可能形成多个峰值。压力曲线的波形通常与受限空间尺度、可燃气体的燃烧特性、浓度等有关。

3　结　论

针对电火花、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种点火方式，对油气在受限空间的整个爆燃过程进行了对比分析，获得如下的结论。

（1）通过对起燃过程的可视化和数据分析研究，发现4种点火方式下起燃条件、起燃速度、火焰结构、火焰颜色存在很大的区别，并进行了细节的分析。特别是持续热壁方式下的油气爆炸浓度下限和最低着火温度都很高，延迟时间长，火焰形状出现为“石柱”状。而电火花和直接加热热源下，油气起燃火焰大面积为淡蓝色的次生火焰等。

（2）通过对受限空间内整个爆燃过程的可视化分析，发现4种点火方式下爆燃过程都呈现出明显的4个阶段，分别为：起燃过程；火焰锋面先向上，后向下和两侧流动燃烧过程；燃烧和流动形成正反馈，爆燃形成的冲击波折返过程；熄灭过程。但4种点火方式下的4个过程有颜色和持续时间的区别，特别对每个阶段的持续时间进行了对比研究。

（3）通过对3个位置的最大爆炸超压和超压典型曲线的分析，发现本实验条件下，最大爆炸超压由大到小顺序的点火方式依次是突遇高温热壁、电火花、直接加热热源和持续加热热壁，并分析了超压曲线的典型特征。

图13　4种着火方式下3个测点的压力曲线Fig.13　Pressure curves of 3 measuring points at 4 ignition modes

References

[1]严清华，王淑兰，李岳，等. 大型球形密闭容器内可燃气体爆炸过程的数值模拟 [J]. 天然气工业，2004，(4): 101-105. YAN Q H，WANG S L，LI Y，et al. Numeral simulation of flammable gas explosions in large closed spherical vessels [J]. Natural Gas Industry，2004，(4): 101-105.

[2]梁运涛. 封闭空间瓦斯爆炸过程的反应动力学分析 [J].中国矿业大学学报，2010，39 (2): 195-200. LIANG Y T. Analysis of reaction kinetic for gas explosion in enclosed space [J]. Journal of China University of Mining & Technology，2010，39 (2): 195-200.

[3]崔益虎，蒋军成，喻源，等. 受限空间内气体爆炸惰化泄爆实验研究 [J]. 中国矿业大学学报，2014，43 (3): 421-425. CUI Y H，JIANG J C，YU Y，et al. Experimental study of theinfluence of inert gas additional gas explosion release in confined space [J]. Journal of China University of Mining & Technology，2014，43 (3): 421-425.

[4]刘振翼，李浩，邢冀，等. 不同温度下原油蒸气的爆炸极限和临界氧含量 [J]. 化工学报，2011，62 (7): 1998-2004. LIU Z Y，LI H，XING J，et al. Explosion limits and critical oxygen content of crude oil vapor at different ambient temperatures [J]. CIESC Journal，2011，62 (7): 1998-2004.

[5]黄超，杨绪杰，陆路德，等. 烷烃高温下爆炸极限的测定 [J]. 化工进展，2002，21 (7): 496-498. HUANG C，YANG X J，LU L D，et al. Explosion limits measurement of paraffin under high temperature [J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2002，21 (7): 496-498.

[6]GAO W，ZHONG S J，MIAO N，et al. Effect of ignition on the explosion behavior of 1-octadecanol/air mixtures [J]. Powder Technology，2013，241: 105-114.

[7]阳冬波，王志，王建昕. 火花点火激发自燃着火稳定燃烧边界条件的试验 [J]. 内燃机学报，2012，32 (2): 129-132. YANG D B，WANG Z，WANG J X. Experimental research on stable combustion region of spark induced auto-ignition [J]. Transactions of CSICE，2012，32 (2): 129-132.

[8]ROTAVERA B，PETERSEN E L. Blending effects on ignition delay times of methyl octanoate/n-nonane/methylcyclohexane [J]. Fuel，2014，115: 264-281.

[9]梁运涛，曾文. 封闭空间瓦斯爆炸与抑制机理的反应动力学模拟[J]. 化工学报，2009，60 (7): 1700-1706. LIANG Y T，ZENG W. Kinetic simulation of gas explosion and inhibition mechanism in enclosed space [J]. CIESC Journal，2009，60 (7):1700-1706.

[10]喻健良，周崇，刘润杰，等. 可燃气体爆炸火焰和压力波传播特性的实验研究 [J]. 天然气工业，2004，(4): 8-13. YU J L，ZHOU C，LIU R J，et al. Experimental study on propagating characteristics of flame and pressure waves in explosion of combustible gases [J]. Natural Gas Industry，2004，(4): 8-13.

[11]温小萍，武建军，解茂昭. 瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合规律 [J]. 化工学报，2013，64 (10): 3871-3877. WEN X P，WU J J，XIE M Z. Coupled relationship between flame structure and pressure wave of gas explosion [J]. CIESC Journal，2013，64 (10): 3871-3877.

