点火位置对甲烷-空气预混泄爆容器结构响应影响研究

陈明仙，郭 进，罗飞云，3，王金贵

(1.福建船政交通职业学院 安全与环境学院，福建 福州 350007；2.福州大学 环境与安全工程学院，福建 福州 350116；3.宁德新能源科技有限公司，福建 宁德 352106)

0 引 言

随着煤层气(主要成分为甲烷)等清洁能源在工业上和民众生活中的使用率越来越高，甲烷气体的火灾爆炸事故时有发生。爆炸是甲烷运输、储存和使用过程中最严重的灾害之一[1]，而爆炸过程中产生的高压高温是主要的危害因素。为了预防和控制此类事故的损失，可以在设备和建筑物壁面设置局部弱面，以泄放内部爆炸压力和热量，降低爆炸危害，使其容器主体得到保护，即“泄爆技术”[2-3]。目前，泄爆技术已成为能够有效降低爆炸危害、减少损失的重要手段，实践中发现泄爆设计虽然有效控制了爆炸过程中工业设备内的最大爆炸压力，但在爆炸气体强烈泄放的同时也引发了设备的剧烈振动(强度超过10 000 m/s2)，即泄爆过程中的容器结构响应；强烈的结构振动将影响容器(建筑、设备等)及其附属装置的稳定性和可靠性。

DHAKAL等证明了爆炸作用下结构响应是多种模态的组合，每种模态对应不同的振动频率[4]。容器的结构响应与内部超压密切相关，并存在相互作用关系，PINI通过实验和有限元分析进行了验证[5]。钟方平等基于双层柱形爆炸装置在爆炸荷载作用下针对其弹性结构响应和振动特性等方面展开了实测研究[6]。路胜卓等通过乙炔爆炸对刚性壁的冲击实验，研究了爆炸荷载作用下结构的动态力学响应特征，分析了不同的实验模型受爆炸冲击荷载时的结构损伤和失效破坏规律[7-9]。梳理发现，以往对容器结构响应的研究主要集中于定容容器爆炸产生的永久变形、弹性应变和动态力学仿真分析[10-15]等，未针对性地开展泄爆作用下容器振动响应特性等影响因素方面的研究。对此，研究前期初步探索了甲烷-空气预混气体泄爆作用下方形舱体的典型结构响应特征[16]，但前期研究未涉及该结构响应影响因素及机理。

在实际工业泄爆容器设计与选型中，泄爆容器大小与形状、泄爆面强度、内部结构等参数皆可进行预设与调制，然而实际发生甲烷爆炸事故时，点火位置因具有较大随机性，往往难以进行确定。已研究表明，在封闭或半封闭的爆炸装置及容器内发生爆炸，不同点火位置产生的泄爆效果具有较大差异性[17-21]，但目前还无法有效地建立点火位置与容器泄爆效果之间的数学关系，点火位置对容器泄爆效果的影响仍有待深入研究[22-24]。本文通过对不同点火位置甲烷-空气预混泄爆作用下的容器振动信号进行分析，从宏观上揭示不同点火位置泄爆作用下容器振动响应规律，并结合泄爆过程中内部超压信号和火焰演化特征，深入探究点火位置对容器结构响应的影响机制。研究成果有助于全面地分析泄爆容器及其附属装置受爆炸冲击后的振动损伤状态，评估可能存在的损伤模式等。

1 实验简介与设计

如图1所示，本实验所用方形泄爆实验舱内部尺寸为1 000 mm×550 mm×1 800 mm，壁厚30 mm，舱体顶部预留一尺寸为600 mm×400 mm泄爆口，实验中用一张5 mm厚铝箔(经测试静态破膜压力为9.5 kPa[25])封堵泄爆口，并用法兰螺栓固定。舱体前立面等间距设有3个尺寸为700 mm×400 mm的透明观察窗，实验过程中利用高速相机(NAC，HX-3)捕捉泄爆过程中的火焰图像，拍摄频率设置为1 000 Hz。通过敲击法测得实验舱的固有频率约为1 076 Hz[16]。舱体左右两侧壁中心位置分别布置有响应频率5 000 Hz的三轴加速度传感器(AS)和响应频率10 000 Hz的气体压力传感器(PS)。点火电极从后立面伸入舱内150 mm，本实验共设置顶部(TI)、中部(CI)、底部(BI)3个点火位置，分别距舱底部1 700，900和100 mm，单次点火能量约为500 mJ。根据道尔顿分压定律配置浓度为9 vol.%的甲烷-空气混合物，点火电极、高速相机和示波器通过信号发生器同步触发。

