李靜野，蔣新生，余彬彬，王春輝，王子拓

（中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401331）

隨著我國石油化工技術(shù)的飛速發(fā)展，油料產(chǎn)品已經(jīng)滲透到社會的各行各業(yè)，在對油料的運送、儲存及使用過程當中，可能會由于人為的操作失誤或是設(shè)施設(shè)備的腐蝕損壞，導(dǎo)致油料泄漏并揮發(fā)形成涉油氣環(huán)境，該環(huán)境下若存在一定能量的點火源就可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故，該現(xiàn)象通常被稱為可燃蒸汽云爆炸（unconfined vapor cloud explosion）。據(jù)統(tǒng)計，近年來頻繁發(fā)生的油氣蒸汽云爆炸安全事故對人民的生命和財產(chǎn)構(gòu)成了巨大的威脅，而此類事故多為連環(huán)事故，而爆炸則占了57%事故的初始誘發(fā)原因。人們從20 紀50 年代起便開始了大量針對可燃氣云爆燃現(xiàn)象的研究，考慮到危害級別的優(yōu)先度，現(xiàn)有理論研究工況大多集中于受限空間而非開敞空間。實際上開敞空間蒸汽云爆炸是爆炸事故中較為普遍的形式，在石油化工、塑料、橡膠合成及天然氣行業(yè)的爆炸事故總數(shù)中所占比例分別達到了46%、42%和60%，因此以開敞空間作為可燃氣云爆炸實驗的研究工況在工業(yè)上具備一定的實際應(yīng)用價值。近年來人們在實驗室條件下對于開敞空間的模擬通常是采用弱強度約束物來實現(xiàn)，達到既能夠防止氣體擴散又能夠盡可能不對爆炸過程產(chǎn)生限制，也有不少研究人員將計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）中的計算域（Computational domain）引入到蒸汽云爆炸模型建立當中，均獲得了不少成果。其中Lind 等在實驗中證明了聚乙烯塑料薄膜在用于約束可燃氣云的體積和形狀上能夠發(fā)揮良好的作用，在此基礎(chǔ)上通過改變?nèi)剂系姆N類、濃度、臺架尺寸以及內(nèi)部布置等工況來研究其爆燃規(guī)律。在臺架形狀方面，丁信偉等采用了半徑為0.5 m 的半球形臺架研究乙炔在空氣中的爆燃現(xiàn)象，構(gòu)建了可燃蒸汽云爆炸的數(shù)學(xué)模型，同時確定了該氣體在空集中的爆炸極限范圍和最危險質(zhì)量分數(shù)；羅正鴻等采用了圓柱形臺架研究了乙炔在空氣中的爆燃現(xiàn)象，得出了臺架的形狀因子與爆炸超壓之間的耦合關(guān)系，實驗結(jié)果表明該臺架與半球形臺架相比氣體爆炸時的流場變化更加復(fù)雜；在可燃氣體類型和尺寸方面，Mercx 等將常見的可燃氣體（包括甲烷、乙炔、氫氣等）按照化學(xué)反應(yīng)活性分成了低、中、高3 個等級；Lv 等通過搭建LNG 罐區(qū)等比例縮小實驗臺架，采用FLACS 數(shù)值仿真手段擬合求出了可燃氣云半徑與超壓的對應(yīng)關(guān)系公式。

綜合而言，現(xiàn)階段針對開敞空間可燃氣體爆燃現(xiàn)象的研究主要集中在單組分氣體上，對于油氣等復(fù)雜混合物的成果相對較少；研究工況通常以受限空間為背景，針對敞開式空間的研究成果較少；且缺乏從可視化角度對爆燃現(xiàn)象的超壓與火焰?zhèn)鞑ブg耦合關(guān)系的研究?；诖?，本文以機庫、洞庫等常見儲油場所為背景，自行設(shè)計并搭建不同尺寸的大尺度開敞空間不銹鋼實驗臺架，利用聚乙烯塑料薄膜在盡可能不影響爆燃過程的前提下約束可燃氣體擴散，探究大尺度開敞空間油氣爆燃動態(tài)發(fā)展過程，以期為油料儲運安全工程及防護設(shè)計提供參考。

1 實驗系統(tǒng)構(gòu)建

實驗系統(tǒng)包括鋼制臺架1、2，內(nèi)部尺寸分別為1 m×1 m×1 m 和2 m×5 m×1 m，如圖1 和圖2 所示。臺架1 尺寸較小，便于進行油氣爆燃火焰形態(tài)的觀察；臺架2 具有較大的長徑比，便于對爆燃傳播過程的關(guān)鍵參數(shù)進行采集。臺架四周采用聚乙烯塑料薄膜全方位覆蓋，可同時保證實驗可視化和爆燃自由發(fā)展。為確保系統(tǒng)的氣密性，將透明膠帶固定于薄膜和臺架的交界處并將其壓緊。臺架金屬條上凹槽上的接口部件支持對壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、循環(huán)泵管道口、電子點火器等部件的連接。實驗超壓與火焰強度采集設(shè)備采用了江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH8301 高性能動態(tài)信號測試分析儀；點火裝置采用成都新辰廣電研究所生產(chǎn)的WGDH-5 高能無干擾點火器；混合氣體組分測定采用北京均方理化科技研究所生產(chǎn)的GXH-1050E 紅外線氣體分析儀；圖像采集采用了JVC GC-P100BAC 高速攝錄一體機，拍攝最大頻率為500 Hz。

