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        大尺度開敞空間油料蒸氣云爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑C(jī)制研究*

        2022-04-11 03:14:40李靜野蔣新生余彬彬王春輝王子拓
        爆炸與沖擊 2022年3期
        關(guān)鍵詞:臺(tái)架火焰藍(lán)色

        李靜野,蔣新生,余彬彬,王春輝,王子拓

        (中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系,重慶 401331)

        隨著我國(guó)石油化工技術(shù)的飛速發(fā)展,油料產(chǎn)品已經(jīng)滲透到社會(huì)的各行各業(yè),在對(duì)油料的運(yùn)送、儲(chǔ)存及使用過程當(dāng)中,可能會(huì)由于人為的操作失誤或是設(shè)施設(shè)備的腐蝕損壞,導(dǎo)致油料泄漏并揮發(fā)形成涉油氣環(huán)境,該環(huán)境下若存在一定能量的點(diǎn)火源就可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故,該現(xiàn)象通常被稱為可燃蒸汽云爆炸(unconfined vapor cloud explosion)。據(jù)統(tǒng)計(jì),近年來頻繁發(fā)生的油氣蒸汽云爆炸安全事故對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了巨大的威脅,而此類事故多為連環(huán)事故,而爆炸則占了57%事故的初始誘發(fā)原因。人們從20 紀(jì)50 年代起便開始了大量針對(duì)可燃?xì)庠票棘F(xiàn)象的研究,考慮到危害級(jí)別的優(yōu)先度,現(xiàn)有理論研究工況大多集中于受限空間而非開敞空間。實(shí)際上開敞空間蒸汽云爆炸是爆炸事故中較為普遍的形式,在石油化工、塑料、橡膠合成及天然氣行業(yè)的爆炸事故總數(shù)中所占比例分別達(dá)到了46%、42%和60%,因此以開敞空間作為可燃?xì)庠票▽?shí)驗(yàn)的研究工況在工業(yè)上具備一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近年來人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下對(duì)于開敞空間的模擬通常是采用弱強(qiáng)度約束物來實(shí)現(xiàn),達(dá)到既能夠防止氣體擴(kuò)散又能夠盡可能不對(duì)爆炸過程產(chǎn)生限制,也有不少研究人員將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)中的計(jì)算域(Computational domain)引入到蒸汽云爆炸模型建立當(dāng)中,均獲得了不少成果。其中Lind 等在實(shí)驗(yàn)中證明了聚乙烯塑料薄膜在用于約束可燃?xì)庠频捏w積和形狀上能夠發(fā)揮良好的作用,在此基礎(chǔ)上通過改變?nèi)剂系姆N類、濃度、臺(tái)架尺寸以及內(nèi)部布置等工況來研究其爆燃規(guī)律。在臺(tái)架形狀方面,丁信偉等采用了半徑為0.5 m 的半球形臺(tái)架研究乙炔在空氣中的爆燃現(xiàn)象,構(gòu)建了可燃蒸汽云爆炸的數(shù)學(xué)模型,同時(shí)確定了該氣體在空集中的爆炸極限范圍和最危險(xiǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù);羅正鴻等采用了圓柱形臺(tái)架研究了乙炔在空氣中的爆燃現(xiàn)象,得出了臺(tái)架的形狀因子與爆炸超壓之間的耦合關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該臺(tái)架與半球形臺(tái)架相比氣體爆炸時(shí)的流場(chǎng)變化更加復(fù)雜;在可燃?xì)怏w類型和尺寸方面,Mercx 等將常見的可燃?xì)怏w(包括甲烷、乙炔、氫氣等)按照化學(xué)反應(yīng)活性分成了低、中、高3 個(gè)等級(jí);Lv 等通過搭建LNG 罐區(qū)等比例縮小實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,采用FLACS 數(shù)值仿真手段擬合求出了可燃?xì)庠瓢霃脚c超壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系公式。

        綜合而言,現(xiàn)階段針對(duì)開敞空間可燃?xì)怏w爆燃現(xiàn)象的研究主要集中在單組分氣體上,對(duì)于油氣等復(fù)雜混合物的成果相對(duì)較少;研究工況通常以受限空間為背景,針對(duì)敞開式空間的研究成果較少;且缺乏從可視化角度對(duì)爆燃現(xiàn)象的超壓與火焰?zhèn)鞑ブg耦合關(guān)系的研究?;诖耍疚囊詸C(jī)庫(kù)、洞庫(kù)等常見儲(chǔ)油場(chǎng)所為背景,自行設(shè)計(jì)并搭建不同尺寸的大尺度開敞空間不銹鋼實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,利用聚乙烯塑料薄膜在盡可能不影響爆燃過程的前提下約束可燃?xì)怏w擴(kuò)散,探究大尺度開敞空間油氣爆燃動(dòng)態(tài)發(fā)展過程,以期為油料儲(chǔ)運(yùn)安全工程及防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

        實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括鋼制臺(tái)架1、2,內(nèi)部尺寸分別為1 m×1 m×1 m 和2 m×5 m×1 m,如圖1 和圖2 所示。臺(tái)架1 尺寸較小,便于進(jìn)行油氣爆燃火焰形態(tài)的觀察;臺(tái)架2 具有較大的長(zhǎng)徑比,便于對(duì)爆燃傳播過程的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集。臺(tái)架四周采用聚乙烯塑料薄膜全方位覆蓋,可同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)可視化和爆燃自由發(fā)展。為確保系統(tǒng)的氣密性,將透明膠帶固定于薄膜和臺(tái)架的交界處并將其壓緊。臺(tái)架金屬條上凹槽上的接口部件支持對(duì)壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒀h(huán)泵管道口、電子點(diǎn)火器等部件的連接。實(shí)驗(yàn)超壓與火焰強(qiáng)度采集設(shè)備采用了江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH8301 高性能動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀;點(diǎn)火裝置采用成都新辰廣電研究所生產(chǎn)的WGDH-5 高能無干擾點(diǎn)火器;混合氣體組分測(cè)定采用北京均方理化科技研究所生產(chǎn)的GXH-1050E 紅外線氣體分析儀;圖像采集采用了JVC GC-P100BAC 高速攝錄一體機(jī),拍攝最大頻率為500 Hz。

