置障条件下半密闭空间油气爆炸特性实验与数值模拟

欧益宏，李润，袁广强，李国庆，王世茂

（1陆军勤务学院油料系，重庆 401311；2陆军72489部队，山东 烟台 265301）

置障条件下半密闭空间油气爆炸特性实验与数值模拟

欧益宏1，李润1，袁广强2，李国庆1，王世茂1

（1陆军勤务学院油料系，重庆 401311；2陆军72489部队，山东 烟台 265301）

针对置障条件下容积式半密闭空间内油气着火爆炸特性进行了研究，通过高速摄影等技术手段对爆炸过程中火焰形态，爆炸超压特性进行了实验，并对实验进行了大涡模拟，精确模拟了火焰与障碍物相互作用时的火焰形态，流场结构，超压特性，与实验进行了对比分析。结果表明：障碍物的存在会使火焰结构发生变化，出现半球形圆锥形毛刷形的转变，并在障碍物下游由于未燃气体的卷吸产生火焰旋涡；爆炸超压峰值的产生是燃烧速度与泄压速度相互耦合作用的结果，在油气爆炸过程中，障碍物的存在会导致燃烧速度以及泄压速度的变化，进而对超压峰值产生一定的影响。

障碍物；半密闭空间；大涡模拟；油气；湍流；混合物；实验验证

引 言

油料在生产、储存和运输过程中不可避免地挥发、泄漏形成油气，一旦产生爆炸，将会严重破坏人员生命财产安全[1-3]。以往有学者针对不同空间下油气着火爆炸特性进行了研究[4-9]，然而这些研究大多针对连续无障碍空间，对于置障条件下油气的爆炸特性研究较少。事实上，在如泵房、仓库、操作间中等油气容易聚集的半封闭空间中，常常存在各种障碍物，如油泵、装备以及各类支护设施等，当爆炸火焰传播到障碍物处，火焰会由于障碍物对气体流场和火焰的扰动引发更强烈的爆炸，对人员生命财产安全造成更大的威胁。

国内外许多学者针对置障条件下可燃气体爆炸火焰结构、火焰传播速度、流场结构以及爆炸超压进行了实验以及数值模拟[10-21]，研究了不同初始条件[13]下障碍物的数量[14]、间距[15-16]、结构形状[17]、布置方式对爆炸特性的影响，并运用LES模型对不同置障条件下可燃气体爆炸进行了数值模拟[18-21]，得到了容器内爆炸的火焰结构、超压特性，并与实验进行了对比。然而，这些研究大多针对甲烷、氢气等单一工质气体在不同条件下可燃气体爆炸的火焰结构、超压等表征特性，对于油气这种混合工质[22]在置障工况下的爆炸特性研究尚未见报道。同时，对于置障条件油气爆炸下火焰结构、流场和压力波的耦合关系以及超压峰值产生的原因还需进行更深入的研究。基于此，对置障条件下半密闭空间内油气着火爆炸进行了实验，研究障碍物对油气爆炸过程中火焰形态、爆炸超压的影响，同时对实验进行了大涡模拟，以精确模拟火焰与障碍物相互作用时的火焰形态、流场结构、超压特性，重点分析火焰结构、流场与压力波的耦合关系以及超压峰值的产生机制。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

实验系统主要由爆炸容器、CH浓度测试仪、点火系统、配气系统、数据采集系统、高速摄影仪和同步控制器组成，如图1所示。

为进行对比实验，爆炸容器分为无障与置障两种工况，容器由截面尺寸为150 mm×150 mm、高为200 mm、壁厚为20 mm的全透明有机玻璃制成，左右两侧开有6个直径为20 mm的标准螺孔，顶部用聚乙烯薄膜密封，底部用钢板密封，障碍物为 4块150 mm×40 mm的平板，厚度为7.5 mm，平行对称地安装于容器两侧壁面，与容器底部的距离分别为75、125 mm，障碍物阻塞率为0.53。CH浓度测试仪为GXH-1050碳氢分析仪（精度0.01%）。点火系统采用实验室定制的抗干扰点火系统，点火能量为1.6 J，点火头安装于容器底部中心位置。配气系统由真空泵、油瓶、管路和阀门组成。压力传感器量程为0～5 kPa，测量精度为0.5%。位于侧壁，距顶端50 mm，距两边各75 mm，实验时采集频率为10 kHz。采集分析软件采用成都泰斯特公司生产的DAP7.1。高速摄影仪为 JVC高速闪存摄像机，频率设置为500帧/秒。采用同步控制器来保证点火系统、数据采集系统和高速摄影仪的同步触发。为避免阳光对实验图像的干扰，实验在暗室下进行。