图1 泄爆实验舱及其示意

2 实验结果统计

考虑到甲烷-空气预混气体最强爆炸浓度在9.5%左右，取整后本实验均采用9 vol.%甲烷-空气的预混气体，在顶部、中部和底部3个点火位置各开展3组泄爆实验，实验设计、振动响应和内部超压统计结果见表1。为了便于分析，以泄爆膜开启为界将泄爆过程分为前期和后期。

表1 实验设计与主要结果统计

从表1和图2所示，在所有点火位置条件下的泄爆过程中均出现低幅值振动响应(V1)，其幅值介于98～160 m/s2之间，振动幅值差距较小，顶部点火时V1振动幅值略高于中部和底部点火。不同的是，泄爆后期的高幅值振动响应(V2)峰值随点火位置远离泄爆口而快速下降，当在底部点火泄爆时，V2振动被完全抑制；中部点火条件下虽出现V2，但其幅值(33～44 m/s2)远小于顶部点火时所观测到的V2幅值(6 980～7 200 m/s2)。限于篇幅，后续各选取不同点火位置的一组实验进行分析，即Test1、Test5和Test7组实验(如图2、图3所示)。

图2 不同点火位置甲烷泄爆容器典型振动响应

图3为Test1、Test5和Test7实验中的内部超压时程曲线，对比发现顶部点火与中部点火的内部超压高度相似性，其差异仅表现在时间上，顶部点火较中部点火具有35 ms左右的超前性。从表1可知，容器振动响应V1峰值与内部超压P1峰值随点火位置远离泄爆口皆表现为先减后增；但顶部点火V1峰值大于中部点火和底部点火，而P1却始终在底部点火时表现为最大值。在各点火位置条件下，压力峰值P2始终大于P1，但两者峰值比介于1.90～2.07之间；而对应顶部点火振动V2与V1峰值比高达44.92～48.47，中部点火时却表现为V1峰值大于V2峰值。由此可见，高幅值超压振荡并不一定激发容器高幅值振动，容器振动响应与内部超压之间存在一定联系，但并非简单的直接驱动关系。为了进一步分析泄爆作用下点火位置对容器结构的影响机制，后续联合内部超压曲线和火焰演化图像分别对低、高幅值振动响应特征及影响机制进行分析。

图3 不同点火位置条件下泄爆容器超压时程曲线

3 实验结果分析

3.1 低幅值振动响应特征及影响机制分析

为揭示不同点火位置条件下容器低幅值振动响应特征及影响机制，本文对各点火位置条件下的V1振动曲线进行短时快速傅里叶变换(STFT)，得到其时频分布特征(如图4所示)。在相同预混气体浓度、不同点火位置下进行泄爆实验，其振动时频图具有一定的差异性。顶部点火和底部点火时，低幅值振动响应时长均为450 ms，而中部点火条件下的振动时长较短，仅为128 ms；中部点火时泄爆容器的振动响应主要集中在1 000 Hz上下的高频振荡，而顶部点火和底部点火时的振动响应频率分布较为相似，其主导频率主要为500 Hz左右的中频振荡。

图4 不同点火位置条件下泄爆容器低幅值振动响应时频

通过截取并分析Test1、Test5和Test7组实验中0～500 ms时段内的火焰图像(图5)，该时间段主要由低幅值振动主导。从图中可看出，点火位置对火焰演化有明显影响；顶部点火时，由于点火位置靠近泄爆口，可燃气体被点燃后迅速膨胀并突破泄爆膜，随后受外部气流的影响，下部火焰面极不稳定，火焰表面出现大量胞状凸起(如图5(b1)～(d1))，极大增加火焰表面积，加速了火焰的燃烧。顶部点火为火焰的向下传播提供了较长的燃烧路径，同时大量未燃气体被火焰限制于容器内，为火焰向下传播提供了大量可燃质，如图5(e1)所示，顶部点火时火焰有着较长且较强的燃烧行为，内部超压的亥姆霍兹振荡与火焰的泰勒不稳定性的相互促进现象显著，最终综合导致顶部点火时有着相对较大的V1峰值和较长时间的低幅值振动响应。而当中部点火和底部点火时，由于点火位置距离泄爆口较远，受泄爆后外部气流的扰动影响较小，因此都能够相对较为稳定的向上、向下燃烧，燃烧速率相对较小，而由火焰传播、亥姆霍兹振荡和泰勒不稳定性等综合作用产生的V1峰值也相对较小。如图5(a2)～(e2)中部点火时，火焰同时向泄爆口和容器底部传播，虽然较底部点火而言，中部点火更有利于火焰不稳定性的发展[17，22]，但因火焰传播路径较短，对容器低幅值振动响应的驱动作用有限，导致在当前实验条件下中部点火表现出振动时长最短的低幅值响应。

