泄爆和氮?dú)舛杌詈献饔脤?duì)氫-空氣爆炸影響的實(shí)驗(yàn)研究*

張 凱，杜賽楓，陳 昊，郭 進(jìn)，王金貴，洪溢都

（福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，福建 福州 350116）

與石油和煤炭等化石燃料相比，氫是一種清潔高效的能源載體。目前，氫能的開(kāi)發(fā)利用已呈可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。但是，氫氣具有可燃范圍廣、點(diǎn)火能量低、燃燒速度快等特點(diǎn)，當(dāng)它在密閉空間內(nèi)積聚，遇到意外火源時(shí)極易爆炸并產(chǎn)生超壓，會(huì)對(duì)臨近人員的安全和建筑結(jié)構(gòu)的完整性構(gòu)成威脅。如2011 年3 月11 日日本福島核事故和2018 年12 月26 日我國(guó)北京交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆炸事故，主要就是由氫氣爆燃引起的。因此，在以氫能為基礎(chǔ)的工業(yè)中，控制氫氣爆炸已經(jīng)成為一個(gè)急需解決的重要安全問(wèn)題。

泄爆和抑爆是兩種常用的防爆減災(zāi)措施[1-2]。泄爆是通過(guò)預(yù)設(shè)低強(qiáng)度材料為泄爆口，在爆炸早期提前泄壓；抑爆則是通過(guò)加入惰性物質(zhì)來(lái)降低受限空間內(nèi)爆炸性混合物中的氧濃度，抑制其反應(yīng)性，減弱爆炸超壓。目前，學(xué)者們已通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了泄放參數(shù)[3-7]（如燃料濃度、泄爆面積、點(diǎn)火位置、破膜壓力、障礙物和泄放容器等）對(duì)泄爆過(guò)程的影響，并闡明了爆炸容器內(nèi)不同壓力峰值、亥姆霍茲振蕩和聲學(xué)振蕩及外部爆炸的形成機(jī)制[8-11]。近年來(lái)，學(xué)者們也大量研究了各種惰化劑的性質(zhì)和濃度對(duì)氣體爆炸的抑制效果[1,12-14]。這些研究表明，單獨(dú)采用泄爆或惰化都可有效降低最大爆炸超壓。那么，這兩種方式的結(jié)合能否進(jìn)一步降低爆炸超壓，值得深入研究。

崔益虎等[2]和Zhang 等[15]分別在不同的容器中研究了泄爆和CO2惰化共同作用對(duì)甲烷-空氣混合物爆燃的影響，證實(shí)與單一方法相比，二者的耦合作用可以顯著降低爆炸超壓。這個(gè)結(jié)論也在泄爆與細(xì)水霧耦合[16-17]或同時(shí)使用泄爆與細(xì)水霧、氮?dú)鈁18-19]對(duì)氫-空氣爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬中得到驗(yàn)證。此外，Wen 等[20]在有障礙物的泄放管道中研究了泄爆和超細(xì)水霧協(xié)同作用對(duì)氫-甲烷-空氣混合物爆炸特性的影響；Pei 等[21]則指出，泄爆與氮?dú)夂统?xì)水霧的聯(lián)合應(yīng)用也可以顯著提高對(duì)管內(nèi)瓦斯爆炸超壓的抑制效果；Ingram 等[22]還聯(lián)合使用氫氧化鈉細(xì)水霧和泄爆的方式來(lái)抑制H2/O2/N2預(yù)混氣體的爆炸過(guò)程。劉洋等[23]利用FLACS 軟件，模擬了在末端點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)30 m 管道內(nèi)不同濃度CO2、N2和水蒸氣分別與泄爆耦合作用對(duì)甲烷-空氣混合物的抑爆效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)這3 種氣體的體積濃度分別為25%、26%和30%時(shí)能完全抑爆和抑制超壓振動(dòng)。張迎新等[24]分別討論了泄爆與3 種不同體積分?jǐn)?shù)的N2和CO2耦合對(duì)瓦斯爆炸超壓的影響，實(shí)驗(yàn)指出瓦斯爆炸超壓會(huì)隨著惰性氣體添加量的增加而減小。Lu 等[25]在泄爆口附近及下游位置，通過(guò)噴射氮?dú)庖种萍淄?空氣爆炸發(fā)現(xiàn)，氮?dú)獾膰姵鰤毫Q定能否防止泄爆過(guò)程中火焰的傳播。對(duì)泄爆和其他惰性劑如七氟丙烷[26]和碳酸氫鈉粉末[27-28]等耦合在抑爆方面的效果，也已有大量的研究。

