李國慶， 杜 揚(yáng)， 王 波， 周艷杰，2， 齊 圣， 魏樹旺

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶 401311；2.中國石油長慶油田分公司規(guī)劃計(jì)劃處，西安 710018)

在化工、能源等行業(yè)，由可燃預(yù)混氣體的燃燒和爆炸引起的安全事故比比皆是，給人民的經(jīng)濟(jì)和生命帶來了嚴(yán)重的危害和損失。比如2013年11月，中石油黃島油庫輸油管道爆炸，造成62人遇難，9人失蹤，166人受傷；2016年10月31日，重慶市永川區(qū)金山溝煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成33人遇難。可燃預(yù)混氣體在燃燒和爆炸時，往往產(chǎn)生高溫和高壓，并伴隨著較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，破壞力極強(qiáng)。并且，以往研究表明邊界條件[1-4](空間幾何結(jié)構(gòu)、管壁粗糙度等)和初始條件[5-9](初始溫度、初始濃度、初始壓力、初始點(diǎn)火位置等)對可燃預(yù)混氣體的爆炸演變過程影響顯著。因此，研究不同因素對可燃預(yù)混氣體的爆炸演變規(guī)律影響對于進(jìn)一步認(rèn)識火焰動力學(xué)、爆炸參數(shù)演變規(guī)律和提高可燃?xì)饣馂?zāi)爆炸安全防護(hù)技術(shù)等具有較好的理論和工程價值。在實(shí)際可燃?xì)獗ò踩鹿手?，點(diǎn)火源的位置是隨機(jī)的，導(dǎo)致其爆炸演變過程的參數(shù)存在差異，對火災(zāi)爆炸安全防控的技術(shù)要求也不同，因此有必要對不同點(diǎn)火位置初始條件下的預(yù)混氣體爆炸過程進(jìn)行研究。

國內(nèi)外學(xué)者在以往的研究中也針對點(diǎn)火源位置對預(yù)混氣體爆炸特性的影響進(jìn)行了一些探索，研究表明點(diǎn)火源位置對預(yù)混氣體的爆炸過程影響顯著。Guo等實(shí)驗(yàn)研究了點(diǎn)火位置對小長徑比容器內(nèi)氫氣-空氣混合氣泄壓爆炸過程的影響，研究發(fā)現(xiàn)中部點(diǎn)火能形成最大內(nèi)部爆炸超壓，口部點(diǎn)火能形成最大的外部爆炸超壓，并且口部點(diǎn)火和中部點(diǎn)火形成的外部火焰的長度比底部點(diǎn)火更為明顯；Chao等[10]實(shí)驗(yàn)研究了泄壓圓柱狀容器內(nèi)點(diǎn)火位置對甲烷-空氣混合物和氫氣-空氣混合物的爆炸超壓峰值的影響，研究發(fā)現(xiàn)中部點(diǎn)火時超壓會形成“雙峰值”現(xiàn)象，并且會形成聲波振蕩；Kindracki等[11]實(shí)驗(yàn)研究了豎直安裝的密閉管道內(nèi)底部、中部和頂部3個點(diǎn)火位置對預(yù)混甲烷-空氣混合氣體爆炸的超壓影響，發(fā)現(xiàn)中部點(diǎn)火獲得的最大爆炸超壓最大，底部點(diǎn)火次之，頂部點(diǎn)火最?。籉akandu等[12]研究發(fā)現(xiàn)，底部點(diǎn)火導(dǎo)致的爆炸強(qiáng)度比中部點(diǎn)火更劇烈，因?yàn)榈撞奎c(diǎn)火時火焰的加速距離更長；鄭立剛等研究了點(diǎn)火源位置對甲烷-空氣混合物爆炸超壓特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火源距離管道閉口端距離的增大，超壓曲線的振蕩越明顯，且最大峰值也增大。

從上述研究現(xiàn)狀可見，點(diǎn)火源位置對可燃預(yù)混氣體的爆炸特性影響顯著，但是研究也表明：一方面針對不同長徑比容器、不同體積容器和開閉口容器內(nèi)的影響規(guī)律并不完全相同，其次以往針對點(diǎn)火位置對爆炸特性的研究大都集中在甲烷、氫氣等單一氣體中，針對工業(yè)中常見的油氣這類多組分混合工質(zhì)的研究偏少。由于在工業(yè)生產(chǎn)和油料物資儲備過程中，油氣蔓延和泄露等過程易形成易燃易爆危險(xiǎn)源，一旦接觸到點(diǎn)火源就易產(chǎn)生爆炸，危害巨大。鑒于上述分析，研究不同點(diǎn)火源位置對油氣泄壓爆炸特性的影響有利于進(jìn)一步認(rèn)識油氣這類危險(xiǎn)氣體的燃燒爆炸特性和提高石油類物資儲、運(yùn)、加過程的爆炸安全防護(hù)能力。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由一節(jié)半開口有機(jī)玻璃管道(管道長度L=1 000 mm、管道內(nèi)部橫截面尺寸為100 mm×100 mm、管壁厚度20 mm、長徑比為L/D=10、容積V=10 L)、高速攝影儀、動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、碳?xì)錆舛葴y試系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和同步控制裝置等組成。

