（工程力学专业论文）可燃液体云雾爆炸泄放实验研究.pdf

硕士论文可姗液体云雾爆炸泄放实验研究 ab s t rac t wjthth eai dof， l f- d e s l g n e d . cy】 in d ri c al血彻1 1 ation ando n阮 b asisofl ar g e q uan t i ti esofllon 力 a l 相n t i n g e x p e ri m e n t s ， fore x p l os io n 比 l iefv e n t e x pen m e nts 刃 团 m e l y ， 俪th out abn o m 因p h e n o m e n a ofp re ssarea 且 e r veni in g ， t h i ， p a pe r 即deav临协 e x p l 瞬 th ei nnuence ， 即曲 v e n 石 n g， 访 c 】 u d l n gp r e s 二v a d 而ons of c o n ta l nersinsid eando 崔 ts i de 声 h e irli 皿 e r a c t i on andt h ep h e n o m e n aoft h ese cod d 衅 e x p lo si o ns a1 th es t u d ies are c arri e d0 u t on th e c o n d i ti on ofc h 出 1 9 叮 g th e l oca ti on of 1 娜t i o n5 0 u r 追， v e niareaandv e 以p l e ， s ure 运如d i t l o 氏山 白 咬 说 l e c 6 o n盯 滋 七 皿. ld n o w-fi e l d 刁 i spi 即sys t e 功are use d too b s e r v e th e c h 阳g i ngp r o c e ss ， 刀 坦e x p e ri m e n tsc o 加 b 泳 press 眼 m e a u 匡 e w i t h 0 p t l c alm e a 叽 止 ef e wpred ec e s s o rs incl ud吨 fo reignre se arch erin而s fielddi d so.a c c o r d i n g to此 expe d m e n ts， w b enthe v 叨 t m o u thi 。 p e n e d 万ghpress ule ，p 万 o d u c e d 毗i deth e co n 面n er洲ll fl o w。 心1 业助 d fo rmthej et d u e toin s u ffi ci ent dilation.itstypic als 红 u c n 双 e is th e 丽s t e d c e ofs ho比w a v e inthe llowfi e l d.to m c as 眠 由m g e s o f p r e s s u reo utsi de th e而雍n c eas 州eso f p r e s s 址 e s e o s o r are p i 翁 e d a 拓 n g the ax怡t 恤 。 u ghthe p r e s s u l e . t hae p r o 皿 esw h e th er公 se con d ary ex p 1 os i ons h app enc anb e j udged o u ts 1 d e the v e n t mou thatth e ， ” n e 往 in e ， th e e x p e ri m e n t 匀 toavoi d the e ffectfi o mma c h . p inin伽 s h o ck、 v a v c s t ru c tu 比助d 加加 叮 the p 】l e n o menaofthe se co n da 斗c x p l os io nsth ro u ghp ress 切 旧m e as ure .a n e r 卿e ated m e as 眼 ，it s di s c o v e 代 月吐 . t the m a c h . p inc anbeev口 e d inthe di r ec t i ons o f rays w 场 c h d evi水 from翻s 3 0. t h e r e fo 比加s c anm ak e p ress . 闭c b 叮 a c t e ri st 沁 5 (intha n ow 五 e l d 。 u ts i dethe v e ntm o u th) c l e ar. t 比 o u ghp l e nty ofe x penl n e n ts ， 面s p a per gi v . s a t e n t at i v . . x p l a n a 石 onfor a b 习 0 爪 以 phe 加m e 习 目。 f p r e s s ure 运the se co n d 即 了以 p l 。 