王金貴，胡 超，羅飛云，張 蘇

（1. 福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，福建 福州 350116；2. 寧德新能源科技有限公司，福建 寧德 352106）

隨著煤層氣（主要成分為甲烷）等清潔能源在工業(yè)和民眾生活中的應(yīng)用越來(lái)越高，甲烷氣體的火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生。爆炸是甲烷運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，而爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的高壓高溫是主要的致災(zāi)因素。為了預(yù)防和控制此類事故的損失，可以在設(shè)備和建筑物壁面設(shè)置局部弱面，以泄放內(nèi)部爆炸壓力和熱量，降低爆炸危害，使其容器主體得到保護(hù)，即泄爆技術(shù)。目前，泄爆技術(shù)已成為能夠有效降低爆炸危害、減少損失的重要手段，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)泄爆設(shè)計(jì)雖然有效控制了爆炸過(guò)程中工業(yè)設(shè)備內(nèi)的最大爆炸壓力，但在爆炸氣體強(qiáng)烈泄放的同時(shí)也引發(fā)了設(shè)備的劇烈振動(dòng)（振動(dòng)加速度超過(guò)10 000 m/s），即泄爆過(guò)程中的容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)；強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)振動(dòng)將影響容器（建筑、設(shè)備等）及其附屬裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

泄爆面積是影響泄爆狀態(tài)的重要因素之一，王發(fā)輝等研究了不同富氧條件下泄爆口面積對(duì)壓力峰值和壓力峰值到達(dá)時(shí)間的影響，發(fā)現(xiàn)泄爆面積增大，可以降低壓力峰值和延遲到達(dá)壓力峰值的時(shí)間。董冰巖等采用數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)，泄爆膜破碎后泄爆口較大的容器內(nèi)壓力下降，而泄爆口較小的容器內(nèi)壓力卻出現(xiàn)上升趨勢(shì)。Liu 等探究了在矩形管道中不同泄爆面積對(duì)氫氣-甲烷的混合氣體在泄爆過(guò)程中容器內(nèi)外超壓和外部火焰形狀位置的影響。Cooper 等研究了兩種容器中泄爆面積不同對(duì)壓力峰值的影響規(guī)律。Tomlina 等研究了不同的無(wú)量綱泄爆系數(shù)K（K=/，其中為容器的體積，為泄爆口面積）和阻塞比對(duì)火焰速度和超壓的影響，阻塞物和泄爆面積的減小會(huì)加大爆炸的威力。梳理發(fā)現(xiàn)，以往對(duì)泄爆面積的研究主要集中于對(duì)內(nèi)外部超壓和火焰演化特征等的影響，并未針對(duì)性地研究泄爆面積對(duì)容器振動(dòng)響應(yīng)特性影響方面的研究。對(duì)此，唐澤斯等前期初步探索了甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆作用下方形艙體的典型結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，但未涉及該結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響因素及機(jī)理。

以往對(duì)容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究主要集中于定容容器爆炸產(chǎn)生的永久變形、彈性應(yīng)變和動(dòng)態(tài)力學(xué)數(shù)值分析等。Hung 等研究了在炸藥爆炸作用下圓柱殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，并用有限元分析法模擬進(jìn)行驗(yàn)證。王敏等對(duì)碳納米管/碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在低速?zèng)_擊下的響應(yīng)與破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并用實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。Ma 等對(duì)150 m 長(zhǎng)的天然氣管道進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，得出了天然氣管道爆炸的振動(dòng)能量的主要分布范圍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)垂直于管道方向的水平振動(dòng)最強(qiáng)。Wang 等利用雙層復(fù)合爆炸容器進(jìn)行內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在爆炸載荷作用下，容器內(nèi)表面的主要振動(dòng)頻率接近其固有振動(dòng)頻率。容器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)又與其內(nèi)部超壓密切相關(guān)，并存在相互作用關(guān)系，Pini 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析和建立有限元模型，驗(yàn)證了該關(guān)系與爆炸沖擊波對(duì)容器壁所施加的壓力成正比。Atange 等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆炸艙的高頻聲學(xué)振蕩被激發(fā)時(shí)，其頻率與爆炸艙的固有頻率一致。由此可見，爆炸容器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與其動(dòng)力結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。