以上表明，關(guān)于泄爆和惰化對(duì)氣體爆燃耦合效應(yīng)的研究主要集中在碳?xì)浠衔?空氣混合物，而對(duì)反應(yīng)性和擴(kuò)散性更強(qiáng)的氫氣的研究[16-19]卻十分有限；而且，之前研究人員注重于分析二者耦合作用對(duì)最大超壓峰值及其上升速度的影響，而對(duì)抑爆過(guò)程中火焰的演化、內(nèi)部超壓不同峰值和振蕩的產(chǎn)生機(jī)制、外部爆炸的形成及其對(duì)內(nèi)部壓力的影響等卻較少涉及。此外，使用水霧或同時(shí)水霧和氮?dú)庾鳛槎栊詣﹣?lái)抑制氫-空氣的爆燃，在一些特殊場(chǎng)所中是不允許的。因此，有必要進(jìn)一步研究惰性氣體如氮?dú)?，是如何緩解?空氣爆炸強(qiáng)度的。

本文中，在頂部泄放的矩形容器內(nèi)，進(jìn)行泄爆和氮?dú)舛杌瘜?duì)內(nèi)部火焰行為、外部爆炸形成和內(nèi)外壓力曲線(xiàn)耦合效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，以期闡明氮?dú)馓砑恿繉?duì)恒定當(dāng)量比氫-空氣混合物泄爆特性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是在高1 m、截面0.3 m×0.3 m 的豎直爆炸容器中開(kāi)展的，如圖1 所示。泄爆口位于容器頂部中央，其面積為0.25 m×0.25 m；用法蘭固定的鋁膜作為泄爆封口，其靜態(tài)破膜壓力為(8±1) kPa。爆炸室中央有長(zhǎng)0.75 m、寬0.3 m 的透明觀(guān)察窗，高速攝像機(jī)可通過(guò)該窗口以頻率2 kHz 記錄火焰圖像。內(nèi)外壓力分別由4 個(gè)量程為0～150 kPa 的壓阻式壓力傳感器PS1～PS4 測(cè)量。其中，PS1～PS3 分別安裝在爆炸室內(nèi)部距離泄爆口875、500 和125 mm 處；PS4 則安裝在爆炸室外，距離泄爆口350 mm。預(yù)混氣體在爆炸室中心被能量約500 mJ 的電火花點(diǎn)火器點(diǎn)燃。

圖1 矩形泄放容器Fig. 1 Rectangular vented vessel

在對(duì)爆炸容器配氣前，先用盲板將泄爆口密封，再用真空泵將容器抽至真空狀態(tài)，確保容器內(nèi)壓沒(méi)有波動(dòng)，通過(guò)頂部裝有壓力表的配氣柱，將氫氣、氮?dú)夂涂諝夥謩e按道爾頓分壓定律的特定分壓充入容器內(nèi)。配氣結(jié)束后，將盲板沿著容器頂端水平移開(kāi)，同時(shí)沿著盲板挪開(kāi)的方向密封一片鋁膜，然后在鋁膜上方用螺栓固定一塊方形法蘭。

混合氣體制備完成后，為確保其均勻性，在點(diǎn)火前保持靜止15 min。最后，由同步控制器輸出信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)點(diǎn)火系統(tǒng)，高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。所有實(shí)驗(yàn)均在初始?jí)毫?01 kPa 和初始溫度285 K 下進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中，混合物的當(dāng)量比均為1.6，而氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)不同。

2 結(jié)果和討論

2.1 泄爆過(guò)程中的典型火焰

在實(shí)驗(yàn)中，不同氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)φ下的火焰演化行為相似，但亮度會(huì)隨著φ的增加而變得黯淡。以φ=20%為例，說(shuō)明泄爆過(guò)程中爆炸室內(nèi)外典型的火焰行為，如圖2 所示。

圖2 當(dāng)φ=20%時(shí)容器內(nèi)外火焰演化過(guò)程Fig. 2 Flame evolution inside and outside the vessel for φ=20%

