顧金龍,翟 成

(1.上海市消防局,中國上海,200051;2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,徐州江蘇,221116)

爆炸性氣體在連續(xù)拐彎管道中傳播特性的實(shí)驗(yàn)研究

顧金龍1,翟 成2

(1.上海市消防局,中國上海,200051;2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,徐州江蘇,221116)

針對復(fù)雜燃?xì)夤芫W(wǎng)燃?xì)獗ㄖ聻?zāi)嚴(yán)重,傳播規(guī)律復(fù)雜的問題,利用實(shí)驗(yàn)室加工成的連續(xù)拐彎管道,模擬研究了復(fù)雜燃?xì)夤芫W(wǎng)爆炸性氣體通過連續(xù)拐彎管道時的火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈úǔ瑝鹤兓闆r。研究結(jié)果表明,當(dāng)整個管道內(nèi)充滿瓦斯氣體時,通過連續(xù)拐彎后,火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅úǔ瑝褐诞a(chǎn)生顯著變化,在連續(xù)拐彎管道拐彎處為一擾動源,誘導(dǎo)附加湍流,氣流湍流度增大,管道拐彎增加了燃燒區(qū)的湍流度,火焰燃燒產(chǎn)生加速度,加速燃燒產(chǎn)生更大能量以推動加速傳播。研究結(jié)果對指導(dǎo)現(xiàn)場如何防治復(fù)雜燃?xì)夤芫W(wǎng)氣體爆炸,減輕爆炸的威力具有重要作用。

爆炸性氣體;火焰;爆炸波;連續(xù)拐彎管道析

0 引言

可燃?xì)怏w爆炸波在約束空間中傳播時,約束邊界的變化情況對其傳播規(guī)律產(chǎn)生很大影響,但是出于實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容的需要,很多學(xué)者往往簡化或者忽略其他不相干因素的影響,大部分的氣體爆炸管道實(shí)驗(yàn)是在直管中進(jìn)行的。實(shí)際的燃?xì)夤芫W(wǎng),并不可能都是筆直的,不可避免的存在許多拐彎管道,而且管道之間又組成復(fù)雜的管網(wǎng)。

王漢良等[1]研究了丙烷-空氣爆轟波通過90°彎管道時的傳播特性,初步得出結(jié)論認(rèn)為,爆轟波經(jīng)過彎管道后單位距離上的火焰速度增量顯著增加。Skews和Law[2]研究了激波在管道網(wǎng)絡(luò)中的傳播情況,研究表明,激波從主管路到分支管路試驗(yàn)段出現(xiàn)波浪式的增長,形成一個更強(qiáng)大的超壓。夏昌敬[3]實(shí)驗(yàn)研究了可燃?xì)怏w穩(wěn)定爆轟波在90°彎管中的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:穩(wěn)定爆轟波通過彎管時,由于彎管中受到凸壁側(cè)產(chǎn)生的稀疏波與凹壁側(cè)馬赫和反射波的相互作用,經(jīng)歷了爆轟波衰減,部分熄滅,重新引爆和恢復(fù)穩(wěn)定四個過程。楊志等[4]研究了Z型管道中氣體火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律,結(jié)果表明穩(wěn)定爆轟波通過Z型管道時傳播速度有明顯的下降;但Z型管道對非穩(wěn)定爆轟波的傳播作用受到非穩(wěn)定爆轟波自身速度的影響;爆燃火焰通過Z型管道時火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓尸F(xiàn)不確定性。

上述研究都表明可燃?xì)怏w爆炸后在彎管內(nèi)波系相互作用比直管更為復(fù)雜多變,目前研究還沒有完全揭示其爆炸傳播機(jī)理。本文利用實(shí)驗(yàn)室管道加工成的連續(xù)拐彎管道,采用瓦斯氣體作為爆炸性氣體,模擬分析氣體爆炸后通過連續(xù)拐彎管道時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸波超壓變化情況,探索爆炸波通過連續(xù)拐彎管道時的傳播規(guī)律,為防治復(fù)雜燃?xì)夤芫W(wǎng)的氣體爆炸提供理論指導(dǎo)。

1 瓦斯爆炸在連續(xù)拐彎管道中傳播實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:瓦斯爆炸試驗(yàn)管道、動態(tài)數(shù)值采集分析系統(tǒng)、火焰速度(及厚度)測量系統(tǒng)、爆炸壓力測量系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、瓦斯爆炸點(diǎn)火裝置等。實(shí)驗(yàn)采用了 TST3000動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)具有16個通道(采樣率20M,采樣精度10bit,采樣長度1M),整個采樣通道采用并行工作模式,各通道的時差僅在3納秒內(nèi),可認(rèn)為通道間的時差為零,能滿足微秒級數(shù)據(jù)采集速度的要求。壓力傳感器采用CYG1402H的高溫高頻壓力變送器,耐平衡高溫 220℃、瞬時高溫2000℃/1000ms?；鹧?zhèn)鞲衅鞑捎霉饷羧龢O管,在CH4燃燒的暗淡光源下,通過放大電路也可以準(zhǔn)確采集到火焰信號,采集速度達(dá)到了微秒級。