梳理發(fā)現(xiàn)，對(duì)在閉口容器內(nèi)爆炸作用下容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究較為廣泛，而對(duì)泄爆作用下容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究較少；且以往對(duì)容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究主要集中于爆炸產(chǎn)生的內(nèi)部超壓和容器外表面應(yīng)力應(yīng)變兩方面，沒有針對(duì)性地開展關(guān)于泄爆面積對(duì)容器振動(dòng)特性影響的研究，而對(duì)于泄爆容器從振動(dòng)產(chǎn)生到共振的發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)波、壓力波和火焰三者間的相互作用關(guān)系及其對(duì)容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的研究也報(bào)道較少。為此，本文中通過(guò)分析甲烷-空氣預(yù)混泄爆作用下的容器振動(dòng)特性，從宏觀上揭示泄爆面積對(duì)泄爆作用下，泄爆面積不同對(duì)于容器振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，并結(jié)合泄爆過(guò)程中內(nèi)部超壓信號(hào)和火焰演化特征，深入探究泄爆面積對(duì)容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響機(jī)制，以期研究成果有利于更好地評(píng)價(jià)工業(yè)設(shè)備的安全性，指導(dǎo)工業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)甲烷等清潔能源的安全利用。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)爆炸容器為高1 800 mm、長(zhǎng)1 000 mm、寬550 mm 的矩形艙體，體積約1 m，如圖1 所示。面積可調(diào)的泄爆口位于艙體頂部，利用法蘭螺栓固定鋁箔封堵泄爆口，該鋁箔的靜態(tài)破膜壓力為9.5 kPa。點(diǎn)火電極位于艙體中部，點(diǎn)火能量約500 mJ，精度為±5 mJ。艙體前立面有3 個(gè)長(zhǎng)為600 mm、寬為400 mm 的透明窗，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用高速攝影機(jī)捕捉火焰圖像，拍攝頻率設(shè)為1 000 Hz。在艙體的左側(cè)壁中部位置安裝壓電式三軸加速度傳感器，頻率響應(yīng)范圍為1～5 000 Hz，最大允許加速度是50 000 m/s。艙體右側(cè)壁中部安裝壓力傳感器，點(diǎn)火電極、高速相機(jī)和示波器通過(guò)信號(hào)發(fā)生器同步觸發(fā)。根據(jù)道爾頓分壓定律配置甲烷體積分?jǐn)?shù)為10%的甲烷-空氣混合氣體。實(shí)驗(yàn)中使用的壓力表精度為±0.01 kPa。首先，通過(guò)泵將容器真空抽至?100 kPa 以下。然后，通過(guò)均勻分布在容器壁上的3 個(gè)進(jìn)氣孔快速注入目標(biāo)量的甲烷。最后，將空氣注入容器直至其處于大氣壓。完成上述步驟后，氣體擴(kuò)散30 min，以確保甲烷和空氣充分混合。根據(jù)以往的研究，甲烷以微功率的形式注入橫截面為0.3 m×0.3 m 的管道頂部，25 min后氣體可以均勻擴(kuò)散。本實(shí)驗(yàn)中，快速注入甲烷和空氣可以極大地促進(jìn)氣體擴(kuò)散過(guò)程。因此，通過(guò)上述步驟，可以保證本實(shí)驗(yàn)容器中甲烷的濃度準(zhǔn)確、均勻。本次研究共設(shè)置了無(wú)量綱泄爆系數(shù)K分別為5.00、6.25、8.33、12.50、18.52、25.00、33.33 的7 組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置見表1。

圖1 爆炸實(shí)驗(yàn)艙及其示意圖（AS：加速度傳感器；PS：壓力傳感器）Fig. 1 Real and schematic images of the explosion experimental vessel(AS: acceleration sensor; PS: pressure sensor)