圖2(a)為點(diǎn)火11 ms 后泄爆封口破裂時(shí)的火焰圖像，此時(shí)火焰的上鋒面仍遠(yuǎn)離泄爆口，因此未燃燒的氫-氮-空氣混合物先排出容器，并在外部形成可燃?xì)庠??；鹧嬉苍谛狗艢饬髯饔孟卤煌舷蛐贡?，如圖2(b)所示。此外，圖2(b)中火焰的下鋒面較圖2(a)的更高，這個(gè)現(xiàn)象在φ更高時(shí)更加明顯。當(dāng)內(nèi)部火焰從泄爆口噴射出來(lái)后，外部的可燃?xì)庠齐S即被點(diǎn)燃，并由此觸發(fā)外部爆炸，該過(guò)程已經(jīng)被通過(guò)紋影系統(tǒng)和示蹤粒子方式的研究[10-11,29]驗(yàn)證。外部爆炸過(guò)程的獨(dú)特現(xiàn)象是，在很短時(shí)間內(nèi)泄爆口附近形成了一個(gè)明亮的火球。

外部爆炸發(fā)生后，內(nèi)部火焰的下鋒面開(kāi)始上下劇烈地跳動(dòng)，見(jiàn)圖2(d)～(f)。根據(jù)文獻(xiàn)[8,30]，這是亥姆霍茲振蕩現(xiàn)象。當(dāng)火焰向下跳躍，即火焰內(nèi)部低密度燃燒產(chǎn)物向容器底部高密度未燃燒氫-氮-空氣混合物加速時(shí)，就會(huì)在火焰下鋒面觸發(fā)形成瑞利-泰勒不穩(wěn)定現(xiàn)象[30-31]，火焰下鋒面的泰勒不穩(wěn)定現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致火焰在容器內(nèi)部的燃燒速率和燃燒面積增大[30]，如圖2(f)所示。隨著火焰的傳播，容器內(nèi)外壓差逐漸減小，在阻力的作用下火焰下鋒面上下跳動(dòng)的振幅隨時(shí)間逐漸減小，當(dāng)火焰下鋒面接近容器底部時(shí)，幾乎無(wú)法分辨。與此同時(shí)，容器外的火球也逐漸變形為射流結(jié)構(gòu)火焰。

圖3 為火焰上下鋒面在點(diǎn)火后的位置和傳播速度。位置是指火焰鋒面與點(diǎn)火電極之間的距離；火焰的速度是指火焰鋒面位移與時(shí)間之比，負(fù)值為朝向容器底部的運(yùn)動(dòng)?；鹧嫖恢煤退俣瓤梢酝ㄟ^(guò)高速攝像機(jī)的火焰圖像計(jì)算?？紤]火焰亮度對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響，分析φ=0%時(shí)火焰上下鋒面的速度和位置在泄爆過(guò)程中的演變。

圖3 當(dāng)φ=0%時(shí)點(diǎn)火后火焰鋒面的位置和速度Fig. 3 Flame front locations and velocities after ignition for φ=0%

在破膜前，由于浮力的作用[32-33]，火焰向上膨脹的速度較快。需要說(shuō)明：由于火焰速度隨著爆炸容器內(nèi)φ的增高而減小，因而浮力對(duì)內(nèi)部火焰的影響在φ較高時(shí)會(huì)較突出；破膜后，火焰上鋒面在泄放氣流作用下向泄爆口明顯加速，同時(shí)下鋒面也朝著泄爆口的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)爆炸室外火球開(kāi)始形成時(shí)，火焰上鋒面有最大速度約253 m/s，隨后迅速下降。此外，在外部爆炸發(fā)生后不久，火焰下鋒面開(kāi)始劇烈振蕩，其最大速度至171 m/s、最小速度至-147 m/s。這種振蕩與內(nèi)部超壓的亥姆霍茲型振蕩同時(shí)發(fā)生，將會(huì)在下節(jié)詳細(xì)討論。

2.2 氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)內(nèi)部超壓的影響

圖4 為氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)從0%增加到50%的內(nèi)部壓力曲線(xiàn)，φ顯著影響內(nèi)部壓力演變過(guò)程。當(dāng)φ＜20%時(shí)，內(nèi)部壓力曲線(xiàn)與φ=10%的類(lèi)似，可見(jiàn)到兩個(gè)壓力峰值p1、p2和亥姆霍茲振蕩。p1由泄爆膜破裂而產(chǎn)生[7,34]，p2則是外部爆炸和火焰下鋒面泰勒不穩(wěn)定耦合作用的結(jié)果[5,35]。外部爆炸降低了泄爆口內(nèi)外壓力梯度，火焰下鋒面出現(xiàn)的泰勒不穩(wěn)定則增加了火焰面積，這些因素的耦合將使內(nèi)部壓力快速上升。

