不同形状受限空间内油气爆燃特性的实验研究*

韦世豪，杜 扬，王世茂，李 蒙

(中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系，重庆 401311)

0 引言

汽油具有易燃、易爆、易挥发等特点，这使得受限空间内的油气爆燃事故成为生产生活中较为常见的事故，对设备及人员安全造成较大的威胁。研究油气爆燃特性最常用的方法为小尺度实验法，即在小尺度受限空间中进行不同工况下的油气爆燃实验。受限空间分为容积式受限空间(球形、立方体形容器)和狭长受限空间(具有一定长径比的管道形容器)。针对容积式受限空间内油气爆燃特性的研究，张鸿鹤[1]、刘文辉等[2]利用20 L标准球形容器研究了油气爆燃的超压特性；Qi Sheng等[3]利用2 L小型燃烧腔研究了不同浓度和开口率条件下油气泄爆过程，分析了影响超压峰值的4个机制；许光、张毅等[4-5]进行了埋地油罐中爆燃实验，获得了内外超压和火焰的分布规律。针对狭长式受限空间内油气爆燃的研究分为2类：一类是对小长径比短管内油气爆燃规律的研究，主要控制变量为点火方式[6]和热源温度[7]，研究内容为不同点火方式及不同热源温度下油气爆燃的火焰形态及超压变化规律；另一类是针对大长径比长管道内油气爆燃规律的研究，研究内容为不同浓度下的超压峰值[8]、火焰速度[8]和燃烧模式[9]，以及复杂分支结构对油气爆燃参数影响[10-11]。

从研究内容上来看，已有的研究基本包括了各类受限空间内油气爆燃的工况，但由于实验用油品种、初始环境条件、点火方式、点火能量、测量条件、容器体积等各类初始参数的不一致性，不同研究者所得到的实验结果相对独立，难以进行定量对比。因此本文以“93号汽油蒸汽-空气”混合物作为介质，在控制其他实验要素相同的情况下，在不同形状的20 L容器中开展油气爆燃实验，从而研究不同形状受限空间内的油气爆燃特性。

1 实验容器及系统

图1为4种不同形状的实验容器，分别为球形、立方体、短管、长管，其体积均为20 L，球形容器为20 L标准容器，图中PT为压力传感器(Pressure Transducer)，为方便做图采用简写(下同)，各容器几何形状参数如表1所示。

图1 实验容器示意Fig.1 Schematic diagram of experimental vessels

容器名称直径/mm底面直径/mm底面长/mm底面宽/mm容器长度/mm长径比备注A:球形容器336-----标准容器B:立方体形容器--300160400-单面有机玻璃材质C:圆柱形短管-150--11307.53钢制材料D:立方体长管--100100200020全有机玻璃材质

实验系统整体由实验容器、浓度测试仪、配气系统、点火器、同步控制器、数据采集器、高速摄影仪等组成。利用TEST6300瞬态数据采集器配合ZXP-610型压力传感器对超压进行采集，采样频率为20 kHz，传感器量程为2 MPa，精度为±0.1%。基于自制的配气系统，采用“气流冲击搅拌法”进行配气，当需要充入油气时，打开气泵同时只打开1，2号阀门，气泵产生的高速气流会冲击搅拌瓶中汽油，产生大量气泡并加速汽油挥发，进而产生油气并充入实验容器；同时利用GXH-1050型油气浓度测试仪对油气浓度进行实时测量，当浓度达到要求后，关闭1，2号阀门，打开3，4号阀门，气流会继续吹扫搅拌容器内的混合气体，待油气浓度稳定后，关闭气泵及所有阀门。利用FASTCAM-Ultima512型高速摄影仪对立方体容器和长管容器的火焰形态进行拍摄，拍摄频率为500帧/s。利用高能电火花点火装置对预混油气进行点火，点火电压为1 500V，点火能范围为0～15 J，误差小于0.1 J。利用同步控制器实现对点火激发、压力测量、高速摄影的同步控制。