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental condition

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 容器結(jié)構(gòu)響應(yīng)典型特征

圖2 是K為6.25 時(shí)泄爆容器振動(dòng)加速度及內(nèi)部超壓時(shí)程圖，兩者具有相似的變化趨勢(shì)，分析認(rèn)為氣體爆炸產(chǎn)生的壓強(qiáng)作用于容器壁，引起容器壁來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，加速度峰值由壓力峰值引發(fā)，因此曲線雙峰值一一對(duì)應(yīng)，且加速度峰值出現(xiàn)略晚。圖2 中的加速度峰值（低幅值和高幅值）分別為247 和9 547 m/s，對(duì)其進(jìn)行短時(shí)快速傅里葉變換得到時(shí)頻分布如圖3 所示。由圖3 可知，振動(dòng)頻率主要集中于78、430 和1 100 Hz；振動(dòng)頻率主要集中于470、880 和1 040 Hz，頻率為880 Hz 的能量較少。此外，圖2 中2 個(gè)超壓峰值分別為10 和20 kPa；點(diǎn)火后，在點(diǎn)火電極處形成火球（如圖4 中30 ms 的火焰圖像）并不斷擴(kuò)大，此時(shí)容器內(nèi)部壓力也逐漸升高，約在102 ms 時(shí)內(nèi)部壓力超過(guò)破膜壓力，泄爆膜破裂，此時(shí)出現(xiàn)第1 個(gè)壓力峰值（見圖2）。泄爆膜破裂后，約在102～178 ms 之間，部分未被點(diǎn)燃的混合氣體先被泄放至艙外，造成內(nèi)部壓力過(guò)度釋放，形成了負(fù)壓，隨后緊跟著頻率約為70 Hz 的亥姆霍茲型振蕩。圖4 中454～656 ms 的火焰圖像所示，艙內(nèi)部火焰向下傳播，火焰表面出現(xiàn)因泰勒不穩(wěn)定性引起的細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)。716 ms 后艙外火焰逐漸衰弱，艙內(nèi)底部未燃燒可燃?xì)怏w迅速燃燒，發(fā)出耀眼的光，此時(shí)形成第2 個(gè)壓力峰值，也稱為聲學(xué)振蕩峰值。結(jié)合內(nèi)部超壓和火焰圖像分析認(rèn)為，是由火焰初始傳播、亥姆霍茲型振蕩和泰勒不穩(wěn)定性等綜合作用共同觸發(fā)，是由聲波和火焰耦合作用觸發(fā)。當(dāng)壓力峰值形成后，觀察發(fā)現(xiàn)下部火焰在容器內(nèi)呈小幅度上下振蕩，從而導(dǎo)致了亥姆霍茲型振蕩，壓力的亥姆霍茲型振蕩又導(dǎo)致火焰表面的泰勒不穩(wěn)定性，而火焰的泰勒不穩(wěn)定性再次加劇亥姆霍茲振蕩，如此往復(fù)，直至由于摩擦等阻力損失及火焰的向下蔓延，亥姆霍茲振蕩逐漸衰減，這是低振幅振動(dòng)產(chǎn)生和持續(xù)的主要原因。

圖2 容器振動(dòng)加速度及內(nèi)部超壓時(shí)程曲線（KV=6.25）Fig. 2 Time history curves of vessel vibration and internal overpressure (KV = 6.25)

圖3 振動(dòng)時(shí)頻圖（KV=6.25）Fig. 3 Vibration time frequency diagrams (KV=6.25)

圖4 泄爆火焰演化（KV=6.25）Fig. 4 Deflagration flame evolution (KV=6.25)

2.2 泄爆系數(shù)對(duì)容器振動(dòng)響應(yīng)的影響

對(duì)各K下的容器泄爆振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線匯總發(fā)現(xiàn)，曲線均具有2 個(gè)振動(dòng)峰值，但2 個(gè)振動(dòng)峰值及其時(shí)間間隔不同。第1 個(gè)峰值為低幅值振動(dòng)，第2 個(gè)為高幅值振動(dòng)。低幅值振動(dòng)是容器結(jié)構(gòu)受到動(dòng)載荷作用后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)，但此時(shí)容器的自身恢復(fù)力能與之進(jìn)行平衡，因此該峰值較小。高幅值振動(dòng)是容器受到?jīng)_量載荷的作用，該載荷變化較快，容器來(lái)不及變形，此時(shí)主要由容器的慣性力與該載荷進(jìn)行平衡，因此該加速度峰值較大。此外，這2 個(gè)振動(dòng)峰值時(shí)間間隔不同，從圖11 中可以明顯觀察到2 個(gè)振動(dòng)峰值間隔時(shí)間最短，是由于在K為25.00 時(shí)，超壓振蕩提前發(fā)生，2 個(gè)超壓峰值間隔時(shí)間縮短，進(jìn)而使2 個(gè)振動(dòng)峰值間隔時(shí)間縮短。