有學(xué)者認(rèn)為，燃燒氣體泄放會(huì)造成爆炸容器內(nèi)的體積流出率急劇增加，導(dǎo)致內(nèi)部壓力迅速下降而形成壓力峰值p2，其出現(xiàn)的時(shí)間通常與內(nèi)部火焰到達(dá)泄爆口時(shí)相對(duì)應(yīng)[3,6]。但火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸?，使該峰值在很多情況下無(wú)法與外部爆炸導(dǎo)致的內(nèi)部超壓正確區(qū)分，尤其是小尺度實(shí)驗(yàn)容器。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)φ=10%, 25%時(shí)，結(jié)合同步的火焰圖像可發(fā)現(xiàn)，p2出現(xiàn)的時(shí)間始終滯后于火焰到達(dá)泄爆口處的時(shí)間；當(dāng)φ=25%時(shí)，火焰到達(dá)泄爆口時(shí)并未導(dǎo)致內(nèi)部壓力峰值，且外部壓力峰值甚至早于p2出現(xiàn)（下文將展示）。這些現(xiàn)象表明，p2在火焰沖出爆炸容器并觸發(fā)外部爆炸之后出現(xiàn)。

隨后，在壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)了亥姆霍茲振蕩，它由外部爆炸發(fā)生后、內(nèi)部火焰下鋒面持續(xù)上下跳動(dòng)所導(dǎo)致。它如同活塞，以很高速度周期性地壓縮容器底部的未燃?xì)怏w。在所有實(shí)驗(yàn)中，都可以觀(guān)察到亥姆霍茲振蕩，當(dāng)φ＞20%時(shí)更易辨識(shí)。此外，這種活塞式運(yùn)動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間逐漸衰弱，因此亥姆霍茲振蕩的振幅會(huì)逐漸減小。

當(dāng)φ=25%, 30%時(shí)，內(nèi)部壓力曲線(xiàn)上出現(xiàn)了頻率約1.25 kHz 的聲學(xué)振蕩和第2 個(gè)壓力峰值p3。由文獻(xiàn)[3,5,9]，這種類(lèi)型的振蕩由混合氣體在容器底角的聲學(xué)增強(qiáng)燃燒引起。在有些情形中，p3甚至成為最大內(nèi)部壓力峰值[9,30,36]，但在本文中，p3始終小于p2。當(dāng)φ＞30% 時(shí)，聲學(xué)振蕩消失。聲學(xué)振蕩只在φ=25%, 30%時(shí)才出現(xiàn)，說(shuō)明燃燒過(guò)程和聲波之間微妙的耦合作用只出現(xiàn)在特定情形。

由圖4 還可以發(fā)現(xiàn)，φ能顯著影響亥姆霍茲振蕩的頻率。這是因?yàn)椋ㄊ衣曀贂?huì)隨著φ的增加而減小[8]，導(dǎo)致疊加在火焰下鋒面活塞式運(yùn)動(dòng)上的壓力振蕩，其頻率會(huì)從φ=0% 時(shí)的220 Hz 減小到φ=50%時(shí)的130 Hz。

圖4 容器內(nèi)部壓力曲線(xiàn)Fig. 4 Internal pressure curves of the vessel

此外，當(dāng)φ＜50%時(shí)，p2始終是最大的內(nèi)部壓力峰值，而當(dāng)φ=50%時(shí)，p1成為最大壓力峰值。由此可以推斷，當(dāng)φ≥50%時(shí)，內(nèi)部最大爆炸超壓將與φ無(wú)關(guān)，因?yàn)閜1近似等于破膜壓力，而后者在燃燒速率低的混合氣體泄爆中幾乎不會(huì)變化[30]。

