含弱约束受限空间油气爆炸外部特性研究

王世茂， 杜 扬， 李国庆， 齐 圣， 李阳超， 徐长航

(1. 中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401311;2. 中国石油大学(华东)机电工程学院， 山东 青岛 266580)

含弱约束受限空间油气爆炸外部特性研究

王世茂1， 杜 扬1， 李国庆1， 齐 圣1， 李阳超1， 徐长航2

(1. 中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系， 重庆 401311;2. 中国石油大学(华东)机电工程学院， 山东 青岛 266580)

构建了含弱约束面的受限空间油气爆炸模拟实验系统，对含有弱约束的受限空间油气爆炸外部特性进行了实验研究。实验获得了容器外部不同位置处爆炸超压随时间的变化规律，同时利用高速摄影系统记录了爆炸火焰发展变化过程。研究结果表明：① 竖直方向和水平方向爆炸压力随时间变化规律均为“破膜与泄流正超压→最大负超压→外部爆燃正超压→二次负超压”，竖直方向上最大爆炸压力要略大于水平方向上的最大爆炸压力。② 随着油气浓度的增加，爆炸超压先增大后减小，在初始油气浓度为1.79%时爆炸超压达到最大值。③ 随着比例距离的增大，外部爆炸超压呈负指数规律递减。④ 火焰形态变化过程可分为“喷射引燃阶段→卷曲变形阶段→蘑菇云状火焰阶段→衰弱熄灭阶段”，火焰最大高度为0.85 m，最大直径为0.6 m。

油气； 受限空间； 弱约束； 外部爆炸特性； 超压； 火焰

油气、天然气等具有易燃、易爆、易挥发的性质，近年来，由于油气、天然气泄漏所发生的爆炸事故不断发生，造成严重的人员伤亡和财产损失。油气爆炸易发生在油罐、泵房、操作间、阀室等受限空间中，这类受限空间均含有弱链接罐顶、门、窗、塑料隔膜等强度较弱且在爆炸荷载作用下易变形破坏的弱约束面。若此类空间中发生油气爆炸，弱约束面遭到破坏，冲击波和火焰从破坏口冲出，使得工况急剧变化，形成泄放式爆炸，对人员及设备安全造成极大威胁，甚至会破坏其他设备导致更严重的泄漏及爆燃，进而引发连锁安全事故。因此，系统研究含有弱约束面受限空间油气爆炸特性，确定弱约束面破坏后受限空间外部超压变化及火焰发展特性，对预测油气爆炸的毁伤效应、研究防爆抑爆安全措施、构建油气爆燃安全评估标准有着重要的参考价值。

对于受限空间内部可燃气体爆炸特性，现阶段的主要研究内容为不同形状的全封闭容积式受限空间内[1-5]以及不同结构的全封闭管道式受限空间内[6-11]可燃气体爆炸压力及火焰发展规律；而对于可燃气体爆炸外流场的研究，当前主要集中于甲烷、氢气等可燃气体的泄爆外流场特性，而针对油气混合介质研究相对欠缺，因此本文用93#汽油蒸汽——空气混合物作为实验介质，对含弱约束面受限空间油气爆炸的外部超压场及火焰传播规律特性进行了实验研究，并对其实验规律进行了相应的机理分析。

1 实验系统与方案

1.1 实验系统

如图1所示，含弱约束面受限空间油气爆炸实验系统由实验容器、浓度测试仪、配气系统、点火系统、同步控制器、数据采集系统、高速摄影系统等组成。容器直径0.27 m，高0.26 m，顶部设置开口，开口率为80%，用铝箔泄爆膜片作为弱约束面对顶端进行封口，膜片承压能力为25 kPa。为测量容器外部不同位置处压力的变化情况，在容器外沿竖直和水平方向设置压力传感器阵列，传感器型号为ZXP-660，量程为0～10 kPa；竖直方向传感器标号为P1——P4，到弱约束面的垂直距离分别为0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m；水平方向传感器标号为P5——P8，到顶部中心的水平距离分别为0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m。利用真空泵系统进行配气时，只打开1、2号阀门，真空泵产生的高速气流会冲击瓶内汽油并产生气泡，从而将油气通过配气管路充入实验容器；待充入一定浓度的油气后，关闭1、2号阀门，打开3、4号阀门，对容器内的混合气进行循环搅拌，最终使油气在容器内均匀分布。用高速摄影仪对火焰形态变化过程进行捕捉。

