杜 揚，王世茂，齊 圣，王 波，李陽超，李國慶

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶401311）

油氣在頂部含弱約束結(jié)構(gòu)受限空間內(nèi)的爆炸特性＊

杜 揚，王世茂，齊 圣，王 波，李陽超，李國慶

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院軍事供油工程系，重慶401311）

建立了頂部含有弱約束結(jié)構(gòu)的受限空間油氣爆炸實驗系統(tǒng)，并對含有弱約束的受限空間中油氣爆炸特性進行實驗研究，獲得超壓變化規(guī)律及火焰發(fā)展特征。結(jié)果表明：（1）容器內(nèi)部超壓受泄流、外部爆炸、火焰擴張等因素的影響，出現(xiàn)多個峰值，并伴以強烈的振蕩；容器外部超壓隨著距離的增大而減小，且豎直方向超壓大于水平方向超壓。（2）與無約束爆炸相比，弱約束結(jié)構(gòu)對爆炸的影響主要體現(xiàn)在對爆炸超壓的增強效應(yīng)和對爆炸發(fā)展速率的滯后效應(yīng)。（3）爆炸超壓隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增加先增大后減小，最大超壓所對應(yīng)的初始油氣體積分?jǐn)?shù)為1.79%。（4）容器外火焰發(fā)展過程分為初級燃燒階段、過渡燃燒階段、次級燃燒階段，由于受Rayleigh－Talor不穩(wěn)定、Helmholtz不穩(wěn)定、斜壓效應(yīng)的影響，火焰出現(xiàn)褶皺和卷曲，最大火焰高度和直徑分別為0.8和0.55m。

爆炸力學(xué)；油氣爆炸；受限空間；弱約束；超壓；火焰

油氣具有易燃易爆的性質(zhì)，近年來因油氣爆炸所導(dǎo)致的事故不斷發(fā)生，尤其是在加油站、泵房、閥室、操作間、油罐等受限空間中。這類空間大多有塑料隔膜、玻璃、木門、弱鏈接罐頂?shù)?，這些結(jié)構(gòu)相對于空間主體而言承壓能力較小，在可燃?xì)怏w爆炸沖擊荷載作用下會最先破壞，稱為弱約束結(jié)構(gòu)［1］。當(dāng)前針對油氣等可燃?xì)怏w爆炸特性的研究主要通過實驗和數(shù)值模擬來實現(xiàn)。實驗方面，趙衡陽等［2］用乙炔／空氣和液化石油氣／空氣作為可燃介質(zhì)，研究了滿罐充氣和半罐充氣時的點火爆炸，并與TNT炸藥進行對比，進而確定了可燃?xì)怏w爆炸的TNT的當(dāng)量值。杜揚等［3］、陳思維等［4］基于模型實驗研究了汽油蒸汽在洞庫坑道和容積式油罐中的爆炸發(fā)展過程，得到了長坑道和油罐中油氣爆炸的超壓荷載分布，確定了油氣爆炸最大超壓對應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)，并分析了不同體積分?jǐn)?shù)下的油氣爆炸產(chǎn)物。

在數(shù)值模擬方面，近年來多種數(shù)值模型被提出并廣泛應(yīng)用于可燃?xì)怏w爆炸的研究中。杜揚等［5］提出了基于多種控制機理的湍流爆炸燃燒模型，該模型采用分解、混合、反應(yīng)的分步方式來模擬油氣爆炸過程，結(jié)果表明該模型能較好地模擬油氣爆炸的過程；V.Molkov［6］提出了基于大渦模擬的可燃?xì)怏w泄爆過程的數(shù)值計算模型，其計算結(jié)果表明開口泄爆過程中外部爆燃會引起空間內(nèi)超壓的升高。A.Qiao等［7］和M.Dadashzadeh等［8］分別針對蒸汽云爆炸事故和可燃?xì)怏w爆炸后引發(fā)火災(zāi)的連鎖事故提出了數(shù)值計算模型，并計算分析了兩類爆炸事故的毀傷參數(shù)分布規(guī)律以及成災(zāi)機制。H.H.Pedersen等［9］提出了大尺寸聯(lián)通房屋可燃?xì)怏w泄壓爆炸的數(shù)值計算模型，利用FLACS計算軟件模擬了聯(lián)通房屋中的LNG爆炸過程，其結(jié)果顯示單個房屋中的可燃?xì)怏w爆炸會導(dǎo)致其相鄰房屋中壓力迅速升高。丁宇奇等［10］研究了大型儲油罐內(nèi)的油氣爆燃過程，并分析了容器內(nèi)爆炸荷載的時序變化和空間分布規(guī)律。