泄爆口面積與未燃?xì)怏w的排出量密切相關(guān)，進(jìn)而影響外部爆炸強(qiáng)度。圖5 為不同K下排出的未燃?xì)怏w在外部發(fā)生爆炸的火焰圖像，外部火焰形狀發(fā)生明顯變化，由最初粉紅色的蘑菇狀逐漸演變?yōu)榈{(lán)色的噴射狀，爆炸強(qiáng)度依次減弱。外部爆炸影響泄爆過(guò)程，這是因?yàn)橥獠勘óa(chǎn)生的外部壓力波經(jīng)泄爆口在容器內(nèi)傳播，會(huì)對(duì)容器內(nèi)氣體的排放產(chǎn)生阻礙，進(jìn)而影響容器內(nèi)壓力變化、容器振動(dòng)響應(yīng)、火焰形態(tài)和燃燒速度。

圖5 KV 對(duì)外部火球形狀的影響Fig. 5 Effect of KV on the shape of the external fireball

為分析K對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響機(jī)制，圖6 所示為不同K下的振動(dòng)響應(yīng)和超壓峰值變化趨勢(shì)，兩者具有相似的變化趨勢(shì)。隨著K的增大，先是上下波動(dòng)，當(dāng)K＞18.52 時(shí)，呈快速增大的趨勢(shì)；而先減小后增大最后再減小；和分別在K為5.00 和12.50 時(shí)達(dá)到最小值，在K為33.33 和25.00 時(shí)達(dá)到最大值。類似地，內(nèi)部超壓也存在雙峰現(xiàn)象，且對(duì)于相同的泄爆膜，K越大，泄爆壓力也隨之增大。的變化趨勢(shì)與相似，先降低后升高最后又降低，分別在K為12.50 和25.00 時(shí)取得最小值和最大值。Rui 等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)K＜12.50 時(shí)，該壓力峰值與K無(wú)關(guān)，該壓力峰值的產(chǎn)生受多種因素的影響，如未燃?xì)怏w的體積、形狀和容器內(nèi)壁的材料等。此外，在以前的研究中，Pini 等、Dhakal 等都曾得出容器結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)與最大超壓成正比的結(jié)論。

圖6 p1 和A1、p2 和A2 隨KV 的變化Fig. 6 Variation of p1 and A1, p2 and A2 with KV

2.2.1 低幅值振動(dòng)響應(yīng)

由圖6 可知，當(dāng)K為5.00 時(shí)，和幅值均最?。?span id="meikoo0" class="emphasis_italic">K為33.33 時(shí)，和幅值最大。為了分析K對(duì)前述低幅值振動(dòng)的影響，圖7～14 列舉了2 種泄爆條件下的振動(dòng)加速度、超壓時(shí)程曲線及振動(dòng)時(shí)頻、火焰圖像特征。

圖7 振動(dòng)加速度曲線（KV=5.00）Fig. 7 Vibration acceleration curve (KV =5.00)

