蔣新生，余彬彬，徐建楠，王文和，姜俊澤，趙亞東

（1 中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶401331； 2 中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京100036；3重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶401331）

引 言

油料是軍事領(lǐng)域和國民經(jīng)濟發(fā)展中重要的戰(zhàn)略能源物資，但油氣的易燃易爆性質(zhì)往往造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。受限空間油氣爆炸是典型的油料安全事故之一，具有爆炸傳播快、強度大、衰減慢的特點[2]。油料中汽油輕質(zhì)組分多、熱值高、極易揮發(fā)，受限空間汽油蒸氣爆炸危險性尤其高[3]。因而，探究受限空間汽油蒸氣爆炸的中間基團分布對于分析爆炸的產(chǎn)生和發(fā)展，進而研究受限空間汽油蒸氣爆炸防控技術(shù)尤為重要。

傳統(tǒng)的流場診斷技術(shù)，如傳感器測壓、熱電偶測溫、皮托管測速等方法，都對流場產(chǎn)生干擾作用，從而限制了可燃介質(zhì)燃燒爆炸測量過程中一些細節(jié)參數(shù)如火焰精細結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵組分分布、流場演變特征的獲取。隨著片激光和光譜成像技術(shù)的進步，高分辨率自由基熒光譜及其成像技術(shù)逐漸成為可燃物著火燃燒研究的重要手段[4]，從而為獲取上述細節(jié)參數(shù)提供了良好的技術(shù)支撐。利用平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）系統(tǒng)，國外加州理工學(xué)院[5-7]、首爾大學(xué)[8]、密歇根大學(xué)[9]，國內(nèi)中國科學(xué)院[10-11]、國防科技大學(xué)[12]、天津大學(xué)[13-14]、北京航空航天大學(xué)[15-16]、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)[17-18]、西安交通大學(xué)[19-20]、中國空氣動力研究與發(fā)展中心[21-23]等研究機構(gòu)的相關(guān)學(xué)者開展了一系列可燃物著火燃燒流場研究。PLIF 通過激光激發(fā)分子、自由基使其產(chǎn)生能級躍遷發(fā)出熒光，根據(jù)發(fā)光信號得到基團的時空分布信息，可實現(xiàn)燃燒流場的無干擾診斷。

當(dāng)前研究中，PLIF 技術(shù)較多應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)火焰的燃燒場診斷，如蘇鐵等[21-25]都是針對穩(wěn)態(tài)燃燒火焰進行研究，很多研究對象是甲烷、丙烷、氫氣等單分子氣態(tài)燃料。然而，汽油蒸氣爆炸過程是典型的復(fù)雜混合可燃介質(zhì)預(yù)混燃燒傳播過程，無論是可燃介質(zhì)的類別和還是燃燒過程的特征均與穩(wěn)態(tài)工況存在差別[26-27]。有必要通過PLIF 技術(shù)精準測量油料著火爆炸過程中的關(guān)鍵自由基團，從而獲取爆炸過程中流場演變特征和自由基團分布，并據(jù)此實現(xiàn)對爆炸流場、火焰?zhèn)鞑サ木_分析。

本文基于先進的平面激光誘導(dǎo)熒光測量技術(shù)（PLIF），設(shè)計構(gòu)建了油氣爆炸PLIF 測量系統(tǒng)，對不同工況下狹長受限空間汽油-空氣混合氣爆炸中OH基團濃度分布進行了實驗研究。

1 實驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 實驗系統(tǒng)的構(gòu)建

本文設(shè)計了狹長受限空間油氣爆炸PLIF 測量系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖1 油氣爆炸PLIF測量系統(tǒng)總圖Fig.1 General experimental setup of PLIF testing system for oil and gas explosion flow field