管道的右側(cè)端部用鋼制盲板密封，為了確保管道密閉性，在盲板和管道法蘭之間用橡膠密封圈連接。管道左側(cè)開口端用很薄的聚乙烯薄膜密封，保證點(diǎn)火前管道內(nèi)可燃?xì)怏w不泄露到管道外。聚乙烯薄膜在很低的壓力條件下就可以破裂，因此對油氣爆炸壓力的影響很小。高速攝影儀的型號為PHOTRON公司的FASTCAM-ultima 512，拍攝速度設(shè)定為1 000幀/s(對應(yīng)快門速度為1 ms)。壓力傳感器采用兩支寶雞市智星傳感器有限責(zé)任公司的ZXP660高頻瞬態(tài)壓力傳感器(量程0～200 kPa，精度誤差<0.3%)，其中一支安裝在盲板底部距離點(diǎn)火頭20 mm的位置(圖1中PT1)，另一支安裝在管道外部距離管道開口端400 mm的位置(圖1中PT2)，測試系統(tǒng)采用成都泰斯特公司的DAP7.10。點(diǎn)火系統(tǒng)采用的是實(shí)驗(yàn)室定制的抗干擾點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火能量范圍為2～20 J，實(shí)驗(yàn)中初始點(diǎn)火能量設(shè)置為6 J。汽油蒸汽由配氣系統(tǒng)產(chǎn)生，并采用碳?xì)錅y試儀GXH-1050監(jiān)測汽油蒸汽的體積濃度，使之到達(dá)實(shí)驗(yàn)所需的初始油氣濃度。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖(PTi-傳感器，Ip-點(diǎn)火位置距離管道封閉端距離)Fig.1 Schematic of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了3個不同的點(diǎn)火位置，分別為管道閉口端正中位置(IP/D=0)、管道中軸線距離閉口端400 mm(IP/D=4)和800 mm(IP/D=8)3個位置。每一組實(shí)驗(yàn)都在初始體積濃度為1.7%的油氣工況下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程的初始溫度為環(huán)境溫度，初始壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮?。點(diǎn)火初始能量采用6 J，并且分別采用一支壓力傳感器測試爆炸過程中管道內(nèi)外超壓變化曲線，同時利用高速攝影儀記錄火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)變化過程。為了保證預(yù)混可燃?xì)夥植季鶆?，在點(diǎn)火前管道內(nèi)氣體靜置30 s。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每一種實(shí)驗(yàn)工況至少進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 超壓波形變化規(guī)律

2.1.1 管道內(nèi)部測點(diǎn)超壓波形變化

圖2所示為三種不同點(diǎn)火位置工況(IP/D=0、4、8)管道內(nèi)測點(diǎn)PT1的超壓隨時間的變化曲線。從圖2(a)～圖2(c)3個超壓曲線圖可見對于3個不同的點(diǎn)火位置，其管道內(nèi)部測點(diǎn)爆炸超壓曲線存在3個明顯的峰值，我們將從起爆到形成第1個負(fù)壓峰值這一階段定義為“Ⅰ”階段，也即爆炸初期，之后的階段定義為“Ⅱ”階段，即爆炸后期，如圖2(a)所示。從圖2(d)可見，對于三種不同的點(diǎn)火位置工況，在超壓形成初期時超壓曲線的變化規(guī)律基本一致。首先，從起爆開始壓力逐漸上升，并在14.8～17.2 ms達(dá)到破膜壓力Pfv，并形成第一個超壓峰值；當(dāng)薄膜破裂之后，由于管道內(nèi)可燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w快速泄放到管道外，引起管道內(nèi)壓力下降，當(dāng)壓力下降一段時間之后又開始上升，并形成第二個超壓峰值(P1、P2、P3所示)，并且可以明顯地發(fā)現(xiàn)當(dāng)點(diǎn)火位置為IP/D=0和IP/D=4時，第二個壓力峰值比第一個壓力峰值更大，然而對于IP/D=8時，第二個壓力峰值反而比第一個峰值更小，并且隨著點(diǎn)火位置距離管道封閉端距離的增大，爆炸超壓到達(dá)破膜壓力峰值和第二個壓力峰值的時間都更短；當(dāng)超壓達(dá)到第二個超壓峰值之后，三種點(diǎn)火位置工況下的爆炸超壓曲線都呈現(xiàn)振蕩下降的趨勢。

