汽油蒸气与异辛烷定容爆炸压力的当量比等效

张培理　宋哲　张德洋　刘冲　王建

摘      要：在理论计算异辛烷定容绝热爆炸压力的基础上，通过标准20 L球形爆炸装置内的汽油蒸气爆炸实验，获得了不同汽油蒸气体积浓度下的爆炸压力。通过分析异辛烷定容爆炸压力理论计算值与汽油蒸气定容爆炸压力实验值之间的误差，提出了汽油蒸气与异辛烷定容爆炸压力的当量比等效关系式。该关系式不仅可以方便地用异辛烷来预测汽油蒸气爆炸压力，还可以修正汽油蒸气爆炸压力数值计算模型，使模型计算值与实验值之间的误差显著降低。

关  键  词：汽油蒸气;爆炸压力;当量比;等效关系式

中图分类号：TQ038.4       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1013-04

Equivalent Ratio Equivalence for the Explosion Pressure of

Gasoline-Air and Isooctane-Air Mixture

ZHANG Pei-li¹， SONG Zhe²，ZHANG De-yang³， LIU Chong¹， WANG Jian¹

（1. Dept. of Fuel， Army Logistics University， Chongqing 401331， China;

2. Chongqing Fire Safety Research & Service Co.， Ltd.， Chongqing 401120， China;

3. 92274 Troops， Qingdao Shandong 266400， China）

Abstract： On the basis of calculating isooctane adiabatic explosion pressures under different equivalent ratios， the explosion pressures of the gasoline-air mixture under different gasoline vapor concentrations were obtained by carrying explosion experiments in the standard 20 L spherical explosive device. By analyzing the error between the theoretical value of isooctane explosion pressure and the experiment pressure of the gasoline-air mixture， the equivalence relation formula of the equivalent ratio for the gasoline vapor and isooctane explosion pressure was put forward. This relation formula can be used not only to predict gasoline vapor explosion pressure， but also to amend the gasoline vapor explosion pressure numerical calculation model， so that the error between the calculated value and the experimental value can be significantly reduced.

Key words： Gasoline vapor; Explosion pressure; Equivalent ratio; Equivalence relation formula

汽油作為重要的动力燃料之一，广泛应用于各类动力设备。同时，汽油又是典型的混合物，成分构成复杂，气相色谱-质谱分析表明其至少有94种成分，质量浓度由高到低依次为烷烃、烯烃、苯系物、环烷烃等^[1]。由于汽油成份的复杂性，因此其挥发成的油蒸气成分也十分复杂。

目前相关领域在对汽油蒸气的燃烧放热、汽油蒸气氧化动力学模型等开展研究时，为了简化模型和便于分析，一般以汽油蒸气替代物来开展相关实验和计算，最常见的汽油蒸气替代物有异辛烷（iso-octane）和PRF（Primary Reference Fuels）两种。PRF是异辛烷和正庚烷的二元混合物，主要用于研究内燃机点火过程及辛烷值的确定等^[2-3]。异辛烷常常被国内外学者用来研究汽油蒸气氧化过程的放热^[4-5]、化学动力学模型^[6-13]以及火焰速度等特性^{[12， 14-15]}，因此在计算汽油蒸气爆炸超压、火焰温度时，常用异辛烷来代替油蒸汽成份，符合相关领域的处理习惯。然而这样的简化处理，常常会造成理论计算值与实际数据之间存在一定误差。为了消除这类误差，必须深入研究异辛烷与油蒸汽之间的等效关系。

本文以异辛烷和汽油蒸气为研究对象，一方面将在理论分析的基础上，计算不同当量比下异辛烷的定容爆炸压力。另一方面，通过20 L球形标准容器内的汽油蒸气爆炸实验，获得不同汽油蒸气体积浓度下汽油蒸气定容爆炸压力数据。通过分析异辛烷定容爆炸压力计算值与实际汽油蒸气爆炸实验压力数据之间的关系，试图找出汽油蒸气与异辛烷定容爆炸压力的当量比等效关系式。从而为准确计算汽油蒸气爆炸压力以及汽油蒸气爆炸过程数值分析建模等提供重要参考。

1  异辛烷定容爆炸压力的理论计算

根据热力学第一定律，当燃料-空气混合物在定容条件下进行绝热燃烧时，有如下的热力学方程：

式中：V —容器体积，m³;

P_init和P_f —分别表示初始和终了状态的压力，Pa;

H_reac和H_prod —分别表示反应物和生成物的绝对焓，kJ/kmol。

其数值可由式（2）计算。

式中：  —组分i标准状态下的生成焓;

—组分i的定容比热。

应用理想气体状态方程PV=nRT，消去P_fV项，即

式中： T_init—初始温度，取值298 K;

T_ad，v—定容绝热燃烧温度，K;

n_reac和n_prod—分别表示反应物和生成物的摩尔数总和，其值与实际当量比或燃料体积浓度有关，可根据实际化学反应方程式求得。

根据式（3）及初始状态和终态时的气体状态方程就可以计算出P_f。

上述计算过程可借助计算机来完成。表1为异辛烷（C₈H₁₈）当量比F 取值0.3～2.0时的计算结果。图1为根据计算结果得到的T_ad，V和P_f随F 的变化曲线。

