平板障碍物通道形状对油气爆炸传播特性影响

李国庆，杜扬，白洁，武军，李孟源，吴晓澍，朱亮

（163926部队，北京100192； 2 陆军勤务学院油料系，重庆401311； 3 东联学校，内蒙古鄂尔多斯017099）

引 言

在化工领域，可燃气体爆炸事故时有发生，给人们的生命和财产带来巨大的危害。如2019 年10月27日，湖南省永州市远军热能动力科技公司超级气体动能技术增渗提产车载实验装置发生爆炸，造成5 人死亡，3 人失联，5 人受伤；2019 年6 月26 日，尉氏县旭梅生物科技有限公司天然香料提取车间发生爆炸事故，造成6 人死亡，5 人受伤；2013 年11月，青岛市石油管线爆炸，62人死亡、136人受伤，直接经济损失75172万元。

以往研究表明，可燃气体如果在管道、油料洞库、隧道、矿井等受限空间内发生爆燃，火焰在传播过程中一旦受到障碍物的扰动，火焰将会在障碍的激励作用下，迅速向湍流火焰转变，极大提升火焰传播速度和爆炸超压强度，可诱导爆燃向爆轰转变，极大增强爆炸的破坏性[1-33]。近年来，国内外学者针对受限空间内障碍物对可燃气体爆炸传播特性影响展开了大量的研究，研究重点主要集中在障碍物阻塞率、障碍物数量、障碍物位置、障碍物间距等对爆炸传播特性的影响[1,4,8,13,23,27]。研究结果表明随着障碍物阻塞率和数量的增大，可燃气体爆炸过程火焰传播速度、最大超压峰值和升压速率会得到显著的强化，但是当阻塞率超过一定界限以后，反而可能对爆炸产生弱化作用[26]。此外，随着障碍物与点火端距离的增大，最大爆炸超压峰值和火焰传播速度也呈现先上升再下降的变化规律，且相邻障碍物间距对爆炸的影响规律与之类似[8,13]。此外，障碍物形状对可燃气体爆炸特性也有影响，张雷等[33]实验研究了管道内障碍物形状、尺寸对瓦斯爆炸特性的影响，研究表明在相同阻塞比下，平板、三棱柱对火焰传播速度和超压影响较大，长方体次之，四棱柱、圆柱最小；Yu 等[25]通过实验和数值模拟手段研究了正方形、三角形和圆形通道形状平板障碍物对半封闭管道内甲烷气体爆炸特性的影响规律，发现三角形通道形状障碍物能诱导产生最剧烈的湍流火焰强度、最高的火焰传播速度和爆炸超压，而圆形通道障碍物对爆炸的提升程度最小。然而目前针对障碍物形状对可燃气体爆炸传播特性影响规律的报道并不多见，且研究对象基本都为瓦斯-空气预混气体[25,34-36]。

鉴于此，本文基于自行设计的可视化油气爆炸实验平台，通过改变平板障碍物通道形状，分别采用初始油气浓度为1.3%（低）、1.7%（中）和2.1%（高）三种油气[37]进行实验，重点探究平板障碍物通道形状对油气爆炸超压和火焰传播特性的影响规律，以期为石油化工等行业可燃气体燃烧与爆炸安全防护设计提供一定的理论参考。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

实验系统由有机玻璃方管、高速摄影仪、动态数据采集系统、碳氢浓度测试系统、配气系统、点火控制系统、平板障碍物等组成，如图1所示。实验管道内径为100 mm×100 mm，总长1000 mm，最大承压1.5 MPa。管道右侧端部连接钢制盲板，盲板可安装点火头和压力传感器，在管道上壁面开有如图2 所示的螺纹孔，可连接碳氢浓度测试仪和配气装置，在管道中部安装一片阻塞率约为72%的正方形平板障碍物，障碍物边长为100 mm，厚度都为3 mm。高速摄影仪型号为FASTCAM-ultima 512（1000 帧/秒）。压力传感器型号为ZXP660 高频瞬态压力传感器，动态数据采集系统为成都泰斯特公司的DAP7.10。点火系统为定制抗干扰点火系统，点火能量范围为2～20 J。点火头安放在盲板中间位置，压力传感器距离点火头20 mm。汽油蒸气由配气系统产生，在真空泵的作用下，空气在密闭管道和液态汽油容器中循环，产生初始油气混合物，此时阀门1、2、3、5打开，阀门4关闭（阀门编号见图1）。当油气在密闭系统内循环一定时间后，再关闭阀门2和3，打开阀门4，让系统内混合气体循环大约3 min，使气体混合均匀，并采用碳氢浓度测试仪监测初始油气浓度，确保达到预设值。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