圖1 爆燃火焰形態(tài)觀察實驗臺架1#Fig. 1 Bench 1# for deflagration flame observation

圖2 爆燃參數(shù)測定實驗臺架2#Fig. 2 Bench 2# for deflagration parameter measurement

與臺架2相距10 m 處布置高德C 系列高性能紅外熱成像儀，可以以1 Hz 的頻率對爆燃發(fā)展過程進行連拍，測量所拍圖片各處的溫度分布用于監(jiān)控整個臺架內(nèi)部的溫度變化。為確保數(shù)據(jù)采集相對準確，在臺架中心布置一枚K 型熱電偶及其配套顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器，該熱電偶測量范圍以一個點為中心，后期數(shù)據(jù)處理過程中將以熱電偶值為依據(jù)，根據(jù)熱成像圖片對應(yīng)位置的溫度值退出整個測量范圍的溫度分布。在臺架外端分別布置三枚輻射測試儀，其中1 號輻射儀布置與距點火面橫向距離為3.75 m，縱向距離為1.5 m；2 號輻射儀與距點火面橫向距離為3.75 m、縱向距離為0.5 m；3 號輻射儀與距點火面橫向距離為1.25 m、縱向距離為0.5 m。實驗用油為中石化92 號汽油。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 開敞空間油氣爆燃典型火焰形態(tài)觀察

實際工程中的開敞空間可能形成不同濃度分布的油氣環(huán)境，引發(fā)的燃爆模式及對空間內(nèi)部的損毀特點也不盡相同。根據(jù)實驗觀測結(jié)果，可初步將多次實驗中產(chǎn)生的所有火焰燃燒形態(tài)歸納為3 種典型模式，分別為無火的氣云灼燒、帶明火的油氣燃燒和帶壓縮波的油氣爆燃。本文將對三種模式從可視化角度上進行基本分析，隨后在后續(xù)小節(jié)中重點研究第3 種模式的關(guān)鍵參數(shù)。對火焰形態(tài)的觀測于1實驗臺架上進行。如圖1 所示，空間內(nèi)部的油氣采用了真空泵、閥門和管道組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合在體積較小的空間內(nèi)使用，能夠較理想地使空間形成純油氣環(huán)境。

圖3 展示了油氣在低濃度下的氣云灼燒過程（體積分數(shù)=0.74%）。由圖3 可見，油氣經(jīng)脈沖點火后開始產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，約1.21 s 時可明顯觀測到內(nèi)部氣流開始對空間產(chǎn)生的擾動，約1.72 s 時在氣流的高溫作用下薄膜開始損毀，直到約3.11 s 時氣流全部從薄膜破損處流出，反應(yīng)過程結(jié)束。整個灼燒過程的時間遠超過傳統(tǒng)的受限空間油氣爆炸實驗。反應(yīng)初期以點火器為起始位置，燃燒產(chǎn)物開始向周圍擴散膨脹，直至接觸到薄膜并使其發(fā)生應(yīng)變。據(jù)觀測結(jié)果，此時空間內(nèi)油氣雖然發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，但由于可燃氣體濃度較低并未形成明火，對薄膜造成破壞的原因主要為熔化而非沖擊。

圖3 氣云灼燒進程Fig. 3 Burning process of gas cloud

低濃度下的燃燒產(chǎn)物氣云具有明顯的正上方運動趨勢，如圖4 所示，從反應(yīng)完畢的薄膜損壞程度上可以觀測到不同面上的受損程度，其中空間頂部最高，其次是點火面區(qū)域，最后是其余平面。該濃度下油氣空間遇到點火源雖不易產(chǎn)生明火，但產(chǎn)生的高溫氣云會灼燒空間內(nèi)部的設(shè)備或人員。

圖4 不同表面薄膜損毀程度Fig. 4 Damage degree of different surface films

圖5 展示了油氣經(jīng)電火花點燃后引發(fā)的明火燃燒過程（=1.02%）。由圖可見，點火瞬間（定為反應(yīng)起始處0.01 s）能夠觀測到亮藍色的電火花，隨后空間內(nèi)的油氣開始迅速與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，0.43 s 處觀測到反應(yīng)生成了橙色火焰。燃燒過程中首先從點火面開始，0.77 s 時火焰沖出左側(cè)薄膜，同時其他平面均受到了生成氣體的擠壓。隨著燃燒過程的進行，0.94 s 處薄膜因火焰燃燒損毀，反應(yīng)于2 s 后結(jié)束，所耗時間略小于無明火工況，臺架頂部在破壞的瞬間依舊能夠觀測到明顯的上升氣流波動。

圖5 油氣火焰燃燒進程Fig. 5 Combustion process of gas flame

該濃度下的油氣燃燒意味著除去高溫氣云的破壞外，還可能會引燃空間內(nèi)部的易燃設(shè)施從而造成火災(zāi)隱患，但在此濃度下的化學(xué)反應(yīng)仍處于以燃燒為主的碳氫化合物分解過程，而非由原子核之間的碰撞引發(fā)的爆燃現(xiàn)象，因此空間內(nèi)部并未采集到有效壓力信號。

