李國(guó)慶，杜揚(yáng)，白潔，武軍，李孟源，吳曉澍，朱亮

（163926部隊(duì)，北京100192； 2 陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶401311； 3 東聯(lián)學(xué)校，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017099）

引 言

在化工領(lǐng)域，可燃?xì)怏w爆炸事故時(shí)有發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來巨大的危害。如2019 年10月27日，湖南省永州市遠(yuǎn)軍熱能動(dòng)力科技公司超級(jí)氣體動(dòng)能技術(shù)增滲提產(chǎn)車載實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)生爆炸，造成5 人死亡，3 人失聯(lián)，5 人受傷；2019 年6 月26 日，尉氏縣旭梅生物科技有限公司天然香料提取車間發(fā)生爆炸事故，造成6 人死亡，5 人受傷；2013 年11月，青島市石油管線爆炸，62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失75172萬元。

以往研究表明，可燃?xì)怏w如果在管道、油料洞庫、隧道、礦井等受限空間內(nèi)發(fā)生爆燃，火焰在傳播過程中一旦受到障礙物的擾動(dòng)，火焰將會(huì)在障礙的激勵(lì)作用下，迅速向湍流火焰轉(zhuǎn)變，極大提升火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝簭?qiáng)度，可誘導(dǎo)爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變，極大增強(qiáng)爆炸的破壞性[1-33]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)受限空間內(nèi)障礙物對(duì)可燃?xì)怏w爆炸傳播特性影響展開了大量的研究，研究重點(diǎn)主要集中在障礙物阻塞率、障礙物數(shù)量、障礙物位置、障礙物間距等對(duì)爆炸傳播特性的影響[1,4,8,13,23,27]。研究結(jié)果表明隨著障礙物阻塞率和數(shù)量的增大，可燃?xì)怏w爆炸過程火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最大超壓峰值和升壓速率?huì)得到顯著的強(qiáng)化，但是當(dāng)阻塞率超過一定界限以后，反而可能對(duì)爆炸產(chǎn)生弱化作用[26]。此外，隨著障礙物與點(diǎn)火端距離的增大，最大爆炸超壓峰值和火焰?zhèn)鞑ニ俣纫渤尸F(xiàn)先上升再下降的變化規(guī)律，且相鄰障礙物間距對(duì)爆炸的影響規(guī)律與之類似[8,13]。此外，障礙物形狀對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性也有影響，張雷等[33]實(shí)驗(yàn)研究了管道內(nèi)障礙物形狀、尺寸對(duì)瓦斯爆炸特性的影響，研究表明在相同阻塞比下，平板、三棱柱對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝河绊戄^大，長(zhǎng)方體次之，四棱柱、圓柱最?。籝u 等[25]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段研究了正方形、三角形和圓形通道形狀平板障礙物對(duì)半封閉管道內(nèi)甲烷氣體爆炸特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三角形通道形狀障礙物能誘導(dǎo)產(chǎn)生最劇烈的湍流火焰強(qiáng)度、最高的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝?，而圓形通道障礙物對(duì)爆炸的提升程度最小。然而目前針對(duì)障礙物形狀對(duì)可燃?xì)怏w爆炸傳播特性影響規(guī)律的報(bào)道并不多見，且研究對(duì)象基本都為瓦斯-空氣預(yù)混氣體[25,34-36]。

鑒于此，本文基于自行設(shè)計(jì)的可視化油氣爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過改變平板障礙物通道形狀，分別采用初始油氣濃度為1.3%（低）、1.7%（中）和2.1%（高）三種油氣[37]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)探究平板障礙物通道形狀對(duì)油氣爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懸?guī)律，以期為石油化工等行業(yè)可燃?xì)怏w燃燒與爆炸安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由有機(jī)玻璃方管、高速攝影儀、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、碳?xì)錆舛葴y(cè)試系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、平板障礙物等組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑為100 mm×100 mm，總長(zhǎng)1000 mm，最大承壓1.5 MPa。管道右側(cè)端部連接鋼制盲板，盲板可安裝點(diǎn)火頭和壓力傳感器，在管道上壁面開有如圖2 所示的螺紋孔，可連接碳?xì)錆舛葴y(cè)試儀和配氣裝置，在管道中部安裝一片阻塞率約為72%的正方形平板障礙物，障礙物邊長(zhǎng)為100 mm，厚度都為3 mm。高速攝影儀型號(hào)為FASTCAM-ultima 512（1000 幀/秒）。壓力傳感器型號(hào)為ZXP660 高頻瞬態(tài)壓力傳感器，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為成都泰斯特公司的DAP7.10。點(diǎn)火系統(tǒng)為定制抗干擾點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火能量范圍為2～20 J。點(diǎn)火頭安放在盲板中間位置，壓力傳感器距離點(diǎn)火頭20 mm。汽油蒸氣由配氣系統(tǒng)產(chǎn)生，在真空泵的作用下，空氣在密閉管道和液態(tài)汽油容器中循環(huán)，產(chǎn)生初始油氣混合物，此時(shí)閥門1、2、3、5打開，閥門4關(guān)閉（閥門編號(hào)見圖1）。當(dāng)油氣在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)一定時(shí)間后，再關(guān)閉閥門2和3，打開閥門4，讓系統(tǒng)內(nèi)混合氣體循環(huán)大約3 min，使氣體混合均勻，并采用碳?xì)錆舛葴y(cè)試儀監(jiān)測(cè)初始油氣濃度，確保達(dá)到預(yù)設(shè)值。

