障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响*

李国庆，杜　扬，齐　圣，王世茂，王　波，李阳超

(后勤工程学院 供油系，重庆 401311)

0　引言

在化工企业、油库等危险品生产和储存场所，容易发生可燃气体的爆炸事故，给人民的生命和财产带来巨大的威胁和损失。2013年11月，中石化东黄输油管道发生泄漏爆炸，造成62人遇难，9人失踪，166人受伤；2016年9月8日下午，河北晋州市一化工厂发生爆炸，致5人死亡、1人重伤。有研究表明，若可燃气体爆炸发生在具有固体障碍物或者存在可以被视为平面障碍物的通道面积缩小的地方，障碍物对气流和火焰的扰动会导致湍流火焰加速形成，从而加大火焰传播速度，形成更加剧烈的爆炸超压，带来更严重的损害后果。

可燃气体爆炸具有高温、高压等特点，破坏性强，以往大量针对可燃气体爆炸特性的实验研究主要集中在钢制密闭管道内[1-3]，以保证实验研究的安全性。随着可视化技术和动态数据测试系统的发展，近年来针对全可视化泄压爆炸的研究逐渐成为热点。在实际发生爆炸的场所，大多存在承压较弱的结构，比如窗户、防护门等，可燃气体在爆炸过程中很容易会从这些承压较弱的地方泄放到爆炸场所外部，对外部空间容易造成危害。鉴于泄压爆炸与生活、生产实践中发生的爆炸事故相似度较高，针对此类爆炸的研究具有较好的工程价值。

有研究表明，初始条件(如初始压力、初始温度、初始气体浓度、初始湿度等)、泄压口尺寸、泄压容器的体积和长径比L/D等对可燃气体的泄压爆炸特性有显著的影响[4-8]。针对内置障碍物的管道内可燃气体爆炸特性的研究引起许多研究者的重视，相关研究主要集中在障碍物的形状、阻塞比(BR)、数量、布置方式等对可燃气体爆炸传播特性的影响规律[9-15]等方面，并且，为了深入探究火焰和压力的耦合机理，纹影技术、高速摄影技术、PIV技术和数值模拟等[11-12,16-18]研究手段被广泛应用，并且取得了一定的研究成果。

针对可燃气体爆炸特性的研究主要采用甲烷、丙烷和氢气等气体[19-20]，很少量的研究采用汽油蒸汽。在石油炼制、成品油储存和运输过程中，由于油料挥发性较强，极易与空气等氧化剂混合，形成高危潜在爆炸气体，一旦爆炸将会给人们的生命和财产带来毁灭性的破坏。并且在油料加工场所，各类立体障碍物大量存在，比如存储油料的圆柱体油桶、运输叉车等，这会影响油气爆炸的火焰传播和超压演变特性。鉴于此，选取常见的圆柱体障碍物作为研究对象，通过改变泄压容器内障碍物的数量，并采用初始油气浓度接近当量比1[8](初始体积浓度为1.7%)的汽油-空气混合气体进行泄压爆炸实验研究。通过研究，探索圆柱体障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性及压力的影响规律，为石油化工生产领域的火灾爆炸安全防控提供一定的理论参考。