矩形管道模擬實際場景中的充滿油氣的場所；壓力采集系統(tǒng)測量管道內(nèi)三個位置處的油氣爆炸壓力變化；濃度測量系統(tǒng)與管道形成閉合回路，用于測試管道內(nèi)油氣濃度；循環(huán)配氣系統(tǒng)也與管道形成回路，用于向管道充入油氣；激光器系統(tǒng)發(fā)出能夠激發(fā)OH 的脈沖激光，使OH 基發(fā)光；時序控制器在接收到觸發(fā)信號之后，會同時完成激光器開啟、點火器點火、ICCD 采集三個測量過程中的關(guān)鍵操作；高速相機對火焰圖像進行拍攝記錄，此外也用于脈沖激光發(fā)射時刻與ICCD 采集時刻的同步較準輔助，高速相機的啟動通過遠程計算機進行控制。

本實驗所采用的汽油為國Ⅴ標準的中石化92號車用汽油，其組成成分的體積分數(shù)如表1 所示[28]，油氣濃度（體積分數(shù)）1.8%在當(dāng)量比濃度附近。實驗時，首先通過本課題組設(shè)計的循環(huán)配氣系統(tǒng)[29-30]向管道內(nèi)充入油氣，而后通過濃度測試儀實時測量油氣濃度值，待達到需求的濃度后停止充油，經(jīng)過繼續(xù)循環(huán)一段時間油氣濃度達到穩(wěn)定；然后手動觸發(fā)信號源，由時序控制器分別控制激光器開啟時刻、高速相機拍攝開始時刻、ICCD拍攝開始時刻、點火器點火時刻，實現(xiàn)在燃燒流場某個位置處，脈沖激光出現(xiàn)、ICCD 拍攝、高速相機拍攝三者的時刻同步，具體時序控制設(shè)計見下文；壓力采集系統(tǒng)由手動控制開始與否，實驗中在點火前預(yù)先采集，在爆炸完之后停止采集，以保證采集到全時段的壓力信號。

表1 油氣組分構(gòu)成Table 1 Components of the fuel

本實驗系統(tǒng)中濃度測試儀采用北京均方理化科技研究所生產(chǎn)的GXH-1050 型紅外線分析儀，通過紅外吸收原理測量碳氫化合物的體積分數(shù)，精度0.01%。經(jīng)過多次試驗，循環(huán)配氣系統(tǒng)向管道內(nèi)充油穩(wěn)定后的油氣濃度有很高的重復(fù)性，重復(fù)性試驗油氣濃度值如表2所示。

1.2 油氣點火與PLIF測量的同步觸發(fā)控制研究

激光器發(fā)出的脈沖激光脈寬約為10 ns，脈沖頻率為10 Hz，寬約為4 cm；而ICCD 拍攝的頻率為1 Hz；不同于穩(wěn)態(tài)燃燒，在本文所構(gòu)建的長1 m的管道腔體中，爆炸火焰的傳播是動態(tài)的，其傳播速度可達10 m/s，油氣濃度1.8%時的傳播過程持續(xù)約200 ms；但受實驗條件限制，激光所穿過的玻璃窗寬度僅為6 cm。由此可見，要想準確捕捉到爆炸火焰中的OH 基，需要在火焰鋒面經(jīng)過玻璃窗的時間段內(nèi)（約8～12 ms），恰好使脈寬10 ns 的脈沖激光出現(xiàn)一個脈沖，穿過火焰區(qū)，并使ICCD 在激光出現(xiàn)的10 ns內(nèi)拍攝一張圖像。另外，激光器發(fā)出的前20個脈沖由于能量不穩(wěn)定，故不能被使用。在開展實驗時，點火器的點火時刻直接影響火焰?zhèn)鞑ミ^程，激光器的開啟時刻直接影響脈沖激光是否能穿過火焰區(qū)，ICCD 的開啟時刻直接影響對OH 基熒光特征的抓拍，因此必須設(shè)計精確到毫秒量級的時序控制系統(tǒng)控制上述三者，從而實現(xiàn)爆炸流場中OH 基的準確測量。高速相機的拍攝幀頻很高，可拍攝火焰?zhèn)鞑サ倪B續(xù)圖像，但也需要時序控制系統(tǒng)控制，以實現(xiàn)拍攝時刻的同步。

