正方形和长方形泄爆口对爆炸超压影响的研究

李天旭

摘要：为了探究正方形和长方形泄爆口对甲烷爆炸超压的影响，在自主设计搭建的实验平台上，开展了泄爆口为正方形和长方形条件下的实验研究。结果表明：正方形和长方形泄爆口条件下，超压波形结构差异明显。正方形泄爆口工况的超压波形结构中存在4个明显的超压峰值，Pb、Pfv、Pcv和Prev;长方形泄爆口工况超压波形结构中存在4个明显的超压峰值，P'b、P'hel、P'cv和P'mfa。正方形泄爆口工况最大爆炸超压最大超压81.10mbar;长方形泄爆口工况最大爆炸超压90.82mbar，较正方形泄爆口工况增加约12%。

关键词：甲烷爆炸;泄爆;泄爆口形状;爆炸超压;多峰结构

天然气作为一种清洁能源，在我国能源结构中的重要位置日益凸显。日常生活中，天然气作为燃气在住宅建筑中被点燃使用。然而，在天然气为人们生活提供便利的同时，也伴随着天然气爆炸隐患的存在和事故的发生。住宅建筑中的窗口的主要用途為通风和采光，作为主要与外界联通的建筑部件，住宅建筑内发生天然气爆炸时，窗口作为泄爆口尤为重要。

设置泄爆口作为防爆措施中的减轻行技术措施，因其易实现、成本低的特点，受到众多学者的关注。气体浓度、泄爆面积、泄爆强度、尺度效应、点火位置、障碍物、初始湍流和开口位置等因素均会对天然气或甲烷（天然气主要成分）爆炸造成影响。住宅建筑中的窗口在形状上大体可分为正方形和长方形，因此需对正方形和长方形泄爆口对爆炸的影响进行研究。

一、实验设计

（一）实验装置

在自主设计搭建的实验平台进行实验研究，实验平台由PMMA爆炸腔体、泄压面、配气系统、点火系统、数据采集系统等组成，如图1所示。PMMA爆炸腔体内部空腔300mm×300mm×600mm，L/D=2，壁厚30mm，满足承压要求。考虑住宅建筑天然气爆炸现场图片显示的顶板和地板受损程度不同，在靠近泄压端上部和下部对称开设预压力传感器预留孔。泄压面由厚度为10mm的Q235普通碳素结构钢板、密封橡胶垫和PE薄膜三部分组成。配气系统由甲烷、空气压缩机、质量流量计和排气管路组成，通过2个安装在输气管路上的质量流量计分别控制99.99%的甲烷和空气的流量。点火系统由点火头、电线和点火器构成，端部中心点火。数据采集系统由图像采集系统、压力采集系统和同步控制系统组成。

（二）实验工况与方法

本文研究端部正方形和长方形泄爆口对9.5%甲烷爆炸的影响。泄爆口形状由钢板开口确定，如图2所示。泄爆面积均为腔室横截面积的30%，即=0.3m×0.3m×0.3=0.027m2。

首先，通入4倍空腔体积的甲烷-空气预混气体排除腔室内的原始气体，配制化学计量浓度9.5%的甲烷-空气预混气;然后，关闭配气球阀和排气球阀，为降低初始湍流对爆炸的影响，静置30s;接着，启动点火器点火，光电传感器在探测到电火花信号后，通过同步控制仪触发PC-图像采集和PC-压力采集同步采集原始图像和压力数据;最后，手动保存数据。每个实验工况重复3次实验。

二、实验结果与分析

正方形泄爆口工况超压波形，如图3所示;长方形泄爆口工况超压波形，如图4所示。由图3和图4可知，正方形和长方形泄爆口工况位于上方和下方的压力传感器测得压力波形均存在明显差异，经分析认为造成这种现象的主要原因是由于浮力的作用，使得腔室内的甲烷-空气预混气体不均匀，腔室内的甲烷发生了分层，即腔室内上部的甲烷密度高于下部的甲烷密度。再者，腔室内发生爆炸的末期，压力值显示为负值，未回复到零值，这是爆炸产生的高温对压力传感器作用的结果。正方形泄爆口工况和长方形泄爆口工况均存在多个明显的超压峰值，且存在明显差异。

由图3可知，正方形泄爆口工况的压力波形结构中存在4个明显的波峰，pb、pfv、pcv和prev。在爆炸的初始阶段，由于燃烧产物的形成和气体受热膨胀对外做功，腔室内部压力不断缓慢上升，当压力达到泄爆口的开启压力后，泄爆口打开，腔室内未燃的可燃气-空气预混气体在内外压差作用下开始向外部释放，形成压力峰值pb;内外压差平衡后，腔室内的气体停止泄放，在前一次排气引起的湍流作用下，腔室内燃烧速率增加，压力上升速率增大，进而形成新的内外压差，未燃的可燃气体-空气预混气体再次排出，当释放速率逐渐增大到超过腔室内气体产生速率时，压力开始下降，形成压力峰值pfv;当燃烧的气体开始从泄爆口流出时，升压速率急剧下降，形成压力峰值pcv;在爆炸的后期，由于负压的作用，一定量的新鲜空气和火焰被吸到腔室中，剩余的未燃气体开始燃烧，导致压力增大，形成压力峰值prev。对应时刻火焰图像如图3中所示。正方形泄爆口工况测点测得的最大超压峰值为下方压力测点测得的prev，最大超压81.10mbar。

由图4可知，长方形泄爆口工况压力波形结构中存在4个明显的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa。的产生机制与相同;在泄爆口开启期间，引起Helmholtz震荡，形成震荡压力峰值;的产生机制与相同;当爆炸的火焰蔓延到腔室的壁面时，压力增加的速率达到最大，从而形成压力峰值。对应时刻火焰图像如图4中所示。长方形泄爆口工况测点测得的为下方压力测点测得的，最大超压90.82mbar，较正方形泄爆口工况最大超压峰值增加约12%。

三、结语

（一）泄爆口形状的改变，会对超压波形的结构产生显著的影响。正方形泄爆口工况的压力波形结构中存在4个明显的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa;长方形泄爆口工况压力波形结构中存在4个明显的波峰，p'b、p'hel、p'cv和p'mfa。

（二）本实验条件下，正方形和长方形泄爆口工况测得的最大超压峰值分别为：下方压力测点测得的prev，最大超压81.10mbar;下方压力测点测得p'mfa，最大超压90.82mbar，较正方形泄爆口工况最大超压峰值增加约12%。

（三）由泄爆口形状改变造成的甲烷爆炸超压差异，应在建筑设计阶段加以考虑。

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