图2 主实验台架图（俯视图）Fig.2 Diagram of main experimental platform(vertical view)

1.2 实验内容与方法

分别采用如图3所示的五种不同通道形状平板障碍物进行油气爆炸实验，障碍物通道尺寸见表1，障碍物阻塞率约为72%，障碍物安装位置距离点火端500 mm。向管道内充入油气之前，管道开口端部采用很薄的聚乙烯薄膜进行密封，确保实验管道的良好密闭性，实验测得聚乙烯薄膜破膜压力约为4.1 kPa，对爆炸流场的影响很微小。分别采用初始浓度为1.3%（低浓度）、1.7%（中浓度）、2.1%（高浓度）的油气进行实验，三种油气浓度分别对应富氧、最佳当量比和贫氧工况[38]，在管道右侧盲板安装一支压力传感器监测爆炸过程超压-时序曲线，并采用高速摄影仪记录火焰传播过程。点燃油气前让管道内气体静置30 s，确保油气混合均匀，点火能量为6 J，初始温度和压力分别为实验室环境温度和当地大气压，每组实验至少进行3～4次重复实验。

表1 障碍物通道尺寸Table 1 Size of obstacle channel

2 结果分析与讨论

2.1 障碍物通道形状对爆炸超压随时间变化规律的影响

图3 五种不同通道形状平板障碍物（厚度：3 mm）Fig.3 Five kinds of flat obstacles with different channel shapes(thickness:3 mm)

图4 五种通道形状障碍物工况下超压随时间变化规律Fig.4 Overpressure vs time under five kinds of flat obstacles with different channel shapes

图4 为低、中、高三种初始油气浓度工况下，管道内安装不同通道形状障碍物时超压随时间变化规律曲线。从图4可见，在三种初始油气浓度下，五种不同通道形状障碍物工况超压随时间变化规律基本一致，可分为6个阶段，如图4（b）所示。在阶段①，油气爆炸处于初始阶段，超压随时间推移缓慢上升；在阶段②，超压突然下降，这是管道薄膜瞬时破裂泄压导致；在阶段③，超压又开始回升，但上升速率依然比较慢；在阶段④，超压急剧上升，并很快达到最大爆炸超压峰值；在阶段⑤，超压急速下降，并达到最小值；在阶段⑥，超压呈现出类似“简谐振荡”的变化趋势，并且振幅逐渐减小直至趋近于0。同时，各工况的超压-时序曲线在演变过程中，都存在三个明显的峰值pv、pmax、pneg，如图4（a）所示。其中pv是由管道开口端薄膜瞬时破裂引起的，文献将这个压力峰值定义为“泄压峰值”[39]；pmax的产生原因与未燃气体反应速率及泄爆速度有关，其形成机理和数值大小的变化比pv更为复杂；pneg可能是由管道内气体泄放到管道外部之后在管道内形成短期“真空腔”所引起[37,40]。由上述分析可见，障碍物通道形状对超压随时间变化规律影响效应较小。

2.2 障碍物通道形状对最大爆炸超压峰值影响

图5 所示是1.3%（低）、1.7%（中）、2.1%（高）三种初始油气浓度下，最大爆炸超压峰值随障碍物通道形状的变化关系，可表征不同初始油气浓度工况下障碍物通道形状对最大爆炸超压峰值的贡献度大小。从图5 可见（图5 中横坐标数字表示三种不同初始油气浓度工况下，不同通道形状障碍物对爆炸超压峰值的影响大小顺序），在不同初始油气浓度工况下，障碍物通道形状对油气爆炸最大超压峰值的影响规律存在差异。从定性角度来看，初始油气浓度为1.3%时，三角形、梯形、圆形、正方形、矩形通道障碍物对最大爆炸超压峰值的贡献度依次增大；初始油气浓度为1.7%时，梯形、圆形、三角形、正方形、矩形通道障碍物对最大爆炸超压峰值的贡献度依次增大；初始油气浓度为2.1%时，梯形、正方形、圆形、三角形、矩形对最大爆炸超压的贡献度依次增大。但是明显可见，对于低、中、高三种油气浓度工况，矩形通道对最大爆炸峰值的影响都是最显著的。此外，在三种初始油气浓度下，不同通道形状障碍物对最大超压峰值的形成时间的影响也存在差异，如图6 所示。具体而言，初始油气浓度为1.3%时，形成最大爆炸超压峰值的时间按照通道形状圆形、梯形、矩形、三角形、正方形的顺序递增；初始油气浓度为1.7%时，形成最大爆炸超压峰值时间按照通道形状正方形、三角形、矩形、梯形、圆形的顺序递增；而初始油气浓度为2.1%时，形成最大爆炸超压峰值的时间按照三角形、矩形、圆形、梯形、正方形的顺序递增。并且，当浓度为1.3%和1.7%时，不同通道形状障碍物工况形成最大爆炸超压峰值的时间差异并不大，而浓度为2.1%时，各工况形成最大爆炸超压峰值的时间差异显著。此外，从图6 可见，初始油气浓度为1.7%时，对于五种不同通道形状障碍物工况，其形成最大爆炸超压峰值用时都比初始油气浓度1.3%和2.1%工况更短。

