封闭管道油气爆炸超压及火焰传播特性*

蔡运雄，杜 扬，王世茂，刘 冲，胡文超，张 霖

(陆军勤务学院 油料系，重庆 401311)

0 引言

汽油是重要的动力燃料，其易燃易爆和易挥发的特性给安全生产造成较大威胁。通常，局部空间内汽油蒸气与空气混合形成的可燃气体，其浓度在爆炸极限范围内，遇到合适能量的点火源时，便可能发生爆炸。

近些年，研究者们主要就氢气[1]、甲烷[2]、正丁烷[3]、氢气与一氧化碳的混合物[4]等可燃气体在不同初始条件下的燃烧特性进行了研究。研究重点主要为反应机理、爆炸超压和火焰传播特性等[5-10]。虽然油气与其他可燃气体在燃烧过程、反应机理等方面有许多相似之处，但其成分更加复杂，因此油气与氢气、甲烷等单一可燃气体相比，燃烧特性具有一定差异性。杜扬等[11]对含弱约束端面的管道内油气爆炸特性进行了研究，分析了爆炸超压规律和火焰发展规律，发现了弱约束端面对爆炸超压和火焰传播速度的增强作用；吴松林等[12]研究了不同点火方式对受限空间中油气的爆燃规律的影响，发现其火焰结构和颜色存在不同，并分析了超压曲线的典型特征；Qi等[13]研究了油气在端部开口管道中的爆炸火焰行为，并分析了火焰结构及形成原因。

目前，关于可燃气体的研究多以氢气、甲烷等单一成分气体为主，关于油气的研究多以总结超压规律和火焰表观特征为主，对于其反应机理、火焰行为的研究解释有待深入。本文针对封闭短管道内油气的爆炸特性进行研究，获得其爆炸超压数据和火焰行为图像，并分析相应的机理，为研究油气防爆抑爆提供参考价值。

1 实验系统与方案

实验系统主要由实验管道、配气及循环系统、油气体积浓度测试仪、高能无干扰点火器、动态数据采集系统、同步触发控制器、高速摄影仪和计算机等组成，具体如图1所示。实验所用管道内截面面积为100 mm×100 mm，长度为1 000 mm，材质为透明亚克力材料，两端封闭。数据采集使用东华测试公司研制的动态数据采集系统，利用压力传感器采集油气爆燃超压信号，并通过瞬态信号测试分析软件将信号处理为超压数据。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

实验中，首先用配气及循环系统向短管道内充入油气，并且使其分布均匀，油气体积浓度测试仪实时测试管内油气浓度，当油气浓度达到设定值并且参数在30 s内保持不变时，开始下一步。然后，用高能无干扰点火器点燃油气，动态数据采集系统采集超压数据，高速摄影仪拍摄油气爆燃时的火焰画面。其中，点火器、数据采集系统和摄影仪的同步启动由同步触发控制器控制。实验初始温度为293 K，初始压力为101 kPa，点火能量为2.5 J，燃料为93#汽油，为研究不同油气浓度下的爆炸特性，管道内的初始油气体积分数分别设为0.86%，1.08%，1.21%，1.38%，1.73%，1.90%，2.15%和2.65%，共8种不同工况，为保证实验的可重复性，每种工况的实验至少重复5次。

2 实验结果与分析

2.1 爆炸超压及分析

爆炸超压数值是重要的油气爆炸特征参数，超压数值的变化规律可以反映出爆炸的发展过程，8种不同浓度油气的爆炸超压随时间的变化曲线如图2所示。从图2中可以看出，不同初始体积分数的油气爆炸超压时序曲线呈现出较大的差异性，无论是最大超压峰值还是出现超压峰值的时刻都不相同，但总体看来，超压都是先上升后下降。以初始体积分数为1.73%的油气爆炸超压时序曲线为例进行深入分析，结果如图3所示。图3展示了爆炸超压随时间变化曲线及关键时刻的火焰形态，可将超压发展过程大致分为3个阶段，第1次超压上升阶段(0～46 ms)、第2次超压上升阶段(46～213 ms)和超压下降阶段(>213 ms)。

图2 不同浓度油气爆炸超压随时间的变化曲线Fig.2 Change curves of explosion overpressure with time under different concentrations of gasoline-air

图3 1.73%浓度油气爆炸超压随时间变化Fig.3 Change of explosion overpressure with time at concentration of 1.73%

