杜 揚(yáng),李國慶,李陽超,齊 圣,王世茂,王 波

(后勤工程學(xué)院供油系,重慶401311)

T型分支管道對(duì)油氣爆炸壓力的影響*

杜 揚(yáng),李國慶,李陽超,齊 圣,王世茂,王 波

(后勤工程學(xué)院供油系,重慶401311)

為了研究T型分支結(jié)構(gòu)對(duì)管道內(nèi)油氣爆炸壓力的影響,進(jìn)行了不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)、不同初始點(diǎn)火能工況下多參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn),并對(duì)火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行了可視化研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:T型分支管道對(duì)油氣爆炸壓力有強(qiáng)化作用,強(qiáng)化程度和初始油氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系密切,在當(dāng)量比附近,強(qiáng)化程度表現(xiàn)最顯著;初始點(diǎn)火能對(duì)油氣爆炸最大超壓影響顯著,隨著點(diǎn)火能的增大,最大爆炸超壓呈線性增長;波的繞射和反射、流場(chǎng)湍流度增強(qiáng)、管道通道面積增大和障礙物擾動(dòng)是導(dǎo)致T型分支管道內(nèi)爆炸壓力增強(qiáng)的主要因素;T型分支管道會(huì)導(dǎo)致火焰陣面嚴(yán)重地彎曲褶皺變形,增大火焰面積,并且回傳火焰對(duì)T型分支結(jié)構(gòu)壁面具有較強(qiáng)的破壞作用。

T型分支管道;油氣;爆炸波;可視化

在油料洞庫、地下通道、隧道、礦井和燃?xì)廨斔凸芫W(wǎng)等受限空間內(nèi),可燃?xì)獗ㄊ鹿蕰r(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重?fù)p害國家財(cái)產(chǎn)和人民人身安全。如:2013年11月,中石油黃島油庫輸油管道爆炸,造成62人遇難,9人失蹤,166人受傷;2014年3月1日,山西晉城一隧道因車禍發(fā)生甲醇液體燃料泄漏,發(fā)生“3.1隧道爆炸案”,造成31人死亡。以往的研究表明,可燃?xì)怏w在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)受限空間內(nèi)的爆炸傳播過程,是一個(gè)氣體流動(dòng)與燃燒反應(yīng)相耦合的流體動(dòng)力學(xué)過程,涉及爆炸波和火焰的傳播特性、火焰結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度以及火焰不穩(wěn)定性等基本環(huán)節(jié),是燃燒爆炸領(lǐng)域比較基礎(chǔ)且復(fù)雜的內(nèi)容[1-7]。顧金龍等[8]對(duì)連續(xù)拐彎管道中瓦斯爆炸傳播特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸在管道拐彎處的傳播過程是一個(gè)壓力波、火焰、復(fù)雜流動(dòng)相互作用的過程。在拐彎處,火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝捍蠓仙?嚴(yán)重破壞彎管壁面。林柏泉等[9]初步研究了瓦斯爆炸在T型管道中的傳播規(guī)律,發(fā)現(xiàn)管道分岔對(duì)瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅úǔ瑝憾加性鰪?qiáng)作用。G.Thomas等[6]研究了管道中可燃?xì)怏w爆炸后的火焰加速和爆燃轉(zhuǎn)爆轟機(jī)理。他們分別進(jìn)行了彎曲管道和直管中可燃?xì)怏w爆炸傳播特性的對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明:與相同實(shí)驗(yàn)工況下的直管相比較,在彎曲管道中,湍流強(qiáng)度會(huì)急劇增大,而這種湍流強(qiáng)度是由彎管下游氣體產(chǎn)生的附加湍流引起的。盡管通過以上研究已經(jīng)得到了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)中可燃?xì)怏w燃燒爆炸的相關(guān)規(guī)律,但是在上述研究中,大部分的燃燒反應(yīng)介質(zhì)采用的是瓦斯、甲烷、丙酮等純凈物,而對(duì)油氣混合介質(zhì)在T型分支管道等復(fù)雜受限空間內(nèi)的燃燒爆炸規(guī)律研究較少。針對(duì)這一特性的研究,有利于深入認(rèn)識(shí)油料等可燃?xì)怏w在受限空間內(nèi)燃燒爆炸的傳播規(guī)律,進(jìn)一步豐富可燃?xì)怏w的爆炸理論體系,同時(shí),也有助于提高油料儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加工過程的安全性,有利于降低工業(yè)油氣爆炸事故的發(fā)生率,減少爆炸事故給人身和財(cái)產(chǎn)帶來的危害。鑒于此,本文中以實(shí)驗(yàn)室激波管實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)和加工T型分支管道,選用汽油-空氣混合氣體作為燃燒反應(yīng)介質(zhì),重點(diǎn)研究T型分支管道對(duì)油氣爆炸壓力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,主要包括主實(shí)驗(yàn)裝置(T型分支管道模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和直管道模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)架)、測(cè)試系統(tǒng)(C/H濃度測(cè)試系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng))、輔助系統(tǒng)(油氣霧化裝置、點(diǎn)火系統(tǒng)、氣體循環(huán)系統(tǒng)、傳感器標(biāo)定系統(tǒng))。主實(shí)驗(yàn)臺(tái)架水平長度為5 500 mm,分支管道深度為500 mm,T型分支管道豎直中軸線距離主管道左側(cè)端部3 250 mm,管道橫截面尺寸為186 mm×186 mm。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架非可視化部分為鋼制管道,壁厚為20 mm;可視化部分為有機(jī)玻璃管道,壁厚為20 mm。各布置一只壓力傳感器在距離T型分支管道中軸線前后500 mm處,分別為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