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

圖2 主實(shí)驗(yàn)臺(tái)架圖（俯視圖）Fig.2 Diagram of main experimental platform(vertical view)

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

分別采用如圖3所示的五種不同通道形狀平板障礙物進(jìn)行油氣爆炸實(shí)驗(yàn)，障礙物通道尺寸見表1，障礙物阻塞率約為72%，障礙物安裝位置距離點(diǎn)火端500 mm。向管道內(nèi)充入油氣之前，管道開口端部采用很薄的聚乙烯薄膜進(jìn)行密封，確保實(shí)驗(yàn)管道的良好密閉性，實(shí)驗(yàn)測(cè)得聚乙烯薄膜破膜壓力約為4.1 kPa，對(duì)爆炸流場(chǎng)的影響很微小。分別采用初始濃度為1.3%（低濃度）、1.7%（中濃度）、2.1%（高濃度）的油氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，三種油氣濃度分別對(duì)應(yīng)富氧、最佳當(dāng)量比和貧氧工況[38]，在管道右側(cè)盲板安裝一支壓力傳感器監(jiān)測(cè)爆炸過程超壓-時(shí)序曲線，并采用高速攝影儀記錄火焰?zhèn)鞑ミ^程。點(diǎn)燃油氣前讓管道內(nèi)氣體靜置30 s，確保油氣混合均勻，點(diǎn)火能量為6 J，初始溫度和壓力分別為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度和當(dāng)?shù)卮髿鈮?，每組實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行3～4次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

表1 障礙物通道尺寸Table 1 Size of obstacle channel

2 結(jié)果分析與討論

2.1 障礙物通道形狀對(duì)爆炸超壓隨時(shí)間變化規(guī)律的影響

圖3 五種不同通道形狀平板障礙物（厚度：3 mm）Fig.3 Five kinds of flat obstacles with different channel shapes(thickness:3 mm)

圖4 五種通道形狀障礙物工況下超壓隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.4 Overpressure vs time under five kinds of flat obstacles with different channel shapes

圖4 為低、中、高三種初始油氣濃度工況下，管道內(nèi)安裝不同通道形狀障礙物時(shí)超壓隨時(shí)間變化規(guī)律曲線。從圖4可見，在三種初始油氣濃度下，五種不同通道形狀障礙物工況超壓隨時(shí)間變化規(guī)律基本一致，可分為6個(gè)階段，如圖4（b）所示。在階段①，油氣爆炸處于初始階段，超壓隨時(shí)間推移緩慢上升；在階段②，超壓突然下降，這是管道薄膜瞬時(shí)破裂泄壓導(dǎo)致；在階段③，超壓又開始回升，但上升速率依然比較慢；在階段④，超壓急劇上升，并很快達(dá)到最大爆炸超壓峰值；在階段⑤，超壓急速下降，并達(dá)到最小值；在階段⑥，超壓呈現(xiàn)出類似“簡(jiǎn)諧振蕩”的變化趨勢(shì)，并且振幅逐漸減小直至趨近于0。同時(shí)，各工況的超壓-時(shí)序曲線在演變過程中，都存在三個(gè)明顯的峰值pv、pmax、pneg，如圖4（a）所示。其中pv是由管道開口端薄膜瞬時(shí)破裂引起的，文獻(xiàn)將這個(gè)壓力峰值定義為“泄壓峰值”[39]；pmax的產(chǎn)生原因與未燃?xì)怏w反應(yīng)速率及泄爆速度有關(guān)，其形成機(jī)理和數(shù)值大小的變化比pv更為復(fù)雜；pneg可能是由管道內(nèi)氣體泄放到管道外部之后在管道內(nèi)形成短期“真空腔”所引起[37,40]。由上述分析可見，障礙物通道形狀對(duì)超壓隨時(shí)間變化規(guī)律影響效應(yīng)較小。