滋 。 nsan dthe mou th . e x p lo si o nsd ux 访 9 v e n t l ng. a 五 e r 俪 助习 ys iso f e x p e n m e ntre s u l t ， 此 胡 比 。 r h asr e v e al edthe se c o n d ary “p l os io ns 毗 re lativ els com p l i c at e d .b ec ause t b e y are atr and 0 lu汕d are l n 月 u e 口 父 d 妙 n a ll n n ablem e d i a 为 u min g s ta t e ， v e n t m o u tharea and y 亡 n t p re s s u r e ，w 址 chare likel y to re s ul t intu r b u 】 e n ceand v o rt exatt h e vcn t . m o u1 lh.m0 1 e o v e 了 ，w itht h e e x iste n ceo f t h e j et fi ameandl o tso f m ix e dfuel s th atfail tob uj 卫， w h e th e r th e r e 俪llbe the 袱o n d ary e x p l o slonsatl ast alsod 勺 兄 n ds on th e se d e c i s i v e公 ic 旬 r.肠sp a ， 沈肛 间 ” ， ，奴 p h e n o m e n a ofthe s ec 叨血口e x p i o 51 0 留即d di s cuss e s the facto r t l l a t c ause ab o o rmal p h e n o m e na duti n gv enti ng ，e sp ec i al ty the s e c o n da 理 c x p l o 51 o ns .f l n al ly 声 幻 m e c o n c l u s i o nsa 了 e d rawnasfol l o w s : 1 .认 飞 e t h erv e n t 吨 h a p p enb i n g e s 即onthe ratio offoels.v 颐ous v e n t i n g re s u .血in 硕士论文 可然液体云雾爆炸泄放实验研究 di fl 七 r e n t e q u l v al ent ratino f 而x e d g asino l h e r wordw b e n the equ l v al ent ra t i 0 is.it te n d s tob r in g a b o ut此 s e o n 山 巧e x p l o s 沁 ns. 2 .the l o c atio n o f l g n i t l ons o urce h as姐e ffecto n v e o t i n g .i f we i g ni t e atth e ta u -e n d lt is e as y toc a 山 沈 the seco n d a 尽e x p 】o s io nsw hi le a the ce ni e r ， we 诫n avo idil 3 .v e n t p ressure c ane ffectonthe proce ssofve nt ， the st ro n g p r 邸 5 峨 is easy to砰 odu c e 山 e se c o n darye x p l o si 呱 ， t b e re se arches 0 f ab n 0 n n a 1 p h e n 0 m e naofthe s econ da 叮以p 1 0 s io nsd 也 初 g v entin g in are l a t 1 v e 1 yc 0 m p r e b e n s ive w a y1 ay afo und a t 1 o no f 丘 时 h e rs tu d yin而5位ldin 允 扣 r e ，b u t 乒 h e h a 垃 smof thes 氏 佣d ary既p l osi毗认 喇丁 比d y c o m p l ex; moreover 声 h e rc s earc h e r inthe fi eld isstiu atane ai 1 y 川 泊 g e ，50加 rt h erstud y a n d e x p l o ra t i o n are nee d ed. k eyw o r d s :e xpl o s i o n ， exte malfl o w五 e l d ， s e c ond a 汀 i on i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公 布本学位论文的部分或全部内容，可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文可然液体云雾爆炸泄放实验研究 1 .