大尺度开敞空间油料蒸气云爆炸超压与火焰传播机制研究*

2022-04-11 03:14:40李静野蒋新生余彬彬王春辉王子拓

爆炸与冲击 2022年3期

李静野，蒋新生，余彬彬，王春辉，王子拓

（中国人民解放军陆军勤务学院油料系，重庆 401331）

随着我国石油化工技术的飞速发展，油料产品已经渗透到社会的各行各业，在对油料的运送、储存及使用过程当中，可能会由于人为的操作失误或是设施设备的腐蚀损坏，导致油料泄漏并挥发形成涉油气环境，该环境下若存在一定能量的点火源就可能引发火灾、爆炸等安全事故，该现象通常被称为可燃蒸汽云爆炸（unconfined vapor cloud explosion）。据统计，近年来频繁发生的油气蒸汽云爆炸安全事故对人民的生命和财产构成了巨大的威胁，而此类事故多为连环事故，而爆炸则占了57%事故的初始诱发原因。人们从20 纪50 年代起便开始了大量针对可燃气云爆燃现象的研究，考虑到危害级别的优先度，现有理论研究工况大多集中于受限空间而非开敞空间。实际上开敞空间蒸汽云爆炸是爆炸事故中较为普遍的形式，在石油化工、塑料、橡胶合成及天然气行业的爆炸事故总数中所占比例分别达到了46%、42%和60%，因此以开敞空间作为可燃气云爆炸实验的研究工况在工业上具备一定的实际应用价值。近年来人们在实验室条件下对于开敞空间的模拟通常是采用弱强度约束物来实现，达到既能够防止气体扩散又能够尽可能不对爆炸过程产生限制，也有不少研究人员将计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）中的计算域（Computational domain）引入到蒸汽云爆炸模型建立当中，均获得了不少成果。其中Lind 等在实验中证明了聚乙烯塑料薄膜在用于约束可燃气云的体积和形状上能够发挥良好的作用，在此基础上通过改变燃料的种类、浓度、台架尺寸以及内部布置等工况来研究其爆燃规律。在台架形状方面，丁信伟等采用了半径为0.5 m 的半球形台架研究乙炔在空气中的爆燃现象，构建了可燃蒸汽云爆炸的数学模型，同时确定了该气体在空集中的爆炸极限范围和最危险质量分数；罗正鸿等采用了圆柱形台架研究了乙炔在空气中的爆燃现象，得出了台架的形状因子与爆炸超压之间的耦合关系，实验结果表明该台架与半球形台架相比气体爆炸时的流场变化更加复杂；在可燃气体类型和尺寸方面，Mercx 等将常见的可燃气体（包括甲烷、乙炔、氢气等）按照化学反应活性分成了低、中、高3 个等级；Lv 等通过搭建LNG 罐区等比例缩小实验台架，采用FLACS 数值仿真手段拟合求出了可燃气云半径与超压的对应关系公式。

综合而言，现阶段针对开敞空间可燃气体爆燃现象的研究主要集中在单组分气体上，对于油气等复杂混合物的成果相对较少；研究工况通常以受限空间为背景，针对敞开式空间的研究成果较少；且缺乏从可视化角度对爆燃现象的超压与火焰传播之间耦合关系的研究。基于此，本文以机库、洞库等常见储油场所为背景，自行设计并搭建不同尺寸的大尺度开敞空间不锈钢实验台架，利用聚乙烯塑料薄膜在尽可能不影响爆燃过程的前提下约束可燃气体扩散，探究大尺度开敞空间油气爆燃动态发展过程，以期为油料储运安全工程及防护设计提供参考。

1 实验系统构建

实验系统包括钢制台架1、2，内部尺寸分别为1 m×1 m×1 m 和2 m×5 m×1 m，如图1 和图2 所示。台架1 尺寸较小，便于进行油气爆燃火焰形态的观察；台架2 具有较大的长径比，便于对爆燃传播过程的关键参数进行采集。台架四周采用聚乙烯塑料薄膜全方位覆盖，可同时保证实验可视化和爆燃自由发展。为确保系统的气密性，将透明胶带固定于薄膜和台架的交界处并将其压紧。台架金属条上凹槽上的接口部件支持对压力传感器、火焰传感器、循环泵管道口、电子点火器等部件的连接。实验超压与火焰强度采集设备采用了江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH8301 高性能动态信号测试分析仪；点火装置采用成都新辰广电研究所生产的WGDH-5 高能无干扰点火器；混合气体组分测定采用北京均方理化科技研究所生产的GXH-1050E 红外线气体分析仪；图像采集采用了JVC GC-P100BAC 高速摄录一体机，拍摄最大频率为500 Hz。

