劉雪嶺，張 奇

（1. 貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

近年來，云霧爆炸科學(xué)主要集中于云爆彈（FAE）的研究，如起爆能量[1]、爆燃轉(zhuǎn)爆轟[2]及爆轟波結(jié)構(gòu)[3-7]等。然而在目前工業(yè)生產(chǎn)及生活領(lǐng)域，危險性液體意外泄漏、噴濺形成的云霧，也會產(chǎn)生危害嚴(yán)重的爆炸。云霧形成機理及其災(zāi)害效應(yīng)日益得到人們的關(guān)注。英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 60079-10-1中包含一個新的附加內(nèi)容，它提供了一些云霧燃爆危險性的定性指導(dǎo)意見和少量的定量方法。英國能源研究所執(zhí)業(yè)守則也指出：“當(dāng)前，還沒有云霧形成機理的完整認(rèn)知及其相關(guān)危險領(lǐng)域分級方法，這一切還需要更進一步的研究”[8]。Zabetakis[9]、Burgoyne等[10]和Faeth等[11]通過對四氫化萘云霧燃爆實驗研究得到液滴粒徑大小和液滴間距對云霧爆炸極限的影響規(guī)律。Williams[12]預(yù)測云霧粒徑在5～15 μm范圍內(nèi)，存在一個“轉(zhuǎn)變區(qū)域”（transition range），并指出在該區(qū)域云霧爆炸強度會出現(xiàn)激增現(xiàn)象，但至今云霧的“轉(zhuǎn)變區(qū)域”預(yù)測還未真正的實驗驗證。上述研究成果多數(shù)以云霧液相作為主要研究對象，但云霧中液滴的蒸發(fā)，會使其云霧呈氣、液兩相共存的狀態(tài)。王悅等[13-14]和Liu等[15-18]基于云霧液滴大小、氣液兩相濃度等多種耦合影響因素，研究得出云霧爆炸極限、超壓、溫度及最小點火能等特征參數(shù)的變化規(guī)律。

當(dāng)前學(xué)術(shù)界關(guān)于預(yù)點火湍流強度對氣體和粉塵爆炸參數(shù)的顯著影響已得到共識[19-23]，然而關(guān)于預(yù)點火湍流強度下云霧爆炸影響規(guī)律研究報道很少。對于普遍存在的氣動壓力方式所形成的云霧過程中，除涉及云霧均勻性、粒徑分布、氣液兩相濃度等自身物理特性的瞬態(tài)多變性外，湍流場作為云霧環(huán)境不可避免存在的外部因素，也加速了云霧物理化學(xué)特性的變化，會對云霧爆炸參數(shù)產(chǎn)生重大影響。云霧爆炸力學(xué)特征的系統(tǒng)性研究，對云霧危險區(qū)域的劃分、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的制定，預(yù)防及減少云霧爆炸災(zāi)害技術(shù)措施等方面，具有重要的現(xiàn)實意義。本文中以正戊烷云霧作為研究對象，進行預(yù)點火湍流對云霧爆炸參數(shù)影響的實驗，進而建立云霧爆炸參數(shù)與湍流相關(guān)性模型。

1 實驗裝置及方法

1.1 概述

云霧湍流、濃度、粒徑測量裝置，由20 L圓柱形長徑比1∶1透明有機玻璃罐體、對稱安裝的兩套氣動噴霧分散裝置、觸發(fā)控制系統(tǒng)等組成，并分別應(yīng)用自行研發(fā)的瞬態(tài)云霧濃度與粒徑測量系統(tǒng)[15]和云霧湍流測量系統(tǒng)[23]進行測定。其中，瞬態(tài)濃度與粒徑測量系統(tǒng)包括：多波長激光發(fā)射單元與光照度傳感器、接收信號轉(zhuǎn)換單元、計算機數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)（光學(xué)粒徑及濃度檢測系統(tǒng)軟件）共同構(gòu)成，如圖1所示；云霧湍流測量系統(tǒng)包括：激光片光發(fā)生器、高速攝像系統(tǒng)、同步觸發(fā)控制系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)儲存與分析系統(tǒng)，如圖2所示。云霧爆炸參數(shù)測量系統(tǒng)由20 L圓柱形長徑比1∶1鑄鐵罐體、氣動噴霧分散裝置、觸發(fā)控制系統(tǒng)、連續(xù)可調(diào)火花放電點火系統(tǒng)、高速壓力溫度數(shù)據(jù)采集處理儲存系統(tǒng)組成，實驗系統(tǒng)如圖3所示。