绪论 1 . 1课题背景和意义 工业生产过程中 不可避免地产生可燃性气体、 液雾或粉尘， 这些可燃介质在适 当的条件下， 被引燃而产生火灾、甚至爆炸灾害。这种爆炸灾害威胁、 严重程度和 发生频率变得越来越大。1 9 74年6 月， 英国f likboroogh城的n yr。 工厂50吨环乙 烷泄漏引 起火灾， 造成28人死亡，1 08人受伤， 经济损失达1 亿英镑， 环境污染严 重;1 9 8 4 年1 1 月，墨西哥城的s a j u an l n h uat e p e c 工厂，因 液化石油气爆炸， 燃 烧的火球半径达3 00 m ，造成5 00人死亡，7 0 00人受伤.1 20万人撤离家园的惨剧: 1 988 年7 月6 日 ，英国北海石油平台着火爆炸， 造成1 63人死亡， 5 . 3 亿英镑的 平 台 毁 坏llj 。 1 9 9 6 年， 墨 西哥圣胡安 伊克 斯华特佩克，一座1 3 00立方 米贮罐上一 个 阀门的汽油泄漏引起火灾，造成该贮罐爆炸，4人死亡，16 人受伤， 火灾持续 2 天，才被控制。这些事故给人们的教训是惨痛的。 在我国， 近二十年来，随着经济的发展，工业安全事故频发， 重大恶性事故较 多， 一次 性死亡人数上升。1 9 87年3 月巧 日 ， 在我国哈尔滨亚麻纺织发生的 震惊 中 外的 特大粉尘爆炸事故， 摧毁厂房， 爆炸导致的火灾蔓延近2 00耐， 人员 伤亡2 3 三 人， 其中 死亡58人， 重伤66人， 摧毁设 备1 58台 套阅 。 1 9 91年4 月，山 西 三交涧 煤 矿 瓦 斯 爆 炸， 死 亡14 7 人r31 ;2 0 00年9 月27日 ， 贵 州 省 水 城 矿 务 局 木冲 沟 煤 矿 发 生瓦 斯爆炸事故， 死亡16 2 人， 受伤82人: 2 0 o 2 年6 月20日 ， 黑 龙江省 矿 业 集 团 城子河煤矿发生了 特大瓦斯爆炸， 造成了1 24人死亡、 24人受伤。2 0 03年5 月 13日 ， 安徽省淮北 矿业集团 芦岭 煤矿井下二水平发生 瓦斯 爆炸 事故， 造成86人死 亡， 9 人重伤， 19人轻伤。 据不完全统计2 0 03年全国发生一次死亡1 0 一 29人特大事 故1 15起， 死亡1 了 32人。 这些事故所造成的经济损失和人员 伤亡、 对社会的影响铆 是巨大的。 国 外关于工业爆炸灾害、火灾安全等进行了 广泛而深入的 研究， 而我国 在这方 面的研究与国外比较起来差距较大，若不及早深入开展这方面的工作，势必制约和 阻碍相关产业的发展。 在这些爆炸灾害事故中， 大部分是由 可燃气云燃烧， 爆燃以 致引起爆炸。 为防 止 或减轻这种气云爆炸灾害， 通常 采用的 防治 手段有泄 爆、 抑 爆和隔 爆等. 文献同 表明: 泄爆是指通过某个薄弱环节， 如泄爆门， 泄爆膜，门窗等，将密闭容器、 建 筑 物等的内 部高 压 ( 因 气体、 可燃液体云 雾或粉 尘的 燃烧导 致的 压力上升) 气体导 出 到 外部空间 ( 一般为大气)中，即当内 压力超过某一临界值时 ( 即薄弱环节的 最 大 耐压 值) ， 膜片 破裂或门 窗裂 开， 内 部 高压高 温气体 泄出， 使得内 压力 迅速降 低， 以 防止和减轻爆炸灾害。泄爆是工业上应用很广泛的爆炸防治方法，其实质是对己 硕士论文可然液体云雾爆炸泄放实验研究 经或处于发展中的爆炸进行人为的 干预，由 于泄爆过程强烈祸合了 湍流、 热化学反 应和振荡燃烧， 这种干预所导致的 物理和化学变化是很复杂的，对其产生后果的预 言 和控制仍然是有限的， 这种复杂性和许多不确定性， 使得在泄爆过程中， 常出 现 了 一些异常 现象， 如泄爆后，内 流场压力虽下降了， 而外流场可能出现很高的 压力 峰 值， 甚至 产生 所谓的外部 爆炸61 。 这对毗 邻的 建 筑物、 环境、 人员的 安 全等构 成 潜在的威胁. 而关于外部爆炸的 产生机制、泄爆后射流火焰与湍流的相互作用等， 到目 前为止仍没有被很好的 认识。因 此，研究泄爆后， 外流场的动力学特征， 尤其 是外部爆炸 ( 二次爆炸)的产生机制， 具有重要的 意义. 泄爆的研究涉及到湍流力学、 化学反应流、 燃烧理论、 爆炸力学和计算力学等， 具有重要的理论和学术价值。目 前关于泄爆的 研究仍主要以 试验为主，对于泄 爆外 流场， 特别是外部爆炸的 产生机制， 迄今仍没有详细而系统的 研究。 1 . 2国内外的研究状况 1 ， 2 . 1内 流场实验研究概况 泄爆的目 的 是通过泄爆口 卸去内 部高 压，防止和减轻爆炸灾害。为了 提高泄 爆 效果， 人们对内 流场超压的产生机制及其变化规律进行了广泛的研究。 许多泄爆研 究表明，内 压力随时间而发生变化， 它取决于初始可燃混合物的状态和特性， 如组 分、 初始压力和温度、点火前的 湍流，以 及泄爆容器的 特征，如形状和尺寸、点火 源的位置、 泄爆门 ( 膜)的强度和形状、 容器内的障碍物等.另外还与泄爆口 的 位 置、泄爆面积的 大小、泄爆压力、 点火源的 位置以 及泄爆外流场特性对内 流场的影 响 等等有关。 