        圖1 爆燃火焰形態(tài)觀察實(shí)驗(yàn)臺(tái)架1#Fig. 1 Bench 1# for deflagration flame observation

        圖2 爆燃參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)架2#Fig. 2 Bench 2# for deflagration parameter measurement

        與臺(tái)架2相距10 m 處布置高德C 系列高性能紅外熱成像儀,可以以1 Hz 的頻率對(duì)爆燃發(fā)展過程進(jìn)行連拍,測(cè)量所拍圖片各處的溫度分布用于監(jiān)控整個(gè)臺(tái)架內(nèi)部的溫度變化。為確保數(shù)據(jù)采集相對(duì)準(zhǔn)確,在臺(tái)架中心布置一枚K 型熱電偶及其配套顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器,該熱電偶測(cè)量范圍以一個(gè)點(diǎn)為中心,后期數(shù)據(jù)處理過程中將以熱電偶值為依據(jù),根據(jù)熱成像圖片對(duì)應(yīng)位置的溫度值退出整個(gè)測(cè)量范圍的溫度分布。在臺(tái)架外端分別布置三枚輻射測(cè)試儀,其中1 號(hào)輻射儀布置與距點(diǎn)火面橫向距離為3.75 m,縱向距離為1.5 m;2 號(hào)輻射儀與距點(diǎn)火面橫向距離為3.75 m、縱向距離為0.5 m;3 號(hào)輻射儀與距點(diǎn)火面橫向距離為1.25 m、縱向距離為0.5 m。實(shí)驗(yàn)用油為中石化92 號(hào)汽油。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 開敞空間油氣爆燃典型火焰形態(tài)觀察

        實(shí)際工程中的開敞空間可能形成不同濃度分布的油氣環(huán)境,引發(fā)的燃爆模式及對(duì)空間內(nèi)部的損毀特點(diǎn)也不盡相同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果,可初步將多次實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的所有火焰燃燒形態(tài)歸納為3 種典型模式,分別為無火的氣云灼燒、帶明火的油氣燃燒和帶壓縮波的油氣爆燃。本文將對(duì)三種模式從可視化角度上進(jìn)行基本分析,隨后在后續(xù)小節(jié)中重點(diǎn)研究第3 種模式的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)火焰形態(tài)的觀測(cè)于1實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。如圖1 所示,空間內(nèi)部的油氣采用了真空泵、閥門和管道組成的系統(tǒng),該系統(tǒng)適合在體積較小的空間內(nèi)使用,能夠較理想地使空間形成純油氣環(huán)境。

        圖3 展示了油氣在低濃度下的氣云灼燒過程(體積分?jǐn)?shù)=0.74%)。由圖3 可見,油氣經(jīng)脈沖點(diǎn)火后開始產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),約1.21 s 時(shí)可明顯觀測(cè)到內(nèi)部氣流開始對(duì)空間產(chǎn)生的擾動(dòng),約1.72 s 時(shí)在氣流的高溫作用下薄膜開始損毀,直到約3.11 s 時(shí)氣流全部從薄膜破損處流出,反應(yīng)過程結(jié)束。整個(gè)灼燒過程的時(shí)間遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的受限空間油氣爆炸實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)初期以點(diǎn)火器為起始位置,燃燒產(chǎn)物開始向周圍擴(kuò)散膨脹,直至接觸到薄膜并使其發(fā)生應(yīng)變。據(jù)觀測(cè)結(jié)果,此時(shí)空間內(nèi)油氣雖然發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),但由于可燃?xì)怏w濃度較低并未形成明火,對(duì)薄膜造成破壞的原因主要為熔化而非沖擊。

        圖3 氣云灼燒進(jìn)程Fig. 3 Burning process of gas cloud

        低濃度下的燃燒產(chǎn)物氣云具有明顯的正上方運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),如圖4 所示,從反應(yīng)完畢的薄膜損壞程度上可以觀測(cè)到不同面上的受損程度,其中空間頂部最高,其次是點(diǎn)火面區(qū)域,最后是其余平面。該濃度下油氣空間遇到點(diǎn)火源雖不易產(chǎn)生明火,但產(chǎn)生的高溫氣云會(huì)灼燒空間內(nèi)部的設(shè)備或人員。

        圖4 不同表面薄膜損毀程度Fig. 4 Damage degree of different surface films

        圖5 展示了油氣經(jīng)電火花點(diǎn)燃后引發(fā)的明火燃燒過程(=1.02%)。由圖可見,點(diǎn)火瞬間(定為反應(yīng)起始處0.01 s)能夠觀測(cè)到亮藍(lán)色的電火花,隨后空間內(nèi)的油氣開始迅速與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),0.43 s 處觀測(cè)到反應(yīng)生成了橙色火焰。燃燒過程中首先從點(diǎn)火面開始,0.77 s 時(shí)火焰沖出左側(cè)薄膜,同時(shí)其他平面均受到了生成氣體的擠壓。隨著燃燒過程的進(jìn)行,0.94 s 處薄膜因火焰燃燒損毀,反應(yīng)于2 s 后結(jié)束,所耗時(shí)間略小于無明火工況,臺(tái)架頂部在破壞的瞬間依舊能夠觀測(cè)到明顯的上升氣流波動(dòng)。

        圖5 油氣火焰燃燒進(jìn)程Fig. 5 Combustion process of gas flame

        該濃度下的油氣燃燒意味著除去高溫氣云的破壞外,還可能會(huì)引燃空間內(nèi)部的易燃設(shè)施從而造成火災(zāi)隱患,但在此濃度下的化學(xué)反應(yīng)仍處于以燃燒為主的碳?xì)浠衔锓纸膺^程,而非由原子核之間的碰撞引發(fā)的爆燃現(xiàn)象,因此空間內(nèi)部并未采集到有效壓力信號(hào)。