圖6 展示了高油氣濃度工況的爆燃火焰發(fā)展特性（=1.26%），該工況下預(yù)混油氣經(jīng)電火花點燃后形成了典型的油氣爆燃模式，根據(jù)火焰結(jié)構(gòu)與壓力波的理論，當高濃度預(yù)混氣體被點燃后，以點火源為中心，火焰沿各方向向未燃氣體傳播，火焰表面積迅速增大，而在火焰面預(yù)混氣體的反應(yīng)過程中大量熱量的放出導(dǎo)致火焰面前方未燃氣體被壓縮，逐漸形成各向的壓縮波。該過程具備以下特征：與燃燒工況類似，該工況下能清晰觀測到點火器通電瞬間產(chǎn)生的藍色火花，隨后在空間內(nèi)部產(chǎn)生向前發(fā)展外圍球形狀的光滑面藍色火焰面，其內(nèi)部則是正在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)燃燒的火焰區(qū)。

圖6 典型開敞空間油氣爆燃進程Fig. 6 Deflagration process of gasoline in typical unconfined space

由圖6 可見，點火器引燃預(yù)混氣體后，火焰鋒面在不受軸向和徑向約束下以1/4 球形逐層向外傳播，隨后點火面最先開始承受超壓而產(chǎn)生了應(yīng)變，由于薄膜尚未破裂，空間內(nèi)部氧氣不足，油氣燃燒不完全，火焰形態(tài)主要由藍色光滑球面與橙色核心組成；點火面處薄膜受到灼燒而損毀后外部氧氣迅速進入，該處呈現(xiàn)高湍流度的橙色火焰，并與前方藍色球形鋒面之間存在交界線，其中橙色火焰沖擊點火面方向，藍色火焰沖擊頂端；爆燃過程后期空間內(nèi)主要為“反L”形橙色湍流火焰，四周薄膜全部破壞后逐漸熄滅潰散。

2.2 典型開敞空間油氣爆燃參數(shù)演變特征研究

根據(jù)2.1 節(jié)的主要結(jié)論，常見的涉油氣空間火焰燃燒形式主要有3 種，其中前2 種在實際工程中造成的損害主要為高溫氣云灼燒以及普通的著火反應(yīng)，未產(chǎn)生明顯超壓。本節(jié)將對油氣爆燃過程的關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律進行研究，為便于觀察火焰?zhèn)鞑ミ^程，采用了大長徑比的臺架2 來進行下階段實驗。本階段實驗油氣環(huán)境的形成采用了殘油揮發(fā)式，通過循環(huán)泵使臺架首位兩端氣體循環(huán)流動，揮發(fā)出油料中的輕烴組分，待濃度穩(wěn)定時記錄并同時記錄初始油量。

2.2.1 油氣爆燃超壓動態(tài)時序發(fā)展過程研究

油氣爆燃的本質(zhì)源于油氣中所含有的可燃組分，其中超壓（Δ）是表征氣體爆燃荷載的主要物理參數(shù)，也是評估氣體爆燃災(zāi)害程度的核心參數(shù)之一。根據(jù)歐洲泄爆規(guī)范NFPA68，超壓峰值能夠相對客觀地衡量可燃氣體爆炸泄爆過程中的爆炸強度，能直接體現(xiàn)出爆炸導(dǎo)致的破壞大小。本文在對油氣爆燃過程超壓采集上，采用了爆燃指數(shù)作為爆燃損害的評估參數(shù)。爆燃指數(shù)主要由升壓速率決定，主要有爆炸威力指數(shù)（）和最大爆炸指數(shù)（）：

根據(jù)臺架1 上的觀察規(guī)律，開敞空間油氣爆燃現(xiàn)象的火焰呈現(xiàn)明顯的“反L”形，因此可以認為油氣經(jīng)引燃后的火焰主要分布于空間正上方及點火面后方，因此本文將對上述區(qū)域的壓力隨時間分布情況作進一步研究。實驗的傳感器布置方案主要包括內(nèi)場部分、外場部分以及高位部分，每個部分共安裝4 枚壓力傳感器，如圖7 所示。

圖7 壓力傳感器布置方案Fig. 7 Layout plan of pressure sensors

表1 給出了典型工況下（點火器位于臺架底端中心，泄漏汽油為2 L，環(huán)境溫度為16 ℃時對應(yīng)=1.34%）開敞空間油氣爆燃內(nèi)場的超壓參數(shù)；圖8 展示了在對應(yīng)的時序曲線；圖9 展示了每個峰值對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)?？梢钥闯雠c傳統(tǒng)的受限空間氣體爆燃實驗數(shù)據(jù)不同，開敞空間中同次實驗中不同采集點的曲線區(qū)別不僅僅體現(xiàn)在峰值大小而是曲線的整體趨勢。結(jié)合文獻[28]對受限空間油氣爆炸的階段劃分規(guī)則，本文將開敞空間油氣爆燃過程劃分為以下3 個子階段。

表1 爆燃內(nèi)場超壓參數(shù)特征Table 1 Internal overpressure parameter characteristics during deflagration

圖8 爆燃內(nèi)場超壓時序曲線Fig. 8 Internal overpressure-time profiles during deflagration

圖9 爆燃內(nèi)場不同峰值對應(yīng)時刻的火焰形態(tài)Fig. 9 Internal flame morphology corresponding to different peak values