對于國際20 L標(biāo)準(zhǔn)裝置，噴頭一般設(shè)置于罐體底部，考慮了分散的均勻性而相對弱化了湍流強度。自行研發(fā)的云霧分散系統(tǒng)在圓柱形罐體上對稱安裝2套氣動分散裝置，并安裝改進的專用噴頭，如圖4所示。開孔方式：首先在軸向0～45°內(nèi)進行開孔，然后在圓柱形罐體的徑向進行拓展開孔（單個方向開口角度在60°以內(nèi)）。實驗驗證表明，這樣即可避免大量液滴直接噴到桶壁發(fā)生損耗問題，又能滿足圓柱罐體快速分散均勻性要求。

圖1 瞬態(tài)濃度與粒徑測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 1 The measurement system on mists concentration and

圖2 云霧湍流測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 2 The measurement system of turbulence

圖3 云霧爆炸參數(shù)測量系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram on mists explosion parameters

圖4 圓柱型罐噴頭示意圖Fig. 4 Schematic diagram of nozzle

1.2 實驗條件及方法

正戊烷噴霧計量濃度為500 g/m3，分別以0.4、0.6和0.8 MPa的氣動壓力進行噴霧，噴霧時長為50 ms。首先進行瞬態(tài)云霧濃度與粒徑測量和云霧湍流強度測量。隨后在云霧爆炸參數(shù)測量系統(tǒng)中進行正戊烷爆炸及火焰?zhèn)鞑ニ俾实膶嶒灉y定。

圖5給出了正戊烷濃度隨時間變化的測試結(jié)果。以0.4、0.6和0.8 MPa氣動壓力進行噴霧，在100、150、200和250 ms時刻，云霧濃度（含氣相和液相）的平均值為452 g/m3，濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.81%以內(nèi)。如圖6所示，在100～250 ms內(nèi)，以0.4、0.6和0.8 MPa氣動噴霧的平均特征直徑（Sauter mean diameter，SMD，D32）分別為21.21、14.51和8.64 μm。在100～250 ms內(nèi)，正戊烷云霧湍流強度及云霧濃度粒徑實驗結(jié)果匯總見表1。

圖5 正戊烷云霧濃度隨時間變化趨勢Fig. 5 The concentrations of n-pentane vs. time

圖6 正戊烷云霧平均特征直徑（D32）隨時間變化趨勢Fig. 6 SMDs (D32) of n-pentane vs. time

正戊烷云霧爆炸實驗中，溫度為21 ℃，濕度為25%，環(huán)境壓力為0.1 MPa。點火位置和傳感器位置見圖4。點火方式采用點擊一次性放電點火，放電電極間距為1.5 mm，點火能量為41.52 J。預(yù)點火時間（pre-ignition time，PIT）指氣動噴霧啟動時刻到點火觸發(fā)時刻的時長。本實驗中，預(yù)點火時間定為100、150、200和 250 ms。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)點火湍流特性

湍流場基本特征一般分為強對流湍流場和零平均速率湍流場。強對流湍流場一般具有相對較大的平均湍流速率，而其湍流強度與雷諾數(shù)緊密相關(guān)；零平均速率湍流場又稱為各向同性湍流，即各向平均湍流速率接近為零，其湍流強度變化主要由湍流均方根速度（vrms）的變化所主導(dǎo)。對于圓柱形罐體對稱式雙噴頭分散系統(tǒng)，流場特征與零平均速率湍流場具有相似性。以0.4 MPa氣動噴霧情形為例，如圖7所示，在50 ms時長的噴霧過程中，湍流強度（）由400上升至500后，100 ms后迅速衰減至100以下，并隨時間逐級衰弱。因此，可以判斷當(dāng)前所研究的圓柱形罐體流場環(huán)境，可近似認(rèn)定為零平均速率湍流場。

表1 正戊烷云霧湍流強度及濃度粒徑實驗統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Experiment results of turbulence intensity and concentration

湍流場由大量流體旋渦構(gòu)成，每個旋渦可視為一個宏觀的流體微團。如圖8所示，其中上圖為湍流速率云圖，下圖為流場矢量分布特征，vmax為最大流場速度。對于湍流來說，雷諾數(shù)越大，說明最小旋渦與最大旋渦尺寸差別越大。因此引入湍流雷諾數(shù)及三種湍流尺度：湍流積分尺度（Turbulence integral scale）、泰勒（Taylor）微尺度、柯爾莫哥洛夫（Kolmogorov）微尺度[24]。

其中

圖7 氣動壓力為0.4 MPa時湍流強度隨時間的變化Fig. 7 Turbulence intensity vs. time at pneumatic pressure of 0.4 MPa

圖8 噴霧壓力為0.4 MPa時片光2處罐內(nèi)湍流分布Fig. 8 Turbulence intensity distribution at pneumatic pressure of 0.4 MPa at location 2