多 位学者【卜 周 表明: 泄 爆后， 内 压力并不是持续下降的， 容器内 的 未 姗 气 体的 继 续 燃 烧可 能 使内 压力 上 升， 甚 至出 现多 个峰 值. c oo p er等 门 根 据 方 形 泄 爆 容器， 在低压泄爆时获得的实验结果， 对内流场所出 现的多个峰压的物理机制进行 了 详细的讨论。当 在容器中心处，点火时，内 流场先后出 现四 个明 显的峰压， 分别 对映四 种主要的产生机制， 如图1 所示， pip4分别为对映的四 个内 压力峰值， 它 们的产生不仅与内 流场的 特性有关， 还与外流场的 特征 有关， 如图中的峰压pz， 它 可能受外部爆炸的影响，从而出 现压力突升。但文中并没有对外部爆炸作进一步的 讨论. 文献lw14 表明:当内 流场存在障 碍物时， 会影响内 压力的 大小和 变化规 律。 文献l 以附“ 目 表明: 障 碍物的 存在 使得火 焰和湍 流之间 发生相互作 用， 形成所 谓的 正反馈机制，火焰被加速，内 压力上升。在长导管泄爆时，火焰进入导管后， 会在 其间 加 速，p oi nt zy等le. 0 试 验 研究 泄 爆容 器与 导 管的 作 用机 制， 点 火 位 置、 膜片 和湍流对内 压力的影响等。结果表明火焰在长导管内 加速以 及导管内的 燃烧是内 压 力 增 强 的 重 要 因 素 。 文 献 浏 实 验 研 究 了 大 长 径 比 的 泄 爆 容 器 ， 在 不 同 点 火 位 置 时 ， 内 压力的 变化特征。 在底端点火的泄爆情形下， 产生的内 压力较侧面点 火的情形大 硕士论文 可烬液体云雾 爆炸泄放实验研究 ( 除了 中 心点 火时，内 压力 趋于相等) . 国内 胡 俊、 浦以 康、 万士听、 贾复tll l 对柱形 容器开口 泄爆过程中压力发展特性进行了实验研究得出实验结果给出了不同泄爆面 积和不同 泄爆压力条件下容器的内 压力发展历史.就不同 泄爆条件对容器内 爆炸发 展 产生 的 影响 进 行了 讨论。 崔东 明 、 叶 经方 国 等 对泄 爆过 程内 外 流 场的 压力 测 量 进 行研究并指出点火位置对泄爆过程特别是对泄爆口 外的流动影响较大， 其影响主要 表现在膜片破裂的时机，如果破膜后容器内有大量未燃烧的可燃气体排出，就有可 能在泄爆口 外发生二次燃烧。 泄爆口 外的 燃烧和爆炸对容器内的 压力变化产生影响， 特别是当后部点火时，泄爆后在容器内 产生较高的压力峰值。 这些试验和理论研究 为认识泄爆内流场提供了依据。 名任、侧召汉幻及昌，口 t i 洲 t l 图1 . 1 方 形 泄 爆 容 器 ， 中 心 点 火 时 ， 泄 爆 内 流 场 的 压 力 历 史 m 为便于 工程应用， 根 据实 验结 果 和泄 爆 理论， 文 献队 提出 很多 简单的 经验 和半经验 关系式， 这些关系式 在实际 工作中 得到了 广 泛的 应用. r azus等阁 对己 存在 的关于气体泄爆的经验和半经验关系式进行了比 较，讨论了它们的有效使用范围、 物理背景和适用性，并对它们的实用性提出了一些建议。为了 进一步规范和科学的 使用泄爆理论和关系式，以 帮助和指导人们设计泄爆容器获得最佳的泄爆效果，许 多国 家出 版了泄爆指南， 如欧洲的v d i 3 6 73， 美国的nppa等侧. 1 . 2 . 2外流场实验研究概况 文 献网 提 到 关于 泄爆 外流 场的 研究的 相 对 较 少， 仍以 实 验 为主。 而且 许多 学 者 卿调都 是 研究 低压泄 爆的 情形。 文 献34 表明 泄 爆 后， 在火 焰从 泄 爆口 泄出 瞬间， 若内 压力大于外部环境压力，高温混合气体的流动为欠膨胀射流，形成所谓的射流 火焰。 如果外流场存在可燃气体时， 在一定的条件下， 外部燃烧会变得异常剧烈， 甚 至可能引 起外部爆炸。 h ar ris on等闭 对30 扩 大型爆炸管的 在低压泄 爆时 所 诱导的 外部爆炸现象进行了 较为 详细的 试验研究， 拍摄到了 外部火焰的照片， 讨论了不同 泄 爆条件 下， 射流火 焰、 湍流以 及外部 爆炸等对内 部超压的 影响。 并指出 外部爆炸 能 引 起内 部 超 压的 上 升， 故 在 研 究内 流 场 时 ， 不 应 忽 略 外 部 爆 炸的 作 用. c at li nls 日 硕士论文可燃液休云雾爆炸泄放实 验研究 对初始时内 外流场充满相同 可燃气体泄爆情形进行了 试验， 对泄爆引 起的 外部爆炸 现象进行了定性分析， 但在研究火焰与外部云团的作用过程时，因 采用的摄影系统 帧频 (500 加5) 不够高， 并未拍摄到相应的照片， 故仅仅是作了 相应的 推测讨论。 wi r kn er等阅 根 据实 验结 果， 提出 了 相 干 和 不 相 干 两 种 外部 爆炸 方 式， 前 者因 泄 爆 口 附 近的 可燃云团点火燃烧所致， 后者因 射流火焰点燃外部可燃云团所致。国内 姜 孝 海、 范 宝 春、 叶 经 方 郎 1进行了 泄 爆 外 流 场 特性 的 试验 研究， 利 用 容 积 为。 ， 0 0 81 斌 带导管的柱形泄爆容器，在不同泄爆条件下一系列泄爆试验进行了 详细的 研究。 