图1 实验系统示意图

1.2 实验方案

为系统研究不同初始浓度条件下含弱约束面受限空间油气爆炸外部特性，在图1所示的实验系统中，以初始浓度为1.07 %、1.30 %、1.56 %、1.79 %、1.98 %、2.20 %、2.48 %、2.75%的油气混合物进行爆炸实验，并对受限空间外部压力变化特性和火焰形态变化规律进行测量，实验初始条件如表1所示。

表1 实验条件

2 实验结果及讨论

2.1 容器外部爆炸超压随时间变化规律

2.1.1 容器外部沿竖直方向超压随时间的变化规律

如图2(a)所示，顶部含有弱约束结构的受限空间外部沿竖直方向上爆炸压力随时间变化规律为“破膜与泄流正超压——最大负超压——外部爆燃正超压——二次负超压”。

以测点P1为例对油气爆炸超压随时间的变化过程进行分析，当点火后，容器内油气发生爆燃使得压力上升，最终导致弱约束面破裂(0.054 s)，内部憋压泄放使外部超压增大，同时高速运动的气流冲击在测点感应面上也使得压力上升，二者相互耦合共同作用形成破膜泄流超压Pbrust/fv，大小为3.05 kPa。随着约束膜的破裂，已燃气体随火焰外泄使得外场密度迅速下降，从而形成导致超压下降并产生最大负超压Pneg，大小为-3.35 kPa。未燃油气泄出后在外部形成内形成高密度、高浓度的油气云团，当外部油气云团被引燃后迅速燃烧并在短时间内释放能量，从而引发外部爆燃(0.06 s)，压力迅速上升并外部爆燃超压峰值Pext，大小为8.52 kPa。当外部爆燃结束后，高密度油气在外部爆燃过程中变为低密度燃烧产物，燃烧产物在爆炸热流的推动下进一步扩散，使得外部气体处于低密度状态，同时由于外部爆炸产生的热量迅速散失，使得外部温度降低；二者共同作用诱导形成使压力迅速降低至并形成二次负超压Psec neg，大小为-1.083 kPa。

(a) 沿竖直方向的外部超压——时间曲线

(b) 沿水平方向的外部超压——时间曲线

2.1.2 容器外部沿水平方向超压随时间的变化规律

容器外部沿水平方向超压随时间、变化规律如图2(b)所示，从图中可以看出，顶部含有弱约束结构的受限空间外部沿水平方向爆炸压力随时间变化规律为“破膜与泄流正超压——最大负超压——外部爆燃正超压——二次负超压”。以测点P5为例，第一个超压峰值所是由泄爆膜破坏和已燃气体外泄(0.054 s)共同作用所导致的，其数值约为2.95 kPa。随后由于大量已燃气体外泄，使得外场密度下降，产生最大负超压，大小约为-3.9 kPa。随后外部油气被引燃后产生外部爆燃超压Pext，大小为5.38 kPa(0.060 s)。当外部爆燃发生后，由外部爆燃所产生的低密度燃烧产物在爆炸热流的推动下扩散稀释，外部气体处于低密度状态，外部爆燃带来的热量损失也使得温度下降，从而诱导二次负超压Psec neg的形成，大小为-1.404 kPa。