在第1次超压上升阶段，油气被点燃后，火焰开始向四周扩散，刚开始参与反应的油气成分和氧气相对较少，因此初始阶段的超压曲线上升趋势不大。但此时燃烧生成的热量促使高碳组分分解为低碳组分，可燃气体混合物各分子之间相互碰撞，产生许多激发态基团，围绕在火焰锋面的周围，这些基团接下来会迅速参与反应，于是火焰面积增大，燃烧变得激烈，超压上升趋势变快，直到第1次超压上升阶段结束，超压上升趋势始终处于加快状态。1.73%浓度油气爆炸超压第1次超压上升阶段结束时刻为33 ms。在第1次超压上升阶段，超压上升趋势一直在变快，之后，超压上升趋势会先变慢再变快，即第2次超压上升阶段。结合图3可以看出，在第1阶段结束前，燃烧越来越激烈，在点火器发出电火花之后的18 ms内，火焰由一点向四周均匀发展成球状。但由于实验容器是狭长式管道，径向尺寸小于轴向尺寸，在18 ms以后，火焰在管道径向的发展受到限制。在18～33 ms，火焰与管道壁面的接触面积不断增大。管道壁面温度低于火焰温度，会有导热现象发生，所以存在能量损失。一方面，燃烧越来越激烈，火焰面积越来越大，促进超压上升趋势变快，另一方面，径向火焰发展受限，能量损失增加，促使超压上升趋势变慢，当两者效果抵消时，就会在超压时序曲线上出现拐点。

在第2次超压上升阶段，超压上升趋势先变慢后变快再变慢，直到超压达到最大值。开始时由于火焰与壁面接触面积不断增大，超压上升趋势变慢，由此导致的能量损失越来越多，而且火焰的径向发展受限，两者带来的影响相对较大， 所以超压上升趋势会变慢，甚至当初始油气浓度为0.86%时，在油气被点燃后的221～357 ms出现了压力下降的情况，这是因为能量的耗散大于释放，油气燃烧产生的增压效果较弱，所以出现压力下降情况。接着，超压上升趋势变快，因为在这段时间里，燃烧越来越激烈，带来的增压效果越来越强，而径向火焰发展受限和壁面导热带来的影响逐渐减弱，所以超压上升趋势变快。随着燃烧反应的进行，管道内油气成分和氧气逐渐被消耗，在超压达到最大值之前，燃烧的激烈程度已经开始减弱，所以超压上升趋势会变慢。对于不同初始浓度的油气，当体积分数为1.73%时，管道内的最大超压峰值最大，而且达到最大超压峰值所用的时间最短。而初始浓度为1.73%和1.90%的2种油气，在超压上升阶段各个时刻的超压变化趋势比较接近，超压数值也比较接近。

在超压下降阶段，管道内油气成分和氧气进一步被消耗，火焰逐渐溃散熄灭，此时的燃烧反应速率和能量释放速率已经变得很低，而且存在着管道壁面导热的现象，所以超压呈现下降趋势。

从图2可以看出，随着初始油气浓度的增加，当初始油气浓度为1.90%，2.15%和2.65%时，分别在168～303 ms，182～330 ms和566～772 ms出现了明显的压力振荡现象。说明密闭管道内的油气爆炸，当初始浓度较大时，会在最大超压峰值附近产生压力振荡。部分学者给出的解释是，爆炸产生的压力波在管道内产生折射和反射，并且与火焰锋面相互耦合，促使流场湍流度增加，共同促进了压力振荡，并且使得最大超压峰值增大[14-15]。

到目前，不同的学者对于最大超压峰值的研究比较多，但关于爆炸发生初始阶段的研究相对较少，下面着重分析第1次超压上升阶段。表1所示为不同初始浓度油气爆炸第1次超压上升阶段的持续时间、结束时刻的超压数值和平均升压速率，图4和图5是由表1实验数据所作的曲线图。这几个数据在一定程度上反映了受限空间条件下，油气爆炸初始发展阶段的激烈程度和壁面边界对火焰发展的干扰程度。

表1 不同浓度油气爆炸第1次超压上升阶段的持续时间、结束时刻的超压数值和平均升压速率Table 1 The time spent in the first overpressure rise phase, overpressure value at the end time and average pressure rise rate under different initial concentration