（1）穩(wěn)定傳播階段（0～0.51 s）。壓力波和火焰封面尚未對薄膜邊界進行沖擊和灼燒，薄膜完整且持續(xù)時間較短，可簡化為定容過程，產(chǎn)生的超壓變化近似符合理想氣體狀態(tài)方程：

式中：、、為壓力、反應(yīng)物的物質(zhì)的量和溫度，下角標0 代表常溫狀態(tài)。

穩(wěn)定傳播階段結(jié)束前空間內(nèi)外場尚未開始質(zhì)量交換，燃燒反映導(dǎo)致了溫度的升高及壓力的升高，二者共同作用下點火面薄膜率先破裂。位于點火面處的1 號采集點從點火開始便出現(xiàn)小幅度積壓態(tài)勢一直持續(xù)至0.488 s 處，隨后由于點火面薄膜破裂帶來的劇烈擾動開始出現(xiàn)超壓振蕩，于0.875 s 時刻達到了最高1.276 kPa；距點火面1.67 m 處的2 號采集點則積壓至0.433 kPa，隨后壓力由于泄放作用迅速上升；距離點火面3.33 m 和5 m 處的3、4 號采集點均形成破膜壓力峰值0.183、0.033 kPa。此時火焰主要由藍色半球形封面和內(nèi)部橙黃色蘑菇狀火星構(gòu)成。

（2）火焰泄放階段（0.51～2.62 s）?；鹧姘l(fā)展為具有明顯分界線的亮藍色與橙黃色，由于點火面的破壞使壓力迅速泄放，使距離其較近的1、2 號采集點產(chǎn)生了小幅度振蕩，分別持續(xù)了0.617 s 和0.836 s 并形成了多個正負超壓峰值，爆燃壓縮波在經(jīng)過某一區(qū)域后周圍的空氣或者介質(zhì)未能及時補充，尤其是位于點火面的1 號采集點處于多面敞開狀態(tài)，更易形成負壓。以超壓峰值最高的2 號采集點為參照，其中Δ為薄膜破裂后的積壓產(chǎn)生（0.433 kPa，耗時0.329 s）；Δ主要源于火焰泄放產(chǎn)生的湍流效應(yīng)（1.257 kPa，耗時0.174 s）； Δ達到了最高峰值，主要為外部爆燃導(dǎo)致（1.447 kPa，耗時0.214 s）。其中由于內(nèi)場的振蕩與外部爆燃現(xiàn)象存在一定的隨機性，其檢測值與實驗環(huán)境工況、內(nèi)場油氣揮發(fā)狀態(tài)密切相關(guān)，因此 Δ、Δ的大小與形成時間因?qū)嶒灤螖?shù)而異，形成的峰值也具有不穩(wěn)定性，可能形成多次振蕩。值得注意的是，1 號采集點雖然超壓絕對值小于2 號，但由于其振蕩較為劇烈，形成峰值用時極短，因此其對應(yīng)區(qū)域危險度可能更高。

（3）燃燒潰散階段（2.62 s 之后）。臺架中后部（2、3、4 號采集點）產(chǎn)生了火焰加速峰值 Δ，大小分別為0.609、0.399、0.083 kPa（形成峰值耗時分別為0.052、0.928、0.358 s），該峰值產(chǎn)生于亮藍色火焰之間徹底消失時刻附近，火焰形態(tài)于該時刻處發(fā)生了轉(zhuǎn)變并于臺架3/4 位置處有一個小幅度加速過程，該波峰的產(chǎn)生同樣具有隨機性。位于臺架點火端處的1 號采集點未能有效捕捉到壓力變化，而后的2、3 號采集曲線則相對明顯，位于末端的4 號采集點對此壓力變化的反應(yīng)較為敏感，但峰值絕對值相對較低。隨后臺架內(nèi)剩余部分殘火燃燒直至熄滅，內(nèi)外流場逐漸趨于穩(wěn)定。

表2 為典型工況下開敞空間油氣爆燃外場的超壓特征；圖10 為對應(yīng)的超壓時序曲線；圖11 為每個峰值對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)。從圖10 和圖11 中可以看出，與內(nèi)場超壓曲線相比，外場超壓動態(tài)時序演變過程較為單調(diào)。以峰值最高的3 號采集點為參照，開敞空間外部超壓變化主要由3 個階段構(gòu)成：分別為相對靜止階段（0～0.303 s）、火焰泄放階段（0.468～0.957s）、燃燒潰散階段（0.957 s 之后）。整個過程包含兩個超壓峰值：破膜泄流峰值 Δ和外部爆燃峰值 Δ。相對靜止階段期間，空間內(nèi)場處于穩(wěn)定傳播階段，薄膜破裂前限制了流場的對外傳播，因此外場傳感器未能產(chǎn)生超壓。薄膜受到高溫沖擊破裂后累積的對外壓力釋放以及“反L”形火焰運動趨勢共同作用在了傳感器上形成了 Δ；隨后受到泄放慣性引發(fā)的負壓膨脹波影響產(chǎn)生了負壓峰值；受流場擾動而泄放至外場的油氣混合物經(jīng)火焰射流引燃后會進一步燃燒，使壓力快速回升形成外部爆燃峰值 Δ，之后外場爆燃逐漸減緩泄放的油氣也消耗殆盡，壓力恢復(fù)至常態(tài)。需要注意的是，外部爆燃并不是單次的爆炸而是一個系列的化學(xué)反應(yīng)，因此距離點火面最近的3 號采集點在形成 Δ后仍然受到了外部爆燃的持續(xù)沖擊，而距離較遠的4 號采集點以及徑向布置的1、2 號采集點對此反應(yīng)并不明顯。綜合分析，開敞空間油氣爆燃對外場影響主要集中在近點火面及其軸向位置，徑向位置超壓曲線起伏相對平緩。