图1 爆燃火焰形态观察实验台架1#Fig. 1 Bench 1# for deflagration flame observation

图2 爆燃参数测定实验台架2#Fig. 2 Bench 2# for deflagration parameter measurement

与台架2相距10 m 处布置高德C 系列高性能红外热成像仪，可以以1 Hz 的频率对爆燃发展过程进行连拍，测量所拍图片各处的温度分布用于监控整个台架内部的温度变化。为确保数据采集相对准确，在台架中心布置一枚K 型热电偶及其配套显示仪表、记录仪表和电子调节器，该热电偶测量范围以一个点为中心，后期数据处理过程中将以热电偶值为依据，根据热成像图片对应位置的温度值退出整个测量范围的温度分布。在台架外端分别布置三枚辐射测试仪，其中1 号辐射仪布置与距点火面横向距离为3.75 m，纵向距离为1.5 m；2 号辐射仪与距点火面横向距离为3.75 m、纵向距离为0.5 m；3 号辐射仪与距点火面横向距离为1.25 m、纵向距离为0.5 m。实验用油为中石化92 号汽油。

2 实验结果与讨论

2.1 开敞空间油气爆燃典型火焰形态观察

实际工程中的开敞空间可能形成不同浓度分布的油气环境，引发的燃爆模式及对空间内部的损毁特点也不尽相同。根据实验观测结果，可初步将多次实验中产生的所有火焰燃烧形态归纳为3 种典型模式，分别为无火的气云灼烧、带明火的油气燃烧和带压缩波的油气爆燃。本文将对三种模式从可视化角度上进行基本分析，随后在后续小节中重点研究第3 种模式的关键参数。对火焰形态的观测于1实验台架上进行。如图1 所示，空间内部的油气采用了真空泵、阀门和管道组成的系统，该系统适合在体积较小的空间内使用，能够较理想地使空间形成纯油气环境。

图3 展示了油气在低浓度下的气云灼烧过程（体积分数=0.74%）。由图3 可见，油气经脉冲点火后开始产生化学反应，约1.21 s 时可明显观测到内部气流开始对空间产生的扰动，约1.72 s 时在气流的高温作用下薄膜开始损毁，直到约3.11 s 时气流全部从薄膜破损处流出，反应过程结束。整个灼烧过程的时间远超过传统的受限空间油气爆炸实验。反应初期以点火器为起始位置，燃烧产物开始向周围扩散膨胀，直至接触到薄膜并使其发生应变。据观测结果，此时空间内油气虽然发生了化学反应，但由于可燃气体浓度较低并未形成明火，对薄膜造成破坏的原因主要为熔化而非冲击。

图3 气云灼烧进程Fig. 3 Burning process of gas cloud

低浓度下的燃烧产物气云具有明显的正上方运动趋势，如图4 所示，从反应完毕的薄膜损坏程度上可以观测到不同面上的受损程度，其中空间顶部最高，其次是点火面区域，最后是其余平面。该浓度下油气空间遇到点火源虽不易产生明火，但产生的高温气云会灼烧空间内部的设备或人员。

图4 不同表面薄膜损毁程度Fig. 4 Damage degree of different surface films

图5 展示了油气经电火花点燃后引发的明火燃烧过程（=1.02%）。由图可见，点火瞬间（定为反应起始处0.01 s）能够观测到亮蓝色的电火花，随后空间内的油气开始迅速与氧气发生化学反应，0.43 s 处观测到反应生成了橙色火焰。燃烧过程中首先从点火面开始，0.77 s 时火焰冲出左侧薄膜，同时其他平面均受到了生成气体的挤压。随着燃烧过程的进行，0.94 s 处薄膜因火焰燃烧损毁，反应于2 s 后结束，所耗时间略小于无明火工况，台架顶部在破坏的瞬间依旧能够观测到明显的上升气流波动。