但是，對于超壓后期變化規(guī)律來講，三者差異顯著，對于點(diǎn)火位置IP/D=0，超壓在達(dá)到第二個峰值之后就急劇下降，并呈現(xiàn)出比較規(guī)則的衰減振蕩，且振幅較小，最終趨近于0；但是對于點(diǎn)火源位置為IP/D=4和IP/D=8時，爆炸超壓在達(dá)到第二個超壓峰值之后也呈現(xiàn)下降趨勢，但是緊接著會出現(xiàn)明顯的壓力振蕩，并且在超壓上升階段，振幅隨時間變化越來越大，這種超壓變化機(jī)理和火焰-聲波相互作用密切相關(guān)，在文章下面章節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)分析。盡管點(diǎn)火位置為IP/D=4和8時，超壓曲線在后期都存在明顯的壓力振蕩，但是二者超壓達(dá)到振蕩期的最大峰值的時間和最大峰值卻差異明顯，對于IP/D=4，達(dá)到振蕩期最大峰值11.78 kPa用時75.8 ms，然而對于IP/D=8，達(dá)到振蕩期最大峰值42.865 kPa所用時間為207 ms，可見隨著點(diǎn)火位置距離管道封閉端的距離增大，超壓振蕩期的最大壓力峰值增大，形成最大超壓峰值的時間也更長。當(dāng)超壓達(dá)到振蕩期最大峰值之后，便開始振蕩下降，并且和振蕩上升階段相反，IP/D=4時，爆炸超壓從振蕩期超壓峰值變化到0 kPa耗費(fèi)的時間比IP/D=8時更長，并且振幅衰減速度更緩慢。

(a) IP/D=0 (b) IP/D=4 (c) IP/D=8 (d) “I”階段局部圖線圖 圖2 管道內(nèi)油氣爆炸超壓隨時間變化曲線Fig.2 Overpressure profiles vs time of PT1

2.1.2管道外部測點(diǎn)超壓波形變化

圖3所示是3個不同點(diǎn)火源位置工況下，管道外測點(diǎn)PT2爆炸超壓隨時間的變化曲線。從圖3(a)～圖3(c)3個超壓曲線圖可見對于3個不同的點(diǎn)火位置，其管道外部測點(diǎn)爆炸超壓曲線存在2個明顯的峰值，我們把起爆到形成第1個負(fù)壓峰值這一階段定義為“Ⅰ”階段，也即爆炸初期，之后的階段定義為“Ⅱ”階段，即爆炸后期，如圖3(a)所示。從圖3(d)中可見，在超壓變化初期，三種點(diǎn)火位置工況的爆炸超壓曲線具有相似的變化規(guī)律，起初保持較小的壓力值平緩上升，當(dāng)達(dá)到某個時刻，壓力突然急劇上升，并形成第一個壓力峰值。和內(nèi)部測點(diǎn)PT1的超壓相比較，外部測點(diǎn)爆炸超壓在變化過程中沒有出現(xiàn)破膜壓力峰值Pfv，這是因?yàn)樵诒∧て屏阎巴獠繙y點(diǎn)的相對壓力為0 kPa，管道內(nèi)部的爆炸對外部測點(diǎn)沒有影響，只有當(dāng)管道內(nèi)部的混合氣體發(fā)生泄放過程后，由于泄壓產(chǎn)生的沖量、管道內(nèi)爆炸超壓傳播到管道外部和管道外部氣體發(fā)生爆炸等3個因素的共同作用，導(dǎo)致外部測點(diǎn)的超壓急劇上升。但是，由于外場空間太大，導(dǎo)致氣體燃燒產(chǎn)生的熱量釋放速率很高，并且泄放到外場的可燃?xì)怏w的量也有限，爆炸釋放的能量較少，所以在超壓變化初期形成的外場超壓峰值較小。同時，從圖3(d)還看到點(diǎn)火位置為IP/D=8時，形成第一個超壓峰值所用的時間最短為27.1 ms，其次是IP/D=4為35.1 ms，時間最長是IP/D=0為36.3 ms，造成這種差異的原因主要為：點(diǎn)火位置距離管道口部越近，破膜時間越短，管道內(nèi)可燃?xì)怏w在較短的時間內(nèi)就能泄放到管道外部，并引發(fā)外部爆炸，導(dǎo)致管道外部超壓上升。

上述三種工況的管道外部超壓在變化過程中，當(dāng)超壓達(dá)到第一個峰值之后都急劇下降，之后又振蕩上升，但是在后期的超壓振蕩過程中，三者的變化規(guī)律存在比較明顯的差異。對于底部點(diǎn)火(IP/D=0)，超壓在后期的振蕩中會再次形成一個明顯的峰值，隨后以比較小的幅值在0 kPa附近微弱振蕩；對于IP/D=4和IP/D=8，外部測點(diǎn)后期的超壓變化規(guī)律與二者的內(nèi)場超壓變化規(guī)律相似，但是外場超壓在振蕩過程中表現(xiàn)出比內(nèi)場更加不規(guī)則的變化形式，主要體現(xiàn)在振幅的變化上，內(nèi)場超壓的振幅變化相對外場更為規(guī)則(對比圖2(b)和圖3(b)可見)。

(a) IP/D=0 (b) IP/D=4 (c) IP/D=8 (d) “I”階段局部圖線圖圖3 管道外油氣爆炸超壓隨時間變化曲線Fig.3 Overpressure profiles vs timeof PT2