盡管學(xué)者們對密閉空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸特性進行了大量的研究，但針對于油氣在頂部含有弱約束結(jié)構(gòu)的受限空間內(nèi)爆炸特性的研究仍相對欠缺。本文中以93＃汽油蒸汽／空氣混合氣體作為反應(yīng)介質(zhì)，重點研究油氣在頂部含有弱約束結(jié)構(gòu)受限空間中的爆炸特性，并進行相應(yīng)的機理分析。

1 實驗系統(tǒng)與方案

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由實驗容器、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。實驗容器直徑為30cm，高為26cm，容器底部封閉，頂部設(shè)置開口，開口率為80%。用較薄的鋁箔膜片對頂部開口進行封口，設(shè)置弱約束結(jié)構(gòu)邊界時，采用破壞壓力pv＝2.5kPa的薄鋁箔膜片封口，該薄膜破壞時會產(chǎn)生較大的擾動；設(shè)置無約束結(jié)構(gòu)邊界時，考慮到配氣時需要將頂部開口密封以防止預(yù)混油氣泄漏蔓延，同時要盡可能降低密封薄膜的強度以便減少薄膜破壞時帶來的擾動，采用破壞壓力為pv＝0.4kPa的薄鋁箔膜片進行封口，該膜片產(chǎn)生的擾動較小，足以模擬無約束邊界的工況條件。容器內(nèi)設(shè)置壓力傳感器P0，容器外沿水平方向設(shè)置壓力傳感器P1～P4，沿豎直方向設(shè)置壓力傳感器P5～P8；P1～P4到容器頂部中心的距離分別為0.3、0.5、0.8和1.1m；P5～P8到頂部中心的距離分別為0.2、0.3、0.5和0.8m。使用高速攝影儀對爆炸火焰發(fā)展過程進行捕捉。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of experimental system

1.2 實驗方案

常溫常壓下，油氣的爆炸極限約為0.9%～3.1%［11］。為最大程度反映爆炸極限范圍內(nèi)不同初始體積分?jǐn)?shù)條件下的油氣爆炸特性，設(shè)定初始體積分?jǐn)?shù)為1.07%、1.30%、1.56%、1.79%、1.98%、2.20%、2.48%、2.75%和3.00%。用壓力傳感器P0～P9配合動態(tài)數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)采集測試容器內(nèi)外爆炸超壓，同時利用高速攝影系統(tǒng)對爆炸火焰形態(tài)變化過程進行記錄，拍攝速率為500s－1，初始壓力為常壓，初始溫度為293K，利用高能電火花發(fā)生裝置進行點火，點火桿位于底部中心，火花產(chǎn)生的位置距離容器底部約6cm，點火能量為3.2J。

2 實驗結(jié)果及機理分析

2.1 爆炸超壓變化規(guī)律

2.1.1 容器內(nèi)部超壓

已有的研究表明，開口容器內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸超壓的變化受多種機制控制，出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象［12－15］。圖2給出了頂部含有弱約束結(jié)構(gòu)和無弱約束結(jié)構(gòu)條件下容器內(nèi)部超壓隨時間的變化曲線。

從圖2中可以得出含有弱約束結(jié)構(gòu)受限空間內(nèi)部超壓變化可分為4個階段。

（1）約束破壞泄流階段（0～0.024s）：點火后，容器內(nèi)超壓上升使得約束膜破裂，大量未燃油氣噴出，由于頂部弱約束膜強度較小，約束膜的破壞和油氣的泄放幾乎同時進行，超壓相互耦合并共同作用，最終形成泄流超壓峰值pfv，大小為2.58kPa。當(dāng)膜片破壞后，油氣在燃燒波的推舉下邊燃燒邊泄放，導(dǎo)致容器內(nèi)氣體密度降低，進而使超壓下降。

（2）外部爆炸反饋階段（0.024～0.051s）：泄出的油氣云團在容器口附近膨脹擴散，使出口軸心處附近壓力下降，膨脹波在云團邊緣反射形成壓縮波，壓縮波在云團內(nèi)部集聚并形成高壓區(qū)，使得油氣云團內(nèi)形成高密度、高體積分?jǐn)?shù)預(yù)熱區(qū)域。隨著火焰射流點燃高壓區(qū)的油氣并使其迅速燃燒，引起壓力的急劇上升，發(fā)生外部爆炸，進而形成外部爆炸超壓峰值pext，大小為3.98kPa。