图5 油气火焰燃烧进程Fig. 5 Combustion process of gas flame

该浓度下的油气燃烧意味着除去高温气云的破坏外，还可能会引燃空间内部的易燃设施从而造成火灾隐患，但在此浓度下的化学反应仍处于以燃烧为主的碳氢化合物分解过程，而非由原子核之间的碰撞引发的爆燃现象，因此空间内部并未采集到有效压力信号。

图6 展示了高油气浓度工况的爆燃火焰发展特性（=1.26%），该工况下预混油气经电火花点燃后形成了典型的油气爆燃模式，根据火焰结构与压力波的理论，当高浓度预混气体被点燃后，以点火源为中心，火焰沿各方向向未燃气体传播，火焰表面积迅速增大，而在火焰面预混气体的反应过程中大量热量的放出导致火焰面前方未燃气体被压缩，逐渐形成各向的压缩波。该过程具备以下特征：与燃烧工况类似，该工况下能清晰观测到点火器通电瞬间产生的蓝色火花，随后在空间内部产生向前发展外围球形状的光滑面蓝色火焰面，其内部则是正在发生化学反应燃烧的火焰区。

图6 典型开敞空间油气爆燃进程Fig. 6 Deflagration process of gasoline in typical unconfined space

由图6 可见，点火器引燃预混气体后，火焰锋面在不受轴向和径向约束下以1/4 球形逐层向外传播，随后点火面最先开始承受超压而产生了应变，由于薄膜尚未破裂，空间内部氧气不足，油气燃烧不完全，火焰形态主要由蓝色光滑球面与橙色核心组成；点火面处薄膜受到灼烧而损毁后外部氧气迅速进入，该处呈现高湍流度的橙色火焰，并与前方蓝色球形锋面之间存在交界线，其中橙色火焰冲击点火面方向，蓝色火焰冲击顶端；爆燃过程后期空间内主要为“反L”形橙色湍流火焰，四周薄膜全部破坏后逐渐熄灭溃散。

2.2 典型开敞空间油气爆燃参数演变特征研究

根据2.1 节的主要结论，常见的涉油气空间火焰燃烧形式主要有3 种，其中前2 种在实际工程中造成的损害主要为高温气云灼烧以及普通的着火反应，未产生明显超压。本节将对油气爆燃过程的关键参数变化规律进行研究，为便于观察火焰传播过程，采用了大长径比的台架2 来进行下阶段实验。本阶段实验油气环境的形成采用了残油挥发式，通过循环泵使台架首位两端气体循环流动，挥发出油料中的轻烃组分，待浓度稳定时记录并同时记录初始油量。

2.2.1 油气爆燃超压动态时序发展过程研究

油气爆燃的本质源于油气中所含有的可燃组分，其中超压（Δ）是表征气体爆燃荷载的主要物理参数，也是评估气体爆燃灾害程度的核心参数之一。根据欧洲泄爆规范NFPA68，超压峰值能够相对客观地衡量可燃气体爆炸泄爆过程中的爆炸强度，能直接体现出爆炸导致的破坏大小。本文在对油气爆燃过程超压采集上，采用了爆燃指数作为爆燃损害的评估参数。爆燃指数主要由升压速率决定，主要有爆炸威力指数（）和最大爆炸指数（）：

根据台架1 上的观察规律，开敞空间油气爆燃现象的火焰呈现明显的“反L”形，因此可以认为油气经引燃后的火焰主要分布于空间正上方及点火面后方，因此本文将对上述区域的压力随时间分布情况作进一步研究。实验的传感器布置方案主要包括内场部分、外场部分以及高位部分，每个部分共安装4 枚压力传感器，如图7 所示。

图7 压力传感器布置方案Fig. 7 Layout plan of pressure sensors

表1 给出了典型工况下（点火器位于台架底端中心，泄漏汽油为2 L，环境温度为16 ℃时对应=1.34%）开敞空间油气爆燃内场的超压参数；图8 展示了在对应的时序曲线；图9 展示了每个峰值对应的火焰传播形态。可以看出与传统的受限空间气体爆燃实验数据不同，开敞空间中同次实验中不同采集点的曲线区别不仅仅体现在峰值大小而是曲线的整体趋势。结合文献[28]对受限空间油气爆炸的阶段划分规则，本文将开敞空间油气爆燃过程划分为以下3 个子阶段。

表1 爆燃内场超压参数特征Table 1 Internal overpressure parameter characteristics during deflagration