        圖6 展示了高油氣濃度工況的爆燃火焰發(fā)展特性(=1.26%),該工況下預(yù)混油氣經(jīng)電火花點(diǎn)燃后形成了典型的油氣爆燃模式,根據(jù)火焰結(jié)構(gòu)與壓力波的理論,當(dāng)高濃度預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后,以點(diǎn)火源為中心,火焰沿各方向向未燃?xì)怏w傳播,火焰表面積迅速增大,而在火焰面預(yù)混氣體的反應(yīng)過程中大量熱量的放出導(dǎo)致火焰面前方未燃?xì)怏w被壓縮,逐漸形成各向的壓縮波。該過程具備以下特征:與燃燒工況類似,該工況下能清晰觀測(cè)到點(diǎn)火器通電瞬間產(chǎn)生的藍(lán)色火花,隨后在空間內(nèi)部產(chǎn)生向前發(fā)展外圍球形狀的光滑面藍(lán)色火焰面,其內(nèi)部則是正在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)燃燒的火焰區(qū)。

        圖6 典型開敞空間油氣爆燃進(jìn)程Fig. 6 Deflagration process of gasoline in typical unconfined space

        由圖6 可見,點(diǎn)火器引燃預(yù)混氣體后,火焰鋒面在不受軸向和徑向約束下以1/4 球形逐層向外傳播,隨后點(diǎn)火面最先開始承受超壓而產(chǎn)生了應(yīng)變,由于薄膜尚未破裂,空間內(nèi)部氧氣不足,油氣燃燒不完全,火焰形態(tài)主要由藍(lán)色光滑球面與橙色核心組成;點(diǎn)火面處薄膜受到灼燒而損毀后外部氧氣迅速進(jìn)入,該處呈現(xiàn)高湍流度的橙色火焰,并與前方藍(lán)色球形鋒面之間存在交界線,其中橙色火焰沖擊點(diǎn)火面方向,藍(lán)色火焰沖擊頂端;爆燃過程后期空間內(nèi)主要為“反L”形橙色湍流火焰,四周薄膜全部破壞后逐漸熄滅潰散。

        2.2 典型開敞空間油氣爆燃參數(shù)演變特征研究

        根據(jù)2.1 節(jié)的主要結(jié)論,常見的涉油氣空間火焰燃燒形式主要有3 種,其中前2 種在實(shí)際工程中造成的損害主要為高溫氣云灼燒以及普通的著火反應(yīng),未產(chǎn)生明顯超壓。本節(jié)將對(duì)油氣爆燃過程的關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究,為便于觀察火焰?zhèn)鞑ミ^程,采用了大長(zhǎng)徑比的臺(tái)架2 來進(jìn)行下階段實(shí)驗(yàn)。本階段實(shí)驗(yàn)油氣環(huán)境的形成采用了殘油揮發(fā)式,通過循環(huán)泵使臺(tái)架首位兩端氣體循環(huán)流動(dòng),揮發(fā)出油料中的輕烴組分,待濃度穩(wěn)定時(shí)記錄并同時(shí)記錄初始油量。

        2.2.1 油氣爆燃超壓動(dòng)態(tài)時(shí)序發(fā)展過程研究

        油氣爆燃的本質(zhì)源于油氣中所含有的可燃組分,其中超壓(Δ)是表征氣體爆燃荷載的主要物理參數(shù),也是評(píng)估氣體爆燃災(zāi)害程度的核心參數(shù)之一。根據(jù)歐洲泄爆規(guī)范NFPA68,超壓峰值能夠相對(duì)客觀地衡量可燃?xì)怏w爆炸泄爆過程中的爆炸強(qiáng)度,能直接體現(xiàn)出爆炸導(dǎo)致的破壞大小。本文在對(duì)油氣爆燃過程超壓采集上,采用了爆燃指數(shù)作為爆燃損害的評(píng)估參數(shù)。爆燃指數(shù)主要由升壓速率決定,主要有爆炸威力指數(shù)()和最大爆炸指數(shù)():

        根據(jù)臺(tái)架1 上的觀察規(guī)律,開敞空間油氣爆燃現(xiàn)象的火焰呈現(xiàn)明顯的“反L”形,因此可以認(rèn)為油氣經(jīng)引燃后的火焰主要分布于空間正上方及點(diǎn)火面后方,因此本文將對(duì)上述區(qū)域的壓力隨時(shí)間分布情況作進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)的傳感器布置方案主要包括內(nèi)場(chǎng)部分、外場(chǎng)部分以及高位部分,每個(gè)部分共安裝4 枚壓力傳感器,如圖7 所示。

        圖7 壓力傳感器布置方案Fig. 7 Layout plan of pressure sensors

        表1 給出了典型工況下(點(diǎn)火器位于臺(tái)架底端中心,泄漏汽油為2 L,環(huán)境溫度為16 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)=1.34%)開敞空間油氣爆燃內(nèi)場(chǎng)的超壓參數(shù);圖8 展示了在對(duì)應(yīng)的時(shí)序曲線;圖9 展示了每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)??梢钥闯雠c傳統(tǒng)的受限空間氣體爆燃實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同,開敞空間中同次實(shí)驗(yàn)中不同采集點(diǎn)的曲線區(qū)別不僅僅體現(xiàn)在峰值大小而是曲線的整體趨勢(shì)。結(jié)合文獻(xiàn)[28]對(duì)受限空間油氣爆炸的階段劃分規(guī)則,本文將開敞空間油氣爆燃過程劃分為以下3 個(gè)子階段。

        表1 爆燃內(nèi)場(chǎng)超壓參數(shù)特征Table 1 Internal overpressure parameter characteristics during deflagration

        圖8 爆燃內(nèi)場(chǎng)超壓時(shí)序曲線Fig. 8 Internal overpressure-time profiles during deflagration

        圖9 爆燃內(nèi)場(chǎng)不同峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻的火焰形態(tài)Fig. 9 Internal flame morphology corresponding to different peak values

        (1)穩(wěn)定傳播階段(0~0.51 s)。壓力波和火焰封面尚未對(duì)薄膜邊界進(jìn)行沖擊和灼燒,薄膜完整且持續(xù)時(shí)間較短,可簡(jiǎn)化為定容過程,產(chǎn)生的超壓變化近似符合理想氣體狀態(tài)方程:

        式中:、、為壓力、反應(yīng)物的物質(zhì)的量和溫度,下角標(biāo)0 代表常溫狀態(tài)。

        穩(wěn)定傳播階段結(jié)束前空間內(nèi)外場(chǎng)尚未開始質(zhì)量交換,燃燒反映導(dǎo)致了溫度的升高及壓力的升高,二者共同作用下點(diǎn)火面薄膜率先破裂。位于點(diǎn)火面處的1 號(hào)采集點(diǎn)從點(diǎn)火開始便出現(xiàn)小幅度積壓態(tài)勢(shì)一直持續(xù)至0.488 s 處,隨后由于點(diǎn)火面薄膜破裂帶來的劇烈擾動(dòng)開始出現(xiàn)超壓振蕩,于0.875 s 時(shí)刻達(dá)到了最高1.276 kPa;距點(diǎn)火面1.67 m 處的2 號(hào)采集點(diǎn)則積壓至0.433 kPa,隨后壓力由于泄放作用迅速上升;距離點(diǎn)火面3.33 m 和5 m 處的3、4 號(hào)采集點(diǎn)均形成破膜壓力峰值0.183、0.033 kPa。此時(shí)火焰主要由藍(lán)色半球形封面和內(nèi)部橙黃色蘑菇狀火星構(gòu)成。

        (2)火焰泄放階段(0.51~2.62 s)?;鹧姘l(fā)展為具有明顯分界線的亮藍(lán)色與橙黃色,由于點(diǎn)火面的破壞使壓力迅速泄放,使距離其較近的1、2 號(hào)采集點(diǎn)產(chǎn)生了小幅度振蕩,分別持續(xù)了0.617 s 和0.836 s 并形成了多個(gè)正負(fù)超壓峰值,爆燃?jí)嚎s波在經(jīng)過某一區(qū)域后周圍的空氣或者介質(zhì)未能及時(shí)補(bǔ)充,尤其是位于點(diǎn)火面的1 號(hào)采集點(diǎn)處于多面敞開狀態(tài),更易形成負(fù)壓。以超壓峰值最高的2 號(hào)采集點(diǎn)為參照,其中Δ為薄膜破裂后的積壓產(chǎn)生(0.433 kPa,耗時(shí)0.329 s);Δ主要源于火焰泄放產(chǎn)生的湍流效應(yīng)(1.257 kPa,耗時(shí)0.174 s); Δ達(dá)到了最高峰值,主要為外部爆燃導(dǎo)致(1.447 kPa,耗時(shí)0.214 s)。其中由于內(nèi)場(chǎng)的振蕩與外部爆燃現(xiàn)象存在一定的隨機(jī)性,其檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)環(huán)境工況、內(nèi)場(chǎng)油氣揮發(fā)狀態(tài)密切相關(guān),因此 Δ、Δ的大小與形成時(shí)間因?qū)嶒?yàn)次數(shù)而異,形成的峰值也具有不穩(wěn)定性,可能形成多次振蕩。值得注意的是,1 號(hào)采集點(diǎn)雖然超壓絕對(duì)值小于2 號(hào),但由于其振蕩較為劇烈,形成峰值用時(shí)極短,因此其對(duì)應(yīng)區(qū)域危險(xiǎn)度可能更高。

        (3)燃燒潰散階段(2.62 s 之后)。臺(tái)架中后部(2、3、4 號(hào)采集點(diǎn))產(chǎn)生了火焰加速峰值 Δ,大小分別為0.609、0.399、0.083 kPa(形成峰值耗時(shí)分別為0.052、0.928、0.358 s),該峰值產(chǎn)生于亮藍(lán)色火焰之間徹底消失時(shí)刻附近,火焰形態(tài)于該時(shí)刻處發(fā)生了轉(zhuǎn)變并于臺(tái)架3/4 位置處有一個(gè)小幅度加速過程,該波峰的產(chǎn)生同樣具有隨機(jī)性。位于臺(tái)架點(diǎn)火端處的1 號(hào)采集點(diǎn)未能有效捕捉到壓力變化,而后的2、3 號(hào)采集曲線則相對(duì)明顯,位于末端的4 號(hào)采集點(diǎn)對(duì)此壓力變化的反應(yīng)較為敏感,但峰值絕對(duì)值相對(duì)較低。隨后臺(tái)架內(nèi)剩余部分殘火燃燒直至熄滅,內(nèi)外流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定。

        表2 為典型工況下開敞空間油氣爆燃外場(chǎng)的超壓特征;圖10 為對(duì)應(yīng)的超壓時(shí)序曲線;圖11 為每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)。從圖10 和圖11 中可以看出,與內(nèi)場(chǎng)超壓曲線相比,外場(chǎng)超壓動(dòng)態(tài)時(shí)序演變過程較為單調(diào)。以峰值最高的3 號(hào)采集點(diǎn)為參照,開敞空間外部超壓變化主要由3 個(gè)階段構(gòu)成:分別為相對(duì)靜止階段(0~0.303 s)、火焰泄放階段(0.468~0.957s)、燃燒潰散階段(0.957 s 之后)。整個(gè)過程包含兩個(gè)超壓峰值:破膜泄流峰值 Δ和外部爆燃峰值 Δ。相對(duì)靜止階段期間,空間內(nèi)場(chǎng)處于穩(wěn)定傳播階段,薄膜破裂前限制了流場(chǎng)的對(duì)外傳播,因此外場(chǎng)傳感器未能產(chǎn)生超壓。薄膜受到高溫沖擊破裂后累積的對(duì)外壓力釋放以及“反L”形火焰運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)共同作用在了傳感器上形成了 Δ;隨后受到泄放慣性引發(fā)的負(fù)壓膨脹波影響產(chǎn)生了負(fù)壓峰值;受流場(chǎng)擾動(dòng)而泄放至外場(chǎng)的油氣混合物經(jīng)火焰射流引燃后會(huì)進(jìn)一步燃燒,使壓力快速回升形成外部爆燃峰值 Δ,之后外場(chǎng)爆燃逐漸減緩泄放的油氣也消耗殆盡,壓力恢復(fù)至常態(tài)。需要注意的是,外部爆燃并不是單次的爆炸而是一個(gè)系列的化學(xué)反應(yīng),因此距離點(diǎn)火面最近的3 號(hào)采集點(diǎn)在形成 Δ后仍然受到了外部爆燃的持續(xù)沖擊,而距離較遠(yuǎn)的4 號(hào)采集點(diǎn)以及徑向布置的1、2 號(hào)采集點(diǎn)對(duì)此反應(yīng)并不明顯。綜合分析,開敞空間油氣爆燃對(duì)外場(chǎng)影響主要集中在近點(diǎn)火面及其軸向位置,徑向位置超壓曲線起伏相對(duì)平緩。