2.2 管道內(nèi)超壓波形變化和火焰?zhèn)鞑バ袨殛P(guān)系

圖4所示是選取的三種點(diǎn)火位置工況下典型的不同時刻火焰瞬態(tài)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可見，三種工況下，火焰形態(tài)隨時間的變化規(guī)律差異較大，這是導(dǎo)致爆炸超壓變化規(guī)律產(chǎn)生差異的重要因素。對于點(diǎn)火位置為IP/D=0，在點(diǎn)火初期(0～10 ms)，火焰以“半球形“形態(tài)向開口端傳播(圖4(a)所示)，傳播速度比較緩慢，火焰面積也比較小，導(dǎo)致燃燒速度比較慢，因此管道內(nèi)測點(diǎn)PT1壓力上升緩慢(如圖2(a)所示)。在10～17 ms這一階段內(nèi)，火焰面積逐漸增大，單位時間內(nèi)參與燃燒反應(yīng)的油氣量增多，釋熱率提高，因此這個階段的超壓上升速率顯著增大，并在17.2 ms達(dá)到極值。在17.2 ms(對應(yīng)著圖4(a)17 ms的火焰圖像)，管道開口端薄膜破裂，管道內(nèi)氣體泄放到管道外部，泄壓過程引起的稀疏波導(dǎo)致管道內(nèi)壓力驟降。但是，從24 ms起，壓力再一次出現(xiàn)快速上升的變化趨勢，并在31 ms的時候達(dá)到第二個峰值。結(jié)合圖4(a)中火焰圖像可見，在24～31 ms這一階段內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，燃燒速度增加，熱量釋放較多，在管道內(nèi)形成較強(qiáng)的壓縮波，導(dǎo)致這一階段壓力上升較快。從31 ms開始，壓力又出現(xiàn)急劇下降，這一下降過程和管道的“泄壓效應(yīng)”密切相關(guān)，這是因?yàn)閺?7.2 ms管道開口端薄膜破裂之后，管道內(nèi)氣體開始泄放，并且在24～31 ms，由于燃燒速度的提高和爆炸強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致管道內(nèi)氣流流動速度增大，氣體的泄放速度增大，于是管道內(nèi)可燃?xì)怏w總量和濃度都降低，導(dǎo)致31 ms之后，管道內(nèi)氣體爆炸強(qiáng)度降低，再加上管道內(nèi)火柱長度增加，火焰與管道壁面的接觸面增大，引起熱量的大量散失，上述因素的綜合效應(yīng)使得超壓急劇下降，并在38 ms達(dá)到極小值。在38 ms，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿揽诓浚蠡鹧鏇_出管道并引燃泄放到管道外部的可燃?xì)怏w，導(dǎo)致壓力小幅度回升，并在42 ms取得外部爆炸壓力的第一個峰值，此后隨著外部爆炸的衰減，壓力曲線的振幅也逐漸減小并最終趨近于0。

圖4 火焰瞬態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.4 Transient flame structures

圖5 管道內(nèi)部超壓-時間曲線(IP/D=4，局部放大)Fig.5 Overpressure profiles vs time of PT1(IP/D=4，partial enlarged view)

對于IP/D=4，如圖4(b)所示，在點(diǎn)火初期，火焰以球狀形態(tài)膨脹發(fā)展，持續(xù)時間大約為9 ms。在球狀火焰發(fā)展階段，超壓曲線以很小的幅度線性上升，如圖5所示。在10～16 ms，左側(cè)火焰鋒面加速向開口端傳播，然而右側(cè)火焰鋒面基本維持在一個固定的位置保持靜止，所以這一階段壓力變化主要和左側(cè)火焰行為有關(guān)。在這一階段，火焰形態(tài)經(jīng)歷了球狀火焰-橢球狀火焰-指尖型火焰的轉(zhuǎn)變，在這個過程中火焰面積和火焰?zhèn)鞑ニ俣榷硷@著增大，提高了燃燒速度和熱釋放率，導(dǎo)致壓力急劇上升，并在16.8 ms形成第一個壓力峰值。當(dāng)?shù)谝粋€壓力峰值形成之后，管道開口端的薄膜破裂(對應(yīng)16 ms時刻的圖像)，在泄壓作用的影響下，管道內(nèi)壓力急劇下降，并在22 ms時取得極小值。從22 ms起，泄放到管道外部的可燃?xì)庵饾u燃燒殆盡，管道內(nèi)點(diǎn)火端右側(cè)火焰鋒面開始向右傳播，形成壓縮波，導(dǎo)致超壓上升，并在27 ms取得極大值。從27 ms開始，壓力又開始下降，并于33 ms達(dá)到極小值，對比27 ms和33 ms兩個時刻的火焰鋒面位置，可以發(fā)現(xiàn)在33 ms的時候火焰鋒面向右傳播的距離比27 ms時更近，表明火焰在向右傳播過程發(fā)生了火焰振蕩燃燒現(xiàn)象，這種火焰振蕩現(xiàn)象和壓力振蕩有內(nèi)在的關(guān)系。為進(jìn)一步探索火焰振蕩燃燒和壓力振蕩之間的關(guān)系，在圖5中標(biāo)注了超壓在振蕩期56～82 ms變化過程中形成波峰和波谷對應(yīng)的時刻，同時在圖4(b)中列出了相應(yīng)時刻的火焰瞬態(tài)結(jié)構(gòu)圖。結(jié)合圖5和圖4(b)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)火焰鋒面在向右傳播的過程中存在明顯的左右振蕩現(xiàn)象，并且當(dāng)火焰鋒面位于極左位置時(對應(yīng)t=56 ms、62 ms、68 ms、74 ms、79 ms)，對應(yīng)的超壓總是處于波谷位置；而當(dāng)火焰鋒面位于極右位置時(對應(yīng)t=58 ms、64 ms、71 ms、76 ms、82 ms)，對應(yīng)的超壓總是處于波峰位置。上述分析表明火焰鋒面位置的往復(fù)振蕩和超壓波形的振蕩在時間上具有較好的一致性。