2 組實(shí)驗(yàn)中雖然均出現(xiàn)振動(dòng)峰值(見圖7 和圖11)，但其振動(dòng)響應(yīng)模式不同。首先，通過(guò)對(duì)比超壓曲線發(fā)現(xiàn)K為5.00 時(shí)(見圖8)出現(xiàn)了明顯的亥姆霍茲型振蕩，而K為33.33 時(shí)(見圖12)亥姆霍茲型振蕩不明顯。其次，K為5.00 時(shí)，振動(dòng)主頻(見圖9) 分布主要集中在137 Hz 的低頻振蕩，而K為33.33 時(shí)，振動(dòng)主頻能量(見圖13)分布比較復(fù)雜，振動(dòng)主頻的能量主要集中于約1000 Hz，該頻率與容器的固有頻率接近。結(jié)合火焰演化圖像(見圖10 和圖14)分析發(fā)現(xiàn)，K為5.00 時(shí)，泄爆膜在104 ms 時(shí)破碎，大量未燃?xì)怏w從泄爆口泄放至容器外，104～138 ms 之間容器內(nèi)底部火焰呈低幅度上下振蕩往下傳播，隨后外部大量未燃?xì)怏w發(fā)生蘑菇狀爆炸。而當(dāng)K為33.33 時(shí)，泄爆膜在138 ms 時(shí)破裂，破碎時(shí)間較晚，因泄爆面積較小，容器內(nèi)氣體泄放量較少，外部爆炸不明顯呈現(xiàn)噴射狀，導(dǎo)致壓力時(shí)程曲線中第1 個(gè)負(fù)壓消失；且容器內(nèi)底部火焰的振蕩現(xiàn)象變得不明顯，這與前期研究結(jié)果一致：亥姆霍茲型振蕩只出現(xiàn)在K較小的情況。泄爆膜破碎后由于泄爆口較小，排出容器外的燃料較少，138～220 ms 時(shí)容器內(nèi)的火焰表面因泰勒不穩(wěn)定性出現(xiàn)大量細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，增大了火焰的表面積，加速了火焰的燃燒?？傮w而言，K較大時(shí)泄爆面積較小，大量未燃?xì)怏w留在容器內(nèi)，為火焰向下傳播提供大量可燃?xì)怏w，因此火焰燃燒時(shí)間較長(zhǎng)且強(qiáng)度較高，最終導(dǎo)致K較大時(shí)有著相對(duì)較強(qiáng)的振動(dòng)主頻能量、相對(duì)較大的峰值和較長(zhǎng)時(shí)間的低幅值振動(dòng)響應(yīng)。

圖8 超壓時(shí)程曲線(KV=5.00)Fig. 8 Overpressure time history curve (KV =5.00)

圖9 振動(dòng)時(shí)頻圖（KV=5.00）Fig. 9 Time frequency diagram (KV =5.00)

圖10 火焰演化圖像(KV=5.00)Fig. 10 Flame evolution images (KV =5.00)

圖11 振動(dòng)加速度曲線(KV=33.33)Fig. 11 Vibration acceleration curve (KV =33.33)

圖12 超壓時(shí)程曲線(KV=33.33)Fig. 12 Overpressure time history curve (KV =33.33)

圖13 振動(dòng)時(shí)頻圖(KV=33.33)Fig. 13 Time frequency diagram (KV =33.33)

圖14 火焰演化圖像(KV=33.33)Fig. 14 Flame evolution images (KV =33.33)

以點(diǎn)火電極為起點(diǎn)，結(jié)合火焰圖像分析上部火焰抵達(dá)容器的中窗口上部、上窗口下部、上窗口中部、上窗口上部和火焰沖出容器瞬間的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，結(jié)合容器及窗口尺寸，可得到火焰在各階段的平均速度，如圖15 所示。從圖15 中可以看出火焰平均速度不斷升高，說(shuō)明火焰在容器內(nèi)是加速燃燒過(guò)程，且平均速度隨著K的增大而減小。在200 mm 處各組平均速度差別不大，分析認(rèn)為此時(shí)泄爆膜未破裂，前期類似于在定容容器中甲烷燃燒，K不產(chǎn)生影響。隨著火焰的傳播，容器內(nèi)的壓力逐漸升高，泄爆膜破碎，此后，K對(duì)火焰速度產(chǎn)生影響。在泄爆膜未破裂前，火焰上下壓強(qiáng)相近。泄爆膜破碎的瞬間，艙內(nèi)外形成較大壓強(qiáng)差，導(dǎo)致火焰上部迅速向上傳播。然而，容器內(nèi)氣體燃燒產(chǎn)生的聲波會(huì)撞擊到泄爆口壁面產(chǎn)生反射波，該波會(huì)阻制火焰向上傳播。K越小，反射波強(qiáng)度越弱，對(duì)火焰向上傳播的阻力越小，導(dǎo)致火焰整體向上的趨勢(shì)較強(qiáng)。相反，K較大時(shí)火焰速度總體較低，即火焰平均速度隨著K的增大而降低。另外，相同的位移，平均速度越高，火焰越早地被噴出。