[12]李岳，王淑兰，丁信伟. 球形容器内可燃气燃爆泄放实验研究 [J].天然气工业，2004，(4): 104-108. LI Y，WANG S L，DING X W. Experimental investigation on explosion venting of flammable gas in spherical vessels [J]. Natural Gas Industry，2004，(4): 104-108.

[13]林柏泉，菅从光，周世宁. 湍流的诱导及对瓦斯爆炸火焰传播的作用 [J]. 中国矿业大学学报，2003，32 (2): 107-110. LIN B Q，JIAN C G，ZHOU S N. Inducement of turbulence and its effect on fire transmission in gas explosion [J]. Journal of China University of Mining & Technology，2003，32 (2): 107-110.

[14]顾金龙，翟成. 爆炸性气体在连续拐弯管道中传播特性的实验研究 [J]. 火灾科学，2011，20 (1): 16-20. GU J L，ZHAI C. Gas explosion propagation characteristics in continuous turning pipe [J]. Fire Safety Science，2011，20 (1): 16-20.

[15]KUAI N S，HUANG W X. Experiment-based investigations on the effect of ignition energy on dust explosion behaviors [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2013，26: 869-877.

[16]KAWAHARA N，TOMITA E. Visualization of auto-ignition and pressure wave during knocking in a hydrogen spark-ignition engine [J]. International Journal of Hydrogen Energy，2009，34: 3156-3163.

[17]XIAO H H，WANG Q S，HE X C，et al. Experimental study on the behaviors and shape changes of premixed hydrogen air flames propagating in horizontal duct [J]. International Journal of Hydrogen Energy，2011，36: 6325-6336.

[18]VAN DEN SCHOOR F，NORMAN F，VERPLAETSEN F. Influence of the ignition source location on the determination of the explosion pressure at elevated initial pressures [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2006，19: 459-462.

[19]BI M S，DING X W，ZHOU Y H，et al. Experimental study on unconfined vapor cloud explosion [J]. Chinese J. Chem. Eng.，2003，11 (1): 90-93.

[20]杜扬，欧益宏，吴英，等. 热壁条件下油气的热着火现象 [J]. 爆炸与冲击，2009，29 (3): 268-274. DU Y，OU Y H，WU Y，et al. Thermal ignition phenomena of mixture induced by hot gasoline-air wall [J]. Explosion and Shock Waves，2009，29 (3): 268-274.

[21]吴松林，杜扬，李国庆，等. 受限空间油气热着火的简化机理与分析 [J]. 燃烧科学与技术，2015，21 (1): 20-27. WU S L，DU Y，LI G Q，et al. Reduced mechanism and analysis of thermal ignition of gasoline-air mixture in confined space [J]. Journal of Combustion Science and Technology，2015，21 (1): 20-27.

[22]XUN C G，FANG D H，LUO Q Y，et al. A comparative study of laser ignition and spark ignition with gasoline–air mixtures [J]. Optics & Laser Technology，2014，64: 343-351.

[23]GRIFFITHS J D，RILEY M，BORMAN A，et al. Effect of flow velocity and temperature on ignition characteristics in laser ignition of natural gas and air mixtures [J]. Optics and Lasers in Engineering，2015，66: 132-137.

[24]GROGAN K P，IHME M. Weak and strong ignition of hydrogen/oxygen mixtures in shock-tube systems [J]. Proceedings of the Combustion Institute，2015，35: 2181-2189.

Effect of ignition node on gasoline-air deflagration behavior in confined space

WU Songlin1,2，DU Yang1，ZHANG Peili1，LIANG Jianjun1
(1Chongqing Key Laboratory of Fire and Explosion Safety，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China;2Department of Fundamental Studies，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China)

Abstract:For four daily ignition modes，including electric spark，hot wall suddenly touched，hot resource direct heated and hot wall continuous heated，a comparative analysis of the whole process of gasoline-air deflagration in confined space was made through visualization experiment and data analysis. There were great differences in ignition condition，combustion speed，flame structure and flame color for gasoline-air deflagration under different ignition mode. Although there were four stages during the process of gasoline-air deflagration in confined space，their duration time and flame color were all different. According to analysis for maximum explosion overpressure and explosion pressure curves，the ignition modes of maximum explosion overpressure from big to small were hot wall suddenly touched，electric spark，hot resource direct heated and hot wall continuous heated. At the same time the typical features of overpressure curve was analyzed.

Key words:confined space; gasoline-air; mixture; explosions; ignition mode; experimental validation

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150958

中图分类号：X 932

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）04—1626—07

基金项目：国家自然科学基金项目（51276195）；重庆市基础与前沿研究项目（cstc2013jcyjA00006）。

Corresponding author:WU Songlin，wusonglin100@com