2.3 氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)最大內(nèi)部超壓的影響

圖5 為爆炸容器內(nèi)部最大超壓和氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。顯然，對(duì)于給定的φ，3 個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的pmax存在較大差異。除φ=0%，在其他實(shí)驗(yàn)中，pmax都隨著壓力傳感器與泄爆口距離的增加而增加。而對(duì)φ=0%時(shí)的情形，可以由圖6 解釋?zhuān)狐c(diǎn)火約13 ms 時(shí)，PS3 的壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)了一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的壓力尖峰，幾乎與外部壓力峰值同時(shí)出現(xiàn)，這說(shuō)明該壓力尖峰是由外部爆炸產(chǎn)生的沖擊波引起的。由于爆炸容器內(nèi)部的壓力取決于燃燒的體積生成速率和泄放的體積流出速率。顯然，當(dāng)φ=0%時(shí)，外部爆炸最劇烈，在此情形下外部爆炸產(chǎn)生的沖擊波最大限度地限制了爆炸室內(nèi)部燃燒產(chǎn)物的體積流出速率，使PS3 的最大超壓大于PS2 的。

圖6 當(dāng)φ=0%時(shí)容器內(nèi)外壓力曲線(xiàn)Fig. 6 Internal and external pressure curves of the vessel for φ=0

由圖5 中還發(fā)現(xiàn)，PS1～PS3 的pmax的差值隨著φ的增加而減小，且當(dāng)φ增加到50%時(shí)，壓差幾乎減小為零。在相同的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，pmax總體上隨著φ的增加而減小。如，PS1 的pmax先從φ=0%時(shí)的145 kPa迅速減小到φ=35%時(shí)的19 kPa，后又緩慢減小到φ=40%時(shí)的12 kPa，最后隨著φ進(jìn)一步增加到50%，pmax幾乎不再減小。pmax隨著φ的增大而減小的原因是，φ增加會(huì)降低內(nèi)部氫-氮-空氣混合物的燃燒速率[37]。

圖5 容器最大內(nèi)部超壓和氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig. 5 Relations between maximum internal overpressures of the vessel and nitrogen addition ratios

2.4 氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)外部爆炸的影響

如上所述，外部爆炸由爆炸室外可燃云爆燃導(dǎo)致。外部爆炸會(huì)在容器外產(chǎn)生一個(gè)壓力峰值，典型的外部壓力曲線(xiàn)如圖7 所示。當(dāng)φ＜40%時(shí)，外部壓力曲線(xiàn)與φ=20%的類(lèi)似。其中，泄爆封口破裂會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的壓力峰值。之后，由于外部爆炸，外部壓力曲線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)另外一個(gè)壓力峰值pext。而在本文實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)φ更高時(shí)，可在外部壓力曲線(xiàn)中觀(guān)察到兩個(gè)壓力峰值pext,1和pext,2，外部壓力曲線(xiàn)與φ=40%的類(lèi)似。這可通過(guò)容器外火焰的行為解釋?zhuān)笳哂峙c可燃云團(tuán)的形狀密切相關(guān)，下段作具體解釋。

圖7 當(dāng)φ=20%, 40%時(shí)容器外部壓力曲線(xiàn)Fig. 7 External pressure curves of the vessel for φ=20%, 40%

Proust 等[11]通過(guò)在預(yù)混氣體中添加示蹤粒子（細(xì)二氧化硅顆粒）的方式，揭示了泄爆口外可燃云的形狀會(huì)從蘑菇狀變成射流結(jié)構(gòu)。當(dāng)φ＜40%時(shí)，未燃?xì)怏w會(huì)在泄爆口附近形成蘑菇狀可燃云。當(dāng)蘑菇狀可燃云被點(diǎn)燃時(shí)，會(huì)形成單個(gè)火球并產(chǎn)生單個(gè)壓力峰值。然而，由于容器內(nèi)混合氣體的燃燒速度會(huì)隨著φ的增加而降低，這會(huì)使火焰在容器內(nèi)的傳播時(shí)間延長(zhǎng)，為可燃?xì)庠茝哪⒐綘钷D(zhuǎn)變?yōu)樯淞鹘Y(jié)構(gòu)提供更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，當(dāng)射流結(jié)構(gòu)的可燃云被點(diǎn)燃時(shí)，會(huì)在幾毫秒內(nèi)在外部流場(chǎng)中形成兩個(gè)明顯的火球，同步火焰圖像如圖8 所示，由此產(chǎn)生的兩個(gè)外部壓力峰值也能在外部壓力曲線(xiàn)中區(qū)分。

圖8 當(dāng)φ=40%時(shí)容器外部火焰演變過(guò)程Fig. 8 External flame evolution of the vessel for φ=40%