點(diǎn)火裝置采用實(shí)驗(yàn)室定制的高能無干擾點(diǎn)火器,點(diǎn)火頭如圖2所示,實(shí)驗(yàn)中記錄的點(diǎn)火頭引爆油氣過程的高速圖像如圖3所示。

油氣預(yù)混氣體采用實(shí)驗(yàn)室定制的油氣霧化裝置制取,該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,霧化原理為:當(dāng)氣體流經(jīng)通道面積較小的區(qū)域,氣體流速增大,壓力降低,根據(jù)伯努利原理,此處真空度加大,油壺里的液態(tài)汽油在壓力差的作用下從噴管向上噴出,并與空氣混合成較均勻的油氣混合物,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管道,再用碳?xì)錆舛葴y(cè)試儀檢測(cè)出實(shí)驗(yàn)所需的油氣體積分?jǐn)?shù),預(yù)混氣體初始?jí)毫?9.12 k Pa。

采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)管道內(nèi)承受的壓力進(jìn)行采集和分析。壓力傳感器采用型號(hào)為CYG0401的壓阻式傳感器,壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用TST3125動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀,采集分析軟件為TOPVIEW2000,測(cè)試頻率為100～300 k Hz。高速攝影儀的型號(hào)為FASTCAM-ultima 512,拍攝速度為1 000 s-1。

圖2 點(diǎn)火頭Fig.2 Ignition head

圖3 不同初始點(diǎn)火能下油氣起爆過程Fig.3 Initial explosion progress of gasoline vaper at different initial igintion energies

圖4 汽油霧化裝置Fig.4 Oil atomizer

1.2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)由兩部分組成。

第一部分是在初始溫度、壓力、濕度和點(diǎn)火能相同的情況下,采取閉端點(diǎn)火方式,依次采用初始體積分?jǐn)?shù)為0.9%到2.6%、間隔步長為0.1%的18組油氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)各組實(shí)驗(yàn)的爆炸超壓值進(jìn)行采集。同時(shí)進(jìn)行相同初始條件下直管道中的對(duì)比實(shí)驗(yàn),并在距離點(diǎn)火端相同位置采集爆炸波超壓值。研究不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下T型分支管道對(duì)油氣爆炸壓力的影響。

第二部分是以第一部分實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),分別選取低、中、高3種初始體積分?jǐn)?shù)的油氣,并改變電火花初始點(diǎn)火能量,研究不同初始點(diǎn)火能量下T型分支管道對(duì)油氣爆炸壓力的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下T型分支管道對(duì)油氣最大爆炸壓力的影響

