爆炸性气体在连续拐弯管道中传播特性的实验研究

顾金龙,翟 成

(1.上海市消防局,中国上海,200051;2.中国矿业大学安全工程学院,徐州江苏,221116)

爆炸性气体在连续拐弯管道中传播特性的实验研究

顾金龙1,翟 成2

(1.上海市消防局,中国上海,200051;2.中国矿业大学安全工程学院,徐州江苏,221116)

针对复杂燃气管网燃气爆炸致灾严重,传播规律复杂的问题,利用实验室加工成的连续拐弯管道,模拟研究了复杂燃气管网爆炸性气体通过连续拐弯管道时的火焰传播速度、爆炸波超压变化情况。研究结果表明,当整个管道内充满瓦斯气体时,通过连续拐弯后,火焰传播速度和爆炸波超压值产生显著变化,在连续拐弯管道拐弯处为一扰动源,诱导附加湍流,气流湍流度增大,管道拐弯增加了燃烧区的湍流度,火焰燃烧产生加速度,加速燃烧产生更大能量以推动加速传播。研究结果对指导现场如何防治复杂燃气管网气体爆炸,减轻爆炸的威力具有重要作用。

爆炸性气体;火焰;爆炸波;连续拐弯管道析

0 引言

可燃气体爆炸波在约束空间中传播时,约束边界的变化情况对其传播规律产生很大影响,但是出于实验研究内容的需要,很多学者往往简化或者忽略其他不相干因素的影响,大部分的气体爆炸管道实验是在直管中进行的。实际的燃气管网,并不可能都是笔直的,不可避免的存在许多拐弯管道,而且管道之间又组成复杂的管网。

王汉良等[1]研究了丙烷-空气爆轰波通过90°弯管道时的传播特性,初步得出结论认为,爆轰波经过弯管道后单位距离上的火焰速度增量显著增加。Skews和Law[2]研究了激波在管道网络中的传播情况,研究表明,激波从主管路到分支管路试验段出现波浪式的增长,形成一个更强大的超压。夏昌敬[3]实验研究了可燃气体稳定爆轰波在90°弯管中的变化规律。研究结果表明:稳定爆轰波通过弯管时,由于弯管中受到凸壁侧产生的稀疏波与凹壁侧马赫和反射波的相互作用,经历了爆轰波衰减,部分熄灭,重新引爆和恢复稳定四个过程。杨志等[4]研究了Z型管道中气体火焰传播规律,结果表明稳定爆轰波通过Z型管道时传播速度有明显的下降;但Z型管道对非稳定爆轰波的传播作用受到非稳定爆轰波自身速度的影响;爆燃火焰通过Z型管道时火焰传播速度的变化呈现不确定性。

上述研究都表明可燃气体爆炸后在弯管内波系相互作用比直管更为复杂多变,目前研究还没有完全揭示其爆炸传播机理。本文利用实验室管道加工成的连续拐弯管道,采用瓦斯气体作为爆炸性气体,模拟分析气体爆炸后通过连续拐弯管道时的火焰传播速度、爆炸波超压变化情况,探索爆炸波通过连续拐弯管道时的传播规律,为防治复杂燃气管网的气体爆炸提供理论指导。

1 瓦斯爆炸在连续拐弯管道中传播实验研究

1.1 实验方案

瓦斯爆炸实验系统主要包括:瓦斯爆炸试验管道、动态数值采集分析系统、火焰速度(及厚度)测量系统、爆炸压力测量系统、温度测量系统、配气系统、瓦斯爆炸点火装置等。实验采用了 TST3000动态数据采集系统,该系统具有16个通道(采样率20M,采样精度10bit,采样长度1M),整个采样通道采用并行工作模式,各通道的时差仅在3纳秒内,可认为通道间的时差为零,能满足微秒级数据采集速度的要求。压力传感器采用CYG1402H的高温高频压力变送器,耐平衡高温 220℃、瞬时高温2000℃/1000ms。火焰传感器采用光敏三极管,在CH4燃烧的暗淡光源下,通过放大电路也可以准确采集到火焰信号,采集速度达到了微秒级。

实验是在80mm×80mm方管中进行的,在距点火端4m处产生连续拐弯,管道 T1长4.5米、管道 T2长0.8米、管道 T3长1.5米。T3管道末端有开口、闭口两种情况,实验瓦斯气体浓度为9.5%,如图1所示。分别在管道拐弯前后的各点布置火焰传感器测定各点的火焰传播速度,然后卸下火焰传感器,在各点布置压力传感器测定各点的爆炸波超压值,每次实验时在点火端都设置螺旋加速环。

图1 连续拐弯管道传感器测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of sensor placement in continuous turning pipe