2.2 障礙物通道形狀對(duì)最大爆炸超壓峰值影響

圖5 所示是1.3%（低）、1.7%（中）、2.1%（高）三種初始油氣濃度下，最大爆炸超壓峰值隨障礙物通道形狀的變化關(guān)系，可表征不同初始油氣濃度工況下障礙物通道形狀對(duì)最大爆炸超壓峰值的貢獻(xiàn)度大小。從圖5 可見（圖5 中橫坐標(biāo)數(shù)字表示三種不同初始油氣濃度工況下，不同通道形狀障礙物對(duì)爆炸超壓峰值的影響大小順序），在不同初始油氣濃度工況下，障礙物通道形狀對(duì)油氣爆炸最大超壓峰值的影響規(guī)律存在差異。從定性角度來看，初始油氣濃度為1.3%時(shí)，三角形、梯形、圓形、正方形、矩形通道障礙物對(duì)最大爆炸超壓峰值的貢獻(xiàn)度依次增大；初始油氣濃度為1.7%時(shí)，梯形、圓形、三角形、正方形、矩形通道障礙物對(duì)最大爆炸超壓峰值的貢獻(xiàn)度依次增大；初始油氣濃度為2.1%時(shí)，梯形、正方形、圓形、三角形、矩形對(duì)最大爆炸超壓的貢獻(xiàn)度依次增大。但是明顯可見，對(duì)于低、中、高三種油氣濃度工況，矩形通道對(duì)最大爆炸峰值的影響都是最顯著的。此外，在三種初始油氣濃度下，不同通道形狀障礙物對(duì)最大超壓峰值的形成時(shí)間的影響也存在差異，如圖6 所示。具體而言，初始油氣濃度為1.3%時(shí)，形成最大爆炸超壓峰值的時(shí)間按照通道形狀圓形、梯形、矩形、三角形、正方形的順序遞增；初始油氣濃度為1.7%時(shí)，形成最大爆炸超壓峰值時(shí)間按照通道形狀正方形、三角形、矩形、梯形、圓形的順序遞增；而初始油氣濃度為2.1%時(shí)，形成最大爆炸超壓峰值的時(shí)間按照三角形、矩形、圓形、梯形、正方形的順序遞增。并且，當(dāng)濃度為1.3%和1.7%時(shí)，不同通道形狀障礙物工況形成最大爆炸超壓峰值的時(shí)間差異并不大，而濃度為2.1%時(shí)，各工況形成最大爆炸超壓峰值的時(shí)間差異顯著。此外，從圖6 可見，初始油氣濃度為1.7%時(shí)，對(duì)于五種不同通道形狀障礙物工況，其形成最大爆炸超壓峰值用時(shí)都比初始油氣濃度1.3%和2.1%工況更短。

圖5 五種通道形狀障礙物對(duì)最大爆炸超壓峰值的影響Fig.5 Effects of five kinds of flat obstacles with different channel shapes on the overpressure peaks

圖6 五種通道形狀障礙物對(duì)形成最大爆炸峰值時(shí)間的影響Fig.6 Effects of five kinds of flat obstacles with different channel shapes on time to reach maximum overpressure peaks

從上述分析可見，在不同初始油氣濃度下，不同通道形狀障礙物對(duì)最大爆炸超壓峰值的影響程度并非完全一樣，僅從定性的角度很難確定各通道形狀障礙物對(duì)油氣爆炸的貢獻(xiàn)程度大小，為便于從定量的角度來探索其內(nèi)在規(guī)律，定義障礙物對(duì)油氣爆炸最大超壓峰值的貢獻(xiàn)率Φ，其表達(dá)式如式（1）所示

