开敞空间爆燃现象的超压与火焰传播耦合机制

开敞空间爆燃现象的超压与火焰传播耦合机制

随着中国石油化工技术的快速发展，石油产品深入了社会的各个领域。在原油运输、储存和使用过程中，可能会出现人为操作错误和设备腐蚀损坏，导致原油泄漏、燃烧和形成相关的油气环境。如果环境中存在一定的能量喷射源，可能会发生火灾、爆炸和其他安全事故，这种现象通常被称为uc-vapar囊肿爆炸。综合而言，现阶段国内外专家针对开敞空间可燃气体爆燃现象的研究主要集中在单组分气体上，对于油气等复杂混合物的成果相对较少，研究工况通常以受限空间为背景，针对敞开式空间的研究成果较少，且缺乏从可视化角度对爆燃现象的超压与火焰传播之间耦合关系的研究。基于此，本文以机库、洞库等常见储油场所为背景，自行设计并搭建了不同尺寸的大尺度开敞空间不锈钢实验台架，利用聚乙烯塑料薄膜在尽可能不影响爆燃过程的前提下约束可燃气体扩散，实验结论可为油料储运安全工程及防护设计提供参考。1实验系统的建设实验系统包括1离台架22结果与讨论2.1高油气浓度工况下的油气爆燃模式实际工程中的开敞空间可能形成不同浓度分布的油气环境，引发的燃爆模式及对空间内部的损毁特点也不尽相同。根据实验观测结果，可初步将多次实验中产生的所有火焰燃烧形态归纳为3种典型模式，分别为无火的气云灼烧、带明火的油气燃烧和带压缩波的油气爆燃。本文将对3种模式从可视化角度上做基本分析，随后在后续小节中重点研究第3种模式的关键参数。对火焰形态的观测于1图3展示了油气在低浓度下的气云灼烧过程（CH%=0.74）。由图可见，油气经脉冲点火后开始产生化学反应，约1.21s时可明显观测到内部气流开始对空间产生的扰动，约1.72s时在气流的高温作用下薄膜开始损毁，直到约3.11s时气流全部从薄膜破损处流出，反应过程结束。整个灼烧过程的时间远超过传统的受限空间油气爆炸实验。反应初期以点火器为起始位置，燃烧产物开始向周围扩散膨胀，直至接触到薄膜并使其发生应变。据观测结果，此时空间内油气虽然发生了化学反应，但由于可燃气体浓度较低并未形成明火，对薄膜造成破坏的原因主要为融化而非冲击。低浓度下的燃烧产物气云具有明显的正上方运动趋势，如图4所示，从反应完毕的薄膜损坏程度上可以观测到不同面上的受损程度，其中空间顶部最高，其次是点火面区域，最后是其余平面。该浓度下的油气空间遇到点火源虽不易产生明火，但产生的高温气云会灼烧空间内部的设备或人员。图5展示了油气经电火花点燃后引发的明火燃烧过程（CH%=1.02）。由图可见，点火瞬间（定为反应起始处0.01s）能够观测到亮蓝色的电火花，随后空间内的油气开始迅速与氧气发生化学反应，0.43s处观测到反应生成了橙色火焰。燃烧过程中首先从点火面开始，0.77s时火焰冲出左侧薄膜，同时其他平面均受到了生成气体的挤压。随着燃烧过程的进行，0.94s处薄膜因火焰燃烧损毁，反应于2s后结束，所耗时间略小于无明火工况，台架顶部在破坏的瞬间依旧能够观测到明显的上升气流波动。该浓度下的油气燃烧意味着除去高温气云的破坏外，还可能会引燃空间内部的易燃设施从而造成火灾隐患，但在此浓度下的化学反应仍处于以燃烧为主的碳氢化合物分解过程，而非由原子核之间的碰撞引发的爆燃现象，因此空间内部并未采集到有效压力信号。图6展示了高油气浓度工况的爆燃火焰发展特性（CH%=1.26），该工况下预混油气经电火花点燃后形成了典型的油气爆燃模式，根据火焰结构与压力波的理论，当高浓度预混气体被点燃后，以点火源为中心，火焰沿各方向向未燃气体传播，火焰表面积迅速增大，而在火焰面预混气体的反应过程中大量热量的放出导致火焰面前方未燃气体被压缩，逐渐形成各向的压缩波。该过程具备以下特征：与燃烧工况类似，该工况下能清晰观测到点火器通电瞬间产生的蓝色火花，随后在空间内部产生向前发展外围球形状的光滑面蓝色火焰面，其内部则是正在发生化学反应燃烧的火焰区。