2 实验初始条件

基于上述实验系统，对相同初始条件下不同形状容器内的油气特性进行实验研究，其初始条件如表2所示：

表2 实验条件

3 实验结果及讨论

3.1 不同形状容器内超压时序曲线分析

3.1.1 容器内爆炸超压随时间的变化规律

图2给出了初始油气浓度为1.48%时的压力时序曲线，图中可以看出不同形状的容器内爆燃超压的时序关系具有差异性。

图2 4种不同形状容器内的油气爆炸超压 时序曲线(CCH=1.48%)Fig.2 △P-t profiles in four confined spaces of different configurations(CCH=1.48%)

球形容器A：点火后首先是没有明显压力变化的过程(0～0.04 s)，称为爆燃孕育阶段[12]。随着油气燃烧加剧，超压迅速升高并于0.166 s达到最大值0.77 MPa，该阶段定义为加速燃烧阶段(0.04～0.166 s)。随后压力开始缓慢下降，并最终变为常压，该阶段定义为平滑衰减阶段(>0.166 s)。整个过程与文献[13]基本上是一致的。

立方体形容器B：与球形容器类似，点火后最先为爆燃孕育阶段，但持续时间较短(0～0.025 s)，随后压力迅速上升并进入加速燃烧阶段，该阶段升压速率较大(0.025～0.05 s)。由于火焰侧向锋面触壁，使得散热效应增强，燃烧所释放的能量耗散增多，导致容器内升压速率降低，但由于油气仍处于剧烈燃烧的状态，超压仍继续增大并在0.13 s时达到最大值0.76 MPa，该阶段为平滑增长阶段(0.05～0.13 s)。随着油气的逐渐消耗，受限空间内燃烧强度减弱，与球形容器平滑衰减阶段类似，压力缓慢下降并变为常压(>0.13 s)。

短管C：爆燃初期压力变化与立方体容器类似，依次为爆燃孕育阶段(0～0.036 s)、加速燃烧阶段(0.036～0.052 s)、平滑增长阶段(0.052～0.1 s)。随后的压力时序曲线与球形和立方体容器具有明显差别，爆炸超压振荡上升，振荡频率为483 Hz，并于0.131 s达到最大值0.81 MPa，该阶段为振荡上升阶段(0.1～0.131 s)。随后压力下降，振荡幅值逐渐减小，振荡频率为512 Hz，该阶段为振荡衰减阶段(0.131～0.22 s)，由于油气大部分完全燃烧，空间内压力降低的同时压力振荡强度也开始减小，并完全消失。当振荡消失后，压力平滑下降，最终变为常压，该阶段为平滑衰减阶段(>0.22 s)。短管C内压力振荡幅值与时间的关系可近似用二次多项式进行表述，如图3(a)所示。

长管D：与短管C类似，点火初期经历爆燃孕育阶段(0～0.04 s)、加速燃烧阶段(0.04～0.05 s)。而后直接进入振荡增长阶段(0.05～0.166 s)，压力振荡上升并于0.166 s达到最大值0.83 MPa，振荡频率约为155 Hz。随后振荡衰减阶段(0.166～0.4 s)，压力下降的同时振幅减小直至完全消失，该过程振荡频率约为138 Hz。当振荡完全消失后，压力曲线进入平滑衰减阶段(>0.4 s)。另外，长管D内压力振荡幅值随时间的变化关系可近似用三次多项式来拟合，如图3(b)所示。