（3）波動振蕩階段（0.051～0.091s）：熱量損失導(dǎo)致火焰鋒面后燃燒產(chǎn)物的溫度降低，而且火焰向外部的加速運動產(chǎn)生較強的泄放慣性，二者共同作用使容器內(nèi)壓力降低，最終形成負(fù)壓真空區(qū)；真空區(qū)的倒吸作用和外部爆炸的擠壓作用造成氣體回流，回流氣體與火焰鋒面對撞產(chǎn)生劇烈的湍流，使得燃燒加劇，火焰鋒面發(fā)生強烈的振蕩，壓力再次上升；擴張的火焰鋒面將更多的氣體擠壓到容器外，壓力又再一次降低，形成周期性的往復(fù)振蕩流動，使得容器內(nèi)部產(chǎn)生振蕩超壓，即Helmholtz振蕩［14－15］。

圖2 容器內(nèi)部爆炸超壓時程曲線Fig.2 Histories of internal overpressure

（4）火焰擴張階段（0.091～0.112s）：由于開口容器中可燃?xì)怏w爆炸火焰的軸向傳播速度大于徑向擴張速度［15］，火焰鋒面沿側(cè)向擴張觸壁后受到外部爆炸、泄流、振蕩流動等因素的影響，火焰面進一步擴展，褶皺增多，容器內(nèi)火焰區(qū)域增大，產(chǎn)生火焰擴展超壓峰值pmfa＝0.594kPa，且pmfa遠小于pext，這是由于開口面積較大，大量油氣泄放到容器外部，殘余油氣較少，難以再產(chǎn)生較大的超壓峰值。

圖2中的對比說明有弱約束結(jié)構(gòu)時內(nèi)部爆炸超壓會增大，而達到超壓峰值的時間會略為滯后，其對比如表1所示，表中T為超壓振蕩周期，Δt為振蕩持續(xù)時間。

表1 容器內(nèi)部爆炸特性對比Table 1 Comparison of internal explosion characteristics

從表2中可以得出，弱約束結(jié)構(gòu)對內(nèi)部爆炸超壓有增強作用，與無約束爆炸相比，pfv、pext、pmfa分別增加了337.2%、63.1%和51.3%，這是因為破壞弱約束結(jié)構(gòu)需要一定程度的憋壓，從而導(dǎo)致弱約束破壞瞬間內(nèi)外壓差較大，泄出的未燃油氣在外部形成體積分?jǐn)?shù)較大的油氣云團，被引燃后短時間內(nèi)燃燒并釋放大量能量，產(chǎn)生較大的超壓值；而無約束時，由于破壞壓力較小，點火后頂部的薄膜迅速破裂，油氣處于擴散燃燒的狀態(tài)，超壓值相對較小。另外，在弱約束條件下超壓峰值分別滯后了0.004、0.005和0.003s，這是由于無約束時火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，破膜泄流和外部爆炸的時間略為提前。

2.1.2 容器外部超壓

圖3～4給出了不同邊界下容器外壓力測點P1～P8的壓力變化曲線，分別反映了水平方向和豎直方向的壓力變化規(guī)律。

以傳感器P1為例，沿水平方向超壓變化規(guī)律為“最大正超壓－最大負(fù)超壓－二次正超壓”。約束膜破裂后，未燃油氣泄出并形成油氣云團，隨后被引燃發(fā)生外部爆炸，超壓上升并于0.056s時達到最大值0.79kPa；隨后高密度油氣變?yōu)榈兔芏热紵a(chǎn)物，由于熱量迅速散失，溫度降低使得壓力下降形成真空區(qū)，產(chǎn)生稀疏波并于0.076s達到最小值－0.24kPa；爆炸產(chǎn)物膨脹做功使壓力回升并于0.091s形成二次正超壓，大小為0.097kPa，當(dāng)燃燒產(chǎn)物擴散后壓力變?yōu)榇髿鈮簭姟?/p>

圖3 容器外水平方向超壓與時間的關(guān)系Fig.3 Histories of external overpressure along the horizontal direction

圖4 容器外豎直方向超壓與時間的關(guān)系Fig.4 Histories of external overpressure along the vertical direction

以傳感器P5為例，沿豎直方向超壓變化規(guī)律為“最大正超壓－最大負(fù)超壓－二次正超壓－二次負(fù)超壓”。與P1不同，P5最大正超壓為1.59kPa；這是由于未燃油氣受爆炸超壓的擠壓作用和燃燒熱流的推舉作用集中于豎直方向，被引燃后產(chǎn)生更大的超壓值。另外，在二次正超壓形成后，受上升熱流的影響，測點處壓力會繼續(xù)下降形成持續(xù)時間較長的二次負(fù)超壓，最大二次負(fù)超壓為－0.36kPa。