试 验获得的外流场时序阴影照片和压力历史，形象地描述了泄爆外流场的变化特征和 二次 爆炸的 产生和发展过程。并对在不同 泄爆压力、 不同泄爆面积、不同当量比的 甲 烷一空气预混气和不同点火位置的试验条件下获得的结果进行了分析，讨论了二 次爆炸强度的变化规律泄爆过程中二次爆炸的 动力学机理研究.泄爆的 初始阶段， 在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因 欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激 波高压区。高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域。随后， 火焰 以 射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云。受湍流等因素的影响，特别在高密度的 预热区域， 燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸。 t 伽f orcier阁等根 据已 有的 计算外部 超压的 关 系式37 洲， 运用球形 和 椭球形 爆 炸波理论，提出了 一种计算外部超压的 经验关系式，且其计算结果与实验数据较为 接近， 但这种关系式并未考虑外部燃烧的情形， 其适用范围较窄，即没有考虑外部 爆炸的情形。 1 . 2 . 3流场可视化研究概况 流场可视化技术已 成为研究泄爆问 题的 有力工具， 通过可视化技术， 如高 速摄 影、阴影、 纹影、红外热成像仪等， 许多 学者tt. 认为可获得关于泄爆流场的许多 有用信息。泄爆后，火焰、 气流、激波等传播速度极快，为捕捉到它们的变化，可 视化 系统的 帧 频应足 够高。 文献川 在研究内 流 场超压的 产生 机 制时， 获得了 内 流场 火 焰的 变化 照 片， 该 摄影 系 统的 帧 频为 4 00 p p s 。 harris on等冈 用 帧 频约 为 4 3 0 f ps的 高速摄影系统， 获得了从大型爆炸管中泄出的 火焰在外流场的 形状变化照片。 文献 训中 因 摄影系 统的 帧频不够高， 并未拍 摄到 相 应的 火焰照片。 可 见， 根据 研究 对象 不同， 应采用相应性能的可视化系统。 文献洲1 中 讲述阴影照片反映的是流场折射 率 ( 或密度)的 平面二维变化， 流场中 存在大的密度梯度时， 如激波、火焰等， 它 可以 有效 地显示其阵 面形 状。 姜 孝海、 范 宝 春、 叶 经方网 对泄爆 外流场 进行了 可 视 化研究， 实验中 采用y a- 一 16高速阴影系统， 拍摄了 泄爆外流场的时 序阴影照片。 基 于 k ，e 湍流 模 型 和 漩涡 破 碎( ed勿 d is si p ati on ) 燃 烧 模型， 利用同 位网 格 5 1 淤 le 算 法， 对泄爆过程进行了 数值模拟。根据计算结果，由 计算光学获得泄爆外流场的时 硕士论文可燃液休云雾爆炸泄放实验研究 序计 算阴 影图. 实 验阴 影图 与 计算阴 影图 较一 致， 都 形象地揭示了 泄 爆后湍流火 焰 的发展及二次爆炸的产生和变化过程。 本文采用y 扮16高 速阴影摄影系统， 其帧频最 大可 达到1 。 钟5 ， 而且， 其光源与 底片 相 对静止， 可以 获 得清晰的阴 影 照片网。 综上可知，国内 外对泄爆研究的 工作物质多数是可燃气体与空 气的混和物， 对 可燃液体云雾爆炸的泄放研究甚至少。这是由于之前的喷雾设备很难形成比较均相 的云雾，同时可燃液体云雾爆炸的泄放机理不同于可燃气体爆炸的泄放机理，其机 理更为复杂。但工业灾害又多为可燃液体云雾爆炸，很有必要对其泄放机理进行研 究，尤其是可燃液体云雾二次爆炸机理及其影响因素。 1 . 3本文的主要工作 本文利用自 行设计的柱形泄爆容器，向 泄爆容器内 喷入环 氧 丙 烷云 雾 ， 在不同 泄 爆条件下，向 空气中泄爆的 情形进行了 详细的实验研究，实验获得了内 外流场的压 力历史、清晰外流场的时序阴影照片、 温度场图片。根据实验获得的不同泄爆条件 下的 压力历史， 观测到外流场压力异常现象( 口 部爆炸和二次爆炸) ， 并分析其产生 的 机理，详细分析了二次爆炸的影响因 素。 具体的 研究内 容包含如下: 1 . 利用自 行设计的泄爆实验系统， 对不同泄爆条件下( 即不同泄爆压力、 点火 位置、和容器内 初始环氧丙烷云雾一 空气当 量比)的泄 爆过程进行了 一系列的实验， 获得了内 外流场的压力历史。 2 运用ya一 16高速阴影 摄影系统、 m i kroanscan72 o ov红外热成像仪和高速摄影 等光学仪器拍摄时序阴影照片、 温度场图片 和外部爆炸火焰成长过程影像， 3 . 由于泄爆是一个复杂的瞬态的 热化学流动过程， 为捕捉到外流场动力学结构 变化特征， 由实验获得的 不同 泄爆条件下的 外流场压力历史、 清晰的阴影照片、 温 度出 场图片， 把测压和流场显示二者结合起来分析 ( 这在国内外文献中尚未见到) 。 这些信息形象地反映了泄爆过程，同时观测到了二次爆炸并详尽的记录了二次爆炸 的过程。 