實(shí)驗(yàn)是在80mm×80mm方管中進(jìn)行的,在距點(diǎn)火端4m處產(chǎn)生連續(xù)拐彎,管道 T1長4.5米、管道 T2長0.8米、管道 T3長1.5米。T3管道末端有開口、閉口兩種情況,實(shí)驗(yàn)瓦斯氣體濃度為9.5%,如圖1所示。分別在管道拐彎前后的各點(diǎn)布置火焰?zhèn)鞲衅鳒y定各點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?然后卸下火焰?zhèn)鞲衅?在各點(diǎn)布置壓力傳感器測定各點(diǎn)的爆炸波超壓值,每次實(shí)驗(yàn)時在點(diǎn)火端都設(shè)置螺旋加速環(huán)。

圖1 連續(xù)拐彎管道傳感器測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor placement in continuous turning pipe

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別在80mm×80mm直管和連續(xù)拐彎管道中做瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn),比較80mm×80mm直管與連續(xù)拐彎管道中的瓦斯爆炸傳播規(guī)律。表1給出了瓦斯爆炸過程中連續(xù)拐彎管道對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊憣?shí)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)值,表2給出了瓦斯爆炸過程中連續(xù)拐彎管道對爆炸波超壓值影響實(shí)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)值,表1和表2中每一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)值均是多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

表1 連續(xù)拐彎管道瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y定值(單位:m/s)Table 1 Flame propagation velocity in continuous turning pipe

表2 連續(xù)拐彎管道瓦斯爆炸過程中爆炸波超壓測定值(單位:105Pa)Table 2 Shock w ave pressure in continuous turning pipe

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2、圖3是根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)做出的連續(xù)拐彎管道中不同測點(diǎn)的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣汝P(guān)系曲線。

(1)當(dāng)整個管道中充滿瓦斯、管道末端開口時,在管道 T1段,瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S傳播距離的增大而增大,但增大的幅度不大,與在相同工況時直管的增大幅度相當(dāng),其傳播規(guī)律與直管中的相似;在管道 T1的末段,火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆俳档?直到為零,并產(chǎn)生反向傳播;在第一個拐彎后,即進(jìn)入 T2段時,火焰?zhèn)鞑ニ俣妊该驮龃?其加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同工況時直管的火焰?zhèn)鞑ゼ铀俣?在進(jìn)入 T3段時,火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忠淮窝该驮龃?并在離出口處一定距離的位置時達(dá)到峰值。

(2)當(dāng)整個管道中充滿瓦斯、管道末端閉口時,在管道 T1段,瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S傳播距離的增大而增大,但增大的幅度比在相同工況時直管的增大幅度大,其傳播規(guī)律與直管中的相似;在管道T1的末段,火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆俳档?直到為零,并產(chǎn)生反向傳播;在進(jìn)入 T2段時,火焰?zhèn)鞑ニ俣妊该驮龃?其加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同工況時直管的火焰?zhèn)鞑ゼ铀俣?在進(jìn)入第二個彎后,即進(jìn)入 T3段時,火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忠淮窝该驮龃?并在離末端一定距離的位置時達(dá)到峰值。

圖4、圖5為根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)做出的連續(xù)拐彎管道中不同測點(diǎn)的瓦斯爆炸峰值超壓關(guān)系曲線。

(1)當(dāng)整個管道中充滿瓦斯、管道末端開口時,在第一個拐彎前,瓦斯爆炸波超壓值隨傳播距離的增大而增大,其傳播規(guī)律與在相同工況時直管的相似;在管道 T1的末段,爆炸波峰值超壓達(dá)到最大值;進(jìn)入 T2段時,拐彎后的爆炸波超壓值比拐彎前的要大;在 T2段內(nèi)傳播時,爆炸波峰值超壓增大,其增幅遠(yuǎn)大于相同工況直管中的爆炸波峰值超壓的增幅;進(jìn)入 T3段時,拐彎后的爆炸波超壓值比拐彎前的要大,在 T3段內(nèi)傳播時,爆炸波超壓值迅猛增大,當(dāng)在離出口處一定距離的位置時,爆炸波超壓值開始下降。

(2)當(dāng)整個管道中充滿瓦斯、管道末端閉口時,在第一個拐彎前,瓦斯爆炸波超壓值隨傳播距離的增大而增大,增大的幅度不大,比在相同工況時直管的增大幅度略小,其傳播規(guī)律與在相同工況時直管的相似;在管道 T1的末段,爆炸波峰值超壓達(dá)到最大值;進(jìn)入 T2段時,拐彎后的爆炸波超壓值比拐彎前的要大得多;在 T2段內(nèi)傳播時,爆炸波峰值超壓增大,其增幅大于相同工況直管中的爆炸波峰值超壓的增幅;進(jìn)入 T3段時,拐彎后的爆炸波超壓值比拐彎前的要大得多,在 T3段內(nèi)傳播時,爆炸波超壓值迅猛增大,并在末端處達(dá)到最大值。

圖6 湍流火焰陣面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of turbulent flame front