式中：ek為單位質(zhì)量動能。柯爾莫哥洛夫（Kolmogorov）微尺度有2種物理描述：（1）表示整個湍流中最小渦流或渦線的厚度；（2）表示流動中嵌入的渦流層厚度[25]。

在所有湍流雷諾數(shù)中，特征速度都是速率均方根vrms，故湍流最大湍流尺度（積分尺度）的雷諾數(shù)和最小湍流尺度（柯爾莫哥洛夫微尺度）的雷諾數(shù)分別為

兩種尺度的關(guān)系為

實驗測得氣動噴霧壓力為0.4 MPa時，圓柱形罐體高度1/2位置（圖7位置光片2處）100～250 ms時間范圍測得平均湍流積分尺度為48～72 mm。在已知湍流均方根速度vrms條件下（20 ℃空氣的運動粘度=17.9×10-6Pa·s），可推算湍流最大湍流尺度（積分尺度）的雷諾數(shù)為8 000～15 000。表2給出了不同氣動分散作用下湍流積分尺度與相應(yīng)的雷諾數(shù)?？捎墒剑?）推算得出：在100～250 ms內(nèi)，氣動噴霧壓力為0.4～0.8 MPa時，在0.03～0.1 mm范圍內(nèi)。

表2 不同氣動噴霧壓力下湍流積分尺度及雷諾數(shù)Table 2 Average turbulence integral scale and Reynolds numbers at different dispersing air pressures

2.2 湍流對正戊烷云霧蒸發(fā)速率的影響規(guī)律

在云霧中液滴的蒸發(fā)和冷凝過程及相互作用下，氣、液相濃度隨時間不斷變化（如圖5所示）。由云霧中氣相濃度隨時間的變化可以得到不同時刻的云霧蒸發(fā)速率：

圖9 湍流均方根速度vrms與蒸發(fā)速率V（t）的關(guān)系Fig. 9 Relation between root-mean-square velocities (vrms)and evaporation rate (V(t))

粒徑和湍流對正戊烷云霧蒸發(fā)速率V（t）的影響如圖9所示。可以看出，vrms增加均能明顯增加V（t）；對于較小的液滴群，隨湍流強度的增加，液滴群的蒸發(fā)速率有更為明顯的提升。V（t）和vrms的關(guān)系可表示如下：

根據(jù)實驗：A=(3+D32)/0.085, B=6ln(23.5-D32/0.3)。

2.3 湍流對正戊烷云霧爆炸參數(shù)的影響規(guī)律

圖10～11給出了不同湍流均方根速度條件下正戊烷云霧最大超壓峰值pmax和最大爆炸壓力上升速率的實驗結(jié)果?？梢钥闯觯?/p>

（1） pmax與均隨著 vrms呈線性增大，pmax與vrms之間滿足

（2） 隨著 vrms的增加，D32=14.51 或 2 1.21 μm 時 ，pmax與增加趨勢一致，而 D32=8.64 μm 時 ，pmax與增長趨勢更為明顯。實驗表明不同的預(yù)點火湍流強度條件下，爆炸參數(shù)對D32的敏感度與D32大小范圍密切相關(guān)，D32在一定范圍內(nèi)對pmax和影響顯著。

（3） 為了與正戊烷純氣相爆炸參數(shù)對比，在罐體恒溫45℃條件下，對500 g/m3的正戊烷云霧進行爆炸實驗（氣動噴霧壓力為0.8 MPa）。經(jīng)檢測，D32＜1 μm，即云霧接近純氣相的正戊烷/空氣混合物。圖12給出了在湍流強度約為4 m/s條件下，正戊烷純氣相和不同粒徑云霧爆炸參數(shù)結(jié)果。相同湍流強度下及濃度下，存在著使正戊烷云霧爆炸強度顯著增大的平均粒徑（D32≈8.64 μm）。Williams[12]和Polymeropoulos[26]曾預(yù)測，當(dāng)5 μm＜D32＜15 μm時，云霧爆炸強度及燃燒速率顯著增大，這個范圍即“轉(zhuǎn)變區(qū)域”（transition range），與本文實驗結(jié)果吻合。

圖10 湍流均方根速度（vrms）與超壓峰值（pmax）的關(guān)系Fig. 10 Relationship between root-mean-square velocities(vrms) and maximum overpressure (pmax)

圖11 湍流均方根速度（vrms）與最大超壓上升速率（）的關(guān)系Fig. 11 Relationship between root-mean-square velocities (vrms)and maximum increasing rate of overpressure ()

圖12 不同粒徑正戊烷云霧爆炸超壓（vrms）及最大壓力上升速率（）對比（vrms=4 m/s)Fig. 12 Comparison of root-mean-square velocities (vrms) and maximum increasing rate of overpressures () at different particle size (vrms=4 m/s)