图8 爆燃内场超压时序曲线Fig. 8 Internal overpressure-time profiles during deflagration

图9 爆燃内场不同峰值对应时刻的火焰形态Fig. 9 Internal flame morphology corresponding to different peak values

（1）稳定传播阶段（0～0.51 s）。压力波和火焰封面尚未对薄膜边界进行冲击和灼烧，薄膜完整且持续时间较短，可简化为定容过程，产生的超压变化近似符合理想气体状态方程：

式中：、、为压力、反应物的物质的量和温度，下角标0 代表常温状态。

稳定传播阶段结束前空间内外场尚未开始质量交换，燃烧反映导致了温度的升高及压力的升高，二者共同作用下点火面薄膜率先破裂。位于点火面处的1 号采集点从点火开始便出现小幅度积压态势一直持续至0.488 s 处，随后由于点火面薄膜破裂带来的剧烈扰动开始出现超压振荡，于0.875 s 时刻达到了最高1.276 kPa；距点火面1.67 m 处的2 号采集点则积压至0.433 kPa，随后压力由于泄放作用迅速上升；距离点火面3.33 m 和5 m 处的3、4 号采集点均形成破膜压力峰值0.183、0.033 kPa。此时火焰主要由蓝色半球形封面和内部橙黄色蘑菇状火星构成。

（2）火焰泄放阶段（0.51～2.62 s）。火焰发展为具有明显分界线的亮蓝色与橙黄色，由于点火面的破坏使压力迅速泄放，使距离其较近的1、2 号采集点产生了小幅度振荡，分别持续了0.617 s 和0.836 s 并形成了多个正负超压峰值，爆燃压缩波在经过某一区域后周围的空气或者介质未能及时补充，尤其是位于点火面的1 号采集点处于多面敞开状态，更易形成负压。以超压峰值最高的2 号采集点为参照，其中Δ为薄膜破裂后的积压产生（0.433 kPa，耗时0.329 s）；Δ主要源于火焰泄放产生的湍流效应（1.257 kPa，耗时0.174 s）； Δ达到了最高峰值，主要为外部爆燃导致（1.447 kPa，耗时0.214 s）。其中由于内场的振荡与外部爆燃现象存在一定的随机性，其检测值与实验环境工况、内场油气挥发状态密切相关，因此 Δ、Δ的大小与形成时间因实验次数而异，形成的峰值也具有不稳定性，可能形成多次振荡。值得注意的是，1 号采集点虽然超压绝对值小于2 号，但由于其振荡较为剧烈，形成峰值用时极短，因此其对应区域危险度可能更高。

（3）燃烧溃散阶段（2.62 s 之后）。台架中后部（2、3、4 号采集点）产生了火焰加速峰值 Δ，大小分别为0.609、0.399、0.083 kPa（形成峰值耗时分别为0.052、0.928、0.358 s），该峰值产生于亮蓝色火焰之间彻底消失时刻附近，火焰形态于该时刻处发生了转变并于台架3/4 位置处有一个小幅度加速过程，该波峰的产生同样具有随机性。位于台架点火端处的1 号采集点未能有效捕捉到压力变化，而后的2、3 号采集曲线则相对明显，位于末端的4 号采集点对此压力变化的反应较为敏感，但峰值绝对值相对较低。随后台架内剩余部分残火燃烧直至熄灭，内外流场逐渐趋于稳定。

表2 为典型工况下开敞空间油气爆燃外场的超压特征；图10 为对应的超压时序曲线；图11 为每个峰值对应的火焰传播形态。从图10 和图11 中可以看出，与内场超压曲线相比，外场超压动态时序演变过程较为单调。以峰值最高的3 号采集点为参照，开敞空间外部超压变化主要由3 个阶段构成：分别为相对静止阶段（0～0.303 s）、火焰泄放阶段（0.468～0.957s）、燃烧溃散阶段（0.957 s 之后）。整个过程包含两个超压峰值：破膜泄流峰值 Δ和外部爆燃峰值 Δ。相对静止阶段期间，空间内场处于稳定传播阶段，薄膜破裂前限制了流场的对外传播，因此外场传感器未能产生超压。薄膜受到高温冲击破裂后累积的对外压力释放以及“反L”形火焰运动趋势共同作用在了传感器上形成了 Δ；随后受到泄放惯性引发的负压膨胀波影响产生了负压峰值；受流场扰动而泄放至外场的油气混合物经火焰射流引燃后会进一步燃烧，使压力快速回升形成外部爆燃峰值 Δ，之后外场爆燃逐渐减缓泄放的油气也消耗殆尽，压力恢复至常态。需要注意的是，外部爆燃并不是单次的爆炸而是一个系列的化学反应，因此距离点火面最近的3 号采集点在形成 Δ后仍然受到了外部爆燃的持续冲击，而距离较远的4 号采集点以及径向布置的1、2 号采集点对此反应并不明显。综合分析，开敞空间油气爆燃对外场影响主要集中在近点火面及其轴向位置，径向位置超压曲线起伏相对平缓。