图5 五种通道形状障碍物对最大爆炸超压峰值的影响Fig.5 Effects of five kinds of flat obstacles with different channel shapes on the overpressure peaks

图6 五种通道形状障碍物对形成最大爆炸峰值时间的影响Fig.6 Effects of five kinds of flat obstacles with different channel shapes on time to reach maximum overpressure peaks

从上述分析可见，在不同初始油气浓度下，不同通道形状障碍物对最大爆炸超压峰值的影响程度并非完全一样，仅从定性的角度很难确定各通道形状障碍物对油气爆炸的贡献程度大小，为便于从定量的角度来探索其内在规律，定义障碍物对油气爆炸最大超压峰值的贡献率Φ，其表达式如式（1）所示

式中，pmax为某一种通道形状障碍物工况的最大爆炸超压峰值；(pmax)ave为某一初始油气浓度工况下，五种通道形状障碍物工况的最大爆炸超压峰值的平均值。

根据式（1）的定义，计算得到表1所示各工况障碍物对油气爆炸的贡献率，其中负值代表超压峰值小于平均值，正值代表超压峰值大于平均值。从表2 可见，对于确定的某种初始油气浓度工况，不同通道形状障碍物对最大爆炸超压峰值的贡献率并非完全一致，规律性不明显。但是，如果从整体的角度来分析，对各通道形状障碍物在三种不同初始油气浓度工况下的贡献率求解平均值，可得到表2 所示贡献率均值Φave，Φave的数值大小可从定量的角度表征不同通道形状障碍物对最大爆炸超压峰值的影响程度。从表2 可见，五种障碍物的Φave分别为-1.00%、-21.10%、-8.50%、27.40%、3.20%。因此，从整体角度来讲，通道形状为梯形、圆形、三角形、正方形、矩形的障碍物对油气爆炸过程最大爆炸超压峰值的影响程度依次增大。

表2 三种初始油气浓度工况下不同通道形状障碍物对油气爆炸最大超压峰值的贡献率Table 2 Contribution rate of obstacles with different channel shapes to maximum overpressure peak value of gasoline-air explosion under three initial gasoline vapor concentration conditions

2.3 障碍物通道形状对爆炸升压速率的影响

图7所示为五种通道形状障碍物在三种初始油气浓度工况下升压速率随时间变化规律，对于各工况而言，升压速率随时间变化规律和超压随时间变化规律相似。为便于对比分析，提取爆炸过程的最大升压速率和平均升压速率进行分析，具体数值如表3所示。

图7 五种通道形状障碍物工况下升压速率随时间变化规律Fig.7 Overpressure rise rate vs time under five kinds of flat obstacles with different channel shapes

从表3可见，对于最大升压速率而言，当初始油气浓度为1.3%时，通道形状为三角形、梯形、圆形、正方形、矩形的障碍物对最大升压速率的影响程度逐渐增大；当初始油气浓度为1.7%时，通道形状为梯形、圆形、三角形、正方形、矩形的障碍物对最大升压速率的影响程度递增；当浓度为2.1%时，通道形状为梯形、正方形、圆形、三角形、矩形的障碍物对最大升压速率的影响程度依次增大。