式中，pmax為某一種通道形狀障礙物工況的最大爆炸超壓峰值；(pmax)ave為某一初始油氣濃度工況下，五種通道形狀障礙物工況的最大爆炸超壓峰值的平均值。

根據(jù)式（1）的定義，計(jì)算得到表1所示各工況障礙物對(duì)油氣爆炸的貢獻(xiàn)率，其中負(fù)值代表超壓峰值小于平均值，正值代表超壓峰值大于平均值。從表2 可見，對(duì)于確定的某種初始油氣濃度工況，不同通道形狀障礙物對(duì)最大爆炸超壓峰值的貢獻(xiàn)率并非完全一致，規(guī)律性不明顯。但是，如果從整體的角度來分析，對(duì)各通道形狀障礙物在三種不同初始油氣濃度工況下的貢獻(xiàn)率求解平均值，可得到表2 所示貢獻(xiàn)率均值Φave，Φave的數(shù)值大小可從定量的角度表征不同通道形狀障礙物對(duì)最大爆炸超壓峰值的影響程度。從表2 可見，五種障礙物的Φave分別為-1.00%、-21.10%、-8.50%、27.40%、3.20%。因此，從整體角度來講，通道形狀為梯形、圓形、三角形、正方形、矩形的障礙物對(duì)油氣爆炸過程最大爆炸超壓峰值的影響程度依次增大。

表2 三種初始油氣濃度工況下不同通道形狀障礙物對(duì)油氣爆炸最大超壓峰值的貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rate of obstacles with different channel shapes to maximum overpressure peak value of gasoline-air explosion under three initial gasoline vapor concentration conditions

2.3 障礙物通道形狀對(duì)爆炸升壓速率的影響

圖7所示為五種通道形狀障礙物在三種初始油氣濃度工況下升壓速率隨時(shí)間變化規(guī)律，對(duì)于各工況而言，升壓速率隨時(shí)間變化規(guī)律和超壓隨時(shí)間變化規(guī)律相似。為便于對(duì)比分析，提取爆炸過程的最大升壓速率和平均升壓速率進(jìn)行分析，具體數(shù)值如表3所示。

圖7 五種通道形狀障礙物工況下升壓速率隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.7 Overpressure rise rate vs time under five kinds of flat obstacles with different channel shapes

從表3可見，對(duì)于最大升壓速率而言，當(dāng)初始油氣濃度為1.3%時(shí)，通道形狀為三角形、梯形、圓形、正方形、矩形的障礙物對(duì)最大升壓速率的影響程度逐漸增大；當(dāng)初始油氣濃度為1.7%時(shí)，通道形狀為梯形、圓形、三角形、正方形、矩形的障礙物對(duì)最大升壓速率的影響程度遞增；當(dāng)濃度為2.1%時(shí)，通道形狀為梯形、正方形、圓形、三角形、矩形的障礙物對(duì)最大升壓速率的影響程度依次增大。

對(duì)于平均升壓速率而言，初始油氣濃度1.3%時(shí)，通道形狀為三角形、梯形、圓形、正方形、矩形的障礙物對(duì)最大升壓速率的影響程度逐漸增大；對(duì)于初始油氣濃度1.7%工況，通道形狀為梯形、圓形、三角形、正方形、矩形的障礙物對(duì)最大升壓速率的影響程度遞增；對(duì)于初始油氣濃度為2.1%工況，通道形狀為梯形、圓形、正方形、三角形、矩形的障礙物對(duì)最大升壓速率的影響程度依次增大。

從上述分析可見，在不同初始油氣濃度下，不同通道形狀障礙物對(duì)油氣爆炸升壓速率的影響程度并非完全一樣，為便于從定量的角度來探索其內(nèi)在規(guī)律，定義障礙物對(duì)油氣爆炸升壓速率的貢獻(xiàn)率Θ，其表達(dá)式如式（2）所示。

表3 各工況最大升壓速率和平均升壓速率Table 3 Maximum overpressure rise rate and average overpressure rise rate of gasoline-air explosions under various conditions

表4 各工況油氣爆炸最大升壓速率和平均升壓速率的貢獻(xiàn)率Table 4 Contribution rates of maximum overpressure rise rate and average overpressure rise rate of gasoline-airexplosions under various conditions

式中，prate為某一種通道形狀障礙物工況的升壓速率（可分別代表最大升壓速率和平均升壓速率）；(prate)ave為某一初始油氣濃度工況下，五種通道形狀障礙物工況的升壓速率的平均值。

根據(jù)式（2）計(jì)算得到各工況下的升壓速率貢獻(xiàn)率，如表4所示，并計(jì)算得到各通道形狀障礙物在三種初始油氣濃度工況下的升壓速率貢獻(xiàn)率平均值Θave。分析表中數(shù)據(jù)可見，對(duì)于最大升壓速率而言，其升壓速率貢獻(xiàn)率平均值Θave按照梯形、圓形、三角形、正方形、矩形的順序依次增大，分別為-31.6%、-5.9%、-5.7%、2.9%、40.4%，從整體上表征了對(duì)最大升壓速率的影響程度大小。對(duì)于平均升壓速率而言，其升壓速率貢獻(xiàn)率平均值Θave按照梯形、圓形、正方形、三角形、矩形的順序依次增大，分別為-22.6%、-7.1%、0.4%、3.8%、28.5%，表征了對(duì)平均升壓速率的影響程度遞增。