4 ， 强化实验条件获得二次爆炸并分析二次爆炸的 机理及二次爆炸的影响因素， 讨论了不同 泄爆条件下 泄爆压力、点火位置、 和环氧丙烷云雾一 空气当量比) ， 二 次爆炸的变化规律。这对工业安全和泄爆系统的设计具有现实的指导意义。 硕士论文 可嫩液体云雾 爆炸泄放实验研究 2实验研究 2 . 1引言 一端密闭，一端以膜片封口 ，点火系统点火后引 燃混合气产生高 温高 压气体， 膜片破裂后气体向外流出，对这一流场变化过程研究而进行实验即为泄爆实验。泄 爆是一个强烈祸合了热化学与流动的过程。从容器中泄出的可燃气云，在高温己 燃 混合气、高 速火焰以 及湍流等的作用下， 还会发生剧烈的 燃烧，从而使外流场的 动 力学结构特征发生强烈的变化。在大量正常泄爆 ( 即泄爆后未出现压力异常现象) 的基础上， 在改变点火位置，泄爆面积， 破膜压力等因素的情况下， 研究对泄爆过 程的 影响 包括容器内外的 压力变化、二者的 相互影响、二次爆炸现象的 发生等. 通 过数据采集系统和流场显示系统观察到这些变化过程 2 . 2 实验装置 从实验的目 标来考虑，我们可将实验系统大致分成五个部分: a)实验装置 (- 即 泄爆容器) b)喷雾系统c)点火装置d)数据采集系统e)流场显示。如图2 . 1 所示。 图21实验系统示意图 2 . 2 . 1 泄爆容器 燃烧和泄爆容器是最基本的实验装置。 近年来， 国内外的研究集中在典型容器上 如方型、球型、圆柱型等。 本文设计的泄爆容器为一圆柱形钢制容器， 内 径为200 恤， 壁厚1 0 恤， 长300 哑。 泄爆容器一端中心安装喷雾装置:另一端以泄爆膜片封闭，泄爆膜片采用公槽与母 槽压紧， 简图如图 2 . 2 。实物如图 2 . 3 硕士论文可然液体云雾爆炸泄放实验研究 3. 可燃液体云雾泄爆过程内 外部流场的发展变化过程 3 . 1 .泄爆过程中泄爆口 外流场特性 3 . 1 . 1 外流场压力传感器布置 泄爆过程中泄爆口 外流场如图3 . 1 所示， 当 泄爆口 打开时， 容器内 产生的高压气 体向外流出， 形成膨胀不足射流，其典型结构是流场中存在瓶状激波结构。 激波阵面 泄爆容器泄爆口 /马 赫 盘 者 1 ， 2 ， 3 一 轴线上的3 个测压点 4 ， 5 ， 6 一 骗轴线3 0 方向 上的3 个测压点 图3 . 1 泄爆过程泄爆口 外流场示意图 为了测量流场外压力变化情况，需沿轴线放置一系列压力传感器，通过所测的 压力一 时间曲 线来分析泄爆口 外是否发生二次爆炸。 为了避免瓶状激波结构中马赫盘 的影响，更好的通过压力测量捕捉二次爆炸现象。经过反复试验测量，发现偏离轴 线3 00 以 外的 射线方向 上进行测量可以 避开马赫盘。 图3 . 2 和图3 . 3 是沿轴线和沿3 00 射线同时测量的结果， 可以明 确的表明 泄爆 口 外流场的压力特征。 7 9 . 5 即加翻 .d丫d 材目 劲动叨众 a) 距离口 部iqo 田的1 号传感器所测曲 线 硕士论文可燃液休云雾爆炸泄放实验研究 3 9. 8 即加钓加 .d丫d 肠丫f、当翻沼一t(s) 翻川喇 b) 距离口 部200 啊的2 号 传感器 所测曲 线 一m 马赫盘 24. 2 ，0却。 (.d丫几 嗯 c ) 距离口 部300 吻的3 号 传感器所测曲 线 任 一 马赫盘 图3 . 2轴线方向 泄爆后外流场的 压力一 时间曲 线 ( 中 二 11 5 ， 中 心点 幻 4 9白 ，0加幼怕 .d吕)么 。.i0劲韵认 a) 距离口 部1 0( 腼 . 的4 号 传感器所测曲 线 1 3 1 . 1 ao劲10 .d丫d 弋 蕊 材 目 b ) 距离口 部2 00俪的5 号传感器所测曲 线 硕士论文可姑液体云雾 爆炸泄放实验研究 2 2 . 1 加15柏 .d丫d 豁 材 s) 的距离口 部3 00 二的6 号 传感器 所测曲 线 图33 3 o .方向泄爆后外流场的压力一 时间曲 线 ( 中 1 . 15。中心点火 当巾 =1 . 15， 以中 心点火为例， 图32 是轴线上的3 个测压点的压力一 时间曲 线， 而图3 . 3 则是偏离轴线30。 方向 上同 时进行的3 个测压点的压力一 时间曲 线。 3 1 . 2 泄爆过程中泄爆口 外流场特性 从上图 我们可以看出，点火后压力急剧上升， 达到破膜压力后， 泄爆口 打开，部 分未燃气体向 外排出 ， 内流场的 压力衰减.由于泄爆口 膜片破裂， 类似激波管情况产 生了 一个激波， 即曲 线上的第一 个峰，随着容器内的燃 烧达到了口 部， 使那部分未 然 p 。 发生了 剧烈的燃烧， 而产生了一个强烈的燃烧波， 即曲 线上的第二个峰， 这道燃烧 波比 初始激波强烈的多， 且去追赶第一道激波， 就形成了曲 线上的两道波逐渐追赶的 现象。 3 . 2 .可燃介质的正常泄爆过程及分析 3 . 2 . 1 可嫩介质的正常泄爆实验及现象 正常泄爆就是在泄爆过程中 容器内外没有出 现任何的压力异常现象， 这是工业 实际中最为普遍的一种情况， 正常泄爆不仅对容器本身没有产生危险， 即泄爆后容器 内的 压力迅速的降到外界环境压力。 而且在容器外部也没有产生爆炸等灾害。 这种 情况下， 点火 后， 容器内的压力和温度都迅速上升， 遵循等容燃烧的规律.