上述針對火焰?zhèn)鞑ズ蛪毫φ袷幾兓?guī)律的分析表明壓力波波形變化規(guī)律和火焰振蕩傳播現(xiàn)象關(guān)系密切，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[13]中研究點(diǎn)火源位置對甲烷-空氣爆燃超壓特征的影響時得到的結(jié)論類似。文獻(xiàn)[13]中認(rèn)為點(diǎn)火源在管道中部和口部時引起超壓振蕩的原因?yàn)?管道泄爆口側(cè)的火焰前沿觸發(fā)了超壓振蕩，閉口側(cè)火焰前沿與聲波(壓力波)在未燃?xì)鈿庵邢嗷プ饔梅糯罅顺瑝赫袷帯Ａ硗?，文獻(xiàn)[14-15]中比較詳細(xì)地分析了引起燃燒振蕩的幾類關(guān)鍵因素，其中提及到的燃燒振蕩驅(qū)動機(jī)理中的“熱聲振蕩”機(jī)理認(rèn)為對于氣體燃燒系統(tǒng)，在氣體處于最大壓縮狀態(tài)時加入熱量,或在氣體處于最大膨脹狀態(tài)時抽走熱量，氣體的振動將被加熱過程所激勵和加強(qiáng)，反之則氣體的振動將被阻尼。具體到本實(shí)驗(yàn)，將油氣爆炸過程中在管道內(nèi)部形成的火柱視為活塞，火焰在管道內(nèi)左右脈動傳播的過程可以視為“活塞往復(fù)運(yùn)動”。因此，當(dāng)火焰向右傳播的時候，產(chǎn)生壓縮波，壓縮火焰鋒面前方未燃?xì)怏w，導(dǎo)致超壓上升；而當(dāng)火焰向左傳播的時候，產(chǎn)生膨脹波，使火焰鋒面前方未燃?xì)怏w產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致超壓下降。

在本文研究中，以IP/D=4工況的壓力-時間曲線分析對象，在火焰鋒面處于極右位置的時候，也就是火焰鋒面前未燃?xì)怏w處于壓縮狀態(tài)時，超壓總是達(dá)到波峰，而當(dāng)火焰鋒面處于極左位置時，即火焰鋒面前未燃?xì)怏w產(chǎn)生膨脹變形時，超壓總是達(dá)到波谷。這是因?yàn)楫?dāng)火焰在極右位置的時候，火焰鋒面前未燃?xì)怏w處于壓縮狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)溫度升高，此過程可以視為向系統(tǒng)內(nèi)加入熱量；當(dāng)火焰鋒面在極左位置的時候，火焰鋒面前未燃?xì)怏w屬于膨脹狀態(tài)，系統(tǒng)溫度降低，此過程可以視為給系統(tǒng)抽走熱量。因此，結(jié)合文獻(xiàn)[14-15]中關(guān)于超壓振蕩的機(jī)理分析，可以認(rèn)為上述過程是引起超壓在超壓振蕩上升過程中壓力波放大和壓力波振幅逐漸增大的關(guān)鍵因素。但是，自82 ms超壓達(dá)到超壓振蕩期最大峰值之后，由于管道內(nèi)未燃?xì)怏w剩余量較少，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的熱量不足以彌補(bǔ)超壓振蕩周期內(nèi)的能量損失，所以壓力開始降低，振幅也開始減小。

由上述分析可見，對于點(diǎn)火位置為IP/D=4的工況，管道內(nèi)場超壓振蕩和火焰振蕩過程存在密切的聯(lián)系，二者在時間周期上保持高度一致，并且相互之間有正反饋激勵作用，導(dǎo)致超壓在演變過程中出現(xiàn)顯著的振蕩現(xiàn)象。此現(xiàn)象和管道封閉端點(diǎn)火工況下的爆炸超壓變化規(guī)律差異顯著，因此在防爆工程設(shè)計(jì)時要不能忽視這種較特殊的爆炸超壓特性。