圖9 為不同氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的最大外部超壓峰值。由文獻(xiàn)[6,10]，pext取決外部可燃云團(tuán)的體積、形狀、湍流水平和反應(yīng)性等。在本文實(shí)驗(yàn)中，pext隨著φ的增加而單調(diào)減小的趨勢(shì)，主要由外部可燃云團(tuán)活性的改變而導(dǎo)致。后者隨著φ的增加而降低，這同樣可通過(guò)外部爆炸發(fā)生時(shí)火球亮度的變化中得到證實(shí)。如圖10 所示，火球在φ=0% 時(shí)非常明亮，但隨著φ的增加，火球的亮度明顯變暗，當(dāng)φ增加到50%時(shí)，外部火球甚至無(wú)法辨別出來(lái)。

圖9 容器最大外部超壓與氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig. 9 Relations between maximum external overpressures of the vessel and nitrogen addition ratios

圖10 不同氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)下最大外部超壓峰值時(shí)的火球Fig. 10 Fireballs at maximum external overpressure under different nitrogen addition ratios

由文獻(xiàn)[5,35,38]，外部爆炸會(huì)以降低泄爆口內(nèi)外壓力梯度的方式來(lái)影響爆炸室內(nèi)的泄放過(guò)程。在本文實(shí)驗(yàn)中也存在這種現(xiàn)象，且與外部爆炸的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。如圖6 所示，當(dāng)φ=0%時(shí)外部爆炸會(huì)使容器內(nèi)部出現(xiàn)一個(gè)振幅很大的壓力峰值。雖然φ的增加能夠顯著削弱外部爆炸的強(qiáng)度，如圖11 所示，當(dāng)φ=25%,40%時(shí)，容器內(nèi)的壓力峰值仍幾乎與外部壓力峰值同時(shí)出現(xiàn)。即使當(dāng)φ=40%時(shí)，雖然兩個(gè)外部壓力峰值只有幾千帕，也能清晰地從PS3 的壓力曲線(xiàn)中區(qū)分相應(yīng)的內(nèi)部壓力峰值（見(jiàn)圖11(b)）。

圖11 容器外部爆炸對(duì)內(nèi)部壓力的影響Fig. 11 Effects of external explosion on internal pressure of the vessel

3 結(jié) 論

(1) 泄爆容器內(nèi)的最大壓力峰值和壓力振蕩取決于氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)：當(dāng)φ≤40%時(shí)，由外部爆炸導(dǎo)致的內(nèi)部壓力峰值最大，而當(dāng)φ＞40%時(shí)，則由泄爆膜破裂產(chǎn)生的壓力峰值最大；在所有實(shí)驗(yàn)中，都觀(guān)測(cè)到了亥姆霍茲振蕩，且其頻率隨著φ的增加而降低；聲學(xué)振蕩只在φ=25%, 30% 時(shí)才出現(xiàn)，振蕩頻率約為1. 25 kHz。

(2) 內(nèi)部最大爆炸超壓隨著氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)和壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)到泄爆口之間的距離而變化：對(duì)于給定的φ，pmax隨著壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)與泄爆口之間距離的增加而增加，僅在φ=0%時(shí)，由于劇烈的外部爆炸，靠近泄爆口的pmax才略高于泄放容器中心的pmax。容器內(nèi)部3 個(gè)測(cè)點(diǎn)間的壓差隨著φ的增加而減小，當(dāng)φ≥40%時(shí)，壓差幾乎可以忽略不計(jì)?？傮w上，pmax隨著φ從0%增加、到50%降低。

(3) 在一些實(shí)驗(yàn)中，外部壓力曲線(xiàn)中出現(xiàn)了由外部爆炸產(chǎn)生的兩個(gè)壓力峰值。外部爆炸的強(qiáng)度隨著φ的增加而降低。此外，外部爆炸顯著地影響內(nèi)部壓力曲線(xiàn)，即使在外部爆炸超壓很低的情況下，也能觀(guān)測(cè)到由其導(dǎo)致的內(nèi)部超壓峰值。

（4）本文實(shí)驗(yàn)在小尺度的爆炸容器內(nèi)開(kāi)展，火焰圖像和壓力數(shù)據(jù)可為氫氣爆炸抑制機(jī)理的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為氫能源在工業(yè)生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和利用過(guò)程中的防爆設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證氣體爆炸相關(guān)的CFD 軟件（如FLACS）等，提供參考。