表2 重復(fù)性試驗油氣濃度值Table 2 Oil gas concentrations of the repeatability test

為了在爆炸流場的OH 基測量中實現(xiàn)激光器發(fā)出激光、點火器點火、ICCD拍攝的時序控制，同時為了在點火器控制信號為短路信號的情況下實現(xiàn)遠程啟動，進行了油氣點火與PLIF 測量的同步觸發(fā)控制研究，本文自行設(shè)計了一套時序參數(shù)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

該系統(tǒng)包含兩臺數(shù)字延時觸發(fā)器DG535 和數(shù)顯計數(shù)器DH48J，其中一號DG535 作為主控儀器，控制激光器、ICCD 和二號DG535 的觸發(fā)，二號DG535 控制高速相機和DH48J 的觸發(fā)，DH48J 延時后將接收到的電壓信號轉(zhuǎn)換為短路信號觸發(fā)點火器。時序控制系統(tǒng)原理如圖3所示。具體控制過程如下：

（1）實驗開展前，先用高速相機（拍攝頻率為2000 Hz）記錄從點火頭放電到火焰?zhèn)鞑ブ罯H 基拍攝位置所經(jīng)歷的時間t1。

圖2 時序控制系統(tǒng)Fig.2 Timing control system

（2）利用一號DG535 時序控制器實現(xiàn)ICCD 相機（約1 Hz）和染料激光器（10 Hz）的同步，使激光器的出光時刻就是ICCD 相機的拍攝時刻。手動觸發(fā)一號DG535 發(fā)出信號，并同步將觸發(fā)信號傳遞給二號DG535，在一號DG535 的控制下延時t2后同時啟動激光器和ICCD相機，此時暫時令t2=t1。

（3）二號DG535接收到觸發(fā)信號后，經(jīng)延時t3后同時輸出脈沖控制信號到高速相機和DH48J，高速相機（2000 Hz）開始工作，脈沖信號頻率設(shè)定與脈沖激光頻率相同。通過調(diào)整t3，保證ICCD 和高速相機同步拍攝，方法是將ICCD 與高速相機（2000 Hz）同時拍攝千分秒表，通過對比二者拍攝出的秒表讀數(shù)差異調(diào)整延遲時間t3。

（4）DH48J接收到觸發(fā)信號后，經(jīng)設(shè)定的延遲時間t4后觸發(fā)點火器點火。詳細來講，DH48J 有兩個作用，一是計數(shù)延時，記錄來自二號DG535 的低電平脈沖信號數(shù)量，二是將脈沖信號轉(zhuǎn)換為短路信號，遠程控制點火器的開關(guān)，當(dāng)記錄的脈沖數(shù)量達到設(shè)定值時，DH48J的輸出端閉合，實現(xiàn)遠程控制點火器點火。t4的值設(shè)定為計數(shù)20 個脈沖的時間，目的是避免拍攝到前20 個脈沖激光所經(jīng)過的火焰圖像。

（5）鑒于點火器響應(yīng)以及可能出現(xiàn)的電路對信號傳遞的延遲，根據(jù)高速相機（2000 Hz）的拍攝結(jié)果，對比火焰出現(xiàn)時刻與最近一個激光脈沖出現(xiàn)時刻的差異，據(jù)此調(diào)整ICCD 相機與激光器的延遲啟動時間t2，使火焰出現(xiàn)、脈沖激光出現(xiàn)、ICCD 相機拍攝、高速相機拍攝同步，最終捕捉到OH 在282.522 nm激光作用下的熒光信號。