2.4 障礙物通道形狀對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

2.4.1 對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響 為探究不同通道形狀障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的影響，選取初始油氣濃度為1.7%工況下的火焰圖像進(jìn)行分析。在圖8 中，根據(jù)火焰前鋒相對(duì)爆炸腔體的位置，選取了具有代表性的12 個(gè)時(shí)刻的火焰圖像。從圖8（a）～(e)可知，在火焰未接觸障礙物之前，各工況管道內(nèi)火焰形態(tài)基本一致，都為半球形和指尖形結(jié)構(gòu)，火焰鋒面光滑，火焰處于層流狀態(tài)。當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑ソ?jīng)過障礙物時(shí)，光滑的火焰鋒面結(jié)構(gòu)開始改變，火焰前端鋒面開始由指尖形變?yōu)殄F形，三角形和梯形通道障礙物工況對(duì)應(yīng)時(shí)刻為30 ms，其余三種障礙物工況下火焰接觸障礙物時(shí)間相對(duì)提前，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為29 ms。當(dāng)火焰前鋒穿過障礙物之后，火焰鋒面在障礙物下游管道內(nèi)形成柱狀結(jié)構(gòu)，并保持該形態(tài)傳播至管道口部。此后，管道內(nèi)火焰以射流狀態(tài)快速傳播至管道外場(chǎng)，誘導(dǎo)外部流場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生復(fù)雜的湍流變化，形成一系列渦旋，導(dǎo)致蘑菇狀火焰的形成。通過對(duì)比分析各工況火焰在管道出口附近的結(jié)構(gòu)可知，矩形通道障礙物誘導(dǎo)產(chǎn)生的湍流火焰最為明顯，其次為正方形、梯形、三角形和圓形。

2.4.2 對(duì)最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?圖9所示為實(shí)驗(yàn)所得低、中、高三種初始油氣濃度下各工況火焰最大傳播距離圖像和對(duì)應(yīng)的時(shí)間。表5為根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的各工況火焰最大傳播距離和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?。從?中數(shù)據(jù)可知，障礙物通道形狀和初始油氣濃度對(duì)最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣榷加杏绊憽?duì)最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x而言，初始油氣濃度為1.3%時(shí)，最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x按照?qǐng)A形、梯形、三角形、矩形、正方形的順序依次增大，分別為1.28、1.29、1.35、1.40、1.41 m，最大值相比最小值增幅為10.1%；初始油氣濃度為1.7%時(shí)，最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x按照?qǐng)A形、正方形、梯形、矩形、三角形的順序遞增，分別為1.48、1.53、1.54、1.55、1.58 m，最大值與最小值相差6.7%；初始油氣濃度為2.1%時(shí)，最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x按照?qǐng)A形、梯形、三角形、正方形、矩形的順序增大，分別為1.42、1.45、1.47、1.51、1.53 m，最大值與最小值相差7.7%。

圖9 低、中、高三種初始油氣濃度下各工況火焰最大傳播距離圖像Fig.9 Images of maximum flame propagation distance under three initial gasoline vapor concentrations

對(duì)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣榷?，初始油氣濃度?.3%時(shí)，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣劝凑請(qǐng)A形、三角形、梯形、正方形、矩形的順序遞增，分別為26.12、26.47、28.04、28.78、29.79 m/s，最大值相比最小值增長(zhǎng)了14%；初始油氣濃度為1.7%時(shí)，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣劝凑請(qǐng)A形、梯形、正方形、三角形、矩形順序依次增大，分別為42.29、43.06、43.71、43.89、44.29 m/s，最大值和最小值相差4.7%；初始油氣濃度為2.1%時(shí)，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣劝凑照叫巍⑻菪?、圓形、矩形、三角形的順序增大，分別為26.03、26.36、26.79、29.42、29.80 m/s，最大值與最小值相差14.5%。