        圖10 爆燃外場(chǎng)超壓時(shí)序曲線Fig. 10 External overpressure-time profiles during deflagration

        圖11 爆燃外場(chǎng)不同峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻的火焰形態(tài)Fig. 11 External flame morphology corresponding to different peak values

        表2 爆燃外場(chǎng)超壓參數(shù)特征Table 2 External overpressure parameter characteristics during deflagration

        表3 為典型工況下開敞空間油氣爆燃高位的超壓參數(shù);圖12 為對(duì)應(yīng)的超壓時(shí)序曲線;圖13 為每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)??梢钥闯?,與外場(chǎng)曲線相似,穩(wěn)定傳播階段結(jié)尾處的破膜泄流峰值 Δ被近空間頂部(0.2 m)的3 個(gè)采集點(diǎn)依次捕捉到,峰值大小分別為0.660、0.568、0.353 kPa,三者在經(jīng)歷了負(fù)壓膨脹波后由于同樣的外部一系列爆燃形成了主要峰值 Δ以及后續(xù)的余波峰值。靠近點(diǎn)火端的1 號(hào)采集點(diǎn)以及距離空間頂面的4 號(hào)采集點(diǎn)曲線相對(duì)平滑,而處于火焰主要加速段的2 號(hào)和3 號(hào)采集點(diǎn)由于受到火焰以及渦流的影響導(dǎo)致壓力的波動(dòng)較大。4 號(hào)采集點(diǎn)距離臺(tái)架頂部較遠(yuǎn),因此產(chǎn)生兩個(gè)峰值的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相對(duì)靠后,但峰值更高,分別超過另外3 個(gè)采集點(diǎn)201.6%、227.1%、322.7%??梢钥闯霰籍a(chǎn)生的反“L”型火焰的上半部分帶來的流場(chǎng)擾動(dòng)較為復(fù)雜,產(chǎn)生的氣流渦團(tuán)使空間垂直偏上位置形成了高壓區(qū)。燃燒潰散階段位4 個(gè)采集點(diǎn)均逐漸恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài),未能形成火焰速度變化導(dǎo)致的 Δ,由此可以判斷火焰的加速主要作用于臺(tái)架內(nèi)部而非正上方,在實(shí)際工程中對(duì)爆燃事故的研究需要注意該特征。

        表3 爆燃高位超壓參數(shù)特征Table 3 High ground overpressure parameter characteristics during deflagration

        圖12 爆燃高位超壓時(shí)序曲線Fig. 12 High ground overpressure-time profiles during deflagration

        圖13 爆燃高位不同峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻的火焰形態(tài)Fig. 13 High ground flame morphology corresponding to different peak values

        總體而言,大尺度開敞空間的爆燃過程在空間的不同區(qū)域內(nèi)造成的危害效果具有特定規(guī)律。其中爆燃沖擊最強(qiáng)的區(qū)域?yàn)榭臻g正上方,這點(diǎn)與灼燒模式下的薄膜損毀程度有相似之處,從側(cè)面證明了空間上方的危險(xiǎn)程度;其次為空間的內(nèi)部區(qū)域,主要體現(xiàn)在空間的中部靠前部位;最后為點(diǎn)火面正后方。結(jié)合反“L”形的火焰形態(tài)及灼燒模式下的薄膜損毀情況可以判斷出,點(diǎn)火面處的危險(xiǎn)源主要來自于火焰帶來的熱流和高溫,爆燃的沖擊效應(yīng)并非占主導(dǎo)地位。同時(shí),需要注意到三個(gè)主要區(qū)域內(nèi)的超壓與爆炸威力指數(shù)具有明顯差異的地方,分別是點(diǎn)火面?zhèn)让鎱^(qū)域、點(diǎn)火面的正中央?yún)^(qū)域和正上方中央?yún)^(qū)域。點(diǎn)火端為化學(xué)反應(yīng)的起始處,易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象;同樣,產(chǎn)生振蕩的還有臺(tái)架中央正上方區(qū)域,由火焰發(fā)展過程可以看出,臺(tái)架中心附近處產(chǎn)生的火焰離地面的垂直距離最高,此時(shí)恰好也是內(nèi)場(chǎng)超壓的峰值,屬于化學(xué)反應(yīng)較為劇烈的區(qū)域,產(chǎn)生的擾動(dòng)也使頂端附近形成了振蕩,而在上方形成了高壓區(qū)。根據(jù)上述結(jié)論,振蕩現(xiàn)象對(duì)爆炸威力指數(shù)有著明顯的促進(jìn)作用,該效果由于在極短時(shí)間內(nèi)形成了數(shù)個(gè)超壓峰值,雖然絕對(duì)大小但仍有可能對(duì)空間內(nèi)部的人員和物資造成嚴(yán)重的破壞。