1.2 实验结果

分别在80mm×80mm直管和连续拐弯管道中做瓦斯爆炸实验,比较80mm×80mm直管与连续拐弯管道中的瓦斯爆炸传播规律。表1给出了瓦斯爆炸过程中连续拐弯管道对火焰传播速度影响实测结果统计值,表2给出了瓦斯爆炸过程中连续拐弯管道对爆炸波超压值影响实测结果统计值,表1和表2中每一实验点数值均是多次实验数据的算术平均值。

表1 连续拐弯管道瓦斯爆炸过程中火焰传播速度测定值(单位:m/s)Table 1 Flame propagation velocity in continuous turning pipe

表2 连续拐弯管道瓦斯爆炸过程中爆炸波超压测定值(单位:105Pa)Table 2 Shock w ave pressure in continuous turning pipe

2 实验数据分析

图2、图3是根据表1中的数据做出的连续拐弯管道中不同测点的瓦斯爆炸火焰传播速度关系曲线。

(1)当整个管道中充满瓦斯、管道末端开口时,在管道 T1段,瓦斯爆炸火焰传播速度随传播距离的增大而增大,但增大的幅度不大,与在相同工况时直管的增大幅度相当,其传播规律与直管中的相似;在管道 T1的末段,火焰传播速度迅速降低,直到为零,并产生反向传播;在第一个拐弯后,即进入 T2段时,火焰传播速度迅猛增大,其加速度远远大于相同工况时直管的火焰传播加速度;在进入 T3段时,火焰传播速度又一次迅猛增大,并在离出口处一定距离的位置时达到峰值。

(2)当整个管道中充满瓦斯、管道末端闭口时,在管道 T1段,瓦斯爆炸火焰传播速度随传播距离的增大而增大,但增大的幅度比在相同工况时直管的增大幅度大,其传播规律与直管中的相似;在管道T1的末段,火焰传播速度迅速降低,直到为零,并产生反向传播;在进入 T2段时,火焰传播速度迅猛增大,其加速度远远大于相同工况时直管的火焰传播加速度;在进入第二个弯后,即进入 T3段时,火焰传播速度又一次迅猛增大,并在离末端一定距离的位置时达到峰值。

图4、图5为根据表2中的数据做出的连续拐弯管道中不同测点的瓦斯爆炸峰值超压关系曲线。

(1)当整个管道中充满瓦斯、管道末端开口时,在第一个拐弯前,瓦斯爆炸波超压值随传播距离的增大而增大,其传播规律与在相同工况时直管的相似;在管道 T1的末段,爆炸波峰值超压达到最大值;进入 T2段时,拐弯后的爆炸波超压值比拐弯前的要大;在 T2段内传播时,爆炸波峰值超压增大,其增幅远大于相同工况直管中的爆炸波峰值超压的增幅;进入 T3段时,拐弯后的爆炸波超压值比拐弯前的要大,在 T3段内传播时,爆炸波超压值迅猛增大,当在离出口处一定距离的位置时,爆炸波超压值开始下降。

(2)当整个管道中充满瓦斯、管道末端闭口时,在第一个拐弯前,瓦斯爆炸波超压值随传播距离的增大而增大,增大的幅度不大,比在相同工况时直管的增大幅度略小,其传播规律与在相同工况时直管的相似;在管道 T1的末段,爆炸波峰值超压达到最大值;进入 T2段时,拐弯后的爆炸波超压值比拐弯前的要大得多;在 T2段内传播时,爆炸波峰值超压增大,其增幅大于相同工况直管中的爆炸波峰值超压的增幅;进入 T3段时,拐弯后的爆炸波超压值比拐弯前的要大得多,在 T3段内传播时,爆炸波超压值迅猛增大,并在末端处达到最大值。

图6 湍流火焰阵面结构示意图Fig.6 Schematic diagram of turbulent flame front

表1和表2的实验结果表明,当整个管道内充满瓦斯时,通过连续拐弯后,火焰传播速度和爆炸波超压值有明显的增大。管道连续拐弯既增强热量向壁面的传递,引入了较大的总阻力,弯角处产生膨胀波抑制瓦斯爆炸的传播,同时也因为拐弯增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧产生能量以推动反应进行和加速传播[5-7]。

在入射冲击波位于离拐弯处非常近的位置,仍然以平面冲击波的形式向右传播。进入管道拐处后,由于靠近弯管处的边壁突然上拐,管道截面扩大,产生膨胀扰动,结果冲击波强度变弱,波阵面变曲,由于切向速度连续,波阵面与边壁垂直。随着运动距离增大,膨胀扰动不断扩展,管内的冲击波阵面完全变曲,形状慢慢地由梨状波变成柱面波。随着时间推移,拐弯处膨胀扰动及这个扰动在管道内的来回反射作用,使得变曲的主冲击波后面形成复杂的诱发冲击波系。冲击波在传播过程中,由于管道拐弯处面积扩大,产生膨胀扰动,波后气流绕拐角运动;又由于气体粘性作用,紧靠拐弯尖角处形成小涡团。随着时间的增加。波后气流不断向拐弯方向流动,涡团不断地旋转,因粘性作用使此涡团旋转带动起来的气流不断增多,从而使涡团逐渐扩大[8,9]。