圖3 時序控制原理Fig.3 Principle of the time control

2 實驗結(jié)果

2.1 著火爆炸初期OH的變化規(guī)律

利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF），測量了動態(tài)燃燒場中OH 基的變化規(guī)律。經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)油氣爆炸實驗具有較好的重復(fù)性，火焰?zhèn)鞑サ囊?guī)律較一致。圖4 是1.8%油氣濃度下四次重復(fù)試驗得到的點火后12 ms 時的火焰圖像，均呈現(xiàn)為指形火焰、有明顯的內(nèi)外焰分區(qū)，且火焰位置一致。因此可以認為，不同重復(fù)實驗的火焰結(jié)構(gòu)、火焰位置均具有較高的相似性。

圖4 重復(fù)實驗拍攝的12 ms時的火焰圖像Fig.4 Flame images taken in repeated experiments at 12 ms

圖5 著火初期不同時刻火焰中OH基的分布及火焰圖像Fig.5 Distribution of OH radical in flame and flame images at different times in the initial period of deflagration

本文測量OH 基時，通過時序控制子系統(tǒng)調(diào)整點火器不同的點火時刻，獲得了火焰?zhèn)鞑ブ敛煌恢玫腛H 基分布圖，如圖5 所示，該圖是點火后的爆燃初期，火焰由弱到強的動態(tài)發(fā)展過程中OH 基的分布情況，上下兩側(cè)的深紅色條狀結(jié)構(gòu)表示管道壁面。

可以看出，在起爆階段OH 基集中分布在半球形火焰鋒面上，已燃區(qū)域OH 濃度相對較低，可以以O(shè)H 基團集中分布區(qū)作為已燃區(qū)域和未燃區(qū)域交界面。根據(jù)圖5（a）～（d）中OH 所示的火焰結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)油氣在點燃后，火焰面沿徑向和軸向以均衡速度傳播，形成了圖5（a）所示的半球形火焰；而后火焰在化學(xué)反應(yīng)的作用下沿軸向和徑向加速傳播，其中越靠近中軸線和火焰尾部，加速現(xiàn)象越明顯，因而形成了圖5（b）所示的上窄下寬的尖錐形火焰；由于受到管壁的限制，火焰在徑向上傳播受阻，徑向速度逐漸減至很小，此時火焰主要沿軸向進行拉伸，OH基集中于火焰前沿鋒面，形成了圖5（c）所示的火焰結(jié)構(gòu)。隨著火焰進一步傳播，徑向火焰面與管壁之間形成了一條“隔離帶”，圖中流場各點的徑向傳播速度基本相同，徑向火焰鋒面上的OH 基濃度較之前有所增加，形成了圖5（d）所示的平行火焰結(jié)構(gòu)。

對圖5(c)～(d)的變化過程進行分析。火焰的傳播能夠造成未燃氣體沿火焰鋒面法線方向運動，火焰鋒面前方未燃氣體受到壓縮，油氣濃度升高?；鹧嬖趶较蛏弦泊嬖谶@種運動，因此火焰上下邊緣與管道壁面之間的未燃氣體被壓縮，油氣濃度變大，油氣分子熱解氧化后產(chǎn)生的OH 基濃度增多，并集中在火焰鋒面處。但與此同時當(dāng)濃度高于一定限度時，油氣-空氣混合氣燃燒變得很慢。由于火焰鋒面前方未燃區(qū)的油氣濃度逐漸增大，未燃區(qū)與已燃區(qū)的物質(zhì)輸運強度增大，未燃油氣在濃度梯度作用下逐漸反向擴散進入已燃區(qū)，當(dāng)油氣濃度降低之后，徑向火焰前端繼續(xù)維持燃燒，大量油氣分子分解，OH 基濃度增大。徑向火焰的這種傳播性質(zhì)造成圖5（d）中的火焰徑向傳播速度變得很慢。最終不同流場區(qū)域的徑向火焰鋒面達到同一水平，導(dǎo)致鋒面與壁面間“隔離帶”的形成。需要提到的一點是，“隔離帶”會隨著燃燒的進行逐漸變窄直至消失。