图10 爆燃外场超压时序曲线Fig. 10 External overpressure-time profiles during deflagration

图11 爆燃外场不同峰值对应时刻的火焰形态Fig. 11 External flame morphology corresponding to different peak values

表2 爆燃外场超压参数特征Table 2 External overpressure parameter characteristics during deflagration

表3 为典型工况下开敞空间油气爆燃高位的超压参数；图12 为对应的超压时序曲线；图13 为每个峰值对应的火焰传播形态。可以看出，与外场曲线相似，稳定传播阶段结尾处的破膜泄流峰值 Δ被近空间顶部（0.2 m）的3 个采集点依次捕捉到，峰值大小分别为0.660、0.568、0.353 kPa，三者在经历了负压膨胀波后由于同样的外部一系列爆燃形成了主要峰值 Δ以及后续的余波峰值。靠近点火端的1 号采集点以及距离空间顶面的4 号采集点曲线相对平滑，而处于火焰主要加速段的2 号和3 号采集点由于受到火焰以及涡流的影响导致压力的波动较大。4 号采集点距离台架顶部较远，因此产生两个峰值的时间节点相对靠后，但峰值更高，分别超过另外3 个采集点201.6%、227.1%、322.7%。可以看出爆燃产生的反“L”型火焰的上半部分带来的流场扰动较为复杂，产生的气流涡团使空间垂直偏上位置形成了高压区。燃烧溃散阶段位4 个采集点均逐渐恢复平稳状态，未能形成火焰速度变化导致的 Δ，由此可以判断火焰的加速主要作用于台架内部而非正上方，在实际工程中对爆燃事故的研究需要注意该特征。

表3 爆燃高位超压参数特征Table 3 High ground overpressure parameter characteristics during deflagration

图12 爆燃高位超压时序曲线Fig. 12 High ground overpressure-time profiles during deflagration

图13 爆燃高位不同峰值对应时刻的火焰形态Fig. 13 High ground flame morphology corresponding to different peak values

总体而言，大尺度开敞空间的爆燃过程在空间的不同区域内造成的危害效果具有特定规律。其中爆燃冲击最强的区域为空间正上方，这点与灼烧模式下的薄膜损毁程度有相似之处，从侧面证明了空间上方的危险程度；其次为空间的内部区域，主要体现在空间的中部靠前部位；最后为点火面正后方。结合反“L”形的火焰形态及灼烧模式下的薄膜损毁情况可以判断出，点火面处的危险源主要来自于火焰带来的热流和高温，爆燃的冲击效应并非占主导地位。同时，需要注意到三个主要区域内的超压与爆炸威力指数具有明显差异的地方，分别是点火面侧面区域、点火面的正中央区域和正上方中央区域。点火端为化学反应的起始处，易产生振荡现象；同样，产生振荡的还有台架中央正上方区域，由火焰发展过程可以看出，台架中心附近处产生的火焰离地面的垂直距离最高，此时恰好也是内场超压的峰值，属于化学反应较为剧烈的区域，产生的扰动也使顶端附近形成了振荡，而在上方形成了高压区。根据上述结论，振荡现象对爆炸威力指数有着明显的促进作用，该效果由于在极短时间内形成了数个超压峰值，虽然绝对大小但仍有可能对空间内部的人员和物资造成严重的破坏。