3.1.2 不同形状受限空间内超压时序曲线相关特征参数的差异性及分析

表3给出了不同受限空间油气爆燃关键参数的详细对比，从超压参数特征对比来看，球形容器A和立方体状容器B较为相似，短管C和长管D较为相似，且后者具备的最显著特点就是压力变化具有更多阶段，并出现压力振荡。可燃气体点燃后会产生2道压力波，即前驱冲击波和燃烧压缩波，与容器A和B相比，短管C和长管D长径比较大(L/D值分别为7.5和20)，为压力波的往复运动和反射耦合提供了充足的几何空间，有利于压力振荡的生成[14]；另外，燃烧过程中的火焰变形及失稳也是压力振荡诱因之一，相对较大的长径比有利于火焰传播过程中的拉伸和加速，这将导致火焰锋面的化学反应和流动平衡的失稳，使得不稳定性增加，促使火焰的自激加速以及失稳破碎，最终形成含蜂窝状褶皱的湍流火焰[15]，火焰加速提高了能量释放效率，同时湍流火焰与前驱冲击波、燃烧压缩波、壁面反射波相互耦合，更有利于引发容器的声学共振，最终形成持续的振荡现象[16]。与短管C和长管D不同，球形容器A和立方体B的压力时序曲线较平滑，无明显振荡，这种差异性的原因是A和B从几何形状来看是容积式容器，较小的长径比和相对均匀的几何形状无法为压力波的反射叠加提供充足的几何条件，另外火焰沿不同方向传播基本一致，无明显加速现象，限制了压力振荡的产生。

表3 关键参数对比

3.2 初始油气浓度对不同形状容器内爆炸参数的影响规律

3.2.1 最大超压与初始油气浓度之间的关系

图4给出了4种不同形状容器内油气爆燃最大超压随初始油气浓度的变化关系，并与单分子可燃物爆燃超压随当量比的变化规律进行了对比。从图4中可以看出，最大超压所对应的初始浓度为1.74%，且该条件下爆炸超压大小顺序为长管>短管>立方体>球形容器，长管中爆炸超压约为球形容器中的1.3倍，这是由于在长管和短管中出现了压力振荡，这不仅对超压值有加成作用，同时促进了压力与火焰耦合，增加了能量释放效率，使得爆炸超压明显增加。

图4 压力振荡细节变化Fig.4 Details of pressure oscillations

当初始浓度小于1.74%时，超压值随浓度的增加而增大，而当初始浓度大于1.74%时，超压值随着浓度的增加而减小。其主要原因为：当浓度较低时，较少的油气量使得总的能量释放较低，而且难以生成足够数量的活化基团，限制了化学反应速率，最终导致超压值较小；随着始浓度增大，较多的油气可释放更多的能量，并生成较多的活化基团，使得化学反应速率升高，二者共同作用从而使受限空间内超压值增大；当油气浓度为1.74%时，受限空间内超压达到最大值。当初始浓度进一步升高，体系内油气过剩，为贫氧燃烧状态，油气不完全燃烧导致能量释放量急剧减少，从而使得爆炸超压减小。另外，油气爆炸最大超压与初始浓度之间的关系同单分子可燃气体爆炸最大超压与当量比之间的关系是类似的，二者均可以用二次多项式进行拟合，其表达式如表4所示。

表4 最大超压与浓度(当量比)之间的关系

另外，根据图4中单分子可燃气体爆炸超压随当量比的变化规律可以看出，最大超压对应的当量比并不严格等于1，而是比1略大。因此油气浓度1.74%式所对应的当量比也应略大于1，图4显示当量比为1.05时，各类单分子可燃气体爆炸超压达到最大值，将其与油气爆炸“超压-浓度”曲线进行对比，可定性判断1.74%的初始浓度对于当量比在1.05左右，若假设油气分子式为CxHy，则C8H18最符合该条件。

3.2.2 升压速率与初始油气浓度之间的关系

由图2可见，不同形状容器内超压增长时间有所不同，这就导致升压速率有所差异。爆炸升压速率有2种：最大升压速率[20](dP/dt)max为升压过程中压力时序曲线的最大斜率；平均升压速率[20]RPR1-100%=△Pmax/△tmax，本文以平均升压速率RPR1-100%作为衡量不同容器内油气爆炸升压速率的标准。