圖10 爆燃外場超壓時序曲線Fig. 10 External overpressure-time profiles during deflagration

圖11 爆燃外場不同峰值對應(yīng)時刻的火焰形態(tài)Fig. 11 External flame morphology corresponding to different peak values

表2 爆燃外場超壓參數(shù)特征Table 2 External overpressure parameter characteristics during deflagration

表3 為典型工況下開敞空間油氣爆燃高位的超壓參數(shù)；圖12 為對應(yīng)的超壓時序曲線；圖13 為每個峰值對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)?？梢钥闯?，與外場曲線相似，穩(wěn)定傳播階段結(jié)尾處的破膜泄流峰值 Δ被近空間頂部（0.2 m）的3 個采集點依次捕捉到，峰值大小分別為0.660、0.568、0.353 kPa，三者在經(jīng)歷了負壓膨脹波后由于同樣的外部一系列爆燃形成了主要峰值 Δ以及后續(xù)的余波峰值?？拷c火端的1 號采集點以及距離空間頂面的4 號采集點曲線相對平滑，而處于火焰主要加速段的2 號和3 號采集點由于受到火焰以及渦流的影響導(dǎo)致壓力的波動較大。4 號采集點距離臺架頂部較遠，因此產(chǎn)生兩個峰值的時間節(jié)點相對靠后，但峰值更高，分別超過另外3 個采集點201.6%、227.1%、322.7%?？梢钥闯霰籍a(chǎn)生的反“L”型火焰的上半部分帶來的流場擾動較為復(fù)雜，產(chǎn)生的氣流渦團使空間垂直偏上位置形成了高壓區(qū)。燃燒潰散階段位4 個采集點均逐漸恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)，未能形成火焰速度變化導(dǎo)致的 Δ，由此可以判斷火焰的加速主要作用于臺架內(nèi)部而非正上方，在實際工程中對爆燃事故的研究需要注意該特征。

表3 爆燃高位超壓參數(shù)特征Table 3 High ground overpressure parameter characteristics during deflagration

圖12 爆燃高位超壓時序曲線Fig. 12 High ground overpressure-time profiles during deflagration

圖13 爆燃高位不同峰值對應(yīng)時刻的火焰形態(tài)Fig. 13 High ground flame morphology corresponding to different peak values

總體而言，大尺度開敞空間的爆燃過程在空間的不同區(qū)域內(nèi)造成的危害效果具有特定規(guī)律。其中爆燃沖擊最強的區(qū)域為空間正上方，這點與灼燒模式下的薄膜損毀程度有相似之處，從側(cè)面證明了空間上方的危險程度；其次為空間的內(nèi)部區(qū)域，主要體現(xiàn)在空間的中部靠前部位；最后為點火面正后方。結(jié)合反“L”形的火焰形態(tài)及灼燒模式下的薄膜損毀情況可以判斷出，點火面處的危險源主要來自于火焰帶來的熱流和高溫，爆燃的沖擊效應(yīng)并非占主導(dǎo)地位。同時，需要注意到三個主要區(qū)域內(nèi)的超壓與爆炸威力指數(shù)具有明顯差異的地方，分別是點火面?zhèn)让鎱^(qū)域、點火面的正中央?yún)^(qū)域和正上方中央?yún)^(qū)域。點火端為化學(xué)反應(yīng)的起始處，易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；同樣，產(chǎn)生振蕩的還有臺架中央正上方區(qū)域，由火焰發(fā)展過程可以看出，臺架中心附近處產(chǎn)生的火焰離地面的垂直距離最高，此時恰好也是內(nèi)場超壓的峰值，屬于化學(xué)反應(yīng)較為劇烈的區(qū)域，產(chǎn)生的擾動也使頂端附近形成了振蕩，而在上方形成了高壓區(qū)。根據(jù)上述結(jié)論，振蕩現(xiàn)象對爆炸威力指數(shù)有著明顯的促進作用，該效果由于在極短時間內(nèi)形成了數(shù)個超壓峰值，雖然絕對大小但仍有可能對空間內(nèi)部的人員和物資造成嚴重的破壞。

2.2.2 初始油氣體積濃度對爆燃超壓峰值的影響

決定油氣爆燃強度的一個重要環(huán)境因素便是初始油氣濃度，該濃度主要取決于油料泄漏擴散進程。本文測試了5 種不同初始油料泄漏體積（1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 L），每次實驗前將等待點火源附近的油氣濃度逐漸穩(wěn)定并記錄。實驗將以內(nèi)場實驗中的2 號采集點最大超壓峰值為參照。根據(jù)前期實驗數(shù)據(jù)，初始油量為1.25L 時進行的4 次爆燃實驗僅有1 次成功，初始油量為1 L 時已經(jīng)無法點燃，因此本文認為該實驗條件下（環(huán)境溫度為16～19 ℃，環(huán)境濕度為44%～59%）初始油量為1.25 L 時（油料空間體積比為1∶8000）輕質(zhì)組分充分揮發(fā)形成的油氣環(huán)境處于油氣爆炸下限附近。