圖6 不同時刻片狀激光區(qū)域內(nèi)OH基平均熒光強度的變化Fig.6 Variation of average LIF intensity of OH radical in the laser sheet region at different time

圖6 是觀察區(qū)域內(nèi)不同時刻OH 基熒光強度的變化規(guī)律。油氣點燃時刻，大量油氣分子熱解、氧化，生成的OH 基數(shù)量相對較多，且分布較為集中；隨后火焰沿管道軸向和徑向向外擴散，由于受到傳熱傳質(zhì)效應(yīng)的影響，火焰與未燃氣體進行熱交換和物質(zhì)輸運，并向外輻射能量，造成火焰溫度降低，油氣燃燒強度減弱，OH 基濃度減小，熒光強度減弱（3 ms），但燃燒面積增大；然而隨著火焰的傳播，越來越多的未燃氣體進行燃燒反應(yīng)，釋放的熱量逐漸累積增大，在鏈反應(yīng)的作用下更多活化基團產(chǎn)生，在此基礎(chǔ)上，油氣燃燒反應(yīng)又逐漸變得劇烈，OH 基產(chǎn)量增加，因此其熒光強度逐漸增大（3～8 ms）。隨后在化學(xué)動力學(xué)的驅(qū)動下，更多OH 基經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，其熒光強度也更強（12 ms）。

2.2 不同位置的OH基濃度分布

狹長受限空間的油氣爆炸是一個動態(tài)發(fā)展的燃燒過程，由于受到燃燒反應(yīng)的影響，火焰結(jié)構(gòu)也不斷變化，從而導(dǎo)致不同空間位置處燃燒區(qū)域的火焰特征出現(xiàn)較明顯的差異。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，火焰結(jié)構(gòu)的演變特征同時受燃燒反應(yīng)和流動瞬變的耦合影響，而先前研究者們著重分析了流動瞬變對火焰結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，針對燃燒反應(yīng)過程的分析相對欠缺，尤其是缺乏化學(xué)反應(yīng)進程的空間分布特征分析；因此本文通過對狹長封閉管道內(nèi)不同流場位置的火焰中OH 基團的分布進行測量，獲取了化學(xué)反應(yīng)的空間分布特征。在燃燒過程中，由于裂解而生成的氫、含氫的自由基及分子和氧所起的大部分反應(yīng)都能生成OH基，并釋放出大量的熱[31]。

圖7 流場內(nèi)不同位置的火焰中OH基的分布Fig.7 Distribution of OH radical in flames at different positions in flow field

圖7 是火焰?zhèn)鞑サ焦艿狼安?、中部和后部三處石英玻璃觀察窗時的OH 基分布狀態(tài)，觀察窗中心位置分別距點火端5 cm、50 cm、95 cm，每個圖中的上下紅色界線為壁面。圖7(c)是爆燃初期管道前部觀察窗內(nèi)火焰中的OH 基分布特征，OH 基主要集中在弧形的火焰鋒面上，說明氫、含氫的自由基及分子的氧化反應(yīng)主要發(fā)生在火焰外側(cè)的區(qū)域；圖7(b)是爆燃中期管道中部觀察窗內(nèi)火焰出現(xiàn)“Tulip”形狀時OH 基的分布特征，此時OH 不再僅僅集中在火焰鋒面上，而是分布在火焰前端各個區(qū)域，且越靠近管道壁面濃度越大，這說明氫或者含氫的分子的氧化反應(yīng)發(fā)生在整個火焰前端，壁面處的化學(xué)反應(yīng)更為強烈，且此時火焰與壁面之間也不存在“隔離帶”；圖7(a)是管道末端觀察窗內(nèi)爆燃后期火焰中的OH 分布特征，此時OH 主要分布在火焰前端靠兩側(cè)區(qū)域，從中間向上下兩側(cè)方向，OH 基分布范圍越來越廣，氫、含氫的自由基及分子的氧化反應(yīng)在整個火焰前端區(qū)域都在進行。