1.2 实验方法

实验初始温度为20℃，初始压力为0.1 MPa，采用体积分数为 1.7%的油气（化学当量比为1.05[23]）进行实验，每次实验前对实验系统进行校核，确保测量误差合理。然后利用真空泵产生的气流在油瓶和管路中循环，加速油气的挥发并将其吹入循环回路中，同时用CH气体浓度分析仪实时监测油气体积分数，当油气体积分数达到1.7%时，停止配气。关闭油瓶左右两侧阀门，打开油瓶上部阀门，使油气混合气体在系统内自然循环 2 min，使油气均匀混合，接着启动同步控制器，使点火系统、瞬态信号测试仪和高速摄影仪同步触发，对火焰图像和压力进行采集。最后关闭实验仪器，分析数据。为确保实验准确性，进行重复实验5次，取数据平均值进行分析。

2 数值模拟

2.1 控制方程

由于在置障条件下的油气爆炸是一个强湍流爆燃过程，因此采用较能捕捉湍流特征的壁面自适应局部涡黏模型（WALE）的大涡模拟（LES）对实验过程进行了重现。大涡模拟对小尺度的脉动进行过滤，而只对大尺度的湍流脉动通过N-S方程进行计算求解，而对小尺度脉动产生的影响则通过亚网格模型进行模型假设来模拟，经过过滤后大涡模拟的控制方程[24]为

连续性方程

动量方程

能量方程

反应进程变量c的输运方程

式中，ρ为密度；p为压力；t为时间；ui、uj为速度分量；hs为显焓；λ为热导率；D为扩散系数；ω˙为归一化的化学反应速率；横线上角标为物理空间过滤量，波浪线上角标为质量权重过滤量。亚网格热焓通量通过梯度近似设为

式中，μSGS为亚网格黏度；PrSGS为亚网格Prandtl数；T为温度；cp为比定压热容。

建立亚网格模型使控制方程封闭，WALE模型通过大涡速度场动态地求出亚网格模型的系数，能够较为精确地捕捉层流到湍流的转变，且不需要显式过滤[25]，计算量较小。因此采用WALE模型作为计算的亚网格模型。其中涡黏模型方程为

模型中

2.2 燃烧模型

在湍流预混燃烧的模拟中，火焰的厚度一般较小，若直接计算，对网格的要求一般会比较高，因此采用的燃烧模型为Zimont模型，在该模型中，通过加厚火焰前锋来计算湍流火焰速度

式中，A为模型常数；u'为均方速度；Ul为层流火焰速度；α=k/cp，为未燃混合物的摩尔传热系数；lt为湍流长度尺度。

2.3 计算模型

如图2所示，所采用的计算模型与实验台架一致，为更精确地模拟边界出口，在容器出口添加一600 mm×600 mm×300 mm扩展区域，并采用边长为2 mm的六面体结构网格对容器区域进行了加密处理，至外场区域逐渐扩大，总网格数量约为106万个。整个计算区域采用有限体积法对区域进行离散，压力速度耦合采用SIMPLE算法。初始区域温度设置为300 K，压力设置为大气压，即p=0，化学反应进程变量 c=0，在容器底部中心区域设置一个半径为5 mm的半球形区域[26]，利用patch功能将该区域的反应进程变量c设为0.5，采用热传导方式模拟电火花进行点火，计算区域的边界条件设为壁面固定、封闭、绝热、无变形、无滑移、无渗透。

图2 计算模型及网格Fig.2 Model and grid of calculation

3 结果与讨论

3.1 火焰结构

图3为无障条件下高速摄影火焰传播图像，初始时刻火焰形状为半球形，火焰锋面光滑，呈现层流燃烧状态。t=14 ms以后由于浮力效应和容器侧壁的限制，火焰形状由半球形变为指尖形。燃烧核形状由近似圆形拉长为圆柱形。t=28 ms时，压力波冲破聚乙烯薄膜，此时火焰还未传播到容器口。在高温已燃油气的挤压和容器内外压差的作用下，大量未燃油气以较高速度泄放到空气中，形成油气云。由于破膜压力小，未燃油气泄放对火焰结构影响较小，火焰阵面未发生明显变化，火焰形状一直保持指尖形，t=36 ms时，火焰传播至容器口。

图3 无障条件下高速摄影火焰传播图像Fig.3 High-speed photographic flame propagation without obstacles