图4 油气爆炸第1次超压上升阶段的持续时间、结束时刻的超压数值与初始油气浓度的关系Fig.4 Relationship between duration time of first overpressure rise stage, overpressure value at end time and initial concentration of gasoline-air mixture

图5 油气爆炸第1次超压上升阶段平均升压速率与初始油气浓度的关系Fig.5 Relationship between average pressure rise rate of first overpressure rise stage and initial concentration of gasoline-air mixture

结合表1、图4和图5分析可以得出，对于封闭短管道内油气爆炸，随着初始油气浓度的增大，第1次超压上升阶段的持续时间呈现出先减小后增大的趋势，在初始油气浓度为1.73%时取得最小值，为33 ms。并且，持续时间与初始油气浓度的对应关系可以拟合为二次函数，如式(1)，相关系数R2为0.907 6。

t=3.01C2-11.004C+10.664

(1)

式中：t表示第1次超压上升阶段的持续时间，ms；C表示初始油气浓度，vol.%。

与持续时间的变化趋势相反，第1次超压上升阶段结束时刻的超压数值却随着初始油气浓度的增大，呈现出先增大后减小的变化趋势，但同样在初始油气浓度为1.73%时取得最大值，为58.5 kPa。同样，超压数值与初始油气浓度的对应关系可以拟合为二次函数，如式(2)，相关系数R2为0.901 5。

P=-24.739C2+85.257C-17.463

(2)

式中：P表示第1次超压上升阶段结束时刻的超压数值，kPa；C表示初始油气浓度，vol.%。

用结束时刻的超压数值除以持续时间，便得到平均升压速率，结合图4中2个参数的变化趋势，不难得出，平均升压速率随着初始油气浓度的增大会先增大，后减小，如图5所示。同样，在1.73%时取得最大值，为1.773 kPa/ms，两者的对应关系拟合为二次函数，如式(3)，相关系数R2为0.924 0。

ν=-1.676C2+6.026C-3.847

(3)

式中：ν表示第1次超压上升阶段的平均升压速率，kPa/ms；C表示初始油气浓度，vol.%。

第1次超压上升阶段的持续时间越短，说明爆炸初始阶段的的发展越激烈，火焰锋面很快就发展到与管道壁面相接触。初始油气浓度为1.73%时，在短时间里超压数值就可以提升很多，爆炸初始阶段发展最激烈，无论浓度减小或增大，激烈程度都会减弱。这一结论与许多学者得到的结论相近，当可燃气体浓度接近化学当量比时，燃烧反应速率最快，能量释放速率最大[16-17]。

2.2 爆炸火焰行为及分析

目前，许多学者就管道内可燃气体爆炸时的火焰传播特性做了研究，包括火焰的传播速度、火焰的颜色和火焰的形态等。其中关于火焰形态的研究，由于流场的不稳定性，使得火焰形态变化多端，在细微结构上难以捉摸，所以学者们大多给出了各阶段火焰的大致形态特征。其中出现比较多的是Tulip火焰，下面着重分析Tulip火焰的形成及发展。图6所示为不同初始浓度油气爆炸时的火焰锋面形态变化图像。

图6 不同初始浓度油气爆炸时的火焰锋面形态变化Fig.6 Change of flame front shape under different initial concentrations of gasoline-air mixture

结合图6可以看出，无论是低浓度还是高浓度的油气在密闭管道中的爆炸，都有产生Tulip火焰的趋势。当初始油气浓度分别为1.21%，1.38%，1.73%和1.90%时，Tulip火焰形成后，一直保持到火焰锋面传播到管道右端。当初始油气浓度为0.86%时，从225 ms开始，火焰锋面开始从中心位置向内凹，直到285 ms形成近似Tulip火焰的鲨鱼嘴形状火焰，之后下侧火焰锋面消退，到465 ms时形成刀尖形火焰。对于刀尖形火焰的形成，部分学者将其归因为重力和火焰不稳定性的相互作用。与0.86%浓度油气相似，当初始油气浓度为1.08%时，从90 ms开始逐渐形成Tulip火焰，到200 ms时形成明显的Tulip火焰，但接着向鲨鱼嘴形状火焰转变，到440 ms时形成刀尖形火焰。当初始油气浓度为2.15%时，从55 ms开始逐渐形成Tulip火焰，到95 ms时形成典型的Tulip火焰，但接着向鲨鱼嘴形状火焰转变，到210 ms时形成鲨鱼嘴形状火焰，此时火焰锋面接近管道右端，所以没有转变为刀尖形火焰。当初始油气浓度为2.65%时，从145～240 ms逐渐形成Tulip火焰，接着转变为鲨鱼嘴形状火焰，325 ms时形成刀尖形火焰。所以密闭管道中低浓度和高浓度的油气爆炸，火焰在传播的过程中，其形状也有向Tulip火焰转变的趋势，然后经由鲨鱼嘴形状火焰转变为刀尖形火焰。