2.1.3 容器外部不同位置爆炸超压峰值差异性及机理分析

表2给出了外部不同测点处超压峰值的变化情况，从表2中可以看出，容器外部不同位置处爆炸超压峰值行为具有明显的差异性，其主要差异性主要体现在以下几个方面：① 沿竖直方向上的超压峰值要高于沿水平方向上的超压峰值：对于破膜泄流超压Pbrust/fv，P1和P5的压力值分别为3.05 kPa和2.96 kPa；对于外部爆炸超压Pext，P1和P5的压力值分别为8.53 kPa和5.35 kPa。② 对于最大负超压Pneg，近场位置处竖直方向压力值要大于水平方向压力值(P1和P5分别为-3.34 kPa和-3.96 kPa)，远场位置处竖直方向压力值要大于水平方向压力值(P4和P8分别为-0.63 kPa和-0.40 kPa)。③ 沿竖直方向上二次负超压Pnegsec数值的衰减速率明显大于水平方向，以测点P3、P4和P7、P8为例，P3和P4处二次负超压仅为-0.46 kPa和-0.29 kPa，而P7和P8处二次负超压仍保持-0.92 kPa和-0.40 kPa。

表2 不同测点处爆炸超压特征

从能量释放角度来看，超压值大小体现了油气爆炸能量释放量的大小，外部某点附近的油气浓度越大，则油气爆炸释放能量越多，该点处的超压值越大。

当弱约束结构破坏时，在爆炸压力的驱动作用下，未燃油气迅速喷出容器，从而诱导产生沿着竖直方向的强泄流效应，驱动未燃油气沿竖直方向高速运动，这就使得未燃油气主要沿着竖直方向扩散；而当高速运动的油气喷入相对静止的外部大气时，在不稳定因素的作用下，压力梯度与密度梯度不再平行而是出现了相交，产生斜压效应，使得流场内出现涡旋，涡旋的横向拉伸效应驱动油气沿水平方向扩散。由于沿竖直方向上的强泄流驱动效应要远大于沿水平方向涡旋拉伸效应，因此未燃油气仍主要是沿竖直方向分布，水平方向上油气浓度相对较小，因此被点燃后沿竖直方向的能量释放率较大，从而形成较大的外部爆燃超压Pext。

另外，当弱约束膜破坏后，已燃油气随火焰喷射而出，产生强泄流。由于已燃气体密度较小而且泄流过程具有较大的惯性，因此导致破膜与泄流超压峰值生成后压力迅速降低，从而形成最大负超压Pneg。在远场位置，沿竖直方向泄流惯性效应较为明显，使得最大负超压相对与沿水平方向的测点处更小。

2.2 初始条件对油气爆炸超压的影响

对于含有单个弱结构的受限空间，当空间内部的油气含量已知时，其外部不同位置处的爆炸超压主要受两个因素制约：① 外部某点到受限空间几何中心的相对距离;② 受限空间本身的几何属性，由于本文采用圆柱筒作为实验容器，因此定义圆柱筒的中心为原点，综合考虑相对距离和几何属性两种因素，定义无量纲数比例距离，其定义式为

(1)

式中：Hver和Lhor分别为竖直方向比例距离和水平方向比例距离。h和r分别为外部某测点到原点的垂直直线距离和水平直线距离，m。H和R分别为原点到顶部开口的垂直距离和原点到筒壁的水平距离，m。本文所用的实验容器原点为筒体中心，则H和R分别为0.135 m和0.13 m。

图3给出了不同初始油气浓度条件下油气爆炸外部超压与比例距离的关系。

2.2.1 初始油气浓度对爆炸超压的影响

从图3可以看出，随着油气浓度的增加，爆炸超压先增大后减小，当初始油气浓度为1.79%时，各测点处爆炸超压明显高于其他浓度条件下的爆炸超压，因此定义1.79%为最危险油气浓度。油气浓度对爆炸超压的影响机理主要体现在能量释放量和化学反应速率上：

(1) 当初始油气浓度较小时，空气较为富余，整个反应体系内油气量不足，油气爆炸所释放的能量也相对较小；另外，较少的油气量导致整个反应过程中产生的活化基团相对不足，使得整个爆炸反应体系中化学反应速率较低，能量无法在短时间内快速释放，因此低浓度条件下超压值相对小。

(a) 超压值与水平方向比例距离之间的关系

(b) 超压值与竖直方向比例距离之间的关系

Fig.3 Relationship curves of external overpressure and proportional distance under different concentration