從上述分析可見，在低、中、高初始油氣濃度工況下，障礙物通道形狀對(duì)最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懗潭炔⒎峭耆恢拢钱?dāng)初始油氣濃度接近當(dāng)量比時(shí)，障礙物通道形狀對(duì)最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸∮诘蜐舛群透邼舛裙r。上述現(xiàn)象可能是由于當(dāng)初始油氣濃度接近當(dāng)量比時(shí)，油氣爆炸過程化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)火焰?zhèn)鞑サ闹渥饔么笥谡系K物通道形狀對(duì)火焰?zhèn)鞑ブ渥饔靡鸬?。并且，總體而言，圓形通道障礙物的影響程度最小，矩形和正方形的影響程度相對(duì)較大。

表5 各工況火焰最大傳播距離和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣萒able 5 Maximum flame propagation distance and average flame propagation velocity under different conditions

3 結(jié) 論

基于自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了低、中、高三種初始油氣濃度工況下，不同通道形狀平板障礙物對(duì)油氣爆炸特性的影響實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

（1）障礙物通道形狀對(duì)油氣爆炸超壓-時(shí)序曲線的演變規(guī)律影響效應(yīng)較小。在低、中、高三種初始油氣濃度下，五種不同通道形狀障礙物工況的爆炸超壓-時(shí)序曲線隨時(shí)間的演變規(guī)律基本一致，其演變階段可分為6個(gè)階段，且超壓-時(shí)序曲線都存在三個(gè)明顯的峰值pv、pmax、pneg。

（2）通過定量分析可知，平板障礙物對(duì)油氣爆炸過程最大爆炸超壓峰值的影響程度按照通道形狀為“梯形—圓形—三角形—正方形—矩形”的障礙物依次升高；對(duì)油氣爆炸過程最大升壓速率的影響程度按照“梯形—圓形—三角形—正方形—矩形”的順序依次增大；而對(duì)平均升壓速率的影響程度按照“梯形—圓形—正方形—三角形—矩形”的順序遞增。

（3）在火焰未接觸障礙物之前，不同通道形狀平板障礙物對(duì)管道內(nèi)火焰形態(tài)基本沒影響，火焰形態(tài)保持半球形和指尖形結(jié)構(gòu)，火焰鋒面光滑，火焰處于層流狀態(tài)。當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑ソ?jīng)過障礙物后，矩形通道障礙物誘導(dǎo)產(chǎn)生的湍流火焰最為明顯，其次為正方形、梯形、三角形和圓形。

礦石結(jié)構(gòu)主要有他形粒狀結(jié)構(gòu)、半自形-自形粒狀結(jié)構(gòu)、半自形柱狀及針狀結(jié)構(gòu)、放射狀結(jié)構(gòu)、環(huán)帶結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)、顯微鱗片結(jié)構(gòu)、粒狀鋃嵌結(jié)構(gòu)等。礦石構(gòu)造主要有脈狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造、致密塊狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造、皺紋狀構(gòu)造、晶簇狀構(gòu)造等[6]。

（4）在低、中、高三種初始油氣濃度工況下，不同通道形狀障礙物對(duì)最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懗潭炔⒎峭耆恢?，但是?dāng)初始油氣濃度接近當(dāng)量比時(shí)（約為1.7%），障礙物通道形狀對(duì)最大火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸∮诘蜐舛群透邼舛裙r，且總體而言圓形通道平板障礙物的影響程度最小，矩形和正方形的影響程度相對(duì)較大。

符 號(hào) 說 明

a——正方形通道邊長(zhǎng)長(zhǎng)度，mm

a1——矩形通道長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，mm

a2——矩形通道短邊長(zhǎng)度，mm

a3——梯形通道下底長(zhǎng)度，mm

a4——梯形通道上底長(zhǎng)度，mm

b——正三角行通道邊長(zhǎng)長(zhǎng)度，mm

h——梯形通道高，mm

pmax——最大爆炸超壓峰值,kPa

(pmax)ave——最大爆炸超壓峰值的平均值，kPa

pneg——負(fù)壓峰值,kPa

prate——升壓速率，MPa/s

(prate)ave——升壓速率的平均值，MPa/s

pv——泄壓峰值，kPa

r——圓形通道半徑，mm

(Sf)ave——平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?，m/s

Θ——障礙物對(duì)油氣爆炸升壓速率的貢獻(xiàn)率，%

Θave——障礙物對(duì)油氣爆炸升壓速率的貢獻(xiàn)率平均值，%

Φ——障礙物對(duì)油氣爆炸最大超壓峰值的貢獻(xiàn)率，%

Φave——障礙物對(duì)油氣爆炸最大超壓峰值的貢獻(xiàn)率平均值，%

φ——油氣體積濃度,%