進(jìn)行了18組不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下T型分支管道與直管道中的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,每種工況都進(jìn)行了10次重復(fù)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性較好。為直觀體現(xiàn)油氣爆炸過程產(chǎn)生超壓的機(jī)理,選取了圖5所示的初始油氣體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),兩對(duì)比實(shí)驗(yàn)中爆炸超壓隨時(shí)間和空間的變化關(guān)系圖,它表征了空間不同測(cè)點(diǎn)油氣爆炸反應(yīng)進(jìn)程和爆炸強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系。在具體分析時(shí),選取油氣最大爆炸壓力進(jìn)行分析,該參數(shù)定量地反映了油氣爆炸過程產(chǎn)生的壓力波的最大強(qiáng)度。對(duì)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的油氣最大爆炸壓力取算數(shù)平均值,繪制出如圖6所示的T型分支管道和對(duì)比直管道中測(cè)點(diǎn)1、2的最大爆炸壓力隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系曲線。

圖5 兩對(duì)比實(shí)驗(yàn)中爆炸超壓隨時(shí)間和空間的變化Fig.5 Explosion overpressure varying with time and space in two contrast experiments

圖6 兩對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)1、2最大爆炸壓力隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Maximum explosion pressure of measuring points 1 and 2 within two contrast experiments at different initial gasoline vaper volume fractions

從圖6(a)可以看出,兩對(duì)比實(shí)驗(yàn)最大爆炸壓力在測(cè)點(diǎn)1處具有相似的變化規(guī)律,都呈現(xiàn)先遞增、再遞減的拋物線型變化。在油氣體積分?jǐn)?shù)為0.9%到1.5%的區(qū)間內(nèi),最大爆炸壓力遞增;在油氣體積分?jǐn)?shù)大于1.5%的區(qū)間內(nèi),最大爆炸壓力遞減。從圖6(a)兩測(cè)點(diǎn)壓力差曲線可明顯看出,在該實(shí)驗(yàn)工況下,T型分支管道測(cè)點(diǎn)1的數(shù)值普遍大于直管道測(cè)點(diǎn)1的數(shù)值,但是數(shù)值差距很小,最大差距出現(xiàn)在體積分?jǐn)?shù)1.3%處,為30 kPa。由此可見,油氣爆炸在沒有經(jīng)過T型分支結(jié)構(gòu)作用時(shí),其最大爆炸壓力和直管道中相比,沒有明顯改變。

從圖6(b)可知,兩對(duì)比實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)2的數(shù)值變化規(guī)律相似,也呈現(xiàn)先遞增、再遞減的拋物線型變化:在油氣體積分?jǐn)?shù)0.9%到1.5%的區(qū)間內(nèi),呈遞增趨勢(shì);在油氣體積分?jǐn)?shù)1.5%到2.6%的區(qū)間內(nèi),呈遞減趨勢(shì)。從圖6(b)中壓力差曲線可以看出,兩對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)2的壓力差隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)的變化而顯著變化,并始終大于0 k Pa。在油氣體積分?jǐn)?shù)0.9%到2.1%區(qū)間內(nèi),壓力差隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)變大呈拋物線變化規(guī)律:在1.6%處達(dá)到最大差距160 kPa,在2.1%達(dá)到最小差距0.1 kPa,并且遞增區(qū)間和遞減區(qū)間的數(shù)值變化幅度都很大。初始油氣體積分?jǐn)?shù)大于2.1%時(shí),壓力差呈現(xiàn)上下振蕩變化規(guī)律。可見,兩對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)2的壓力峰值具有顯著差異。T型分支管道表現(xiàn)出對(duì)管道內(nèi)油氣爆炸壓力的強(qiáng)化作用,并且當(dāng)初始體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),最大爆炸壓力達(dá)到最大,將此體積分?jǐn)?shù)定義為“最危險(xiǎn)體積分?jǐn)?shù)”。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明油氣最大爆炸壓力與初始油氣體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。首先,當(dāng)管道內(nèi)油氣的初始體積分?jǐn)?shù)較低時(shí),管道內(nèi)空氣過剩,燃燒反應(yīng)屬于“富氧反應(yīng)”,多余的空氣造成燃燒熱量的大量損失,不利于產(chǎn)生活化分子,所以降低了燃燒反應(yīng)速率,弱化了爆炸強(qiáng)度。其次,當(dāng)管道內(nèi)油氣初始體積分?jǐn)?shù)接近化學(xué)計(jì)量比時(shí),燃燒反應(yīng)進(jìn)行得比較充分,釋放出足夠的熱量支持燃燒和爆炸的進(jìn)行,導(dǎo)致流場(chǎng)內(nèi)壓力和氣流速度都較高,當(dāng)壓力受到T型分支管道的擾動(dòng)時(shí),壓力得到的強(qiáng)化程度就表現(xiàn)得更明顯。另外,當(dāng)管道內(nèi)油氣初始體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),管道處于“貧氧反應(yīng)”,導(dǎo)致油氣不能完全參加化學(xué)反應(yīng),過剩的油氣阻礙了傳熱傳質(zhì)進(jìn)行,增大了活化分子銷毀的概率,同樣不利于爆炸波的強(qiáng)化。