        2.2.2 初始油氣體積濃度對(duì)爆燃超壓峰值的影響

        決定油氣爆燃強(qiáng)度的一個(gè)重要環(huán)境因素便是初始油氣濃度,該濃度主要取決于油料泄漏擴(kuò)散進(jìn)程。本文測(cè)試了5 種不同初始油料泄漏體積(1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 L),每次實(shí)驗(yàn)前將等待點(diǎn)火源附近的油氣濃度逐漸穩(wěn)定并記錄。實(shí)驗(yàn)將以內(nèi)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的2 號(hào)采集點(diǎn)最大超壓峰值為參照。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),初始油量為1.25L 時(shí)進(jìn)行的4 次爆燃實(shí)驗(yàn)僅有1 次成功,初始油量為1 L 時(shí)已經(jīng)無法點(diǎn)燃,因此本文認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)條件下(環(huán)境溫度為16~19 ℃,環(huán)境濕度為44%~59%)初始油量為1.25 L 時(shí)(油料空間體積比為1∶8000)輕質(zhì)組分充分揮發(fā)形成的油氣環(huán)境處于油氣爆炸下限附近。

        表4 和圖14 為不同濃度下超壓峰值和達(dá)到該峰值耗時(shí)的分布情況,可以看出二者變化都具有一致性,但分布規(guī)律相反。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,初始?xì)堄土繛?.5 L 時(shí)能夠形成最大超壓峰值。若繼續(xù)加大油量,導(dǎo)致空間內(nèi)部的氧含量相對(duì)不足,汽油蒸汽處于不完全燃燒狀態(tài),因此燃燒速度再一次降低,超壓峰值也隨之降低。二者均已2.5 L(1.68%)為分界線,考慮到二者的分布特性和擬合式的可行度,本文選用三次多項(xiàng)式關(guān)系描述其規(guī)律:

        表4 不同油氣濃度下超壓峰值和到達(dá)峰值耗時(shí)分布Table 4 Overpressure peaks & time to reach peaks under different concentrations

        圖14 不同油氣濃度下超壓峰值和到達(dá)峰值耗時(shí)分布Fig. 14 Overpressure peaks & time to reach peaks under different concentrations

        式中:Δ的單位為kPa,的單位為s,的單位為%。

        學(xué)者們通常將油氣爆燃產(chǎn)生最高超壓所對(duì)應(yīng)的濃度稱為“危險(xiǎn)濃度”,其中在不同的實(shí)驗(yàn)工況下最危險(xiǎn)濃度的值具有一定差異,本文在油料泄漏量為2.5 L 時(shí)(對(duì)應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定濃度為1.68%)達(dá)到了超壓最高值,即是在常溫(16 ℃)下泄漏量與空間體積比為1∶4000 時(shí)可以將其定義為“最危險(xiǎn)體積比”,意為該體積比下油料的輕質(zhì)成分揮發(fā)后形成的油氣濃度最易接近“危險(xiǎn)濃度”,根據(jù)該比例可對(duì)實(shí)體存油空間內(nèi)的儲(chǔ)存油量與風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)估。

        2.2.3 開敞空間火焰?zhèn)鞑ヌ卣鲄?shù)分析

        火焰形態(tài)作為爆燃空間流場(chǎng)變化的一種直觀體現(xiàn),主要表現(xiàn)在火焰鋒面的褶皺程度。根據(jù)火焰形態(tài)可以大致推測(cè)出火焰鋒面與空間內(nèi)未燃?xì)怏w的反應(yīng)程度,最終體現(xiàn)在爆燃的劇烈程度和發(fā)展趨勢(shì),在前期的觀察實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)對(duì)爆燃過程的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)進(jìn)行了分析,這里主要對(duì)傳播過程的具體參數(shù)進(jìn)行采集?;鹧嫠俣茸鳛榛鹧嫘袨榉治龅闹匾獏?shù)之一,高速傳播的火焰能夠?qū)е螺^大強(qiáng)度的壓縮波,從而產(chǎn)生更大的超壓。火焰速度通常采用對(duì)爆燃過程的照片進(jìn)行測(cè)量求得,為相鄰幀的圖片火焰封面位置間距與時(shí)間的比值:

        式中:為火焰?zhèn)鞑ニ俾?;為火焰鋒面距離點(diǎn)火端的距離;為幀與幀之間的時(shí)間差;為幀數(shù)。其中本實(shí)驗(yàn)采用的JVC GC-P100BAC 高速攝錄一體機(jī)幀率最高設(shè)置為500 s,即:t-t=500 s。

        由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架規(guī)模較大,火焰?zhèn)鞑コ拭黠@的二維態(tài)勢(shì),火焰主要由前方的藍(lán)色火焰和后方的黃色火焰構(gòu)成,且鋒面并非與臺(tái)架橫軸垂直的對(duì)稱態(tài),為便于記錄,本次實(shí)驗(yàn)將統(tǒng)計(jì)亮藍(lán)色與橙黃色兩種火焰鋒面的實(shí)時(shí)位置,并將其求導(dǎo)得出對(duì)應(yīng)速度。

        圖15 為油氣爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間的變化情況;圖16 為3 個(gè)時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)??梢钥闯觯涸诒挤€(wěn)定傳播期間(0~0.51 s),薄膜破壞前的火焰為層流燃燒,速度相對(duì)穩(wěn)定;火焰泄放階段期間(0.51~2.62 s),由于外界因素干擾導(dǎo)致火焰速度出現(xiàn)了波動(dòng)并且形成了數(shù)個(gè)峰值,薄膜破裂的憋壓釋放使火焰快速泄流加速運(yùn)動(dòng),兩種火焰分別形成了峰值(藍(lán)色2.87 m/s、橙色2.44 m/s);油氣在臺(tái)架外部的爆燃使火焰第二次加速并形成了峰值(藍(lán)色1.81 m/s、橙色1.47 m/s);隨著爆燃過程的繼續(xù),亮藍(lán)色火焰接近臺(tái)架末端時(shí)速度變緩,橙黃色火焰行進(jìn)至同位置后停止,此時(shí)臺(tái)架內(nèi)部剩余零星殘留火焰燃燒直至熄滅。從圖15 和圖16 中還可以注意到,爆燃超壓產(chǎn)生峰值 Δ和Δ的時(shí)間節(jié)點(diǎn)正是藍(lán)色火焰第一個(gè)速度峰值節(jié)點(diǎn)的兩端附近(0.73 s、1.18 s),也證實(shí)了火焰波的發(fā)展對(duì)爆燃?jí)毫Σǖ男纬梢约皞鞑テ鸬降恼答仚C(jī)制。