表4 和圖14 為不同濃度下超壓峰值和達到該峰值耗時的分布情況，可以看出二者變化都具有一致性，但分布規(guī)律相反。根據(jù)實驗結(jié)果，初始殘油量為2.5 L 時能夠形成最大超壓峰值。若繼續(xù)加大油量，導(dǎo)致空間內(nèi)部的氧含量相對不足，汽油蒸汽處于不完全燃燒狀態(tài)，因此燃燒速度再一次降低，超壓峰值也隨之降低。二者均已2.5 L（1.68%）為分界線，考慮到二者的分布特性和擬合式的可行度，本文選用三次多項式關(guān)系描述其規(guī)律：

表4 不同油氣濃度下超壓峰值和到達峰值耗時分布Table 4 Overpressure peaks & time to reach peaks under different concentrations

圖14 不同油氣濃度下超壓峰值和到達峰值耗時分布Fig. 14 Overpressure peaks & time to reach peaks under different concentrations

式中：Δ的單位為kPa，的單位為s，的單位為%。

學(xué)者們通常將油氣爆燃產(chǎn)生最高超壓所對應(yīng)的濃度稱為“危險濃度”，其中在不同的實驗工況下最危險濃度的值具有一定差異，本文在油料泄漏量為2.5 L 時（對應(yīng)相對穩(wěn)定濃度為1.68%）達到了超壓最高值，即是在常溫（16 ℃）下泄漏量與空間體積比為1∶4000 時可以將其定義為“最危險體積比”，意為該體積比下油料的輕質(zhì)成分揮發(fā)后形成的油氣濃度最易接近“危險濃度”，根據(jù)該比例可對實體存油空間內(nèi)的儲存油量與風(fēng)險作出評估。

2.2.3 開敞空間火焰?zhèn)鞑ヌ卣鲄?shù)分析

火焰形態(tài)作為爆燃空間流場變化的一種直觀體現(xiàn)，主要表現(xiàn)在火焰鋒面的褶皺程度。根據(jù)火焰形態(tài)可以大致推測出火焰鋒面與空間內(nèi)未燃氣體的反應(yīng)程度，最終體現(xiàn)在爆燃的劇烈程度和發(fā)展趨勢，在前期的觀察實驗中已經(jīng)對爆燃過程的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)進行了分析，這里主要對傳播過程的具體參數(shù)進行采集?；鹧嫠俣茸鳛榛鹧嫘袨榉治龅闹匾獏?shù)之一，高速傳播的火焰能夠?qū)е螺^大強度的壓縮波，從而產(chǎn)生更大的超壓?；鹧嫠俣韧ǔ２捎脤Ρ歼^程的照片進行測量求得，為相鄰幀的圖片火焰封面位置間距與時間的比值：

式中：為火焰?zhèn)鞑ニ俾?；為火焰鋒面距離點火端的距離；為幀與幀之間的時間差；為幀數(shù)。其中本實驗采用的JVC GC-P100BAC 高速攝錄一體機幀率最高設(shè)置為500 s，即：t-t=500 s。

由于實驗臺架規(guī)模較大，火焰?zhèn)鞑コ拭黠@的二維態(tài)勢，火焰主要由前方的藍色火焰和后方的黃色火焰構(gòu)成，且鋒面并非與臺架橫軸垂直的對稱態(tài)，為便于記錄，本次實驗將統(tǒng)計亮藍色與橙黃色兩種火焰鋒面的實時位置，并將其求導(dǎo)得出對應(yīng)速度。

圖15 為油氣爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間的變化情況；圖16 為3 個時刻點對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)。可以看出：在爆燃穩(wěn)定傳播期間（0～0.51 s），薄膜破壞前的火焰為層流燃燒，速度相對穩(wěn)定；火焰泄放階段期間（0.51～2.62 s），由于外界因素干擾導(dǎo)致火焰速度出現(xiàn)了波動并且形成了數(shù)個峰值，薄膜破裂的憋壓釋放使火焰快速泄流加速運動，兩種火焰分別形成了峰值（藍色2.87 m/s、橙色2.44 m/s）；油氣在臺架外部的爆燃使火焰第二次加速并形成了峰值（藍色1.81 m/s、橙色1.47 m/s）；隨著爆燃過程的繼續(xù)，亮藍色火焰接近臺架末端時速度變緩，橙黃色火焰行進至同位置后停止，此時臺架內(nèi)部剩余零星殘留火焰燃燒直至熄滅。從圖15 和圖16 中還可以注意到，爆燃超壓產(chǎn)生峰值 Δ和Δ的時間節(jié)點正是藍色火焰第一個速度峰值節(jié)點的兩端附近（0.73 s、1.18 s），也證實了火焰波的發(fā)展對爆燃壓力波的形成以及傳播起到的正反饋機制。

圖15 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋? L, φ =1.34%）Fig. 15 Flame propagation velocity(2 L, φ =1.34%)