图4 置障条件下高速摄影火焰传播图像Fig.4 High-speed photographic flame propagation with obstacles

图4为用高速摄影仪拍摄置障条件下的不同时刻火焰传播结构，将其与图3对比可以看出，初始阶段，火焰发展基本与无障碍时保持一致，火焰呈半球形向上传播，t=20 ms，火焰前锋在障碍物的作用下开始向内挤压，火焰阵面开始变形，火焰由层流向湍流状态开始转变，火焰传播开始加速。t=22 ms时，火焰刚好越过第1对障碍物，火焰峰面开始向两侧拉伸。t=26 ms时，聚乙烯薄膜破裂，火焰前锋通过第2对障碍物，此时第1对障碍物下游的火焰面开始向两侧发生卷曲，并产生褶皱。t=30 ms时，火焰锋面已经越过第2对障碍物并开始向两侧拉伸，呈现“毛刷状”，此时第1个障碍物下游火焰面已经形成旋涡，t=36 ms时，火焰已经传播至容器外部，在容器内部的火焰迅速扩展燃烧，形成强湍流火焰。

图5为采用大涡模拟时火焰结构随时间变化的三维图，为观察火焰锋面结构，选用反应进程变量c=0.5等值面近似视为预混燃烧面[18]，在大涡模拟中，火焰结构呈现半球形→圆锥形→毛刷形的转变，并在障碍物下游由于未燃气体的卷吸产生火焰旋涡，最终形成强湍流火焰，将图5与图4进行比较，可以看到，大涡模拟很好地再现了实验过程，这也验证了 LES模型对模拟置障条件下油气爆炸实验的可行性。

图5 火焰传播大涡模拟三维时序图Fig.5 Flame propagation large eddy simulation 3D timing diagram

3.2 火焰结构分析

为深入分析置障条件下油气爆炸火焰结构变化，在验证了大涡模拟的有效性后，通过大涡模拟得到了火焰发展各个时期的压力云图和流场结构（图6），并将其与火焰结构进行对比，进一步揭示火焰结构、压力波与流场之间的相互作用。

如图6所示，t=20 ms时，当火焰穿过障碍物时，火焰前驱压力波已经传播至第2个障碍物，由于障碍的阻碍，压力波传播到障碍物下游的压力大大减小，因此在第1对障碍物下游形成了一个压力递减的低压区域，形成较大的压力梯度。同时由于压力波的传播，推动未燃气体以较高的速度向上传播，障碍物下游区域受到压力波影响较小，产生较大的速度梯度，最终在障碍物下游产生了气体旋涡区域。随后，火焰前锋越过第1对障碍物，由于障碍物下游与无障碍区域存在较大的速度梯度，且火焰锋面向两侧拉伸，导致高温低密度的燃烧流入低温高密度的未燃气体，在 Helmholtz不稳定和Rayleigh-Taylor不稳定[27]的作用下，火焰锋面出现褶皱。t=26 ms时火焰前锋传播到第2个障碍物，此时压力波已经越过第2个障碍物向上传播至容器口，此时在两对障碍物下游都形成了明显的低压圆形区域，未燃气体绕此圆形区域形成明显的速度旋涡，在第1对障碍物下游火焰锋面在未燃气体旋涡的卷吸下逐渐卷曲，并产生褶皱，形成弱湍流火焰，此时火焰表面积急剧增大，燃烧速率加快，压力波同时也增强。t=30 ms时，火焰前锋越过第2对障碍物并迅速向两侧扩展呈“毛刷状”，此时压力波已经传播至容器外部，但是可以看到，第2对障碍物下游的低压区域仍然没有消失，围绕低压区域仍然具有明显的速度旋涡。

图6 爆炸过程火焰结构、流场结构和压力云图Fig.6 Explosion process flame structure, flow field structure and pressure cloud