        圖15 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋? L, φ =1.34%)Fig. 15 Flame propagation velocity(2 L, φ =1.34%)

        圖16 三個(gè)時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)Fig. 16 Three moments corresponding to the flame propagation pattern

        火焰強(qiáng)度代表了火焰燃燒產(chǎn)生的光強(qiáng)度,可通過其判斷火焰的燃燒劇烈程度,在整體超壓相對(duì)偏低的開敞環(huán)境中是一個(gè)衡量環(huán)境危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。爆燃火焰強(qiáng)度采用四枚火焰?zhèn)鞲衅?,布置方案與壓力傳感器內(nèi)場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)一致,分別位于距點(diǎn)火端0、1.67、3.33、5 m 處。

        圖17 為油氣爆燃過程中火焰強(qiáng)度(采用火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)給出的電壓信號(hào)強(qiáng)度作為表征)隨時(shí)間的變化關(guān)系;圖18 為4 個(gè)時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)??梢钥闯?,開敞空間油氣爆燃的超壓階段性特征在火焰強(qiáng)度上仍有一定的體現(xiàn),但與超壓變化規(guī)律有所區(qū)別。穩(wěn)定傳播階段火焰主要呈亮藍(lán)色,強(qiáng)度較弱;隨后亮藍(lán)色鋒面表面逐漸開始呈網(wǎng)狀包隔態(tài)并傳播至2 號(hào)采集點(diǎn)處,橙黃色火焰緊隨其后,2 號(hào)采集點(diǎn)的火焰強(qiáng)度信號(hào)隨著時(shí)間呈遞增狀態(tài),于2.48 s 處達(dá)到峰值4754.53 mV,此時(shí)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)燃燒強(qiáng)度最為劇烈;相同時(shí)刻亮藍(lán)色火焰鋒面?zhèn)髦? 號(hào)采集點(diǎn),隨后的橙黃色火焰使其信號(hào)峰值迅速增加(增長(zhǎng)率為17773.59 mV/s),并于2.96 s 處達(dá)到峰值4816.03 mV;火焰?zhèn)鞑ブ僚_(tái)架末端時(shí),僅存在少量殘火燃燒,4 號(hào)采集點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度較低,于3.30 s處達(dá)到峰值355.77 mV 后逐漸趨于穩(wěn)定。分析可得,開敞空間的火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的火焰最高強(qiáng)度主要集中在中段位置,點(diǎn)火端主要由于初期的亮藍(lán)色火焰特征以及點(diǎn)火面快速泄放,臺(tái)架末端由于火焰?zhèn)鞑ミ^程的整體泄放以及傳播過程的能量損失,二者均無法達(dá)到較高的燃燒熱能。

        圖17 火焰強(qiáng)度發(fā)展過程(2 L, φ =1.34%)Fig. 17 Flame intensity-time profiles during deflagration (2L, φ =1.34%)

        圖18 四個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)Fig. 18 Four moments correspond to the flame propagation pattern

        爆燃火焰在不同初始汽油泄漏量工況下呈現(xiàn)出來的具體顏色也有所差別,如圖19 所示。表5 對(duì)上述不同特征做了對(duì)比。

        圖19 不同初始油氣濃度下火焰顏色特征Fig. 19 The flame color under different concentrations

        表5 不同初始油氣濃度下火焰顏色特征Table 5 The flame color under different concentrations

        可以看出,初始油氣濃度不同對(duì)火焰的初始形態(tài)有顯著的影響,尤其是1.67%以上火焰初始態(tài)的亮度明顯更大,造成其形態(tài)差異的原因主要有以下兩點(diǎn):

        (1)初始油氣濃度不同導(dǎo)致了油氣在點(diǎn)燃后的化學(xué)反應(yīng)速率不同,火焰鋒面的光滑度有所區(qū)別;

        (2)油氣主要由汽油中的輕質(zhì)烴類構(gòu)成,烴類物質(zhì)燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生可視化的輻射效應(yīng);初始油氣濃度較低時(shí),氧氣過剩,油氣完全燃燒,空間內(nèi)部呈藍(lán)色輻射狀態(tài)(源自激活狀態(tài)下的CH 自由基);隨著初始油氣濃度的增加,反應(yīng)能量釋放能力變大,空間內(nèi)部呈藍(lán)綠輻射狀態(tài)(源自C二鍵輻射);進(jìn)一步增加油氣濃度后主要產(chǎn)物中產(chǎn)生大量CO,且CO 被O氧化產(chǎn)生的能量無法有效釋放,生成黑體輻射狀的碳煙,形成紅外光,實(shí)際具體觀測(cè)結(jié)果為高亮橙色態(tài),具體顏色也與當(dāng)前火焰溫度有關(guān)。

        2.2.4 開敞空間爆燃火焰的溫度與輻射分布

        圖20 為油氣爆燃過程中火焰各方位的溫度分布情況,拍攝時(shí)間點(diǎn)分別在1.25、2.25、3.25 s 處??梢钥闯?,1.25 s 處由于薄膜破裂泄放至外部的未燃油氣再一次被點(diǎn)燃形成了外部爆燃峰值 Δ,對(duì)應(yīng)的高溫區(qū)域呈規(guī)則的楔形,而實(shí)際火焰覆蓋區(qū)域則位于高溫區(qū)域的右下方,由右側(cè)的藍(lán)色鋒面和正下方的橙黃色火焰構(gòu)成。根據(jù)讀數(shù)可計(jì)算出火焰的正上部分的縱向溫度梯度為327.13 ℃/m;右側(cè)高溫區(qū)域由于是藍(lán)色實(shí)體火焰,火焰面清晰可見,溫度梯度遠(yuǎn)高于正上方,達(dá)到了1001.14 ℃/m。2.25 s 處的流場(chǎng)處于火焰泄放階段末期,劇烈的流場(chǎng)擾動(dòng)導(dǎo)致火焰湍流度增加,火焰形態(tài)紊亂。此時(shí)亮藍(lán)色火焰仍處于加速向末端運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)中,從圖中可以觀測(cè)到湍流火焰行進(jìn)方向上的紫紅區(qū)域?qū)挾绕毡楦哂诨鹧婧蠓?,溫度梯度僅為483.3 ℃/m;左側(cè)的火焰尾部從最外焰到溫度峰值的梯度則高達(dá)915.5 ℃/m,可以看出尾部的火焰分界限十分清晰。3.25 s 處亮藍(lán)色鋒面和橙黃色火焰均已傳播至臺(tái)架末端,火焰高溫峰值區(qū)域總面積相較前兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)明顯減小,火焰前后兩側(cè)溫度梯度分別為595.8 和525.9 ℃/m,僅升高了11.7%,由此可見流場(chǎng)已不具備明顯的前進(jìn)趨勢(shì)。