2.2.2 初始油气体积浓度对爆燃超压峰值的影响

决定油气爆燃强度的一个重要环境因素便是初始油气浓度，该浓度主要取决于油料泄漏扩散进程。本文测试了5 种不同初始油料泄漏体积（1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 L），每次实验前将等待点火源附近的油气浓度逐渐稳定并记录。实验将以内场实验中的2 号采集点最大超压峰值为参照。根据前期实验数据，初始油量为1.25L 时进行的4 次爆燃实验仅有1 次成功，初始油量为1 L 时已经无法点燃，因此本文认为该实验条件下（环境温度为16～19 ℃，环境湿度为44%～59%）初始油量为1.25 L 时（油料空间体积比为1∶8000）轻质组分充分挥发形成的油气环境处于油气爆炸下限附近。

表4 和图14 为不同浓度下超压峰值和达到该峰值耗时的分布情况，可以看出二者变化都具有一致性，但分布规律相反。根据实验结果，初始残油量为2.5 L 时能够形成最大超压峰值。若继续加大油量，导致空间内部的氧含量相对不足，汽油蒸汽处于不完全燃烧状态，因此燃烧速度再一次降低，超压峰值也随之降低。二者均已2.5 L（1.68%）为分界线，考虑到二者的分布特性和拟合式的可行度，本文选用三次多项式关系描述其规律：

表4 不同油气浓度下超压峰值和到达峰值耗时分布Table 4 Overpressure peaks & time to reach peaks under different concentrations

图14 不同油气浓度下超压峰值和到达峰值耗时分布Fig. 14 Overpressure peaks & time to reach peaks under different concentrations

式中：Δ的单位为kPa，的单位为s，的单位为%。

学者们通常将油气爆燃产生最高超压所对应的浓度称为“危险浓度”，其中在不同的实验工况下最危险浓度的值具有一定差异，本文在油料泄漏量为2.5 L 时（对应相对稳定浓度为1.68%）达到了超压最高值，即是在常温（16 ℃）下泄漏量与空间体积比为1∶4000 时可以将其定义为“最危险体积比”，意为该体积比下油料的轻质成分挥发后形成的油气浓度最易接近“危险浓度”，根据该比例可对实体存油空间内的储存油量与风险作出评估。

2.2.3 开敞空间火焰传播特征参数分析

火焰形态作为爆燃空间流场变化的一种直观体现，主要表现在火焰锋面的褶皱程度。根据火焰形态可以大致推测出火焰锋面与空间内未燃气体的反应程度，最终体现在爆燃的剧烈程度和发展趋势，在前期的观察实验中已经对爆燃过程的火焰传播形态进行了分析，这里主要对传播过程的具体参数进行采集。火焰速度作为火焰行为分析的重要参数之一，高速传播的火焰能够导致较大强度的压缩波，从而产生更大的超压。火焰速度通常采用对爆燃过程的照片进行测量求得，为相邻帧的图片火焰封面位置间距与时间的比值：

式中：为火焰传播速率；为火焰锋面距离点火端的距离；为帧与帧之间的时间差；为帧数。其中本实验采用的JVC GC-P100BAC 高速摄录一体机帧率最高设置为500 s，即：t-t=500 s。

由于实验台架规模较大，火焰传播呈明显的二维态势，火焰主要由前方的蓝色火焰和后方的黄色火焰构成，且锋面并非与台架横轴垂直的对称态，为便于记录，本次实验将统计亮蓝色与橙黄色两种火焰锋面的实时位置，并将其求导得出对应速度。

图15 为油气爆燃火焰传播速度随时间的变化情况；图16 为3 个时刻点对应的火焰传播形态。可以看出：在爆燃稳定传播期间（0～0.51 s），薄膜破坏前的火焰为层流燃烧，速度相对稳定；火焰泄放阶段期间（0.51～2.62 s），由于外界因素干扰导致火焰速度出现了波动并且形成了数个峰值，薄膜破裂的憋压释放使火焰快速泄流加速运动，两种火焰分别形成了峰值（蓝色2.87 m/s、橙色2.44 m/s）；油气在台架外部的爆燃使火焰第二次加速并形成了峰值（蓝色1.81 m/s、橙色1.47 m/s）；随着爆燃过程的继续，亮蓝色火焰接近台架末端时速度变缓，橙黄色火焰行进至同位置后停止，此时台架内部剩余零星残留火焰燃烧直至熄灭。从图15 和图16 中还可以注意到，爆燃超压产生峰值 Δ和Δ的时间节点正是蓝色火焰第一个速度峰值节点的两端附近（0.73 s、1.18 s），也证实了火焰波的发展对爆燃压力波的形成以及传播起到的正反馈机制。