由图可见，点火器引燃预混气体后，火焰锋面在不受轴向和径向约束下以1/4球形逐层向外传播，随后点火面最先开始承受超压而产生了应变，由于薄膜尚未破裂，空间内部氧气不足，油气燃烧不完全，火焰形态主要由蓝色光滑球面与橙色核心组成；点火面处薄膜受到灼烧而损毁后外部氧气迅速进入，该处呈现高湍流度的橙色火焰，并与前方蓝色球形锋面之间存在交界线，其中橙色火焰冲击点火面方向，蓝色火焰冲击顶端；爆燃过程后期空间内主要为“」”型橙色湍流火焰，四周薄膜全部破坏后逐渐熄灭溃散。2.2高温气云行为超压根据上一节的主要结论，常见的涉油气空间火焰燃烧形式主要有3种，其中前两种在实际工程中造成的损害主要为高温气云灼烧以及普通的着火反应，未产生明显超压。本节将对油气爆燃过程的关键参数变化规律进行研究，为便于观察火焰传播过程，采用了大长径比的22.2.1开敞空间油气爆燃外场超压时序规律油气爆燃的本质源于油气中所含有的可燃组分，其中超压（其中根据台架1图8展示了在典型工况下（点火器位于台架底端中心，泄漏汽油为2L，环境温度为16℃时对应浓度1.34%）开敞空间油气爆燃内场的超压时序曲线，可以看出与传统的受限空间气体爆燃实验数据不同，开敞空间中同次实验中不同采集点的曲线区别不仅仅体现在峰值大小而是曲线的整体趋势。结合先前学者对受限空间油气爆炸的阶段划分规则稳定传播阶段（0s~0.51s）：压力波和火焰封面尚未对薄膜边界进行冲击和灼烧，薄膜完整且持续时间较短，可简化为定容过程，产生的超压变化近似符合理想气体状态方程，如式(3)所示：其中火焰泄放阶段（0.51s~2.62s）：火焰发展为具有明显分界线的亮蓝色与橙黄色，由于点火面的破坏使压力迅速泄放，使距离其较近的1、2号采集点产生了小幅度振荡，分别持续了0.617s和0.836s并形成了多个正负超压峰值，爆燃压缩波在经过某一区域后周围的空气或者介质未能及时补充，尤其是位于点火面的1号采集点处于多面敞开状态，更易形成负压。以超压峰值最高的2号采集点为参照，其中燃烧溃散阶段（2.62s~）：台架中后部（2号、3号、4号采集点）产生了火焰加速峰值图9展示了在典型工况下开敞空间油气爆燃外场的超压时序曲线。可以看出与内场超压曲线相比，外场超压动态时序演变过程较为单调。以峰值最高的3号采集点为参照，开敞空间外部超压变化主要由三个阶段和两个峰值构成，分别为相对静止阶段（0~0.303s）、火焰泄放阶段（0.468s~0.957s）、燃烧溃散阶段（0.957s~）；两个峰值分别为破膜泄流峰值图10展示了在典型工况下开敞空间油气爆燃高位的超压时序曲线。与外场曲线相似，可以看出稳定传播阶段结尾处的破膜泄流峰值总体而言，大尺度开敞空间的爆燃过程在空间的不同区域内造成的危害效果具有特定规律。其中爆燃冲击最强的区域为空间正上方，这点与灼烧模式下的薄膜损毁程度有相似之处，从侧面证明了空间上方的危险程度；其次为空间的内部区域，主要体现在空间的中部靠前部位；最后为点火面正后方。结合“」”型火焰及灼烧模式下的薄膜损毁情况可以判断出，点火面处的危险源主要来自于火焰带来的热流和高温，爆燃的冲击效应并非占主导地位。同时，需要注意到三个主要区域内的超压与爆炸威力指数具有明显差异的地方，分别是点火面侧面区域、点火面的正中央区域和正上方中央区域。点火端为化学反应的起始处，易产生振荡现象；同样产生振荡的还有台架中央正上方区域，由火焰发展过程可以看出，台架中心附近处产生的火焰离地面的垂直距离最高，此时恰好也是内场超压的峰值，属于化学反应较为剧烈的区域，产生的扰动也使顶端附近形成了振荡，而在上方形成了高压区。根据上述结论，振荡现象对爆炸威力指数有着明显的促进作用，该效果由于在极短时间内形成了数个超压峰值，虽然绝对大小但仍有可能对空间内部的人员和物资造成严重的破坏。2.2.2初始油量为1.25l时的爆燃实验决定油气爆燃强度的一个重要环境因素便是初始油气浓度，该浓度主要取决于油料泄漏扩散进程。本文测试了5种不同初始油料泄漏体积（1.5L、2L、2.5L、3L和3.5L），每次实验前将等待点火源附近的油气浓度逐渐稳定并记录。实验将以内场实验中的2号采集点最大超压峰值为参照。