(2) 随着初始油气浓度增大，参与反应的油气量增多，所能量释放的能量也较多；另外，较多的油气也产生较为充足的活化基团，加快了化学反应速率，因此超压值逐渐增大并在初始浓度为1.79%时达到最大值。

(3) 当油气浓度进一步增大时，油气过剩，容器中的氧气不足以支撑油气完全燃烧，油气在不完全燃烧时其蕴含的化学能无法完全释放；另外，由于油气浓度过高，导致整个反应体系中活化基团的浓度降低，减慢了化学反应速率，导致超压值降低。

2.2.2 爆炸超压与相对距离的变化关系

以最危险油气浓度即CCH=1.79%的工况为例，受限空间外部爆炸超压随着比例距离的增大而减小：从图3中可以看出，当竖直方向比例距离分别为2.48(测点P1)和6.92(测点P4)时，外部超压分别为8.53 kPa和1.28 kPa；当水平方向比例距离分别为2.54(测点P5)和7.15(测点P8)时，外部超压分别为5.35 kPa和0.85 kPa，根据图3可以拟合出最危险浓度下超压与比例距离的关系式，为

(2)

根据图3和式(2)可以得出，随着外部测点到弱约束面中心的距离增加，爆炸超压值呈指数减小的趋势，这是由于点火后容器内压力升高最终导致约束面破坏，高度压缩未燃油气从破坏口喷射而出形成油气云团，当油气云团被引燃后迅速爆炸，产生的压力随着距离的增加而衰减。另外，在竖直方向的爆炸超压要明显大于沿水平方向的爆炸超压，这是由于弱约束破坏瞬间，油气大量喷出，沿竖直方向的驱动力为破膜引发的强泄流效应和内部燃烧引发的上升热流，二者共同作用使得油气在沿竖直方向上具有较大的运动速度，因此油气也集中分布在竖直方向上；而沿水平方向由于没有受到超压挤压和燃烧热流推举的影响，其主要驱动力为斜压效应诱导生成的涡旋，这种驱动力远小于沿竖直方向上强泄流和上升热流产生的驱动力，油气在水平方向上的浓度也就相对较小。油气在空间上的不均匀分布导致爆炸能量释放的不均匀分布，油气含量多的区域，能量释放较多，因此竖直方向上的爆炸超压要大于沿水平方向上的爆炸超压。

2.3 容器外部火焰行为研究

图4为典型的含弱约束面受限空间油气爆炸外部火焰发展变化过程，从图4中可以看出，含弱约束面受限空间油气爆炸外部火焰形态变化过程为“喷射引燃阶段→卷曲变形阶段→蘑菇云状火焰阶段→衰弱熄灭阶段”。

图4 火焰形态变化规律

喷射引燃阶段(54 ms)：点火后容器内油气爆炸使得压力升高，最终导致约束面破裂，高度压缩的未燃油气从破坏口喷出。由于前期憋压的作用，内外的压力差较大，从而引发强泄流效应，火焰阵面向容器口加速运动，最终冲出破坏口形成喷射状火焰。

卷曲变形阶段(60～68 ms)：由界面稳定理论可知，由燃烧产物组成的低密度的流体向压缩的未燃油气组成的高密度流体的加速是不稳定的，称为R-T不稳定，这种不稳定性导致火焰失稳变形，并产生大量褶皱[12-14]；另外，燃烧反应放出的热量使火焰锋面前方温度上升，气体受热膨胀加速运动，进而导致了沿切向的速度梯度，这会诱发产生K-H不稳定[1]。不稳定性的共同作用使得流场内湍流强度增强，火焰锋面进一步加速，火焰加速后其锋面上产生的R-T和K-H不稳定性会进一步增强，又增强了湍流强度，从而形成了正反馈机制。这种正反馈使外部流场的结构发生复杂变化，复杂变化的流场使得油气云团分布不再均匀，火焰开始卷曲变形，并沿水平方向拉伸，逐渐形成球状火焰。