对于平均升压速率而言，初始油气浓度1.3%时，通道形状为三角形、梯形、圆形、正方形、矩形的障碍物对最大升压速率的影响程度逐渐增大；对于初始油气浓度1.7%工况，通道形状为梯形、圆形、三角形、正方形、矩形的障碍物对最大升压速率的影响程度递增；对于初始油气浓度为2.1%工况，通道形状为梯形、圆形、正方形、三角形、矩形的障碍物对最大升压速率的影响程度依次增大。

从上述分析可见，在不同初始油气浓度下，不同通道形状障碍物对油气爆炸升压速率的影响程度并非完全一样，为便于从定量的角度来探索其内在规律，定义障碍物对油气爆炸升压速率的贡献率Θ，其表达式如式（2）所示。

表3 各工况最大升压速率和平均升压速率Table 3 Maximum overpressure rise rate and average overpressure rise rate of gasoline-air explosions under various conditions

表4 各工况油气爆炸最大升压速率和平均升压速率的贡献率Table 4 Contribution rates of maximum overpressure rise rate and average overpressure rise rate of gasoline-airexplosions under various conditions

式中，prate为某一种通道形状障碍物工况的升压速率（可分别代表最大升压速率和平均升压速率）；(prate)ave为某一初始油气浓度工况下，五种通道形状障碍物工况的升压速率的平均值。

根据式（2）计算得到各工况下的升压速率贡献率，如表4所示，并计算得到各通道形状障碍物在三种初始油气浓度工况下的升压速率贡献率平均值Θave。分析表中数据可见，对于最大升压速率而言，其升压速率贡献率平均值Θave按照梯形、圆形、三角形、正方形、矩形的顺序依次增大，分别为-31.6%、-5.9%、-5.7%、2.9%、40.4%，从整体上表征了对最大升压速率的影响程度大小。对于平均升压速率而言，其升压速率贡献率平均值Θave按照梯形、圆形、正方形、三角形、矩形的顺序依次增大，分别为-22.6%、-7.1%、0.4%、3.8%、28.5%，表征了对平均升压速率的影响程度递增。

2.4 障碍物通道形状对火焰传播的影响

2.4.1 对火焰结构的影响 为探究不同通道形状障碍物对火焰传播形态的影响，选取初始油气浓度为1.7%工况下的火焰图像进行分析。在图8 中，根据火焰前锋相对爆炸腔体的位置，选取了具有代表性的12 个时刻的火焰图像。从图8（a）～(e)可知，在火焰未接触障碍物之前，各工况管道内火焰形态基本一致，都为半球形和指尖形结构，火焰锋面光滑，火焰处于层流状态。当火焰锋面传播经过障碍物时，光滑的火焰锋面结构开始改变，火焰前端锋面开始由指尖形变为锥形，三角形和梯形通道障碍物工况对应时刻为30 ms，其余三种障碍物工况下火焰接触障碍物时间相对提前，对应时刻为29 ms。当火焰前锋穿过障碍物之后，火焰锋面在障碍物下游管道内形成柱状结构，并保持该形态传播至管道口部。此后，管道内火焰以射流状态快速传播至管道外场，诱导外部流场区域产生复杂的湍流变化，形成一系列涡旋，导致蘑菇状火焰的形成。通过对比分析各工况火焰在管道出口附近的结构可知，矩形通道障碍物诱导产生的湍流火焰最为明显，其次为正方形、梯形、三角形和圆形。

2.4.2 对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响 图9所示为实验所得低、中、高三种初始油气浓度下各工况火焰最大传播距离图像和对应的时间。表5为根据实验结果计算得到的各工况火焰最大传播距离和平均火焰传播速度。从表5中数据可知，障碍物通道形状和初始油气浓度对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度都有影响。对最大火焰传播距离而言，初始油气浓度为1.3%时，最大火焰传播距离按照圆形、梯形、三角形、矩形、正方形的顺序依次增大，分别为1.28、1.29、1.35、1.40、1.41 m，最大值相比最小值增幅为10.1%；初始油气浓度为1.7%时，最大火焰传播距离按照圆形、正方形、梯形、矩形、三角形的顺序递增，分别为1.48、1.53、1.54、1.55、1.58 m，最大值与最小值相差6.7%；初始油气浓度为2.1%时，最大火焰传播距离按照圆形、梯形、三角形、正方形、矩形的顺序增大，分别为1.42、1.45、1.47、1.51、1.53 m，最大值与最小值相差7.7%。

图9 低、中、高三种初始油气浓度下各工况火焰最大传播距离图像Fig.9 Images of maximum flame propagation distance under three initial gasoline vapor concentrations