為定量比較T型分支管道對(duì)爆炸壓力的強(qiáng)化程度,定義了壓力強(qiáng)化因數(shù):

式中:α＞1,表示強(qiáng)化作用;α＜1,表示弱化作用。p1和p2分別為用來做比較的兩測(cè)點(diǎn)的最大爆炸壓力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出圖7所示的不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下的壓力強(qiáng)化因數(shù),圖7中p1和p2分別為T型分支管道測(cè)點(diǎn)1、2的最大爆炸壓力,p′1和p′2分別為直管道測(cè)點(diǎn)1、2的最大爆炸壓力。

圖7中曲線p1/p2和p′1/p′2分別為T型分支管道和直管道中測(cè)點(diǎn)2相對(duì)于測(cè)點(diǎn)1的壓力強(qiáng)化因數(shù)。可以看到,兩實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的壓力強(qiáng)化因數(shù)都大于1,說明測(cè)點(diǎn)2最大爆炸壓力較測(cè)點(diǎn)1的大。并且, T型分支管道的壓力強(qiáng)化因數(shù)明顯大于直管道中的壓力強(qiáng)化因數(shù),表明在相同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下,爆炸波經(jīng)過T型分支管道擾動(dòng)后,和直管相比其壓力得到增強(qiáng)的程度更顯著。對(duì)于T型分支管道,壓力強(qiáng)化因數(shù)隨著初始油氣體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)先上升、再下降的近似拋物線型變化,在1.5%處到達(dá)最大值1.61;對(duì)于直管道,其壓力強(qiáng)化因數(shù)變化趨勢(shì)不規(guī)則,在1%處達(dá)到最大值1.39,然后急劇下降到1.1%處的1.16,在1.1%到2.6%的區(qū)間內(nèi)變化規(guī)律接近拋物線型變化,在2%處取得最大值1.38。

曲線p2/p′2為分支管道測(cè)點(diǎn)2相比較于直管道測(cè)點(diǎn)2的壓力強(qiáng)化因數(shù),通過這個(gè)比較可以直觀地看到在相同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下,爆炸波經(jīng)過T型分支管道擾動(dòng)后,最大爆炸壓力和直管道相比得到強(qiáng)化的程度。從曲線p2/p′2可以看到壓力強(qiáng)化因數(shù)始終大于1,說明在實(shí)驗(yàn)工況下,和直管道相比,T型分支管道對(duì)爆炸壓力的強(qiáng)化更顯著。并且在初始油氣體積分?jǐn)?shù)小于1.1%和大于1.6%時(shí),強(qiáng)化因數(shù)震蕩比較明顯;在1.1%到1.6%的區(qū)間內(nèi),強(qiáng)化因數(shù)變化比較平緩,并且此區(qū)間內(nèi)的強(qiáng)化因數(shù)比在其他區(qū)間更大,基本維持在1.25以上,在1.6%處強(qiáng)化因數(shù)達(dá)到最大值1.39。

圖7 不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下的壓力強(qiáng)化因數(shù)Fig.7 Enhancement coefficient of pressure at different initial gasoline vaper volume fractions