当压力 升高到一定程度的时候，泄爆口 打开，燃烧气流从口部射出， 容器内的压力立即衰 减，迅速的降到与大气压力平衡。 而排泄到容器外部的 气流在进一步运动， 发展变 化的过程中， 没有形成成出 现压力异常现象， 属于正常的 衰减。 图3 ， 4 ， 给出了当量比。 红. 巧、 泄爆口卜55，、 尾部点 火时容器内 外的 压力 变 化 情 况和流 场照片;图 上的 压力曲 线从上 至下依次为1 勺号 传感器所测出 的 压 力 变 化曲线。 硕士论文可燃液体云雾爆炸泄放实验研究 3 . 4泄爆口 部发生爆炸 泄爆过程中， 除了上面谈到的外部爆炸之外， 还测到一种压力异常现象， 这种压 力异常现象是在口部发生了 剧烈的爆炸，当点火后， 燃烧波向外膨胀， 在未达到泄 爆口 处，其压力己 经达到膜片允许值，膜片破裂，产生一个向外传播的激波， 燃烧 波前的未燃混合气体同时排出，当泄爆容器内的 燃烧波到达泄爆口 时， 点 燃了 泄爆 口 外预先排出的混合可燃气体， 在一定条件下发生爆炸， 形成一个爆炸波向 外传播。 口 部发生爆炸具体来说，可分为两种情况:一种是在泄爆口开启后的瞬间发生 爆炸，另一种情况是在泄爆口 还没有打开就在口 部发生了爆炸。下面就这两种情况 分别讨论。 3 . 4 . 1 破膜后瞬间发生的口 部爆炸 图3 . 7 给出了 中 =l. 巧， )55 lllm. 尾部点火时的容器内 外的压力变化情况和流场 照片。 从压力一 时间曲线上， 我们可以看到， 在1 号传感器测出的1 号曲线中， 第一 个峰是由于破膜而形成的冲击波， 约 i o o k pa;紧接着第一个峰，在 115 p s 时出 现 了 第二个压力峰p ， p的 压力值从1 号曲 线中 读出， 约有4 6 0 k pa。 这种情况与二次 爆炸 ( 上一种情况) 有明显的不同， 在二次爆炸的情况中，1 号传感器测出的 压力- 时间曲 线只有一个压力峰，而且是破膜所致;而本情况的1 号曲 线却有两个峰， 且 第二个压力p 非常大，我们认为这种情况就是口 部发生了 爆炸。 在2 号一5 号传感器测得的曲 线和a 9 各幅照片上， 我们可以 看出口 部爆炸形 成的激波p 的 发展过程。 从1 号曲 线上可以 看出， 在t 二 1 1 5 p s 时， 口 部爆炸形 成的 激波p 经过1 号传感器的 位置， 此时的p 的 值为4 6 o k pa， 压力相当 大。 七 二 2 2 o p s 时， 激波p 还没有到达2 号传感器: 而从2 号曲 线上可以 看出， 在t 二 2 40p s 时， 口 部爆 炸形成的激波p 经过2 号传感器的 位置， 经过2 号传感器时的p 值为47. skpa。 短 短的l oomm的 距离和1 25p s 的时间间隔， p 的值有了 大幅度衰减， 降低到口 部压力 值的十分之一。 在t = 3 2 o p s 时， 从b 照片可以 看出， 激波p 己 经过了2 号传感器。 而从c 照片可以 看出， 激波p 还没有到达3 号传感器。 接着， 从3 号曲线可以看出， 激波p 在t =430p s 时运动到3 号传感器， 大小变为24. gkpa，大小又衰减了 一半， 激波p 仍然在进一步的 衰减. 从d 照片可以 看出， 激波p 在t = 5 20p s 时已 经运动过 了3 号传感器。 而从4 号曲 线上可以 看出， 在t = 7 2 o p s 时， p 将到达4 号传感器的 位置， 经过4 号传感器时的p 值为17. s kpa 。 最后， 从5 号曲 线上可以 看出， 在t :8叨朴 5 时， p 经过5 号 传感器， 此时的p 值为12 . z k p ao 综合来看口 部爆炸形成的 激波p 的 发展过程，1 号至5 号传感器之间是等间 距 的， 都是1 00 mm的 距离。 p 从1 号 传感器 运动 到2 号 传感器， l oolnm的 距离 仅 仅 用时 125 协 5 ， 激波的平均速度v 大约为800m/ 5 ; p 的 大小由1 号传感器的4 6 o k pa衰减 硕士论文 可嫌液体云雾爆炸泄放实验研究 5结论与展望 利用自 行设计的小型圆柱形泄爆容器， 采用压力测量和光学测量相结合的 手段， 强化实验条件， 得到正常泄爆和异常泄爆详尽的时间和空间 信息。 分析了泄爆后容器 外的 一些异常现象 ( 二次爆炸、口 部爆炸等) 。通过实验结果的分析， 发现，在泄爆 过程中， 发生二次爆炸的原因比较复杂， 带有一定的随 机性， 受可燃介质成分、 燃烧 情况、 泄爆口 大小、 泄爆压力等因素的影响， 这些影响因素会导致泄爆口 外产生湍流 和涡漩， 另外加上射流火焰和大量未燃混合燃料的存在， 这些因素将最终决定是否发 生二次爆炸。 通过本项研究设计的实验装置和测量系统， 在实验室里用实验的 方法模拟出泄爆 过程的二次爆炸现象。并以可靠的实验数据和流场照片证明了二次爆炸现象的存在。 而有关类似的实验， 在国内未见报道。 同时对产生二次爆炸的机理进行了 初步的实验研究. 可燃介质的配比、 点火方式、 泄爆口面积和泄爆压力等因素都能影响泄爆容器内外的流场， 这些因素将可能促成二 次 爆炸所必须的湍流和涡漩， 再加上排出 泄爆口 外的 大量未燃混合嫩料以 及射流火焰 等条件， 将可能导致产生二次爆炸。 