由图1可以看出，计算得到的异辛烷定容绝热燃烧温度T_ad，p和终态压力P_f均随当量比F 的增加呈现先上升后下降的变化规律。当F=1.1时定容绝热燃烧温度T_ad，p达到峰值（2 666.66 K），当F=1.2时终态压力P_f达到峰值（989 207 Pa）。终态压力P_f峰值对应的当量比F既不是化学计量浓度下的F=1.0，也不是最大定容绝热燃烧温度对应的F=1.1。造成这一现象的原因主要与燃烧热、产物热容、产物总摩尔数等因素有关，具体原因参见前期研究文献^[16]，在此不再赘述。

2  汽油蒸气定容爆炸压力实验测定

2.1  装置与方法

本文采用标准20 L球形爆炸装置（如图2所示）测定汽油蒸气爆炸压力。相对于其他爆炸装置来说，20 L球形爆炸装置具有体积小、操作灵活方便、实验消耗低等优势，已成为实验室研究可燃气体（液体蒸气）、粉尘爆炸的主流装置。

实验时，将左右两侧接口改成带阀门双通，分别用于连接配气系统和浓度测试系统，压力传感器安装在抽真空口。另外，为了模拟绝热条件，实验前在球体外侧包上保温绝热材料以减少热量的损失，改进后的实物如图3所示。

实验方法步骤如下：

1）将配气系统、浓度测试系统与爆炸装置连接好;

2）用清洁空气对爆炸腔体进行通风吹扫，安装好压力传感器，盖上密封盖;

3）开启汽油蒸气雾化循环系统，充入汽油蒸气并进行循环搅拌;

4）循环2 min左右后停泵静置1 min，利用浓度测试系统分析汽油蒸气及氧浓度，若汽油蒸气浓度未达到设定值再进行配气动作直至符合要求;

5）关闭爆炸装置所有阀门，连接点火器，调好压力采集系统，而后点火;

6）记录实验数据;

7）打开密封盖，排出废气，用清洁空气进行吹扫，进行下一组实验。

2.2  结果与分析

基于上文实验装置与实验步骤，控制初始油蒸汽体积分数步长在0.2%之内，汽油蒸气初始体积分数在0.9%～2.4%之间，共完成了10组实验。其典型的压力曲线如图4所示。

由图4可以看出，汽油蒸气在被点燃后，压力迅速上升至峰值P_max，之后压力缓慢降低。这主要是由于点火后，火焰呈球形由球形容器中心向容器内壁面迅速发展，当火焰燃烧至内壁面时，汽油蒸气与空气混合物燃烧过程结束，此时容器内温度最大，压力达到峰值。之后，温度逐渐降低，压力随之缓慢降低。因此，压力曲线上的压力峰值P_max即是理论分析中的压力终值P_f。

表2为10组实验得到的压力峰值P_max以及相同初始体积浓度下异辛烷定容爆炸压力终值P_f。图5为根据表2得到的对比图。

由图5可以看出，①汽油蒸气爆炸压力实验值和异辛烷爆炸压力理论值均随初始体积分数（当量比）呈先上升后下降的趋势。该趋势可用开口向下的二次曲线描述。②相同当量比下，理论计算值均高于实验值。这是因為，尽管实验过程中对20 L球形容器外壁面采用了绝热处理，但与理论计算时的理想绝热条件相比仍有较大的热损失。另一方面，汽油蒸气的实际燃烧化学反应过程与异辛烷燃烧反应过程在放热量、放热速率等方面必然存在差异，这导致了实验压力与理论计算值之间的差异。③当Φ≤1时，实验值与理论值之间的差值较小且较为一致，约为0.126 MPa;当Φ>1时，实验值与理论值之间的差值随Φ的增大而增大。

为了便于对定容绝热条件下汽油蒸气与异辛烷爆炸压力进行等效分析，将实验值与理论值的差值按对应的当量比绘图并拟合，如图6所示。

结合图5和图6，针对汽油蒸气爆炸压力实验值与异辛烷爆炸压力理论计算值之间的差异，现提出以下等效关系式：

式（5）即为汽油蒸气定容爆炸压力的异辛烷当量比等效关系式。该等效关系式的意义主要体现在以下几个方面。

1）只要确定了实验时的汽油蒸气体积浓度，计算出对应的当量比后，便可以方便地预测汽油蒸气与空气预混后的定容爆炸压力。

2）汽油蒸气爆炸领域数值分析计算建模时，常常以异辛烷来代替汽油蒸气的成份，然而由模型计算得到的压力值往往比实际实验值高。式（5）可以修正汽油蒸气爆炸压力计算模型，使模型计算值与实际实验值之间的误差显著降低。

3  结论

1）碳氢燃料与空气预混后，其当量比可表示为燃料体积浓度、碳氢燃料分子式中碳原子和氢原子个数的函数。

2）当Φ≤1时，汽油蒸气定容爆炸压力实验值与理论值之间的差值较小且较为一致;当Φ>1时，其实验值与理论值之间的差值随Φ的增大而增大。

3）汽油蒸气定容爆炸压力的异辛烷当量比等效关系式可由式（5）描述。只要确定了实验时的汽油蒸气体积浓度，便可以方便地预测汽油蒸气与空气预混后的定容爆炸压力。

致谢：本文得到后勤工程学院青年科研基金资助（YQ16-420802）。

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