2.2 不同初始點(diǎn)火能下T型分支管道對(duì)油氣最大爆炸壓力的影響

為了研究不同初始點(diǎn)火能下T型分支管道對(duì)油氣最大爆炸壓力的影響,采用了點(diǎn)火能變化范圍為2～10 J的點(diǎn)火器,變化步長為2 J。同時(shí),分別選取了較低初始油氣體積分?jǐn)?shù)(1.0%)、中初始油氣體積分?jǐn)?shù)(1.5%)和較高初始油氣體積分?jǐn)?shù)(2.1%)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖8是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的3種不同初始油氣初始體積分?jǐn)?shù)下T型分支管道內(nèi)測(cè)點(diǎn)1、2的最大爆炸壓力隨初始點(diǎn)火能量的變化關(guān)系曲線。

圖8 3種不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)條件下測(cè)點(diǎn)1、2壓力峰值隨初始點(diǎn)火能變化關(guān)系Fig.8 Peak overpressure of two measuring points varying with initial ignition energy at three different initial gasoline vaper volume fractions

從圖8(a)～(c)可以看出,在3種不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下,隨著初始點(diǎn)火能的增大,T型分支結(jié)構(gòu)前后的最大爆炸壓力都呈近似一階線性遞增關(guān)系,并且初始油氣體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)變化相對(duì)1%和2.1%更平緩,尤其對(duì)于2.1%時(shí),測(cè)點(diǎn)2的壓力在初始點(diǎn)火能大于6 J后增長幅度非常明顯。從T型分支管道前后兩測(cè)點(diǎn)壓力差可見,在較低初始油氣體積分?jǐn)?shù)(1.0%)下,T型分支管道前后測(cè)點(diǎn)壓力差隨初始點(diǎn)火能增大而增大:在2～6 J的范圍內(nèi)增長幅度較小,從51.0 k Pa增長到61.0 kPa,增長了19%;在6～10 J的范圍內(nèi)增長幅度較明顯,從61.0 kPa增長到84.0 kPa,增長了37.7%。對(duì)于中初始油氣體積分?jǐn)?shù)(1.5%),T型分支管道前后兩測(cè)點(diǎn)壓力差也隨這初始點(diǎn)火能增大而增大:在2～6 J的范圍內(nèi),增長幅度較明顯,從210.0 k Pa增長到256.2 k Pa,增長了22%;在6～10 J范圍內(nèi),增長幅度趨于平緩,從256.2 k Pa增長到263.0 k Pa,增長了2.6%。對(duì)于較高初始油氣體積分?jǐn)?shù)(2.1%),T型分支管道前后兩測(cè)點(diǎn)壓力差隨初始點(diǎn)火能增大也呈遞增趨勢(shì):在2～6 J范圍內(nèi),增長幅度較平緩,從58 k Pa增長到67.1 k Pa,增長了15.7%;在6～10 J范圍內(nèi),增長幅度較大,從67.1 kPa增長到103.0 k Pa,增長了53.5%。

圖8(d)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的3種不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下T型分支管道測(cè)點(diǎn)2相對(duì)于測(cè)點(diǎn)1的壓力強(qiáng)化因數(shù)隨初始點(diǎn)火能的變化關(guān)系曲線。從圖8(b)可以看出,所有工況的壓力強(qiáng)化因數(shù)都大于1,其中較低初始油氣體積分?jǐn)?shù)(1.0%)和較高初始油氣體積分?jǐn)?shù)(2.1%)下,壓力強(qiáng)化因數(shù)具有相似的變化規(guī)律,在2～4 J的范圍內(nèi)呈遞增趨勢(shì),在4～6 J的范圍內(nèi)呈遞減趨勢(shì),在6～8 J的范圍內(nèi)遞增幅度顯著,在8～10 J范圍內(nèi)變化較平緩;對(duì)于中間初始油氣體積分?jǐn)?shù)(1.5%),在2～4 J的范圍內(nèi),壓力強(qiáng)化因數(shù)增長較快,從4 J到10 J呈緩慢下降趨勢(shì)。