圖15 不同KV 下上部的火焰平均速度Fig. 15 Upper flame average speed for different KV

2.2.2 高幅值振動(dòng)響應(yīng)

由圖6 可知，K為12.50 時(shí)，和幅值均最小，在K為25.00 時(shí)，和幅值最大。為了分析K對(duì)前述高幅值振動(dòng)的影響，圖16～23 分別列舉了兩種泄爆條件下的振動(dòng)加速度、超壓時(shí)程曲線及振動(dòng)時(shí)頻、火焰圖像特征。從圖16 和圖20 的振動(dòng)加速度曲線可知，2 個(gè)峰值和其出現(xiàn)時(shí)間相差較大，即振動(dòng)峰值的出現(xiàn)和發(fā)育均與K有關(guān)。首先，對(duì)比圖17 和圖21 的超壓時(shí)程曲線，K為25.00 時(shí)大約是K為12.50 時(shí)的10 倍，并且K為25.00 時(shí)熱聲耦合現(xiàn)象提前發(fā)生。其次，通過(guò)短時(shí)快速傅里葉變換得到時(shí)頻特征，并選取該時(shí)段的火焰演化圖像進(jìn)行對(duì)比分析（見圖18 和圖22）。從振動(dòng)時(shí)頻圖分析發(fā)現(xiàn)，它們具有相同的振動(dòng)模式，振動(dòng)主頻分布較為清晰。K為12.50 時(shí)振動(dòng)主頻能量主要集中于480 Hz 處，而K為25.00 時(shí)振動(dòng)主頻能量幾乎都集中于約1000 Hz。最后對(duì)比兩組火焰圖片發(fā)現(xiàn)，K為12.50 時(shí)（見圖19）火焰底部形成細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量沒有K為25.00 時(shí)（見圖23）多，且圖19 中火焰前鋒接近容器底部時(shí)火焰的亮度也沒有圖23 中的明亮。這因?yàn)?span id="eukgyww" class="emphasis_italic">K為12.50 時(shí)泄爆口面積較大，泄放后容器內(nèi)的可燃?xì)怏w較少，整個(gè)燃燒過(guò)程較為穩(wěn)定。再加之火焰前鋒受到聲波及其反射波的擾動(dòng)較小，火焰前鋒面較為平坦，即火焰表面積較小，比較而言，會(huì)對(duì)火焰的燃燒起到一定的抑制作用，由此造成一個(gè)相對(duì)衰減的正反饋循環(huán)系統(tǒng)（由于容器內(nèi)氣體經(jīng)泄爆口排出，導(dǎo)致流體熱力學(xué)參數(shù)的改變和熱釋放率的波動(dòng)，這會(huì)激起聲壓的振動(dòng)，聲波在容器內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次反射后形成爆炸波，該爆炸波又會(huì)加強(qiáng)聲壓的振動(dòng)，再次引起流體熱力學(xué)參數(shù)的改變，形成一個(gè)閉合的正反饋循環(huán)系統(tǒng)），從而導(dǎo)致火焰與聲波耦合較弱。故K為12.50 時(shí)振動(dòng)主頻能量低、高幅值較小，且出現(xiàn)時(shí)間較晚。

圖16 振動(dòng)加速度曲線(KV=12.50)Fig. 16 Vibration acceleration curve (KV =12.50)

圖17 超壓時(shí)程曲線(KV=12.50)Fig. 17 Overpressure time history curve (KV =12.50)

圖18 振動(dòng)時(shí)頻圖(KV=12.50)Fig. 18 Time frequency diagram (KV =12.50)

圖19 火焰演化圖像(KV=12.50)Fig. 19 Flame evolution images (KV=12.50)

圖20 振動(dòng)加速度曲線(KV=25.00)Fig. 20 Vibration acceleration curve (KV =25.00)