當(dāng)點(diǎn)火位置為IP/D=8時，對比圖6爆炸超壓曲線和圖4(c)中相應(yīng)時刻的火焰圖像可得，在爆炸初期(28 ms以前)，火焰行為和爆炸超壓的內(nèi)在聯(lián)系與IP/D=4時是相似的，在此不再贅述。28 ms之后，超壓開始出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，和IP/D=4相比較存在較大差異，具體來講，對于IP/D=4，超壓經(jīng)過8個振蕩周期就達(dá)到了振蕩期的最大峰值，然而對于IP/D=8，超壓經(jīng)歷了22個周期才達(dá)到振蕩期的最大峰值，并且IP/D=8的超壓曲線在振蕩前期的振幅變化幅度和IP/D=4相比明顯更小。另外，在166 ms之前，爆炸超壓振蕩和火焰?zhèn)鞑ブg的耦合關(guān)系與IP/D=4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律相似。但是，在166 ms之后，點(diǎn)火位置為IP/D=8的超壓振蕩機(jī)理和IP/D=4存在較大差異。這是因?yàn)閷τ贗P/D=8這種工況，在166 ms之后，管道內(nèi)可燃?xì)怏w已經(jīng)燃燒殆盡，系統(tǒng)無法繼續(xù)通過燃燒產(chǎn)生熱量來支持超壓的變化，因此超壓在這段時期內(nèi)的振蕩變化與燃燒過程沒有直接關(guān)系。然而，對于IP/D=4，爆炸超壓在達(dá)到震蕩期最大峰值之前，管道內(nèi)一直有可燃?xì)怏w發(fā)生燃燒反應(yīng)，給超壓振蕩過程提供熱量。

圖6 管道內(nèi)部超壓-時間曲線(IP/D=8，局部放大)Fig.6 Overpressure profiles vs time of PT1(IP/D=8，partial enlarged view)

從圖6可見，盡管166 ms之后管道內(nèi)沒有可燃?xì)怏w燃燒提供熱量，但是爆炸超壓依然保持上升趨勢，在207 m形成最大峰值，并且通過分析超壓振幅的變化幅度發(fā)現(xiàn)超壓在166～207 ms階段內(nèi)的升壓速率比166 ms之前更大。由于在166～207 ms期間沒有燃燒反應(yīng)給系統(tǒng)提供熱量，所以這一階段的超壓振蕩與火焰-壓力波耦合關(guān)系沒有直接聯(lián)系。然而在實(shí)驗(yàn)中有一個值得注意的現(xiàn)象，當(dāng)IP/D=8時，油氣爆炸過程會出現(xiàn)兩次爆炸聲音，第一次爆炸聲出現(xiàn)在油氣起爆階段，第二次爆炸聲出現(xiàn)在右側(cè)火焰鋒面向管道閉口端傳播過程中，并伴隨著橘紅色火焰的產(chǎn)生。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，本文認(rèn)為出現(xiàn)第二次爆炸聲音的原因是由于管道薄膜破裂之后，管道外部空氣進(jìn)入管道內(nèi)，與管道內(nèi)未燃?xì)怏w混合，增加了氧氣量，加速了管道內(nèi)燃燒的反應(yīng)進(jìn)程，加強(qiáng)了爆炸強(qiáng)度，使熱量釋放速率增大，并引起氣體的強(qiáng)烈震動而發(fā)出聲音，值得注意的是在實(shí)驗(yàn)中觀測到第二次爆炸聲的分貝明顯高于第一次。根據(jù)聲壓級計(jì)算公式(1)可以得到在爆炸過程中，聲波的最大聲壓級可以達(dá)到187 dB左右。

LP= 20lg(P/P0)

(1)

式中：LP為壓級，dB；P為聲壓，Pa；P0為基準(zhǔn)聲壓，為2×10-5Pa。

因此，鑒于上述分析，本文認(rèn)為166～207 ms這一階段的超壓上升主要是由管道內(nèi)可燃?xì)怏w第二次爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)烈的聲波引起，并且影響程度顯著。

綜合上述可見，對于點(diǎn)火位置為IP/D=0時，超壓變化過程主要受火焰?zhèn)鞑ゼ铀?、火焰面積尺寸和外部爆炸的影響。點(diǎn)火位置為IP/D=4時的超壓變化過程除受到火焰加速、火焰面積尺寸和外部爆炸的影響之外，還受到火焰和聲波相互作用的影響；而點(diǎn)火位置為IP/D=8時的超壓變化過程除受到點(diǎn)火位置為IP/D=4時的影響機(jī)理的作用外，還受到爆炸過程強(qiáng)烈的聲波的影響。因此，在安全工程設(shè)計(jì)時，要充分考慮不同點(diǎn)火位置給超壓變化規(guī)律帶來的影響差異，有針對性地進(jìn)行安全防護(hù)措施的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.3 超壓振幅和周期