图15 火焰传播速度（2 L, φ =1.34%）Fig. 15 Flame propagation velocity(2 L, φ =1.34%)

图16 三个时刻点对应火焰传播形态Fig. 16 Three moments corresponding to the flame propagation pattern

火焰强度代表了火焰燃烧产生的光强度，可通过其判断火焰的燃烧剧烈程度，在整体超压相对偏低的开敞环境中是一个衡量环境危险性的重要参数。爆燃火焰强度采用四枚火焰传感器，布置方案与压力传感器内场测量实验一致，分别位于距点火端0、1.67、3.33、5 m 处。

图17 为油气爆燃过程中火焰强度（采用火焰传感器系统给出的电压信号强度作为表征）随时间的变化关系；图18 为4 个时刻点对应的火焰传播形态。可以看出，开敞空间油气爆燃的超压阶段性特征在火焰强度上仍有一定的体现，但与超压变化规律有所区别。稳定传播阶段火焰主要呈亮蓝色，强度较弱；随后亮蓝色锋面表面逐渐开始呈网状包隔态并传播至2 号采集点处，橙黄色火焰紧随其后，2 号采集点的火焰强度信号随着时间呈递增状态，于2.48 s 处达到峰值4754.53 mV，此时该点对应燃烧强度最为剧烈；相同时刻亮蓝色火焰锋面传至3 号采集点，随后的橙黄色火焰使其信号峰值迅速增加（增长率为17773.59 mV/s），并于2.96 s 处达到峰值4816.03 mV；火焰传播至台架末端时，仅存在少量残火燃烧，4 号采集点信号强度较低，于3.30 s处达到峰值355.77 mV 后逐渐趋于稳定。分析可得，开敞空间的火焰传播产生的火焰最高强度主要集中在中段位置，点火端主要由于初期的亮蓝色火焰特征以及点火面快速泄放，台架末端由于火焰传播过程的整体泄放以及传播过程的能量损失，二者均无法达到较高的燃烧热能。

图17 火焰强度发展过程（2 L, φ =1.34%）Fig. 17 Flame intensity-time profiles during deflagration (2L, φ =1.34%)

图18 四个时刻对应火焰传播形态Fig. 18 Four moments correspond to the flame propagation pattern

爆燃火焰在不同初始汽油泄漏量工况下呈现出来的具体颜色也有所差别，如图19 所示。表5 对上述不同特征做了对比。

图19 不同初始油气浓度下火焰颜色特征Fig. 19 The flame color under different concentrations

表5 不同初始油气浓度下火焰颜色特征Table 5 The flame color under different concentrations

可以看出，初始油气浓度不同对火焰的初始形态有显著的影响，尤其是1.67%以上火焰初始态的亮度明显更大，造成其形态差异的原因主要有以下两点：

（1）初始油气浓度不同导致了油气在点燃后的化学反应速率不同，火焰锋面的光滑度有所区别；

（2）油气主要由汽油中的轻质烃类构成，烃类物质燃烧过程中会产生可视化的辐射效应；初始油气浓度较低时，氧气过剩，油气完全燃烧，空间内部呈蓝色辐射状态（源自激活状态下的CH 自由基）；随着初始油气浓度的增加，反应能量释放能力变大，空间内部呈蓝绿辐射状态（源自C二键辐射）；进一步增加油气浓度后主要产物中产生大量CO，且CO 被O氧化产生的能量无法有效释放，生成黑体辐射状的碳烟，形成红外光，实际具体观测结果为高亮橙色态，具体颜色也与当前火焰温度有关。