表1和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)整個管道內(nèi)充滿瓦斯時,通過連續(xù)拐彎后,火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅úǔ瑝褐涤忻黠@的增大。管道連續(xù)拐彎既增強(qiáng)熱量向壁面的傳遞,引入了較大的總阻力,彎角處產(chǎn)生膨脹波抑制瓦斯爆炸的傳播,同時也因?yàn)楣諒澰黾恿巳紵齾^(qū)的湍流度而加速燃燒產(chǎn)生能量以推動反應(yīng)進(jìn)行和加速傳播[5-7]。

在入射沖擊波位于離拐彎處非常近的位置,仍然以平面沖擊波的形式向右傳播。進(jìn)入管道拐處后,由于靠近彎管處的邊壁突然上拐,管道截面擴(kuò)大,產(chǎn)生膨脹擾動,結(jié)果沖擊波強(qiáng)度變?nèi)?波陣面變曲,由于切向速度連續(xù),波陣面與邊壁垂直。隨著運(yùn)動距離增大,膨脹擾動不斷擴(kuò)展,管內(nèi)的沖擊波陣面完全變曲,形狀慢慢地由梨狀波變成柱面波。隨著時間推移,拐彎處膨脹擾動及這個擾動在管道內(nèi)的來回反射作用,使得變曲的主沖擊波后面形成復(fù)雜的誘發(fā)沖擊波系。沖擊波在傳播過程中,由于管道拐彎處面積擴(kuò)大,產(chǎn)生膨脹擾動,波后氣流繞拐角運(yùn)動;又由于氣體粘性作用,緊靠拐彎尖角處形成小渦團(tuán)。隨著時間的增加。波后氣流不斷向拐彎方向流動,渦團(tuán)不斷地旋轉(zhuǎn),因粘性作用使此渦團(tuán)旋轉(zhuǎn)帶動起來的氣流不斷增多,從而使渦團(tuán)逐漸擴(kuò)大[8,9]。

顯然,如果火焰折迭尺度越大,燃燒表面積也就越大,體積燃燒率V(t)(或者質(zhì)量燃燒率 m(t)=V(t)ρ)也就越大,結(jié)果能量釋放率增加,反應(yīng)加快,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌靃10]。因此,大尺度湍流通過折迭來增加火焰燃燒總表面積,而小尺度湍流則增加局部熱和質(zhì)量交換,它們對形成較高的燃燒速度都有貢獻(xiàn)。

3 結(jié)論

通過對拐彎管道爆炸性氣體爆炸傳播過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣?、壓力波超壓值的?shí)驗(yàn)研究和理論分析,得出如下結(jié)論:

(1)在拐彎處的瓦斯爆炸傳播過程是一個壓力波、火焰、復(fù)雜流動相互作用的過程,在拐彎處,壓力波超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭龃?對拐彎處的壁面破壞特別嚴(yán)重。

(2)連續(xù)管道拐彎既增強(qiáng)熱量向壁面的傳遞、引入了較大的總阻力、彎角處產(chǎn)生膨脹波抑制瓦斯爆炸的傳播,同時也因?yàn)楣諒澰黾恿巳紵齾^(qū)的湍流度而加速燃燒使得能量釋放率增加,反應(yīng)進(jìn)一步加快,火焰?zhèn)鞑ニ俣纫布涌?產(chǎn)生正反饋的作用。

(3)連續(xù)拐彎管道的瓦斯爆炸傳播特性與直管的瓦斯爆炸傳播特性有明顯的差別,如果在爆炸性氣體阻隔爆仍然按直管傳播特性進(jìn)行考慮,會使取阻隔爆裝置失去作用,阻隔爆設(shè)施形同虛設(shè)。因而在可燃?xì)怏w管道設(shè)計(jì)時,應(yīng)該盡量避免管道拐彎,在必須拐彎時,應(yīng)該根據(jù)拐彎管道氣體爆炸傳播規(guī)律來采取相應(yīng)的預(yù)防措施,以阻止氣體爆炸的傳播和降低強(qiáng)度,減少爆炸性氣體爆炸帶來的損失。

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G as explosion propagation characteristics in continuous turning pipe

GU Jin-long1,DI Cheng2

(1.Shanghai Fire Bureau,Shanghai,200051,China;2.Faculty of Safety Engineering,China University of mining and technology,Xuzhou Jiangsu,221116,China)

On the basis of experiment,the influence of continuous turning pipe on gas explosion propagation characteristics was simulated.The results show that the flame propagation speed and explosion overpressure change obviously when the pipe is full of explosion gas.The bend corner is a disturbance source,which increases the turbulent flow that accelerates the reaction and transmission velocity.The research results will play an important role in the guidance of preventing gas explosion from occurring and lightening the explosion power in gas network.

Explosive gas;Flame;Explosive wave;Continuous turning pipe

TD 712+.51

A

1004-5309(2011)-0016-05

2010-09-26;修改日期:2010-10-21

國家自然基金青年基金(50804048),中國礦業(yè)大學(xué)青年科研基金(2007A003)

顧金龍(1964-),男,理學(xué)學(xué)士,高級工程師,現(xiàn)任上海市消防局總工程師,主要從事易燃易爆化學(xué)物品消防安全管理及技術(shù)研究。