3.3 爆炸超压

图7 为置障实验与大涡模拟爆炸超压随时间的变化，结合图4分析实验压力发展趋势，可以看到容器内部超压可分为4个阶段：第1阶段（0～15 ms）火焰呈层流状态传播，火焰表面积较小，超压上升速率较慢；第2阶段（15～26 ms），由于障碍物的扰动，火焰逐步“湍流化”，超压开始急剧上升，t=26 ms时，容器顶部薄膜破裂，容器内超压达到第 1个峰值p1=2150.9 Pa。第3阶段（26～34 ms）容器内超压出现压力猛降后迅速回升并再次下降的趋势，出现此现象的原因可能是因为随着薄膜破裂，容器变成开口状态，容器内大量未燃油气随着压力波泄放到外部，造成超压下降，随后容器内火焰表面积逐渐增大，超压恢复上升，并在t=31.5 ms时爆炸出现超压峰值p2=2045.4 Pa，随后，容器内部超压逐渐下降；第4阶段（34 ms以后），当t=34 ms时，容器内超压达到一个低压峰值p3=1041.1 Pa，与文献[28]不同，该峰值未能达到负压，可能是由于观测点与容器开口端较近且容器高度较低，导致外部火焰压力波传播时间较少，压力还没降到负压就在外部爆燃的作用下逐渐上升，并于36 ms时产生超压峰值p4，随后超压下降，在反向传播的压力波作用下，容器外部的油气回流，容器内燃烧再次加剧，超压上升，如此反复，容器内产生一个振幅递减的 Helmholtz振荡[29-30]，随着燃料逐渐燃尽，火焰逐渐熄灭，超压也逐渐下降为零。

图7 置障油气爆炸实验与大涡模拟超压时序图Fig.7 Gasoline-air mixture explosion experiment and large eddy simulation overpressure timing diagram with obstacle

通过实验与模拟超压曲线的对比，可以看到由于实验时在容器开口处加上了一层薄膜，因此实验的超压曲线中多出现了一个超压峰值，文献[17, 31]将其定义为“泄压峰值”，该峰值的形成与容器体积、泄压口面积、薄膜材料参数都有一定的关系[31]，而与障碍物的有无、数量并没有直接联系[28]。在本文实验中，置障条件下该峰值 p=2150 Pa，无障条件下该峰值 p=2339 Pa，数值相差不大也证明了这一结论。薄膜破裂后，容器变成开口状态，容器内大量未燃油气随着压力波泄放到外部，造成超压下降，随后容器内火焰表面积逐渐增大，超压恢复上升。在大涡模拟中，由于开口端并未设置任何薄膜，因此未出现此峰值，若忽略此峰值点，可以发现实验超压曲线与模拟结果变化趋势基本吻合，说明大涡模拟对实验的模拟是可行的。

图8为无障碍物时油气爆炸超压随时间的变化，通过图8可以看出，无障碍物时容器内部超压经历了压力平稳—压力陡升—压力猛降后回升—振荡衰减4个阶段，在压力变化过程中，容器内部超压仅出现了两个峰值。与置障条件下爆炸的超压曲线相比，“泄压峰值”出现时间延后了2 ms，第2个压力峰值则是在40 ms时才出现。可见，障碍物对容器内部的火焰及压力传播都具有明显的促进作用。

图8 无障油气爆炸实验超压时序图Fig.8 Gasoline-air mixture explosion experiment overpressure timing diagram without obstacle

3.4 超压分析

为进一步探究火焰传播过程中超压曲线变化以及超压峰值产生的原因,在大涡模拟中，将第2对障碍物下游至容器开口处独立出来形成一个新的“容器B”，则“容器B”变成一个有进口、出口的通道，在此通道中分别计算容器内的燃烧速度、泄压速度，在Zimont模型中，平均反应速率为

式中，ρu为未燃混合物密度；Ut为湍流火焰速度。燃烧是通过未燃油气的燃烧反应而使超压上升，其速度可以用平均反应速率vaverage对整个火焰体积V积分计算表示，即

泄压则通过排放气体使超压下降，其速度可采用进口与出口的油气质量流量差[32]计算表示，即

为了解超压产生的机制以及障碍物在油气爆炸超压中起到的作用，绘制了“容器B”内燃烧速度与泄压速度、进口与出口油气质量流量随时间变化的对比见图9。

图9 “容器B”内燃烧速度与泄压速度、进出口质量流量随时间的变化Fig.9 "Container B" within burning speed and pressure relief rate, import and export mass flow with time

结合图5、图9可以看出，初始时刻（t<24 ms时），火焰尚未传播至“容器B”，进口质量流量与出口质量流量变化趋势相同，燃烧速度与泄压速度都在零左右波动，通道内处于充分泄压状态，因此容器内超压变化并没有明显的增加。

t=24 ms时，火焰传播至障碍物下游，火焰开始在“容器B”内发展，通道内燃烧速度迅速增加，由于障碍物对火焰的加速作用，燃烧速度急剧增加，火焰迅速堵塞“容器B”进口，进口质量流量开始减小，出口质量流量在燃烧的推动下继续上升，泄压速度增加，由于燃烧速度的增加比泄压速度快，超压加速上升。