对平均火焰传播速度而言，初始油气浓度为1.3%时，平均火焰传播速度按照圆形、三角形、梯形、正方形、矩形的顺序递增，分别为26.12、26.47、28.04、28.78、29.79 m/s，最大值相比最小值增长了14%；初始油气浓度为1.7%时，平均火焰传播速度按照圆形、梯形、正方形、三角形、矩形顺序依次增大，分别为42.29、43.06、43.71、43.89、44.29 m/s，最大值和最小值相差4.7%；初始油气浓度为2.1%时，平均火焰传播速度按照正方形、梯形、圆形、矩形、三角形的顺序增大，分别为26.03、26.36、26.79、29.42、29.80 m/s，最大值与最小值相差14.5%。

从上述分析可见，在低、中、高初始油气浓度工况下，障碍物通道形状对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响程度并非完全一致，但是当初始油气浓度接近当量比时，障碍物通道形状对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响要小于低浓度和高浓度工况。上述现象可能是由于当初始油气浓度接近当量比时，油气爆炸过程化学反应速率对火焰传播的支配作用大于障碍物通道形状对火焰传播支配作用引起的。并且，总体而言，圆形通道障碍物的影响程度最小，矩形和正方形的影响程度相对较大。

表5 各工况火焰最大传播距离和平均火焰传播速度Table 5 Maximum flame propagation distance and average flame propagation velocity under different conditions

3 结 论

基于自行搭建的实验平台，进行了低、中、高三种初始油气浓度工况下，不同通道形状平板障碍物对油气爆炸特性的影响实验研究，得到如下结论。

（1）障碍物通道形状对油气爆炸超压-时序曲线的演变规律影响效应较小。在低、中、高三种初始油气浓度下，五种不同通道形状障碍物工况的爆炸超压-时序曲线随时间的演变规律基本一致，其演变阶段可分为6个阶段，且超压-时序曲线都存在三个明显的峰值pv、pmax、pneg。

（2）通过定量分析可知，平板障碍物对油气爆炸过程最大爆炸超压峰值的影响程度按照通道形状为“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”的障碍物依次升高；对油气爆炸过程最大升压速率的影响程度按照“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”的顺序依次增大；而对平均升压速率的影响程度按照“梯形—圆形—正方形—三角形—矩形”的顺序递增。

（3）在火焰未接触障碍物之前，不同通道形状平板障碍物对管道内火焰形态基本没影响，火焰形态保持半球形和指尖形结构，火焰锋面光滑，火焰处于层流状态。当火焰锋面传播经过障碍物后，矩形通道障碍物诱导产生的湍流火焰最为明显，其次为正方形、梯形、三角形和圆形。

矿石结构主要有他形粒状结构、半自形-自形粒状结构、半自形柱状及针状结构、放射状结构、环带结构、交代结构、显微鳞片结构、粒状锒嵌结构等。矿石构造主要有脉状构造、条带状构造、致密块状构造、浸染状构造、角砾状构造、皱纹状构造、晶簇状构造等[6]。

（4）在低、中、高三种初始油气浓度工况下，不同通道形状障碍物对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响程度并非完全一致，但是当初始油气浓度接近当量比时（约为1.7%），障碍物通道形状对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响要小于低浓度和高浓度工况，且总体而言圆形通道平板障碍物的影响程度最小，矩形和正方形的影响程度相对较大。

符 号 说 明

a——正方形通道边长长度，mm

a1——矩形通道长边长度，mm

a2——矩形通道短边长度，mm

a3——梯形通道下底长度，mm

a4——梯形通道上底长度，mm

b——正三角行通道边长长度，mm

h——梯形通道高，mm

pmax——最大爆炸超压峰值,kPa

(pmax)ave——最大爆炸超压峰值的平均值，kPa

pneg——负压峰值,kPa

prate——升压速率，MPa/s

(prate)ave——升压速率的平均值，MPa/s

pv——泄压峰值，kPa

r——圆形通道半径，mm

(Sf)ave——平均火焰传播速度，m/s

Θ——障碍物对油气爆炸升压速率的贡献率，%

Θave——障碍物对油气爆炸升压速率的贡献率平均值，%

Φ——障碍物对油气爆炸最大超压峰值的贡献率，%

Φave——障碍物对油气爆炸最大超压峰值的贡献率平均值，%

φ——油气体积浓度,%