表2 外部爆炸超壓對比Table 2 Comparison of external explosion overpressure

由表2可知，弱約束結(jié)構(gòu)對外部超壓有增強作用，當(dāng)pv＝2.5kPa時（弱約束條件），膜片破壞后，未燃油氣在外部形成高壓縮度油氣云團，能量釋放相對集中，產(chǎn)生較大的爆炸超壓；當(dāng)pv＝0.4kPa時（近似無約束條件），油氣處于擴散燃燒的狀態(tài)，能量釋放較為分散，產(chǎn)生的超壓相對較小。此外，當(dāng)pv＝2.5kPa時，達到超壓峰值的時間略為滯后，這是由于頂部有約束面封堵，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，泄流和外部爆炸發(fā)生的時間均滯后。

2.2 爆炸超壓與初始油氣體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系

圖5～6分別反應(yīng)了水平方向測點和豎直方向測點的超壓值與初始油氣體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。從圖中可以看出，爆炸超壓隨著初始油氣體積分?jǐn)?shù)的增高先增大后減小，當(dāng)初始油氣體積分?jǐn)?shù)為1.79%時，爆炸超壓均達到最大值，此時的油氣體積分?jǐn)?shù)為最危險油氣體積分?jǐn)?shù)。

圖5 容器外沿水平方向爆炸超壓與油氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between overpressure and volume fraction of fuel／air mixture along the horizontal direction

圖6 容器外沿豎直方向爆炸超壓與油氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between overpressure and volume fraction of fuel／air mixture along the vertical direction

當(dāng)油氣體積分?jǐn)?shù)較小時，容器內(nèi)參加爆炸反應(yīng)的實際空氣量小于空氣總量，整個反應(yīng)為富氧反應(yīng)，空氣剩余量較大，能量釋放率較少；另外，較低的油氣體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致整個反應(yīng)體系中活化基團的數(shù)目相對不足，化學(xué)反應(yīng)速度減慢，降低了爆炸強度；因此，低油氣體積分?jǐn)?shù)條件下爆炸超壓較小。隨著油氣體積分?jǐn)?shù)增加，單位質(zhì)量混合氣體所釋放的能量增加，爆炸超壓增強，當(dāng)油氣體積分?jǐn)?shù)達到1.79%時，油氣與氧氣的配比更接近當(dāng)量比，油氣燃燒更加迅速，化學(xué)反應(yīng)最為充分，能量釋放率最高，爆炸超壓達到最大。當(dāng)油氣體積分?jǐn)?shù)進一步增大，油氣燃燒反應(yīng)所需的空氣量大于容器內(nèi)的空氣總量，反應(yīng)為貧氧反應(yīng)，燃燒反應(yīng)不完全，能量釋放率降低；另外，油氣體積分?jǐn)?shù)的提高，使得反應(yīng)體系內(nèi)活化基團的體積分?jǐn)?shù)相對降低，減小了體系內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度，從而導(dǎo)致爆炸強度降低。

2.3 爆炸火焰形態(tài)

圖7所示為爆炸過程中火焰形態(tài)變化規(guī)律，當(dāng)點火后，弱約束膜破裂，容器內(nèi)的油氣泄出，火焰沿豎直方向加速，由界面穩(wěn)定理論可知，燃燒產(chǎn)物向未燃的高密度油氣的加速過程會增強體系內(nèi)的Rayleigh－Taylor不穩(wěn)定性，導(dǎo)致火焰湍流強度增大，火焰由此失穩(wěn)；另外，由于火焰的燃燒，導(dǎo)致火焰鋒面前方溫度升高，氣體受熱膨脹而運動，誘導(dǎo)火焰鋒面變形產(chǎn)生Helmholtz不穩(wěn)定，火焰進一步加速［16］。加速的火焰更加不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的火焰進一步加速變形，進而形成正反饋效應(yīng)。在這種正反饋的作用下，湍流火焰從容器內(nèi)噴射而出。此時火焰前鋒面為毛刷狀的藍色火焰，主要是由輕質(zhì)的低鏈碳?xì)浠衔锶紵纬?，此階段稱為初級燃燒階段［17］。

圖7 火焰形態(tài)變化Fig.7 Morphological changes of flame

火焰從破壞口泄出后快速膨脹和變形，使流場結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜變化，導(dǎo)致壓力梯度和密度梯度斜交，產(chǎn)生漩渦并形成旋卷構(gòu)造，稱為斜壓效應(yīng)［16］。在湍流和斜壓效應(yīng)的影響下，火焰鋒面發(fā)生劇烈的翻轉(zhuǎn)和扭曲，火焰上半部沿水平方向拉伸，形成近似球狀的火焰并有向蘑菇云狀發(fā)展的趨勢。在該過程中，火焰內(nèi)出現(xiàn)亮黃色燃燒區(qū)，這是由于的C2基團和燃燒產(chǎn)物受熱發(fā)光所導(dǎo)致，火焰顏色最終完全變?yōu)槌燃t色，此階段稱為過渡燃燒階段［17］。