图5 不同点火位置条件下泄爆容器500 ms内火焰演化

总体而言，点火位置的改变对容器内部火焰前期的发育、传播及内部超压特性有着一定的影响，从而导致泄爆过程中低幅值振动响应有着略微差别，但从整体振动响应来看，点火位置对容器泄爆初期低幅值振动响应的影响较为有限，反观泄爆后期的高幅值振动响应与点火位置有着更为密切的关系。

3.2 高幅值振动响应特征及影响机制分析

因底部点火条件下未发现高幅值振动V2，本文仅对顶部点火和底部点火条件下的V2振动曲线进行短时快速傅里叶变换(STFT)，其时频分布特征如图6所示。从图中可以看出，顶部点火时的高幅值振动的主频为480，980和1 100 Hz，且980和1 100 Hz左右的高频振荡的能量分布要明显强于中部点火。从高幅值振动响应的持续时长来看，顶部点火时持续80 ms，中部点火时持续240 ms；顶部点火所触发的高幅值振动响应阶段的时长较中部点火时大幅度减少，说明顶部点火时声压与火焰的相互耦合、相互促进作用时间较短，该现象也印证了顶部点火时燃烧速度快的特点。虽然在顶部点火时仅80 ms内就完成了高幅值振动响应，但无论是从高频振荡的能量分布，还是从其振动响应幅值大小，顶部点火对容器结构的损伤都要大于中部点火。

图6 不同点火位置条件下泄爆容器高幅值振动响应时频

图7为顶部和中部点火时550 ms后的火焰演化图像，结合图5底部点火500 ms时舱内已无明显火焰。顶部点火时，火焰因受外部气流扰动、压力波的亥姆霍兹振荡及火焰的泰勒不稳定性等综合因素影响，导致了较强的热释放速率波动，从而产生较强的声压振荡；火焰和声压的相互促进与扰动构成一正向激励循环系统，该系统由于燃烧路径较长而不断加速，最终触发热声的耦合作用，在泄爆最后阶段猛烈燃烧，形成一耀眼发光区，如图7(e1)所示；与此同时热声耦合作用激发了较大幅值的内部超压振荡，也驱动容器产生了较大幅值的V2振动峰值，如图2所示。如图7(a2)～(e2)所示，中部点火时其火焰传播速度较顶部点火时明显偏小，从其火焰前锋面产生较少胞状结构也可判断其反应较为稳定，热释放也较为稳定，热释放率波动较小，而由热释放率的波动而产生的声压也相应的较弱，虽然火焰与容器内声波产生耦合，但容器内部热场与声场的相互促进、耦合程度较低，故产生的V2振动峰值极低。当底部点火时，火焰受外部气流扰动较小，火焰从容器底部均匀、稳定地向上膨胀燃烧，泰勒不稳定现象较弱；结合内部超压时程曲线，P1峰值后的亥姆霍兹振荡现象也不明显(见图3)，直至火焰突破泄爆口，火焰燃烧皆较为稳定，热释放速率较低；其次，由于底部点火，球状火焰形成后更早的与容器壁接触，从而产生了更大的能量损失和更小的燃烧面积，更加有效地抑制了火焰的传播与容器内声场的耦合。

图7 顶部和中部点火泄爆容器550～900 ms内火焰演化

4 结 论

1)通过自主搭建甲烷泄爆动态力学响应测试系统，研究发现容器振动响应和内部超压均出现双峰值，但两者并非简单的相互协同关系，点火位置对两峰值的影响规律不同。

2)顶部点火的低幅值振动响应略高于中部点火和底部点火，但点火位置对容器泄爆初期的低幅值振动响应影响较为有限。

3)泄爆后期的高幅值振动响应随点火位置远离泄爆口而快速降低，当在底部点火时高幅值振动响应消失，其原因为点火位置的不同给予了火焰不同的燃烧路径，导致热声耦合现象随着点火位置远离泄爆口而逐渐消失。

4)泄爆口附近点火将有较大幅值的振动响应以及更大能量的高频振荡。