1　实验系统与方法

1.1　实验系统

实验系统如图1所示。该实验系统由泄压容器、纹影系统、高速摄影仪、动态数据采集系统、碳氢浓度测试系统、配气系统、点火系统和同步控制装置等组成。

纹影系统由激光发射器、2个聚光镜、2块直径350 mm的凹面镜、刀口和1台高速摄影仪组成，纹影系统布置成“Z”型。高速摄影仪的型号为PHOTRON公司的FASTCAM-ultima 512，拍摄速度设定为4 000帧/s。泄压容器为全透明有机玻璃容器，左端采用钢制盲板封闭，右端开口，管壁厚度20 mm，管道横截面形状为正方形，其内径的横截面尺寸为100 mm×100 mm，管道长度为600 mm，体积为0.006 m3，长径比L/D=6。障碍物为圆柱体铸铁块，底面半径为15 mm，高为60 mm。障碍物竖直放置在容器底部中轴线上，第1个障碍物距离泄压容器左侧端部的距离为80 mm，相邻障碍物之间的间距也为80 mm。压力测试系统采用成都泰斯特公司的DAP7.10，压力传感器采用宝鸡市智星传感器有限责任公司的ZXP660高频瞬态压力传感器(量程0～200 kPa，精度误差<0.3%)。点火系统采用的是定制的抗干扰点火系统，点火能量范围为2～20 J。汽油蒸汽由配气系统产生，并采用碳氢测试仪监测汽油蒸汽的体积浓度。

1-点火控制器；2-点火头；3-同步控制器；4-高速摄影仪；5-刀口；6-凸透镜；7-高速摄影仪；8-压力采集系统；9-激光发射器；10-阀门；11-油瓶；12-真空泵；13-压力传感器；14-障碍物；15-塑料薄膜；16-凹面镜(1#，2#，3#：压力传感器编号)图1　实验系统示意Fig.1　Schematic of experimental system

1.2　实验内容和方法

图2　4种不同的障碍物工况Fig.2　Four configurations varying in terms of obstacle number

实验中采用初始体积浓度为1.70%的油气进行实验，往容器内充油气前先用铝箔把管道右端开口封住，以防油气泄漏。实验在4种不同数量障碍物的工况下进行，4种工况的障碍物布置形式如图2所示，利用压力传感器分别记录容器封闭端、中部和开口端的压力-时间曲线，其中，中部的压力传感器和口部压力传感器位于左侧点火端的距离分别为300 mm和580 mm，封闭端的压力传感器距离点火头20 mm。同时，利用纹影系统记录了火焰传播经过障碍物时的火焰形态和火焰锋面位置变化过程，并用第2台高速摄影仪记录了管道内火焰从起爆到火焰熄灭的整个反应过程。为了保证可燃气体充分混合均匀，每次点火之前让管道内气体静置15 s。初始点火能量选用6 J，预混气体初始温度和初始压力分别为实验室环境温度和当地大气压。为保证实验的准确性，每一组实验都进行了至少3次重复实验。

2　实验结果和讨论

2.1　障碍物对火焰初始传播形态的影响规律

图3是4种不同工况泄压容器内油气爆炸火焰初始传播过程纹影图。由图可见，在火焰传播未接触到第1个障碍物的时候(16 ms以前)，4种工况的火焰传播形态比较相似，火焰锋面都以比较规则的半球形火焰向未燃可燃气体扩散，并且火焰锋面很平滑，表现出明显的层流火焰传播特性。

在大约16 ms时，工况2，3，4的火焰锋面开始和第1个障碍物接触，此时火焰锋面逐渐产生明显的弯曲变形。对于工况1，由于火焰传播不受障碍物的影响，火焰锋面依然保持比较规则的半球形火焰向前传播。在火焰传播经过第1个障碍物的过程中(16～24 ms)，对于工况1，火焰形态从半球形逐渐转变成指尖型，并且火焰锋面依旧保持平滑状，仍处于层流燃烧状态；对工况2，3，4而言，火焰锋面的规则形态遭到破坏，且可以观察到在第1个障碍物的右下角形成明显的破碎火焰(如图3中A选区所示)，层流火焰已经开始向湍流火焰转变。在24 ms的时候还可以观察到一个明显的现象：工况2中火焰锋面距离点火端的位置相比工况3，4中火焰锋面距离点火端的位置距离更远，工况2中火焰锋面已经开始变得不平滑，且向泄压容器开口端凸出，而工况3，4火焰锋面向点火端方向微微凹陷。上述现象可能是由于容器内气流受到第2个障碍物的阻碍发生反射并回传，回传气流与火焰锋面相遇后，导致火焰锋面向点火端凹陷，并降低火焰锋面传播速度在短时间内的上升速率。在26 ms的时候，火焰传播已经跨过第2个障碍物，对于工况3，4，火焰锋面在经过第2个障碍物之后变成形状不规则的“毛刷状”(如图3中B区域所示)，工况4中火焰变形最显著。由此可见，在火焰传播通道中，障碍物数量越多，对火焰的扰动就越明显。对比4种工况下火焰传播至纹影仪可视化范围的最右端所经历的时间，从工况1到工况4，火焰传播所用的时间分别为30，27.25，26.5和26.25 ms。由此可见，障碍物数量越多，对油气爆炸火焰的加速就越明显。