在分析Tulip火焰的形成及发展中发现，在已经成形的Tulip火焰上，凹陷形成的火焰尾部会随着时间上下摇摆，并且从火焰锋面中脱落，这种运动形式类似于卡门涡街，这也说明了火焰传播过程中的流场不稳定性。

由于火焰传播速度的不同，不同初始浓度油气在密闭管道中开始形成Tulip火焰的时刻不同，Tulip火焰形态特征最明显的时刻不同，并且从开始形成Tulip火焰到形态特征最明显所用的时间也不同，具体关系如图7所示，由于当初始油气浓度为0.86%时，管道中没有形成明显的Tulip火焰，所以图7中不包括这种工况的数据。

图7 Tulip火焰形成与初始油气浓度的关系Fig.7 Relationship between formation of Tulip flame and initial concentration of gasoline-air mixture

结合图7可以看出，随着初始油气浓度从0.86%到2.65%，管道中开始形成Tulip火焰的时刻、Tulip火焰形态特征最明显的时刻和从开始形成Tulip火焰到形态特征最明显所用的时间都呈现出先减小后增大的趋势，并且都是在初始油气浓度为1.73%时取得最小值，分别为45，82.5，37.5 ms，说明油气浓度对Tulip火焰的形成及发展具有很大的影响，三者与初始油气浓度的对应关系都可以拟合为二次函数， 分别如式(4)～(6)所示，相关系数R2分别为0.976 9，0.963 9和0.948 9。

t′=13.555C2-47.342C+46.091

(4)

t″=7.809C2-28.769C+29.254

(5)

Δt=5.614C2-21.850C+23.140

(6)

式中：t′表示管道中开始形成Tulip火焰的时刻，ms；t″表示Tulip火焰形态特征最明显的时刻，ms；Δt表示从开始形成Tulip火焰到形态特征最明显所用的时间，ms；C表示初始油气浓度，vol.%。

3 结论

1)油气爆炸超压发展过程大致分为3个阶段：第1次超压上升阶段、第2次超压上升阶段和超压下降阶段。第1次超压上升阶段出现在爆炸发生的初始阶段，结束于超压时序曲线出现拐点的时刻。在此阶段，超压上升趋势一直在变快，接着，超压上升趋势会变慢，原因是燃烧越来越激烈、火焰径向发展受限和管道壁面导热现象造成能量损失分别对超压上升趋势带来的不同影响。

2)初始油气浓度对爆炸初始阶段的发展具有很大的影响。第1次超压上升阶段的持续时间、结束时刻的超压数值和平均升压速率与初始油气浓度对应关系都可以拟合为二次函数，都在初始油气浓度为1.73%时取得极值，该浓度下的油气爆炸初始阶段发展最激烈。

3)密闭管道内的油气爆炸，当初始浓度较大时，在最大超压峰值附近，会产生压力振荡现象。

4)各种浓度油气在密闭管道中的爆炸，都有形成Tulip火焰的趋势，当油气浓度适中时，Tulip火焰会一直传播到管道末端。当油气浓度过高或过低时，会先形成Tulip火焰，接着转变为鲨鱼嘴形状火焰，最后形成刀尖形火焰，或者直接由鲨鱼嘴形状火焰转变为刀尖形火焰。

5)初始油气浓度对Tulip火焰的形成及发展具有很大的影响。随着初始油气浓度的升高，管道中开始形成Tulip火焰的时刻、Tulip火焰形态特征最明显的时刻和从开始形成Tulip火焰到形态特征最明显所用的时间都呈现出先减小后增大的趋势，三者与初始油气浓度的对应关系都可以拟合为二次函数，都在初始油气浓度为1.73%时取得最小值，该浓度下的油气爆炸最容易形成Tuilp火焰。