在发现并且分析了了二次爆炸现象之后， 讨论了 影响泄爆过程特别是二次爆炸等 异常现象发生的因素，得出以 下结论: 1 ， 泄爆首先受到可燃液体云雾配比的 影响， 不同的当量比 会造成不同的泄爆结 果。当混合气的当量比为1 的时候， 容易发生二次爆炸:而当 量比 为0 。 8 和1 ， 3 时， 压力容器内 的燃烧处于富氧和贫氧燃烧状态， 实验证实不易发生二次爆炸。 2 ，点火位置对泄爆产生影响。 尾部点火容易发生二次爆炸， 而中心点火时不易 发生。 3 ，泄爆压力即破膜压力影响压力容器的泄爆过程:高泄爆压力时不易发生，而 低泄爆压力时容易。 在工业实际中， 很多泄爆后发生的 灾害事故都直接的 或间接的与这些发生 在口 外 的 压力异常现象有关。 因此， 工业灾害尤其是二次爆炸这一领域有着非常 广泛的 研究 前景。 而对于二次爆炸的研究， 国内目 前尚 属起步阶段， 迄今为止还没有一套较为全 面、有效的开口泄爆设计规范。 在前人的 研究中， 包括国 外学者， 多数采用单一的 压力测量或光学测量对现象进 行说明， 两种手段结合起来进行研究的 还不多见。 而本项研究则把二者结合起来对比 研究， 并且得出了一些很有价值的数据和实 验照片。 另外， 本文得出的容器内 外压力 变化( 尤其是内 压反常上升) 影响因素和二次爆炸影响因素的结论可以 指导开口 泄爆 的 设 计。 总 之， 本项 研究以 实 验为手 段， 对泄 爆 过程中出 现的 二次爆炸等异常 现象作 钻 硕士论文可姗液体云雾爆炸泄放实验研究 了比 较全面的研究， 为这一领域今后的深入研究奠定了 基础。 但由于二次爆炸的发生 机理非常复杂，对这一领域的研究还处于起始阶段，需要进一步研究探讨。 硕士论文可供液体云雾爆炸泄放实验研究 附录 a 泄爆实验情况一览表 序号实验编号 0 6 0 3 2 7 0 1 0 6 0 3 2 7 0 2 0 6 0 3 2 7 0 3 0 6 0 3 2 7 0 4 0 6 0 3 2 7 0 5 0 6 0 3 2 7 0 6 0 6 0 3 2 7 0 7 0 6 0 3 2 7 0 8 0 6 0 3 2 7 0 9 0 6 0 3 2 7 1 0 0 6 0 3 2 7 1 1 0 6 0 3 2 7 1 2 0 6 0 3 2 7 1 3 0 6 0 3 2 9 0 1 0 6 0 3 2 9 0 2 0 6 0 3 2 9 0 3 0 6 0 3 2 9 0 4 0 6 0 3 2 9 0 5 0 6 0 3 2 9 0 6 0 6 0 3 2 9 0 7 0 6 0 3 2 9 0 8 0 6 0 3 2 9 0 9 0 6 0 3 2 9 1 0 0 6 0 3 2 9 1 1 0 6 0 3 2 9 1 2 0 6 0 8 1 6 0 1 0 6 0 8 1 6 0 2 0 6 0 8 1 6 0 3 0 6 0 8 1 6 0 4 0 6 0 8 1 7 0 5 0 6 0 8 1 7 0 6 0 6 0 8 1 7 0 7 0 6 0 8 1 8 0 8 当量比 1 . 1 5 1 。 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 ， 1 5 1 . 1 5 1 。 1 5 1 . 1 5 1 。 1 5 1 . 1 5 1 。 1 5 1 . 1 6 1 . 1 5 1 . 1 5 11 5 1 。 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 11 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 。 1 5 1 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 1 5 1 。 1 5 1 . 1 5 点火位置 中心点火 中心点火 无 中心点火 中心点火 中心点火 中心点火 中心点火 中心点火 中心点火 中心点火 尾部点火 尾部点火 尾部点火 尾部点火 中心点火 中 心点火 中心点火 中心点火 中心点火 中心点火 尾部点火 尾部点火 尾部点火 尾部点火 中心点火 中心点火 中心点火 尾部点火 尾部点火 尾部点火 尾部点火 无 实验结果 正常泄爆 正常泄爆 无 正常泄爆 其它 二次爆炸 其它 正常泄爆 二次爆炸 其它 二次爆炸 二次爆炸 二次爆炸 二次爆炸 其它 正常泄爆 其它 其它 正常泄爆 正常泄爆 正常泄爆 其它 二次爆炸 二次爆炸 二次爆炸 口部爆炸 正常泄爆 口部爆炸 正常泄爆 正常泄爆 二次爆炸 正常泄爆 无 备注 ，孟勺目心0通几勺内0叮q 乎 3 0 画 910nl21314巧161718192021222324252627邓2930313233 5 7 硕士论文 可嫩液体云雾爆炸泄放实验研究 序号实验编号 0 6 0 8 1 8 0 9 0 6 0 8 1 8 1 0 0 6 0 8 1 8 1 1 0 6 0 8 2 0 1 2 0 6 0 8 2 0 1 3 0 6 0 8 2 0 1 4 0 6 0 8 2 0 1 5 0 6 0