2.4 湍流對云霧爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

云霧爆炸火焰?zhèn)鞑サ奈锢磉^程主要包括點火、火焰?zhèn)鞑パ舆t、火焰加速傳播及火焰消亡（超壓上升及壓力衰減）等階段。圖13給出了云霧爆炸實驗得到的典型爆炸超壓歷程，其中云霧爆炸火焰?zhèn)鞑パ舆t是云霧爆炸過程中一個典型的特征。如圖14所示，點火延遲時間為150 ms條件下，正戊烷云霧的火焰?zhèn)鞑パ舆t時間t*≈57 ms。這是由火核熱擴散導(dǎo)致的云霧氣相暗燃、液滴預(yù)熱蒸發(fā)及多點預(yù)燃，并最終形成云霧擴散燃燒的一系列傳質(zhì)傳熱過程導(dǎo)致的。

湍流均方根速度對爆炸火焰?zhèn)鞑パ舆t時間的影響趨勢如圖15所示。湍流均方根速度vrms在1～6.2 m/s范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑パ舆t時間隨湍流強度呈非線性增長；其增長趨勢可分為2個階段：火焰?zhèn)鞑パ舆t時間的低增長階段，vrms處于1～4 m/s；火焰?zhèn)鞑パ舆t時間的高增長階段，vrms處于4～6.2 m/s?；鹧?zhèn)鞑パ舆t時間在其相應(yīng)的兩個湍流范圍內(nèi)呈線性增長。分析可知，vrms的增加，加速了云霧液滴群的整體蒸發(fā)速率，即增加了云霧場內(nèi)的吸熱效應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)物放熱及熱擴散速度及效率降低。

圖13 云霧爆炸過程典型的超壓歷程Fig. 13 Aerosols explosion process

圖14 正戊烷云霧爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程Fig. 14 Flame propagation process on n-pentane/air aerosols

圖15 湍流均方根速度（t*）與火焰?zhèn)鞑パ舆t時間（vrms）的關(guān)系Fig. 15 Flame propagation delay time (t*) vs. root-mean-square velocities (vrms)

正戊烷云霧火焰?zhèn)鞑パ舆t時間t*與湍流強度vrms數(shù)學(xué)模型可由下式表示：

3 結(jié) 論

以正戊烷云霧為對象，研究了預(yù)點火湍流強度對云霧爆炸參數(shù)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1）對于圓柱形罐體對稱式的雙噴頭分散系統(tǒng)，流場特征與零平均速率湍流場具有相似性，即流場環(huán)境可近似認(rèn)定為零平均速率湍流場。在氣動噴霧壓力為0.4、0.6和0.8 MPa，噴霧時長為50 ms時，在100～250 ms內(nèi)，湍流均方根速度vrms處于1.0～6.2 m/s，平均湍流積分尺度處于48～72 mm，湍流最大湍流尺度的雷諾數(shù)處于8 000～15 000范圍內(nèi)，柯爾莫哥洛夫微尺度處于0.03～0.1 mm。

（2）無論粒徑大小，湍流強度的增加，能明顯增加云霧蒸發(fā)速率；對于較小的液滴群，隨湍流強度的增加，液滴群的蒸發(fā)速率有更為明顯的提升，云霧蒸發(fā)速率和湍流強度具有數(shù)學(xué)模型關(guān)系。

（3） 正戊烷云霧爆炸超壓峰值與最大壓力上升速率均隨著湍流強度呈線性增加。隨著湍流強度的增加，云霧平均特征粒徑為14.51和21.21 μm時，超壓峰值與最大壓力上升速率增長趨勢一致，而平均特征粒徑為8.64 μm時，超壓峰值與最大壓力上升速率增長趨勢更為顯著。

（4）在相同湍流強度環(huán)境下，平均粒徑為8.64 μm時的正戊烷云霧爆炸強度發(fā)生顯著提升現(xiàn)象，即實驗驗證存在云霧爆炸的“轉(zhuǎn)變區(qū)域”（transition range）。

（5）對于正戊烷SMDs在8～22 μm范圍內(nèi)，湍流對火焰?zhèn)鞑パ舆t時間影響趨勢相近；湍流均方根速度處于1.0～4.0 m·s-1時為火焰?zhèn)鞑パ舆t時間的低增長階段，處于4.0～6.2 m/s時為火焰?zhèn)鞑パ舆t時間的高增長階段，湍流強度與火焰?zhèn)鞑パ舆t時間在其相應(yīng)的兩個湍流強度階段范圍內(nèi)呈線性增長。但值得注意的是高湍流均方根速率條件下，雖然增加火焰?zhèn)鞑パ舆t階段的時間，但隨后的火焰加速傳播階段（即超壓上升階段）加速顯著，時間縮短。