t=31 ms时，进口质量流量在进口“障碍物侧火焰”的堵塞下达到最小，进口部分几乎被堵塞，燃烧速度第1次下降到与泄压速度相等，超压达到第1个峰值。

t=34 ms时，在前驱压力波推动下向外泄出的油气被引燃，容器外部火焰急剧增大，这使得“容器B”内的燃烧速度也开始上升，引燃的油气开始向容器内部产生一个反向的压力波，导致通道的出口质量开始减小，泄压速度进一步减小，“容器B”内达到一个低压峰值，在短暂的压降之后，“容器B”内的出口质量流量在外部爆燃的诱导下恢复上升，这使得泄压速度曲线也开始上升，并于36 ms时与燃烧速度曲线相交，容器内超压达到第2个超压峰值，由于火焰传播过程中火焰与压力波的耦合，随后燃烧速度曲线与泄压速度曲线不断地相交、分离，并基于此在超压曲线中产生了一个振幅递减的Helmholtz振荡。

总之，容器内超压峰值的产生是燃烧速度与泄压速度耦合作用的结果，在障碍物的作用下，由于“障碍物侧火焰”的堵塞导致了第1个超压峰值的产生，在外部爆燃的多重作用下导致了第2个超压峰值的产生，并有以下公式

4 结 论

通过实验和数值模拟对置障条件下容积式半密闭空间内油气着火爆炸特性进行了研究，通过高速摄影等技术手段对爆炸过程中火焰形态、爆炸超压特性进行了实验，并对实验进行了大涡模拟，精确模拟了火焰与障碍物相互作用时的火焰形态、流场结构、超压特性，与实验进行了对比分析，得到了以下结论。

（1）火焰初始时刻为层流状态，呈“半球形”向上传播，接近障碍物时受到障碍物的扰动变为“圆锥形”，火焰开始由层流向湍流状态转变，穿过障碍物后向两侧卷曲形成旋涡。当穿过第2个障碍物后，火焰锋面出现许多褶皱，此时火焰发展为充分湍流状态。

（2）障碍物下游流场会由于前驱压力波的作用与障碍物的作用形成较大的速度梯度与压力梯度，从而形成气体旋涡，当火焰阵面传播至此处时，火焰会由于未燃气体的卷吸作用而被吸入形成火焰旋涡，从而增加火焰表面积，进而增强压力波。

（3）爆炸超压峰值的产生是燃烧速度与泄压速度相互耦合作用的结果，数值模拟中，在障碍物的作用下，由于障碍物通道内火焰的堵塞导致了第 1个超压峰值的产生，在外部爆燃的诱导作用下导致了第2个超压峰值的产生。

符 号 说 明

Mvent1——进口油气质量流量，kg·s-1

Mvent2——出口油气质量流量，kg·s-1

p1——泄压峰值，Pa

p2——第2个超压峰值，Pa

p3——低压峰值，Pa

p4——第3个超压峰值，Pa

vaverage——平均反应速率，kg·m-3·s-1

vcombustion——燃烧速度，kg·s-1

vvent——泄压速度，kg·s-1

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date:2017-05-02.

LI Run,827833976@qq.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51276195).

Experimental and numerical simulation of gasoline-air mixture explosion characteristics in semi-confined space

OU Yihong1, LI Run1, YUAN Guangqiang2, LI Guoqing1, WANG Shimao1
(1Department of Oil,Army Logistics University of PLA,Chongqing401311,China;2No.72489Troop of Army,Yantai265301,Shandong,China)

the characteristics of oil and gas explosion in volumetric semi-confined space under the condition of barrier is studied. The characteristics of flame shape and explosion overpressure during the explosion process are experimented by high-speed photography and other techniques. The flame shape, the flow field structure and the overpressure characteristic when the flame interacts with the obstacle are simulated accurately, and the results are compared with the experiment. The results show that the presence of obstruction will change the flame structure,the hemisphericalconicalbrush-like transition will occur, and the flame vortex will be generated in the downstream of the obstacle due to the unburned gas. As a result of the coupling between the combustion rate and the pressure relief rate, the presence of obstructions in the oil and gas explosion can lead to changes in the combustion rate and the pressure relief rate, which in turn have an effect on the overpressure peak.

obstacle; semi-confined space; large eddy simulation; gasoline-air; turbulent flow; mixtures;experimental validation

X 932

A

0438—1157（2017）11—4437—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170526

2017-05-02收到初稿，2017-06-26收到修改稿。

联系人：李润。

欧益宏（1971—），女，博士。

国家自然科学基金项目（51276195）。