显然,如果火焰折迭尺度越大,燃烧表面积也就越大,体积燃烧率V(t)(或者质量燃烧率 m(t)=V(t)ρ)也就越大,结果能量释放率增加,反应加快,火焰传播速度加快[10]。因此,大尺度湍流通过折迭来增加火焰燃烧总表面积,而小尺度湍流则增加局部热和质量交换,它们对形成较高的燃烧速度都有贡献。

3 结论

通过对拐弯管道爆炸性气体爆炸传播过程中火焰传播速度、压力波超压值的实验研究和理论分析,得出如下结论:

(1)在拐弯处的瓦斯爆炸传播过程是一个压力波、火焰、复杂流动相互作用的过程,在拐弯处,压力波超压、火焰传播速度迅速增大,对拐弯处的壁面破坏特别严重。

(2)连续管道拐弯既增强热量向壁面的传递、引入了较大的总阻力、弯角处产生膨胀波抑制瓦斯爆炸的传播,同时也因为拐弯增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧使得能量释放率增加,反应进一步加快,火焰传播速度也加快,产生正反馈的作用。

(3)连续拐弯管道的瓦斯爆炸传播特性与直管的瓦斯爆炸传播特性有明显的差别,如果在爆炸性气体阻隔爆仍然按直管传播特性进行考虑,会使取阻隔爆装置失去作用,阻隔爆设施形同虚设。因而在可燃气体管道设计时,应该尽量避免管道拐弯,在必须拐弯时,应该根据拐弯管道气体爆炸传播规律来采取相应的预防措施,以阻止气体爆炸的传播和降低强度,减少爆炸性气体爆炸带来的损失。

[1]王汉良,周凯元,夏昌敬.气体爆轰波在弯曲管道中传播特性的实验研究[J].火灾科学,2001,10(4):210-211.

[2]Skews B W,Law W R.Propagation of shock waves in a complex tunnel system[J].Journal of The South African Institute ofMining and Metallurgy,1991,91(4):137-144.

[3]夏昌敬.可燃气体爆轰波在弯曲管道中的传播特性研究[D].合肥:中国科学技术大学力学与机械工程系,2002.

[4]杨志,周凯元,谢立军,等.z型管道中气体火焰传播规律的实验研究[J].火灾科学,2006,15(3):111-114.

[5]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京,北京理工大学出版社,1996:96-109.

[6]余立新,孙文超,吴承康.障碍物管道中湍流火焰发展的数值模拟[J].燃烧科学与技术,2003,9(1):11-15.

[7]Fairweather M,Hargrave G K,IBrahim SS,et al.Studies of premixed combustion processes in closed pipe[J].Combustion and flame,1998,114(3):397-419.

[8]Meneveau C,Poinsot T.Stretching and quenching of flamelets in premixed turbulentcombustion[J].Combustion and Flame,1991,86:311-332.

[9]Poinsot T J Haworth.Direct simulation and modeling of flame-wall interaction for premixed turbulent combustion[J].Combustion and Flame,1993,95:118-132.

[10]林柏泉,周世宁.障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响[J].中国矿业大学学报,1999,28(2):104-107.

G as explosion propagation characteristics in continuous turning pipe

GU Jin-long1,DI Cheng2

(1.Shanghai Fire Bureau,Shanghai,200051,China;2.Faculty of Safety Engineering,China University of mining and technology,Xuzhou Jiangsu,221116,China)

On the basis of experiment,the influence of continuous turning pipe on gas explosion propagation characteristics was simulated.The results show that the flame propagation speed and explosion overpressure change obviously when the pipe is full of explosion gas.The bend corner is a disturbance source,which increases the turbulent flow that accelerates the reaction and transmission velocity.The research results will play an important role in the guidance of preventing gas explosion from occurring and lightening the explosion power in gas network.

Explosive gas;Flame;Explosive wave;Continuous turning pipe

TD 712+.51

A

1004-5309(2011)-0016-05

2010-09-26;修改日期:2010-10-21

国家自然基金青年基金(50804048),中国矿业大学青年科研基金(2007A003)

顾金龙(1964-),男,理学学士,高级工程师,现任上海市消防局总工程师,主要从事易燃易爆化学物品消防安全管理及技术研究。