圖16 三個時刻點對應(yīng)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)Fig. 16 Three moments corresponding to the flame propagation pattern

火焰強度代表了火焰燃燒產(chǎn)生的光強度，可通過其判斷火焰的燃燒劇烈程度，在整體超壓相對偏低的開敞環(huán)境中是一個衡量環(huán)境危險性的重要參數(shù)。爆燃火焰強度采用四枚火焰?zhèn)鞲衅?，布置方案與壓力傳感器內(nèi)場測量實驗一致，分別位于距點火端0、1.67、3.33、5 m 處。

圖17 為油氣爆燃過程中火焰強度（采用火焰?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)給出的電壓信號強度作為表征）隨時間的變化關(guān)系；圖18 為4 個時刻點對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)?？梢钥闯?，開敞空間油氣爆燃的超壓階段性特征在火焰強度上仍有一定的體現(xiàn)，但與超壓變化規(guī)律有所區(qū)別。穩(wěn)定傳播階段火焰主要呈亮藍色，強度較弱；隨后亮藍色鋒面表面逐漸開始呈網(wǎng)狀包隔態(tài)并傳播至2 號采集點處，橙黃色火焰緊隨其后，2 號采集點的火焰強度信號隨著時間呈遞增狀態(tài)，于2.48 s 處達到峰值4754.53 mV，此時該點對應(yīng)燃燒強度最為劇烈；相同時刻亮藍色火焰鋒面?zhèn)髦? 號采集點，隨后的橙黃色火焰使其信號峰值迅速增加（增長率為17773.59 mV/s），并于2.96 s 處達到峰值4816.03 mV；火焰?zhèn)鞑ブ僚_架末端時，僅存在少量殘火燃燒，4 號采集點信號強度較低，于3.30 s處達到峰值355.77 mV 后逐漸趨于穩(wěn)定。分析可得，開敞空間的火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生的火焰最高強度主要集中在中段位置，點火端主要由于初期的亮藍色火焰特征以及點火面快速泄放，臺架末端由于火焰?zhèn)鞑ミ^程的整體泄放以及傳播過程的能量損失，二者均無法達到較高的燃燒熱能。

圖17 火焰強度發(fā)展過程（2 L, φ =1.34%）Fig. 17 Flame intensity-time profiles during deflagration (2L, φ =1.34%)

圖18 四個時刻對應(yīng)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)Fig. 18 Four moments correspond to the flame propagation pattern

爆燃火焰在不同初始汽油泄漏量工況下呈現(xiàn)出來的具體顏色也有所差別，如圖19 所示。表5 對上述不同特征做了對比。

圖19 不同初始油氣濃度下火焰顏色特征Fig. 19 The flame color under different concentrations

表5 不同初始油氣濃度下火焰顏色特征Table 5 The flame color under different concentrations

可以看出，初始油氣濃度不同對火焰的初始形態(tài)有顯著的影響，尤其是1.67%以上火焰初始態(tài)的亮度明顯更大，造成其形態(tài)差異的原因主要有以下兩點：

（1）初始油氣濃度不同導(dǎo)致了油氣在點燃后的化學(xué)反應(yīng)速率不同，火焰鋒面的光滑度有所區(qū)別；

（2）油氣主要由汽油中的輕質(zhì)烴類構(gòu)成，烴類物質(zhì)燃燒過程中會產(chǎn)生可視化的輻射效應(yīng)；初始油氣濃度較低時，氧氣過剩，油氣完全燃燒，空間內(nèi)部呈藍色輻射狀態(tài)（源自激活狀態(tài)下的CH 自由基）；隨著初始油氣濃度的增加，反應(yīng)能量釋放能力變大，空間內(nèi)部呈藍綠輻射狀態(tài)（源自C二鍵輻射）；進一步增加油氣濃度后主要產(chǎn)物中產(chǎn)生大量CO，且CO 被O氧化產(chǎn)生的能量無法有效釋放，生成黑體輻射狀的碳煙，形成紅外光，實際具體觀測結(jié)果為高亮橙色態(tài)，具體顏色也與當前火焰溫度有關(guān)。

2.2.4 開敞空間爆燃火焰的溫度與輻射分布

圖20 為油氣爆燃過程中火焰各方位的溫度分布情況，拍攝時間點分別在1.25、2.25、3.25 s 處。可以看出，1.25 s 處由于薄膜破裂泄放至外部的未燃油氣再一次被點燃形成了外部爆燃峰值 Δ，對應(yīng)的高溫區(qū)域呈規(guī)則的楔形，而實際火焰覆蓋區(qū)域則位于高溫區(qū)域的右下方，由右側(cè)的藍色鋒面和正下方的橙黃色火焰構(gòu)成。根據(jù)讀數(shù)可計算出火焰的正上部分的縱向溫度梯度為327.13 ℃/m；右側(cè)高溫區(qū)域由于是藍色實體火焰，火焰面清晰可見，溫度梯度遠高于正上方，達到了1001.14 ℃/m。2.25 s 處的流場處于火焰泄放階段末期，劇烈的流場擾動導(dǎo)致火焰湍流度增加，火焰形態(tài)紊亂。此時亮藍色火焰仍處于加速向末端運動趨勢中，從圖中可以觀測到湍流火焰行進方向上的紫紅區(qū)域?qū)挾绕毡楦哂诨鹧婧蠓?，溫度梯度僅為483.3 ℃/m；左側(cè)的火焰尾部從最外焰到溫度峰值的梯度則高達915.5 ℃/m，可以看出尾部的火焰分界限十分清晰。3.25 s 處亮藍色鋒面和橙黃色火焰均已傳播至臺架末端，火焰高溫峰值區(qū)域總面積相較前兩個時間節(jié)點明顯減小，火焰前后兩側(cè)溫度梯度分別為595.8 和525.9 ℃/m，僅升高了11.7%，由此可見流場已不具備明顯的前進趨勢。