上述對管道內(nèi)超壓分析可以得到，對于點(diǎn)火位置為IP/D=4和IP/D=8的工況，管道內(nèi)超壓曲線在超壓振蕩期內(nèi)以近似正弦波形態(tài)發(fā)生振蕩。圖7(a)、圖7(b)分別給出了超壓振蕩上升期和衰減期的振幅隨時間的變化關(guān)系。由圖7可見，超壓振蕩上升期和衰減期的振幅隨時間的變化規(guī)律都符合指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律(擬合公式和曲線如圖7所示)，其中上升期為指數(shù)增長規(guī)律，衰減期的振幅為負(fù)指數(shù)變化規(guī)律。從圖7(a)可見，在振蕩上升階段，點(diǎn)火位置為IP/D=4時的超壓振幅從形成第一個峰值開始就以較快的速度增長，然而對于IP/D=8，在初始階段(大約160 ms之前)，振幅的增長趨勢很平緩，直到大約160 ms之后，超壓振幅才大幅度增加。從圖7(b)可見，在振蕩衰減期，振幅衰減的規(guī)律正好和振蕩上升期相反，IP/D=8比IP/D=4的振幅下降速度更快。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于對于點(diǎn)火位置為IP/D=4的工況，超壓在形成振蕩期最大峰值的時候(82 ms)，管道內(nèi)火焰還沒有傳播到管道封閉端(對應(yīng)圖4(b)82 ms圖像)，管道內(nèi)還有部分剩余的可燃?xì)怏w。因此，在超壓振蕩衰減初期，管道內(nèi)剩余的可燃?xì)怏w繼續(xù)發(fā)生燃燒反應(yīng)，由此產(chǎn)生熱量可以減緩超壓振幅的衰減速度，并延長超壓振蕩的時間。但是，對于點(diǎn)火位置為IP/D=8的工況，在超壓達(dá)到振蕩期最大峰值之前(207 ms之前)，右側(cè)火焰鋒面就已經(jīng)傳播到管道封閉端(對應(yīng)與圖4(c)143 ms圖像)，管道內(nèi)可燃?xì)怏w燃燒殆盡，燃燒反應(yīng)進(jìn)程結(jié)束。因此，在超壓振蕩衰減期，管道內(nèi)不再有燃燒反應(yīng)給系統(tǒng)提供熱量，并且燃燒余熱快速釋放，不利于超壓振蕩過程的延續(xù)。所以，對于點(diǎn)火位置為IP/D=8的工況，超壓振蕩衰減期的振幅衰減速度比點(diǎn)火位置為IP/D=4的工況更快，并且超壓振蕩的延續(xù)時間更短。

(a) 振蕩期上升階段振幅隨時間變化關(guān)系

(b) 振蕩期下降階段振幅隨時間變化關(guān)系圖7 管道內(nèi)油氣爆炸超壓振蕩期上升和下降階段振幅隨時間變化關(guān)系Fig.7 Growing and decaying phases of oscillation overpressures vs time

(a) 振蕩期上升階段振蕩周期

(b) 振蕩期下降階段振蕩周期圖8 管道內(nèi)油氣爆炸超壓振蕩期上升和下降階段振蕩周期Fig.8 Oscillation periods of growing and decaying phases

為更加全面地認(rèn)識管道內(nèi)超壓的振蕩特性，計(jì)算了超壓振蕩期內(nèi)壓力上升階段(見圖8(a))和衰減階段(見圖8(b))的超壓振蕩周期，并繪制成如圖8所示的曲線圖。從圖8(a)中可見，對于點(diǎn)火位置為IP/D=4和IP/D=8兩種工況，在超壓振蕩上升階段，振蕩周期以接近二次拋物線的趨勢下降，其中點(diǎn)火位置為IP/D=4時，呈“凹”函數(shù)型二次函數(shù)，點(diǎn)火位置為IP/D=8時，呈“凸”函數(shù)型二次函數(shù)。對于超壓振蕩衰減階段，從圖8(b)可見，對于點(diǎn)火位置為IP/D=4和IP/D=8兩種工況，隨著超壓振蕩的延續(xù)，超壓衰減期的振蕩周期呈現(xiàn)出比較劇烈的振蕩變化，并且逐漸增大。但是，通過數(shù)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)超壓振蕩衰減期的周期振蕩變化規(guī)律并沒有體現(xiàn)出較好的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，較難用函數(shù)模型來進(jìn)行擬合。