图5给出了不同容器内油气爆炸升压速率随浓度的变化关系，随着初始浓度的增大，平均升压速率先增大后减小，其随浓度的变化可用三次多项式拟合，当初始浓度为1.74%时，各容器内平均升压速率均达到最大值，但此时升压速率从大到小的排列顺序依次为：短管>立方体容器>长管>球形容器。文献[20]的研究表明，升压速率主要受可燃气体燃烧速率的影响，而燃烧速率是由层流火焰速度所绝定的，在当量比小于1时，层流火焰速度随当量比的增加而增加。因此在浓度小于1.74%时，燃烧速率会随着浓度的升高而增大，从而导致平均升压速率增大。当初始油气浓度大于1.74%时，平均升压速率随着浓度的增加而减小，主要原因在于高浓度条件下层流火焰速度降低，火焰以较为缓慢的速度传播，不仅减弱了壁面的拉伸效应，同时也限制了火焰的失稳变形，最终抑制了高速传播火焰褶皱的生成，使火焰面积减小，降低了油气的燃烧速率，导致平均升压速率下降。

图5 平均升压速率随浓度的变化关系Fig.5 Relationship between the average rate of overpressure rise and concentration

4.3 油气爆燃初期火焰行为变化规律

从表3的压力参数对比来看，球形容器A和立方体B较为类似，可归为容积式受限空间；短管C和长管D较为类似，可归为狭长受限空间。因此图6分别给出立方体B和长管D的爆燃初期火焰参数。

图6 火焰行为变化规律Fig 6 Changing characteristics of the flame behaviors

对于立方体B其爆燃初期火焰形态变化过程为半球状层流火焰→扁平层流火焰：点火后火焰向前传播，其前锋面到点火端的距离增大，火焰传播速度也逐渐增加并于0.03 s达到最大值12.5 m/s，但由于形状相对均匀且长径比较小，在端部壁面的阻挡下，火焰锋面从光滑的球状变为扁平状，前锋面向前运动受阻，火焰速度下降，在0.036 s火焰传播速度仅为5 m/s，且有继续下降的趋势。这说明几何均匀的受限空间内火焰速度会维持在1个较低的水平，主要原因在于均匀几何空间抑制了壁面的加速效应，火焰全程保持层流变化，沿各方向传播速度基本一致，不具备加速以及形态突变的条件。

对于长管D，其火焰参数和形态与立方体B具有明显不同，主要体现在2方面：爆燃初期火焰全程加速，并且其速度有继续增大的趋势，在0.038 s时火焰传播速度达到40 m/s，为立方体B最大火焰速度的3.2倍；火焰形态变化过程为半球状层流火焰→拉伸指状火焰，其前锋面出现剧烈的拉伸和加速。这种差异性主要是受容器几何形状的影响，长管D具有较大的长径比，火焰触及上下壁面时，其前锋面到底端仍有近1.8 m的距离，这为火焰的传播和加速提供了充足的几何空间，火焰逐渐从层流火焰向湍流火焰转变，在壁面拉伸加速和油气燃烧的自激作用下，火焰一直保持加速状态，并有向湍流火焰转变的趋势(0.036 s中火焰前锋面已发生明显形变，无法再维持光滑层流状态)。

4 结论

1)形状对受限空间油气爆燃特性具有显著影响，管道形受限空间的压力时序曲线比容积式受限空间的压力时序曲线更复杂，并且出现压力振荡现象，振荡幅值均可用多项式进行描述，振荡频率随着长径比的增大而减小。

2)随着初始油气浓度的增大，爆炸超压和平均升压速率均呈现先增后减的变化规律，其最大值对应浓度均为1.74%。当浓度为1.74%时，超压从大到小依次为：长管>短管>立方体>球形容器，平均升压速率从大到小依次为：短管>立方体>长管>球形容器。

3)在爆燃初期，立方体中火焰行为为“半球状层流火焰→扁平层流火焰”，火焰传播速度先增后减，最大速度为12.5 m/s；长管中火焰行为为“半球状层流火焰→拉伸指状火焰”，火焰速度不断增加，最大速度为40 m/s。

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