初始點(diǎn)火能量對(duì)T型分支管道內(nèi)油氣最大爆炸壓力的影響規(guī)律可以用化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行分析。首先,從鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的角度來看,油氣爆炸的點(diǎn)火過程是一個(gè)由多個(gè)基元反應(yīng)組合而成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程,并且阿累尼烏斯的活化能理論指出活化分子才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng),油氣爆炸反應(yīng)的起始鏈的激發(fā)需要吸收一定的能量,才能使C-H共價(jià)鍵發(fā)生斷裂產(chǎn)生自由基。而且,為了能夠支持燃燒向前傳播,點(diǎn)火處必須有較高的溫度,這樣才能保證有足夠的熱量讓燃燒反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,因此點(diǎn)火源必須讓常溫狀態(tài)的油氣混合物快速進(jìn)入較高溫度的爆炸狀態(tài)。所以,點(diǎn)火能量越大,提供給點(diǎn)火頭附近的油氣混合物的能量就越多,產(chǎn)生的活化分子數(shù)量就越多,從而爆炸反應(yīng)越劇烈。其次,點(diǎn)火能量越高,點(diǎn)火時(shí)點(diǎn)火頭附近的油氣對(duì)流越劇烈,流入點(diǎn)燃核心的氣體越多,從而能夠釋放出越多的能量,產(chǎn)生越高的溫度來對(duì)火焰鋒面前未燃區(qū)域的油氣進(jìn)行預(yù)熱,從而使未燃區(qū)域的油氣參與燃燒反應(yīng),讓化學(xué)反應(yīng)持續(xù)下去,使得爆炸不斷強(qiáng)化。由于以上兩個(gè)原因,隨著點(diǎn)火能量的增大,管道內(nèi)燃燒化學(xué)反應(yīng)速率增大,油氣的熱釋放率也提高,單位時(shí)間內(nèi)積累的熱量增多,從而導(dǎo)致T型分支結(jié)構(gòu)前后爆炸波壓力峰值增大。

3 機(jī)理分析

3.1 T型分支管道火焰?zhèn)鞑ヅc爆炸壓力強(qiáng)化關(guān)系可視化分析

由上文的研究可知,T型分支管道對(duì)油氣爆炸壓力具有強(qiáng)化作用,但是前文的研究主要是基于爆炸壓力的數(shù)值大小變化來進(jìn)行的。為了更直觀地分析T型分支管道對(duì)爆炸壓力的強(qiáng)化機(jī)理,利用高速攝影儀拍攝了火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過透明可視化管道時(shí)火焰形態(tài)的變化情況,如圖9所示,T1和T2分別為激波管水平管段和分支管段;A、B、C、D、E依次為分支管道處5個(gè)點(diǎn);Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為火焰陣面。

由管道封閉端弱點(diǎn)火引起的油氣爆炸在未到達(dá)分支管道前的傳播特性與直管道中相似。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ソ咏种Ч艿揽诓繒r(shí),如圖9(b)所示,由于有旁接T型支管道,連接處的管道橫截面擴(kuò)大,火焰?zhèn)鞑ネǖ烂娣e突擴(kuò)。同時(shí),由于A、C這2個(gè)尖角直接嵌入流場(chǎng)中,可以將AB和CD這2個(gè)壁面視為流場(chǎng)障礙,A、C這2點(diǎn)可以視為擾動(dòng)源。因此,可以從面積突擴(kuò)和障礙物擾動(dòng)兩方面來分析T型分支管道對(duì)爆炸的強(qiáng)化作用。

首先,在T型分支管道口部,由于管道橫截面積突擴(kuò),導(dǎo)致流場(chǎng)湍流度增大,進(jìn)而引起燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃骩10]。當(dāng)氣流經(jīng)過A點(diǎn)和C點(diǎn)時(shí),由于受2個(gè)尖點(diǎn)的擾動(dòng)作用,氣流發(fā)生分離,產(chǎn)生氣體漩渦,并在分離區(qū)產(chǎn)生渦流,由于此處受氣體旋渦的影響,當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ翀D9(c)圖所示區(qū)域時(shí),Ⅰ區(qū)所示的火焰已經(jīng)形成向上卷曲的“象鼻狀”火焰形態(tài),表現(xiàn)出明顯向分支結(jié)構(gòu)擴(kuò)散的趨勢(shì)。另外,當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ罜點(diǎn)時(shí),此處的擾動(dòng)邊界使主流區(qū)氣流產(chǎn)生分割,并誘導(dǎo)其進(jìn)入分支管道T2(如圖9(d)所示)中,對(duì)T2管道中的未燃?xì)怏w進(jìn)行快速預(yù)熱并引發(fā)爆炸,進(jìn)一步加強(qiáng)了流場(chǎng)湍流度。由于湍流度的增強(qiáng),增大了未燃?xì)怏w和已燃?xì)怏w的化學(xué)反應(yīng)速率,進(jìn)而提高了爆炸的強(qiáng)度。