2.2　障碍物对火焰传播速度的影响规律

油气从起爆到爆炸结束过程中不同时刻火焰锋面距离点火端的距离变化如图4所示，该距离根据一系列不同时刻的高速摄影图片中火焰锋面距离点火头的位置计算得到。

图4　火焰锋面位置随时间的变化Fig.4　Development of flame front locations

由图4可见，在不同数量障碍物的工况下，实验所得火焰锋面随爆炸时间的变化具有显著的差异。具体来讲，在火焰传播未到达第1个障碍物的时候(16 ms之前)，4个工况的管道内火焰锋面距离点火端的位置随时间变化规律基本一致，并且变化率较小，呈平缓上升趋势。对于工况2，3，4，当火焰锋面与第1个障碍物接触之后，由于受到障碍物的扰动，火焰传播状态逐渐从层流向湍流转变，火焰锋面向前传播的速度加快；但是对于工况1，火焰锋面移动的速度依然比较慢。对于工况3和工况4，当火焰接触第2个障碍物之后(26.25 ms)，火焰锋面位置变化增长率明显大于工况1和工况2中火焰锋面随时间的变化率。对于工况4，当火焰锋面受到第3个障碍物的扰动后(28 ms)，火焰锋面随时间的变化率稍稍大于工况3的变化率，明显大于工况1和2的变化率。从图4可以看到一个现象，对于无障碍物的管道，在29 ms的时候火焰锋面移动速度突然增大，通过和此工况下压力-时间曲线(图5)进行对比分析，发现在28.5 ms时，爆炸压力达到破膜压力峰值Pbust，此时铝箔突然破裂，导致容器内的混合气体瞬间泄放到外场，引起流场湍流都的增大，从而引起火焰突然加速。从图4中还能观察到，火焰传播至管道泄压口的时间有明显差异，4种工况中火焰传播至泄压口的时间分别为36，33.5，31.8和31 ms。可见，随着障碍物数量的增加，管道内火焰锋面的移动速度加快。

图5　压力-时间曲线Fig.5　Overpressure versus time profiles

当火焰传播至泄压口外后，4种工况管道内的火焰锋面位置继续远离点火端直至熄灭，并且火焰锋面距离点火端的最大距离和火焰到达最大距离的时间都不同，4种工况中火焰锋面距离点火端的最大距离分别为0.88，0.95，1.01和1.02 m，4种工况中火焰锋面传播至距离点火端最远距离时的高速摄影图片如图6所示，到达最大距离的时间分别为41.25，40，38和38 ms。可见，障碍物数量越多，油气泄压爆炸中火焰传播距离就越远，然而到达最远距离的时间却越短。

图6　火焰锋面距离点火端最大距离图像Fig.6　Images of flame front propagating to the farthest position away from ignition point

图7所示为4种工况下火焰传播速度随时间变化的曲线，火焰速度可由下式计算得到：

Sf=(xn+1-xn)/Δtn

(1)

式中：Sf表示火焰传播速度；xn+1-xn表示选取的2幅高速摄影照片中火焰锋面的真实距离之差；Δtn表示选取的2幅高速摄影照片的拍摄时间差，本文中Δtn=1 ms。