        圖20 油氣爆燃過程溫度分布(2 L, φ =1.34%)Fig. 20 Distribution of temperature during deflagration process (2 L, φ =1.34%)

        圖21 展示了油氣爆燃過程中的對(duì)外輻射分布;圖22 展示了3 個(gè)時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài),其中輻射儀布置方案如圖7 所示。由圖可見,3 個(gè)采集點(diǎn)的峰值均產(chǎn)生于爆燃開始后4 s 附近,此時(shí)處于殘火燃燒的燃燒潰散階段。位于臺(tái)架后半段的2 號(hào)采集點(diǎn)達(dá)到了輻射峰值13.997 kW/m,2 號(hào)采集點(diǎn)正后方的1 號(hào)采集點(diǎn)輻射峰值為2.0 9 9 k W/m,輻射的垂直衰減率達(dá)到了11.898 kW/m;靠近點(diǎn)火端的3 號(hào)采集點(diǎn)輻射峰值為5.97 kW/m,輻射的水平增長(zhǎng)率達(dá)到了5.35 kW/m。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可得,爆燃火焰在臺(tái)架前半部分主要以亮藍(lán)色形態(tài)傳播時(shí)產(chǎn)生的輻射明顯低于后半部分的橙黃色火焰,與超壓、火焰強(qiáng)度等常規(guī)參數(shù)不同的是,火焰輻射峰值形成時(shí)間相對(duì)靠后,具有一定的延遲性。

        圖21 油氣爆燃輻射發(fā)展過程(2 L, φ =1.34%)Fig. 21 Development of inradiation during deflagraion process (2 L, φ =1.34%)

        圖22 三個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)Fig. 22 Three moments correspond to the flame propagation pattern

        3 結(jié) 論

        主要從可視化角度研究了開敞空間油氣預(yù)混爆燃過程,重點(diǎn)分析了超壓、火焰速度、火焰強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)在爆燃過程中的變化規(guī)律,主要結(jié)論如下。

        (1)隨著初始油氣濃度的變化,可根據(jù)火焰的主要表現(xiàn)形式將其歸納為3 類,分別是無火的氣云灼燒、帶明火的油氣燃燒和帶壓縮波的油氣爆燃。其中爆燃模式可劃分為3 個(gè)子階段:穩(wěn)定傳播——火焰泄放——燃燒潰散。

        (2)以最高峰值的采集點(diǎn)為參照,典型的開敞空間油氣爆燃超壓動(dòng)態(tài)時(shí)序發(fā)展過程在內(nèi)場(chǎng)共形成了4 個(gè)峰值,產(chǎn)生原因分別為破膜積壓、火焰泄放、外部爆燃、火焰加速;爆燃過程外場(chǎng)和高位區(qū)域主要形成了2 個(gè)峰值,產(chǎn)生原因分別為“破膜+火焰”和外部爆燃,壓力傳播趨勢(shì)主要為縱向,隨著距離的增加而減弱(d/d=0.328 kPa/m);臺(tái)架上方距頂端1 m 處區(qū)域的超壓高于距頂端0.2 m 處。初始油氣濃度的變化也會(huì)導(dǎo)致超壓峰值和形成峰值耗時(shí)的變化,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,10 m空間內(nèi)油料泄漏量為2.5 L(體積比為1∶4000)時(shí),其所有輕質(zhì)組分揮發(fā)形成穩(wěn)定的油氣濃度(體積分?jǐn)?shù)為1.68%)經(jīng)引燃后可形成最大超壓(2.895 kPa)、最短的峰值耗時(shí)(0.935 s)以及最大的爆炸威力指數(shù)(8.964 kPa/s)。

        (3)開敞空間油氣爆燃火焰?zhèn)鞑ブ饕闪了{(lán)色光滑鋒面→亮藍(lán)色褶皺鋒面→亮藍(lán)色+橙黃色湍流火焰→橙黃色湍流火焰4 個(gè)發(fā)展階段。其中亮藍(lán)色火焰遵循球形→橢球形→弧線形→無規(guī)則火焰型的演變規(guī)律。亮藍(lán)色火焰于引燃后1 s 附近達(dá)到最高速度2.87 m/s,橙黃色火焰于1.75 s 附近達(dá)到最高速度2.44 m/s,火焰發(fā)展速度和爆燃超壓存在一定的正向耦合機(jī)制。火焰高強(qiáng)度區(qū)域主要集中在臺(tái)架中部附近,峰值達(dá)到4 810 mV,分別高過首尾端112.64%、1254.93%。初始油氣濃度等多重復(fù)雜原因會(huì)對(duì)火焰形態(tài)產(chǎn)生一定的影響。

        (4)爆燃過程中的火焰溫度分布與火焰燃燒區(qū)域和火焰行進(jìn)方向有關(guān),實(shí)體藍(lán)色弧形火焰區(qū)的溫度梯度高于上方高溫氣流區(qū),行進(jìn)端火焰梯度低于尾端火焰梯度,以殘火態(tài)燃燒的火焰梯度分布則較為均勻。油氣爆燃產(chǎn)生的輻射峰值形成時(shí)間相對(duì)靠后,與其他爆燃參數(shù)相比具有延遲性,且通常情況下爆燃初期的亮藍(lán)色火焰鋒面輻射度小于中后期形成的橙色湍流火焰。

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