其次,從圖9可以看出火焰在經(jīng)過T型分支管道的過程中,火焰陣面產(chǎn)生嚴(yán)重的皺褶彎曲變形。從圖9(d)能明顯觀察到火焰陣面發(fā)生變形后形成的“毛刷狀”的火焰陣面結(jié)構(gòu)(圖9(d)Ⅱ區(qū)所示)?；鹧骊嚸娈a(chǎn)生的褶皺和變形導(dǎo)致氣體燃燒火焰面增大,增強(qiáng)了對(duì)混合氣體的卷吸作用,提高了燃燒反應(yīng)速率,使燃燒反應(yīng)過程中活性物質(zhì)和熱量的輸運(yùn)速率增大,從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟆ｋS著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃?火焰受流場(chǎng)湍流的影響更大,火焰陣面褶皺彎曲更明顯,最終形成如圖9(e)Ⅲ區(qū)所示的形態(tài)扭曲的火焰陣面,產(chǎn)生明顯的“火舌”,促使燃燒速率進(jìn)一步增大。燃燒速率增大反過來促使爆炸產(chǎn)生的壓縮波強(qiáng)度進(jìn)一步增大,同時(shí)前驅(qū)沖擊波對(duì)火焰前未燃?xì)怏w進(jìn)行更強(qiáng)烈地壓縮和預(yù)熱,對(duì)氣流產(chǎn)生強(qiáng)擾動(dòng),使流場(chǎng)梯度進(jìn)一步增大,提高了燃燒速率和湍流動(dòng)能。由此形成了燃燒過程和氣體流動(dòng)的正反饋激勵(lì)作用,使爆炸過程中釋熱速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ú◤?qiáng)度迅速增加。另外,通過圖9(g)、(h)可以看到由于管道末端的端部效應(yīng),導(dǎo)致流場(chǎng)氣流產(chǎn)生回傳,氣流在回傳的過程中推動(dòng)油氣燃燒的火焰也往回傳播,并在T型分支管道左側(cè)尖角A點(diǎn)附近產(chǎn)生火焰分流,對(duì)AB壁面產(chǎn)生較大的沖擊和破壞。

圖9 火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過T型分支管道時(shí)的形態(tài)變化過程Fig.9 Morphological changes of flame when propagating through T-shaped branch pipe

3.2 T型分支管道中波的繞射和反射對(duì)爆炸波的強(qiáng)化作用機(jī)理分析

T型分支管道由于幾何結(jié)構(gòu)的特殊性,爆炸波在傳播經(jīng)過時(shí)會(huì)產(chǎn)生波的繞射和反射[11-13]。這一復(fù)雜的波系演變過程與T型管道內(nèi)油氣爆炸壓力波的強(qiáng)化具有密切關(guān)系。圖10和11分別是T型分支管道附近爆炸波繞射區(qū)波系演化示意圖和T2段管道中爆炸波的反射示意圖。

圖10 繞射區(qū)波系演化示意圖Fig.10 Schematic diagram of diffraction of waves

圖11 T2段中激波反射示意圖Fig.11 Schematic diagram of reflection of waves in the T2pipe

圖10中,激波在T1段管道中從左至右傳播過程中,經(jīng)過尖角A時(shí),受到A點(diǎn)產(chǎn)生的稀疏波的作用,將產(chǎn)生繞射進(jìn)入T2管道,使波陣面產(chǎn)生彎曲。同時(shí),T1和T2管道中的激波波陣面繼續(xù)向前傳播,在t3時(shí)形成圖10所示的波陣面。當(dāng)激波繼續(xù)傳播到尖角C時(shí)(t4時(shí)),將迅速與CD壁面碰撞(t5時(shí)),并發(fā)生波的反射。反射波系將形成多道后傳壓力波,一部分反射波回傳進(jìn)入T1管道,與前T1管道中前傳壓力波相遇,不斷聚集、疊加,進(jìn)而使波后未燃?xì)怏w的壓力和溫度迅速升高,增強(qiáng)油氣燃燒化學(xué)反應(yīng)速率,提高熱釋放率。另一部分反射波保持在T2管道內(nèi),與AB壁面和T2管道端部相碰撞,也產(chǎn)生復(fù)雜的波系演變過程,對(duì)T2管道中未燃?xì)怏w進(jìn)行壓縮預(yù)熱,迅速誘發(fā)T2管道中油氣爆炸,增強(qiáng)燃燒熱的釋放。同時(shí),T型分支管道附近復(fù)雜的壓力波系演變過程也會(huì)導(dǎo)致劇烈的流場(chǎng)擾動(dòng),增強(qiáng)流場(chǎng)湍流度,加強(qiáng)已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w的對(duì)流速度,提高燃燒化學(xué)反應(yīng)速率,使管道內(nèi)爆炸壓力得到強(qiáng)化。