2.2.4 开敞空间爆燃火焰的温度与辐射分布

图20 为油气爆燃过程中火焰各方位的温度分布情况，拍摄时间点分别在1.25、2.25、3.25 s 处。可以看出，1.25 s 处由于薄膜破裂泄放至外部的未燃油气再一次被点燃形成了外部爆燃峰值 Δ，对应的高温区域呈规则的楔形，而实际火焰覆盖区域则位于高温区域的右下方，由右侧的蓝色锋面和正下方的橙黄色火焰构成。根据读数可计算出火焰的正上部分的纵向温度梯度为327.13 ℃/m；右侧高温区域由于是蓝色实体火焰，火焰面清晰可见，温度梯度远高于正上方，达到了1001.14 ℃/m。2.25 s 处的流场处于火焰泄放阶段末期，剧烈的流场扰动导致火焰湍流度增加，火焰形态紊乱。此时亮蓝色火焰仍处于加速向末端运动趋势中，从图中可以观测到湍流火焰行进方向上的紫红区域宽度普遍高于火焰后方，温度梯度仅为483.3 ℃/m；左侧的火焰尾部从最外焰到温度峰值的梯度则高达915.5 ℃/m，可以看出尾部的火焰分界限十分清晰。3.25 s 处亮蓝色锋面和橙黄色火焰均已传播至台架末端，火焰高温峰值区域总面积相较前两个时间节点明显减小，火焰前后两侧温度梯度分别为595.8 和525.9 ℃/m，仅升高了11.7%，由此可见流场已不具备明显的前进趋势。

图20 油气爆燃过程温度分布（2 L, φ =1.34%）Fig. 20 Distribution of temperature during deflagration process (2 L, φ =1.34%)

图21 展示了油气爆燃过程中的对外辐射分布；图22 展示了3 个时刻点对应的火焰传播形态，其中辐射仪布置方案如图7 所示。由图可见，3 个采集点的峰值均产生于爆燃开始后4 s 附近，此时处于残火燃烧的燃烧溃散阶段。位于台架后半段的2 号采集点达到了辐射峰值13.997 kW/m，2 号采集点正后方的1 号采集点辐射峰值为2.0 9 9 k W/m，辐射的垂直衰减率达到了11.898 kW/m；靠近点火端的3 号采集点辐射峰值为5.97 kW/m，辐射的水平增长率达到了5.35 kW/m。根据上述数据可得，爆燃火焰在台架前半部分主要以亮蓝色形态传播时产生的辐射明显低于后半部分的橙黄色火焰，与超压、火焰强度等常规参数不同的是，火焰辐射峰值形成时间相对靠后，具有一定的延迟性。

图21 油气爆燃辐射发展过程（2 L， φ =1.34%）Fig. 21 Development of inradiation during deflagraion process (2 L, φ =1.34%)

图22 三个时刻对应火焰传播形态Fig. 22 Three moments correspond to the flame propagation pattern

3 结论

主要从可视化角度研究了开敞空间油气预混爆燃过程，重点分析了超压、火焰速度、火焰强度等关键参数在爆燃过程中的变化规律，主要结论如下。

（1）随着初始油气浓度的变化，可根据火焰的主要表现形式将其归纳为3 类，分别是无火的气云灼烧、带明火的油气燃烧和带压缩波的油气爆燃。其中爆燃模式可划分为3 个子阶段：稳定传播——火焰泄放——燃烧溃散。

（2）以最高峰值的采集点为参照，典型的开敞空间油气爆燃超压动态时序发展过程在内场共形成了4 个峰值，产生原因分别为破膜积压、火焰泄放、外部爆燃、火焰加速；爆燃过程外场和高位区域主要形成了2 个峰值，产生原因分别为“破膜+火焰”和外部爆燃，压力传播趋势主要为纵向，随着距离的增加而减弱（d/d=0.328 kPa/m）；台架上方距顶端1 m 处区域的超压高于距顶端0.2 m 处。初始油气浓度的变化也会导致超压峰值和形成峰值耗时的变化，实验数据显示，10 m空间内油料泄漏量为2.5 L（体积比为1∶4000）时，其所有轻质组分挥发形成稳定的油气浓度（体积分数为1.68%）经引燃后可形成最大超压（2.895 kPa）、最短的峰值耗时（0.935 s）以及最大的爆炸威力指数（8.964 kPa/s）。

（3）开敞空间油气爆燃火焰传播主要由亮蓝色光滑锋面→亮蓝色褶皱锋面→亮蓝色+橙黄色湍流火焰→橙黄色湍流火焰4 个发展阶段。其中亮蓝色火焰遵循球形→椭球形→弧线形→无规则火焰型的演变规律。亮蓝色火焰于引燃后1 s 附近达到最高速度2.87 m/s，橙黄色火焰于1.75 s 附近达到最高速度2.44 m/s，火焰发展速度和爆燃超压存在一定的正向耦合机制。火焰高强度区域主要集中在台架中部附近，峰值达到4 810 mV，分别高过首尾端112.64%、1254.93%。初始油气浓度等多重复杂原因会对火焰形态产生一定的影响。