蘑菇云状火焰阶段(76～84 ms)：随着火焰锋面的扩展，R-T不稳定性和K-H不稳定性会逐渐增强，流场发生剧烈变化，产生斜压效应，流场内形成强烈的的涡旋，体现在火焰锋面上就是出现漩涡构造[12]，同时外部油气剧烈燃烧会产生较强的热浮力，这会导致火焰沿竖直方向迅速上升拉伸，从而形成上半部分火焰直径较大下半部分火焰直径较小的蘑菇云状火焰，在1.79%浓度条件下，火焰的最大高度为0.85 m，最大直径为0.6 m。

衰弱熄灭阶段(98 ms)：当外部爆炸反应完毕后，剩余的油气不足以支持火焰的燃烧，火焰开始逐渐消散，无法继续维持蘑菇云状。当容器外火焰完全消失时，容器内残余的火焰仍继续燃烧直至完全熄灭。

3 结 论

本文构建了顶部含弱约束面受限空间可燃气体爆炸参数测试系统，并基于模拟实验对含弱约束面受限空间油气爆炸外部压力及火焰相关特性进行了研究，具体结论如下：

(1) 外部压力随时间变化规律均为“破膜与泄流正超压→最大负超压→外部爆燃正超压→二次负超压”，且沿竖直方向上爆炸压力要大于沿水平方向上的爆炸压力。

(2) 随着初始油气浓度的增大，外部爆炸超压呈先增大后减小的变化规律，浓度对爆炸压力的影响主要是体现在能量释放量和化学反应速率上，最危险初始油气浓度为1.79%。

(3) 在最危险初始油气浓度条件下，随着比例距离的增大，外部爆炸超压呈负指数规律递减，而且沿竖直方向超压衰减更为明显。

(4) 油气爆炸外部火焰形态变化过程可分为“喷射引燃阶段→卷曲变形阶段→蘑菇云状火焰阶段→衰弱熄灭阶段”。由于受到R-T不稳定、K-H不稳定、斜压效应等因素的影响，火焰阵面出现强烈的卷曲和褶皱，火焰的扩展范围在蘑菇云状火焰阶段达到最大值，最大高度为0.85 m，最大直径为0.6 m。

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Tests for external explosion characteristics of fuel-air mixture in a confined space with weak constraint surfaces

WANG Shimao1， DU Yang1, LI Guoqing1, QI Sheng1, LI Yangchao1, XU Changhang2

(1.Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University,Chongqing 401311, China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum (Hua Dong), Qingdao 266580, China)

An analog test system for explosion of fuel-air mixture in a confined space with weak constraint surfaces was established, and the external explosion characteristics of fuel-air mixture in the space was studied through tests. The relationship curves of explosion overpressure versus time at different locations outside the vessel were obtained, and the explosion flame development process was recorded with a high speed photographic system. The results showed that the characteristics of the external overpressure is “burst & effusion overpressure→maximum negative pressure→external explosion overpressure→secondary negative overpressure”, the maximum overpressure value in the vertical direction is higher than that in the horizontal direction; with increase in oil gas concentration, the explosion overpressure increases firstly and then decreases, when the initial oil concentration is 1.79%, the explosion overpressure reaches the maximum value; the external explosion overpressure decreases following a negative exponential law with increase in the proportional distance; the flame morphological change process is “pilot injection stage→crimping and deforming stage→mushroom shaped stage→extinction stage”, the flame’s maximum height is 0.85 m and its maximum diameter is 0.6 m.

fuel-air mixture; confined space; weak constraint; external explosion characteristics; overpressure; flame

国家自然科学基金(51276195)；中央高校基本科研业务费专项资金(R1503020A)；建筑消防工程技术公安部重点实验室开放课题(KFKT2014MS03)；重庆市研究生科研创新项目(CYB16128)

2016-10-10 修改稿收到日期：2016-11-22

王世茂 男，博士生，1990年10月生

杜扬 男，博士，教授，博士生导师，1958年4月生

E-mail:duyang58@163.com

X932

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.038