圖20 油氣爆燃過程溫度分布（2 L, φ =1.34%）Fig. 20 Distribution of temperature during deflagration process (2 L, φ =1.34%)

圖21 展示了油氣爆燃過程中的對外輻射分布；圖22 展示了3 個時刻點對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)，其中輻射儀布置方案如圖7 所示。由圖可見，3 個采集點的峰值均產(chǎn)生于爆燃開始后4 s 附近，此時處于殘火燃燒的燃燒潰散階段。位于臺架后半段的2 號采集點達到了輻射峰值13.997 kW/m，2 號采集點正后方的1 號采集點輻射峰值為2.0 9 9 k W/m，輻射的垂直衰減率達到了11.898 kW/m；靠近點火端的3 號采集點輻射峰值為5.97 kW/m，輻射的水平增長率達到了5.35 kW/m。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可得，爆燃火焰在臺架前半部分主要以亮藍色形態(tài)傳播時產(chǎn)生的輻射明顯低于后半部分的橙黃色火焰，與超壓、火焰強度等常規(guī)參數(shù)不同的是，火焰輻射峰值形成時間相對靠后，具有一定的延遲性。

圖21 油氣爆燃輻射發(fā)展過程（2 L， φ =1.34%）Fig. 21 Development of inradiation during deflagraion process (2 L, φ =1.34%)

圖22 三個時刻對應(yīng)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)Fig. 22 Three moments correspond to the flame propagation pattern

3 結(jié) 論

主要從可視化角度研究了開敞空間油氣預(yù)混爆燃過程，重點分析了超壓、火焰速度、火焰強度等關(guān)鍵參數(shù)在爆燃過程中的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）隨著初始油氣濃度的變化，可根據(jù)火焰的主要表現(xiàn)形式將其歸納為3 類，分別是無火的氣云灼燒、帶明火的油氣燃燒和帶壓縮波的油氣爆燃。其中爆燃模式可劃分為3 個子階段：穩(wěn)定傳播——火焰泄放——燃燒潰散。

（2）以最高峰值的采集點為參照，典型的開敞空間油氣爆燃超壓動態(tài)時序發(fā)展過程在內(nèi)場共形成了4 個峰值，產(chǎn)生原因分別為破膜積壓、火焰泄放、外部爆燃、火焰加速；爆燃過程外場和高位區(qū)域主要形成了2 個峰值，產(chǎn)生原因分別為“破膜+火焰”和外部爆燃，壓力傳播趨勢主要為縱向，隨著距離的增加而減弱（d/d=0.328 kPa/m）；臺架上方距頂端1 m 處區(qū)域的超壓高于距頂端0.2 m 處。初始油氣濃度的變化也會導(dǎo)致超壓峰值和形成峰值耗時的變化，實驗數(shù)據(jù)顯示，10 m空間內(nèi)油料泄漏量為2.5 L（體積比為1∶4000）時，其所有輕質(zhì)組分揮發(fā)形成穩(wěn)定的油氣濃度（體積分數(shù)為1.68%）經(jīng)引燃后可形成最大超壓（2.895 kPa）、最短的峰值耗時（0.935 s）以及最大的爆炸威力指數(shù)（8.964 kPa/s）。

（3）開敞空間油氣爆燃火焰?zhèn)鞑ブ饕闪了{色光滑鋒面→亮藍色褶皺鋒面→亮藍色+橙黃色湍流火焰→橙黃色湍流火焰4 個發(fā)展階段。其中亮藍色火焰遵循球形→橢球形→弧線形→無規(guī)則火焰型的演變規(guī)律。亮藍色火焰于引燃后1 s 附近達到最高速度2.87 m/s，橙黃色火焰于1.75 s 附近達到最高速度2.44 m/s，火焰發(fā)展速度和爆燃超壓存在一定的正向耦合機制?；鹧娓邚姸葏^(qū)域主要集中在臺架中部附近，峰值達到4 810 mV，分別高過首尾端112.64%、1254.93%。初始油氣濃度等多重復(fù)雜原因會對火焰形態(tài)產(chǎn)生一定的影響。

（4）爆燃過程中的火焰溫度分布與火焰燃燒區(qū)域和火焰行進方向有關(guān)，實體藍色弧形火焰區(qū)的溫度梯度高于上方高溫氣流區(qū)，行進端火焰梯度低于尾端火焰梯度，以殘火態(tài)燃燒的火焰梯度分布則較為均勻。油氣爆燃產(chǎn)生的輻射峰值形成時間相對靠后，與其他爆燃參數(shù)相比具有延遲性，且通常情況下爆燃初期的亮藍色火焰鋒面輻射度小于中后期形成的橙色湍流火焰。