圖21 超壓時(shí)程曲線(KV=25.00)Fig. 21 Overpressure time history curve (KV =25.00)

圖22 振動(dòng)時(shí)頻圖(KV=25.00)Fig. 22 Time frequency diagram (KV =25.00)

圖23 火焰演化圖像(KV=25.00)Fig. 23 Flame evolution images (KV =25.00)

相反，K為25.00 時(shí)，泄爆膜破碎后大量的甲烷氣體留在容器內(nèi)，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌??；鹧媲颁h受到聲波及其反射波的擾動(dòng)較大，火焰前鋒面出現(xiàn)較多細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，這會(huì)增大火焰與可燃?xì)怏w的接觸面積，對(duì)燃燒起到促進(jìn)作用，從而構(gòu)成一個(gè)相對(duì)增強(qiáng)的正反饋循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)該正反饋系統(tǒng)不斷循環(huán)運(yùn)行時(shí)，火焰的熱釋放率波動(dòng)與聲壓振蕩不斷加速，當(dāng)兩者波動(dòng)相位小于π/2 時(shí)，火焰與聲壓發(fā)生耦合，此時(shí)產(chǎn)生高頻周期振動(dòng)的劇烈不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，火焰燃燒速率迅速增強(qiáng)，最終表現(xiàn)為觸發(fā)超壓與容器的高幅值振蕩，在抗爆設(shè)計(jì)時(shí)該現(xiàn)象不能忽視，由于該現(xiàn)象主要與聲波相關(guān)，因此在抗爆設(shè)計(jì)時(shí)可以從減弱聲波方面入手。在本次實(shí)驗(yàn)中，只有K為25.00 時(shí)高峰值出現(xiàn)的時(shí)間最早，峰值最大，說(shuō)明火焰的熱釋放率與聲壓振蕩的波動(dòng)相位最為接近。隨著K的進(jìn)一步增大或者減小，火焰的熱釋放率與聲壓振蕩的波動(dòng)相位又逐漸拉大，使得火焰與聲壓發(fā)生耦合越來(lái)越難。最終導(dǎo)致高峰值逐漸變小，出現(xiàn)時(shí)間逐漸延后。

3 結(jié) 論

通過(guò)自主搭建甲烷泄爆振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，研究了不同泄爆面積時(shí)甲烷-空氣預(yù)混氣體泄爆過(guò)程中容器的振動(dòng)響應(yīng)特征，結(jié)合振動(dòng)加速度、內(nèi)部超壓、火焰演化和信號(hào)頻率-時(shí)間分布等特征探究了泄爆面積對(duì)容器振動(dòng)響應(yīng)的影響機(jī)制，得到的主要結(jié)論如下。

（1）容器振動(dòng)響應(yīng)由內(nèi)部壓力觸發(fā)，故振動(dòng)加速度和內(nèi)部超壓曲線具有相似的變化趨勢(shì)，且加速度峰值出現(xiàn)略晚，但泄爆面積對(duì)其峰值大小和出現(xiàn)時(shí)間影響規(guī)律不同。

（2）振動(dòng)加速度和內(nèi)部超壓均出現(xiàn)高低幅值的雙峰現(xiàn)象，其中低幅值由火焰初始傳播、亥姆霍茲型振蕩和泰勒不穩(wěn)定性等綜合作用共同觸發(fā)，高幅值由聲波和火焰耦合作用觸發(fā)。

（3）火焰未達(dá)到泄爆口之前，火焰上部的平均速度隨著K增大而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。泄爆膜破碎之后火焰加速?gòu)男贡趪姵觯?span id="gimc0gw" class="emphasis_italic">K較小時(shí)火焰較早從泄爆口噴出。隨著K的增大，泄放的氣體量逐漸減少，導(dǎo)致外部爆炸強(qiáng)度依次減弱。

（4）在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)K為25.00 時(shí)出現(xiàn)最大幅值的振動(dòng)響應(yīng)和最高能量的高幅值振蕩，此時(shí)熱聲耦合現(xiàn)象最顯著；而隨著K進(jìn)一步增大或者減小，熱聲耦合現(xiàn)象逐漸衰減。