图7　火焰传播速度随时间的变化Fig.7　Development of flame speeds

从速度-时间变化曲线可见，在25 ms以前，4种工况管道内火焰传播速度基本一致，并且速度都较小，普遍低于20 m/s。从25 ms开始，工况2，3，4中火焰传播速度发生突变上升，而工况1中火焰速度仍然保持较小速度传播，对比图5相同时刻火焰锋面位置图线，可知此时火焰加速主要是由第1个障碍物的扰动导致，而无障碍物的容器内火焰从29 ms左右开始突变加速，此时的加速原因主要来源于铝箔破膜瞬间泄流导致流场湍流度增大。对于工况2，3，4，火焰从第1个障碍物处开始加速之后便急剧上升，但是对于工况2，在火焰速度上升到第1个峰值50 m/s时便开始下降，而对于工况3和工况4，火焰速度的第1个峰值可达90 m/s左右，这是因后面二个容器内更多数量的障碍物引起更强的湍流导致。当火焰传播达到第1个峰值之后，4个工况管道内的火焰传播速度都开始呈现震荡变化的趋势，并且对于4种工况而言，最大火焰速度分别为99，109，123和141 m/s，到达最大火焰速度的时刻分别为37，35，33和31 ms。由此可见，随着障碍物数量的增多，最大火焰速度变大，而达到最大火焰速度的时间变短。

2.3　障碍物对油气泄压爆炸压力特性影响

爆炸超压现象是油气爆炸过程中另一重要特征。由于火焰传播和爆炸超压之间存在耦合关系，所以对其变化规律进行探究有利于更好地认识油气爆炸火焰的传播特性。图5所示是实验所得的典型的油气泄压爆炸压力-时间曲线。从图中可见，压力曲线在变化过程中形成了多个压力峰值，这些压力峰值的形成和铝箔的破裂有密切关系。根据相关研究[21-22]对泄压爆炸压力过程的描述，可以将这些压力峰值定义为破膜压力Pburst, 外部爆炸压力峰值Pext和负压峰值Pneg，其中，外部爆炸压力峰值特征最为显著，并且在3个压力数值中其值较大。最大爆炸压力一般作为反映爆炸强度的一项重要特征参数。以下重点对油气泄压爆炸的外部爆炸压力峰值进行分析。表1是4种工况中3个压力测点的外部爆炸压力平均值，其中，参数Ec定义为工况2，3，4中Pext相比较工况1中Pext的增长率，如式(2)所示。

(2)

式中：ψ代表工况2，3，4的序号。

表1　4种工况下3个测点的Pext平均值Table 1　Average of Pext of the three measuring pointsin the four configurations

由表1数据可见，随着障碍物数量的增加，油气泄压爆炸的外部爆炸压力峰值Pext也随之增大。工况2，3，4的Pext值比工况1的Pext值分别增长了14.82%，29.03%和48.40%，工况3的Pext值比工况2的Pext值增长了12.37%，工况4的Pext值比工况3的Pext值增长了15.06%。可见，障碍物数量的增多对于外部爆炸压力的增长幅度可能也有一定程度的影响。

3　结论

1)圆柱体障碍物对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响，会导致火焰形态产生褶皱和弯曲变形，并且会诱导层流火焰向湍流火焰转变，加速火焰的传播。

2)障碍物数量增多，火焰锋面传播的最大距离增大，但是到达最远距离的时间减小。

3)障碍物的存在能够增强火焰的传播速度，并且随着障碍物数量的增多，火焰传播的最大速度也增大，但达到最大火焰传播速度的时间减少。

4)障碍物能够增大油气泄压爆炸过程外部爆炸压力，随着障碍物数量的增多，外部爆炸压力峰值增幅变大。

5)不同形状障碍物、不同阻塞比(BR)障碍物等因素对油气泄压爆炸的影响需进一步开展研究。

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