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)研究了不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)和不同初始點(diǎn)火能工況下,T型分支管道對(duì)油氣爆炸的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1)T型分支管道對(duì)管道內(nèi)油氣爆炸壓力有強(qiáng)化作用,強(qiáng)化程度隨初始油氣體積分?jǐn)?shù)的增加大致呈拋物線型變化,在初始油氣體積分?jǐn)?shù)1.5%附近,強(qiáng)化程度最顯著;

(2)在3種不同初始油氣體積分?jǐn)?shù)下,T型分支管道前后最大爆炸壓力都隨初始點(diǎn)火能增大呈線性遞增關(guān)系,并且對(duì)于較低和較高初始油氣體積分?jǐn)?shù)工況,壓力峰值增長幅度比較明顯;

(3)T型分支管道對(duì)油氣爆炸的強(qiáng)化作用主要受到波的繞射和反射、流場(chǎng)湍流度增強(qiáng)、管道面積突擴(kuò)和障礙物擾動(dòng)4個(gè)方面的影響;

(4)通過可視化分析,火焰經(jīng)過T型分支管道時(shí),火焰陣面產(chǎn)生嚴(yán)重的皺褶彎曲變形,火焰面積增大,引起燃燒速率增大,增強(qiáng)了熱量和活性物質(zhì)的輸運(yùn)速率,導(dǎo)致爆炸壓力增大;并且也能觀測(cè)到明顯的火焰回傳現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)爆炸對(duì)T型分支管道壁面的沖擊和破壞很嚴(yán)重。

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Effects of a T-shaped branch pipe on overpressure of gasoline-air mixture explosion

Du Yang,Li Guoqing,Li Yangchao,Qi Sheng,Wang Shimao,Wang Bo
(Department of Petroleum Supply Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing401311,China)

To investigate the effects of a T-shaped branch structure on the overpressures during the explosions of the gasoline-air mixture in a pipe,we conducted multiple parameter contrast experiments under the conditions of different initial gasoline vaper volume fractions and different initial ignition energy,and carried out visualized investigation on the flame propagation of the mixture.Our research reveal the following results:the T-shaped branch pipe can enhance the explosive overpressure of the gasoline-air mixture in a pipe,and the degree of this enhancement is closely related with the increase of the initial gasoline vaper volume fraction approximately in a parabolic trend,and with the maximum value obtained around the stoichiometric initial concentration.The maximum explosive overpressures before and after the T-shaped branch pipe increases linearly with the growth of the initial ignition energy.The effects of the T-shaped branch pipe on raising the degree of the explosion mainly originate from four factors:the wave diffraction and reflection,the turbulence enhancement,the sudden expansion of the pipe cross-section area and the reinforcement of the disturbance by the obstacles. It can be seen from the visual analysis that,when the flame propagates through the T-shaped branch pipe,the flame front is distorted seriously into creases,the flame surface area is enlarged,and the returning flames are observed,which exerts a destructive effect on the wall of the T-shaped branch pipe.

T-shaped branch pipe;gasoline-air mixture;explosion wave;visualization

O381;X932國標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0323-09

(責(zé)任編輯 張凌云)

2015-10-26;

:2016-01-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276195);重慶市研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CYB16128,CYB15127,CYS15235);油氣火災(zāi)爆炸成災(zāi)突變機(jī)理與控制應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目(BX211J107)

杜 揚(yáng)(1958— ),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師;

:李國慶,boyueshe@sina.com。