2.4 超壓峰值對比

表1比較了管道內(nèi)部測點(diǎn)PT1在爆炸“I”階段的兩個超壓峰值(Ppeak1和Ppeak2)和整個爆炸過程的最大超壓峰值(Pmax)以及形成相應(yīng)超壓峰值的時間，其中第一個峰值(Ppeak1)是薄膜破裂時的泄壓峰值，第二個峰值(Ppeak2)是緊隨泄壓過程之后超壓上升獲得的第一個峰值。從表1可見，隨著點(diǎn)火位置距離管道封閉端距離的增大，第一個超壓峰值的數(shù)值降低，并且達(dá)到此超壓峰值的時間也縮短。對于第二個壓力峰值，隨著點(diǎn)火距離的增大，第二個壓力峰值的數(shù)值也減小，并且達(dá)到此壓力峰值的時間也減小。對于整個爆炸過程的最大超壓峰值，隨著點(diǎn)火距離的增大，最大爆炸超壓峰值呈增長變化規(guī)律，并且獲得最大爆炸超壓峰值的時間增大。其中，點(diǎn)火位置為IP/D=4和IP/D=8兩種工況的最大爆炸超壓峰值是在壓力振蕩期(“Ⅱ”階段)形成，點(diǎn)火位置為IP/D=0的工況在爆炸“Ⅰ”階段形成。綜合上述分析和對比表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于管道內(nèi)部測點(diǎn)，當(dāng)不考慮火焰和聲波的互相作用時，隨著點(diǎn)火位置距離管道封閉端距離的增大，最大超壓峰值是呈下降趨勢的，此時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和馮長根等[16]的研究一致。但是當(dāng)考慮了聲波和火焰的耦合關(guān)系，最大超壓峰值反而隨著點(diǎn)火距離的增大而增大。因此，從上述分析可以看出火焰和聲波的相互作用對爆炸超壓的變化規(guī)律的影響是很顯著的，在實(shí)際工程的爆炸安全防護(hù)工程的設(shè)計(jì)時有必要將這種因素考慮進(jìn)去。

表1 測點(diǎn)PT1超壓峰值和最大峰值對比

表2比較了外部測點(diǎn)的第一個超壓峰值和最大爆炸超壓峰值隨點(diǎn)火位置的變化關(guān)系。從表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，外部超壓的峰值比內(nèi)部超壓峰值小得多，并且在不考慮火焰和聲波相互作用的條件下，第一個超壓峰值隨著點(diǎn)火距離的增大減小，并且形成第一個峰值的時間也減小。但是，如果將火焰聲波的耦合關(guān)系考慮進(jìn)來，可以發(fā)現(xiàn)爆炸過程的最大超壓峰值從點(diǎn)火位置為IP/D=0～I(xiàn)P/D=4是降低的，但是從IP/D=4～I(xiàn)P/D=8卻呈上升趨勢。并且對于IP/D=4來講，最大爆炸超壓峰值在第二個峰值取得，而IP/D=0和IP/D=8的最大爆炸壓力峰值在第一個峰值取得。

表2 測點(diǎn)PT2超壓峰值和最大峰值對比

3 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了泄壓管道內(nèi)位于管道封閉端不同距離點(diǎn)火位置工況下，油氣爆炸超壓特性的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)點(diǎn)火位置對油氣泄壓爆炸超壓波形的變化影響顯著。超壓的變化過程可以分為兩個階段，“Ⅰ”階段不受聲波和火焰耦合作用的影響，不同點(diǎn)火位置的爆炸超壓在此階段變化規(guī)律相似；“Ⅱ”階段受到聲波(壓力波)和火焰的相互作用的影響，對于中部(IP/D=4)和口部(IP/D=8)點(diǎn)火，這種影響機(jī)理顯著，爆炸超壓振蕩很明顯。

爆炸超壓波形和火焰?zhèn)鞑ビ忻芮械膬?nèi)在聯(lián)系。對于IP/D=0，超壓變化過程主要受火焰加速、火焰面積尺寸和外部爆炸的影響；IP/D=4的超壓變化除受到火焰加速、火焰面積尺寸和外部爆炸的影響之外，還受到火焰和聲波的相互作用影響；而IP/D=8的超壓變化除受到IP/D=4的影響機(jī)理的作用外，還受到聲波振蕩的影響。

對于中部(IP/D=4)和口部(IP/D=8)點(diǎn)火，壓力振蕩上升期的振幅呈指數(shù)增長，衰減期的振幅呈負(fù)指數(shù)下降趨勢；在超壓振蕩上升階段，振蕩周期以接近二次拋物線的趨勢下降，對于超壓振蕩衰減階段，隨著超壓振蕩的延續(xù)，超壓衰減期的周期呈現(xiàn)出比較劇烈的振蕩變化，并且逐漸增大。但是，衰減期的周期振蕩變化規(guī)律并沒有體現(xiàn)出較好的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，較難用函數(shù)模型來進(jìn)行擬合。

對于管道內(nèi)部測點(diǎn)，當(dāng)不考慮聲波和火焰的相互作用時，在爆炸“Ⅰ”階段，最大超壓峰值隨著點(diǎn)火位置距離管道封閉端距離的增大而減??；當(dāng)考慮聲波和火焰的相互作用時，爆炸過程的最大超壓峰值隨著點(diǎn)火距離的增大而增大。對于管道外部測點(diǎn)，不考慮聲波和火焰的耦合關(guān)系時，第一個超壓峰值隨著點(diǎn)火距離的增大而減小，如果考慮火焰聲波的耦合關(guān)系，最大超壓峰值從IP/D=0～I(xiàn)P/D=4是降低的，但是從IP/D=4～I(xiàn)P/D=8卻呈上升趨勢。

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