圖8 流場不同位置處片狀激光區(qū)域內(nèi)OH基平均熒光強度的變化Fig.8 Variation of average LIF intensity of OH radical in the laser sheet region at different positions of the flow field

圖9 相同位置不同油氣濃度下的OH基分布Fig.9 Distribution of OH radical in the same region under different oil gas concentrations

OH 基是由裂解生成的氫、含氫的自由基及分子氧化而來，OH 基濃度越來越大，說明燃燒過程發(fā)生了大量的裂解和氧化反應(yīng)。圖8是激光區(qū)域內(nèi)上述三個位置的火焰中OH 基平均熒光強度，熒光強度越強，表明OH 基濃度越大。從圖中可以看出，OH 基的LIF 強度隨著爆燃的發(fā)展越來越強，即火焰中的OH 基濃度越來越大，混合氣的裂解和氧化反應(yīng)越來越劇烈。OH 基熒光強度曲線斜率的大小反映了燃燒過程中裂解和氧化反應(yīng)劇烈程度變化的快慢，從圖中發(fā)現(xiàn)，相比于爆燃前期，爆燃后期反應(yīng)更為猛烈，更多油氣參與燃燒反應(yīng)，釋放的熱量也更大。

2.3 不同初始油氣濃度條件下的OH基濃度分布

初始油氣濃度是影響油氣爆炸性質(zhì)的一個主要因素。為探究不同初始油氣濃度造成火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓等爆炸性質(zhì)差異的原因，對1.1%、1.8%、2.4%三種油氣濃度（體積分數(shù)）下爆燃初期的OH 基分布進行了研究，以分析其燃燒機制和化學(xué)反應(yīng)特點。圖9是上述三種初始濃度下爆燃初期火焰中OH 基的分布情況。根據(jù)顏色深淺可以判斷，三種工況下OH 基濃度的大小關(guān)系為：1.8%＞1.1%＞2.4%。1.1%濃度下，OH 基在火焰鋒面上的分布較為均勻，說明火焰鋒面各處的化學(xué)反應(yīng)劇烈程度相當(dāng)，火焰向四周方向上的傳播速度相差不大，造成火焰呈近似的半球形。1.8%濃度下，OH 基大量集中在火焰鋒面前端，說明前端化學(xué)反應(yīng)十分劇烈，火焰在軸向上呈明顯的加速傳播趨勢，形成了類似于山峰形狀的火焰結(jié)構(gòu)。2.4%濃度下，OH 基僅在火焰鋒面上有較弱的分布，油氣燃燒化學(xué)反應(yīng)很弱，火焰不能快速向外擴散。

3 結(jié) 論

（1）設(shè)計搭建了油氣爆炸PLIF 測量系統(tǒng)，通過設(shè)計的時序控制子系統(tǒng)解決了點火系統(tǒng)點火、激光器脈沖激光發(fā)出、ICCD 拍攝相互之間的時間延遲問題，實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)預(yù)混燃燒中OH基的瞬態(tài)測量。

（2）基于PLIF 系統(tǒng)，測量了不同工況下爆炸流場中OH 基的濃度大小及分布情況，分析了不同時刻、不同油氣濃度、不同流場位置的OH 基發(fā)光強度。結(jié)果表明，1.1%～2.4%油氣濃度之間，OH 基濃度先增大后減小；隨著火焰的傳播發(fā)展，OH 基濃度不斷變大，說明爆炸在不斷強化；爆燃前期OH 基主要分布在火焰外沿，爆燃中期分布在Tulip火焰中的各處，爆燃后期分布在火焰前端，這說明不同爆燃階段的燃燒反應(yīng)區(qū)域有較大差異；爆燃前期火焰與壁面之間有“隔離帶”，這是由未燃氣濃度增大導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑プ兟慕Y(jié)果。