隨著外部爆炸反應(yīng)的進行，由于受到熱浮力的推舉作用應(yīng)和斜壓效應(yīng)的翻轉(zhuǎn)扭曲作用，火焰鋒面進一步擴散，下半部火焰面面積變小，上半部火焰面進一步擴張，形成典型的蘑菇云狀火焰，最大火焰高度為0.8m，最大火焰直徑為0.55m。油氣燃燒過程中形成的大量的C2活化基團進一步燃燒產(chǎn)生黃橙色火焰［17］，此階段稱為次級燃燒階段。

當(dāng)容器外部油氣大部分反應(yīng)，火焰亮度減弱，變?yōu)榘党壬?。由于燃燒產(chǎn)物的膨脹做功，火焰面在保持燃燒的狀態(tài)下進一步擴散變形，燃燒強度減弱，無法繼續(xù)維持蘑菇云狀火焰，并最終熄滅，此階段稱為變形潰散階段。

3 結(jié) 論

構(gòu)建頂部含弱約束結(jié)構(gòu)的受限空間油氣爆炸實驗系統(tǒng)，并基于實驗研究了油氣在該空間中的爆炸特性，并與無約束條件下的爆炸特性進行對比，具體結(jié)論如下：

（1）內(nèi)部超壓變化受破膜泄流、外部爆炸、振蕩流動、火焰擴展等多種機制控制，產(chǎn)生多個峰值，并伴有強烈的振蕩；外部超壓隨著距離的增大而減小，沿豎直方向超壓大于沿水平方向的超壓。

（2）同無約束爆炸相比，當(dāng)受限空間含有弱約束結(jié)構(gòu)時，內(nèi)外超壓均增大，而達到最大超壓的時間均延后，即弱約束結(jié)構(gòu)對爆炸超壓有增強效應(yīng)，而對爆炸發(fā)展速率有滯后效應(yīng)。

（3）初始油氣體積分?jǐn)?shù)對油氣爆炸強度影響較大，隨著初始油氣體積分?jǐn)?shù)的增加，爆炸超壓先增大后減小，最大超壓所對應(yīng)的初始油氣體積分?jǐn)?shù)為1.79%。

（4）火焰發(fā)展分為初級燃燒階段、過渡燃燒階段、次級燃燒階段，其顏色變化為“藍綠色－橙紅色－黃橙色”?；鹧?zhèn)鞑ミ^程中受到Rayleigh－Taylor不穩(wěn)定、Helmholtz不穩(wěn)定、斜壓效應(yīng)的影響，發(fā)生劇烈的翻轉(zhuǎn)和卷曲，形成蘑菇云狀火焰，最大火焰直徑為0.55m，最大火焰高度為0.8m。

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Explosion of gasoline／air mixture in confined space with weakly constrained structure at the top

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

An experimental system of a confined space with a weakly constrained structure at the top was established.A series of gasoline／air mixture explosion experiments were conducted，and overpressure characteristics as well as flame behaviors were obtained.The results show that the internal overpressure exhibited a phenomenon of multi－peaks and pressure oscillations，induced by such factors as venting，external explosion，flame extension，etc.The value of the external overpressure decreased obviously with the increase of the distance from the weakly constrained structure，and the value along the vertical direction was larger than that along the horizontal direction.The impact of the weakly constrained structure was mainly reflected in the enhancement effect on the overpressure value and the lagging effect on the development rate of the explosion.The overpressure value showed the tendency to increase at first and then to decrease with the increase of the volume fraction of the gasoline／air vapor volume corresponding to the maximum overpressure，which is 1.79%.The flame propagation process involves three stages，i.e.stages of primary combustion，transitional combustion and secondary combustion.Affected by the Rayleigh instability，the Helmholtz instability and the baroclinic effect，the flame front was twisted and wrinkled，and the maximum height and maximum diameter were 0.80and 0.55m，respectively.

mechanics of explosion；fuel／air mixture explosion；confined space；weak constraint；overpressure；flame；

O383國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0053－08

（責(zé)任編輯 王易難）

2015－06－02；

2015－06－23

國家自然科學(xué)基金項目（51276195）；重慶市研究生創(chuàng)新基金項目（CYB15127）

杜 揚（1958— ），男，教授，博士生導(dǎo)師；通信作者：王世茂，wangshim1990＠163.com。