根据前期实验数据，初始油量为1.25L时进行的4次爆燃实验仅有1次成功，初始油量为1L时已经无法点燃，因此本文认为该实验条件下（环境温度为16-19℃，环境湿度为44%~59%）初始油量为1.25L时（油料空间体积比=1∶8000）轻质组分充分挥发形成的油气环境处于油气爆炸下限附近。表4和图11描述了不同浓度下超压峰值和达到该峰值耗时的分布情况，可以看出二者变化都具有一致性，但分布规律相反。根据实验结果，初始残油量为2.5L时能够形成最大超压峰值。若继续加大油量，导致空间内部的氧含量相对不足，汽油蒸汽处于不完全燃烧状态，因此燃烧速度再一次降低，超压峰值也随之降低。二者均已2.5L（1.68%）为分界线，考虑到二者的分布特性和拟合式的可行度，本文选用三次多项式关系描述其规律，见式(4)、式(5)所示。学者们通常将油气爆燃产生最高超压所对应的浓度称为“危险浓度”2.2.3开敞空间爆燃火焰的超压时段特征火焰形态作为爆燃空间流场变化的一种直观体现，主要表现在火焰锋面的褶皱程度。根据火焰形态可以大致推测出火焰锋面与空间内未燃气体的反应程度，最终体现在爆燃的剧烈程度和发展趋势，在前期的观察实验中已经对爆燃过程的火焰传播形态进行了分析，这里主要对传播过程的具体参数进行采集。火焰速度作为火焰行为分析的重要参数之一，高速传播的火焰能够导致较大强度的压缩波，从而产生更大的超压由于实验台架规模较大，火焰传播呈明显的2维态势，火焰主要由前方的蓝色火焰和后方的黄色火焰构成，且锋面并非与台架横轴垂直的对称态，为便于记录，本次实验将统计亮蓝色与橙黄色两种火焰锋面的实时位置，并将其求导得出对应速度。图12展示了油气爆燃火焰传播速度随时间的变化情况，可以看出在爆燃稳定传播期间（0~0.51s），薄膜破坏前的火焰为层流燃烧，速度相对稳定；火焰泄放阶段期间（0.51s~2.62s），由于外界因素干扰导致火焰速度出现了波动并且形成了数个峰值，薄膜破裂的憋压释放使火焰快速泄流加速运动，两种火焰分别形成了峰值（蓝色2.87m/s、橙色2.44m/s）；油气在台架外部的爆燃使火焰第二次加速并形成了峰值（蓝色1.81m/s、橙色1.47m/s）；随着爆燃过程的继续，亮蓝色火焰接近台架末端时速度变缓，橙黄色火焰行进至同位置后停止，此时台架内部剩余零星残留火焰燃烧直至熄灭。从图中还可以注意到，爆燃超压产生峰值火焰强度代表了火焰燃烧产生的光强度，可通过其判断火焰的燃烧剧烈程度，在整体超压相对偏低的开敞环境中是一个衡量环境危险性的重要参数。爆燃火焰强度采用四枚火焰传感器，布置方案与压力传感器内场测量实验一致，分别位于距点火端0m、1.67m、3.33m和5m处。图13展示了油气爆燃过程中火焰强度随时间的变化关系，可以看出开敞空间油气爆燃的超压阶段性特征在火焰强度上仍有一定的体现，但与超压变化规律有所区别。稳定传播阶段火焰主要呈亮蓝色，强度较弱；随后亮蓝色锋面表面逐渐开始呈网状包隔态并传播至2号采集点处，橙黄色火焰紧随其后，2号采集点的火焰强度信号随着时间呈递增状态，于2.48s处达到峰值4754.53mv，此时该点对应燃烧强度最为剧烈；同一时刻亮蓝色火焰锋面传至3号采集点，随后的橙黄色火焰使其信号峰值迅速增加（增长率为17773.59mv/s），并于2.96s处达到峰值4816.03mv；火焰传播至台架末端时，仅存在少量残火燃烧，4号采集点信号强度较低，于3.30s处达到峰值355.77mv后逐渐趋于稳定。分析可得，开敞空间的火焰传播产生的火焰最高强度主要集中在中段位置，点火端主要由于初期的亮蓝色火焰特征以及点火面快速泄放，台架末端由于火焰传播过程的整体泄放以及传播过程的能量损失，二者均无法达到较高的燃烧热能。爆燃火焰在不同初始汽油泄漏量工况下呈现出来的具体颜色也有所差别，如图14所示。表5对上述不同特征做了对比。可以看出初始油气浓度不同对火焰的初始形态有显著的影响，尤其是1.67%以上火焰初始态的亮度明显更大，造成其形态差异的原因主要有以下两点：（1）初始油气浓度不同导致了油气在点燃后的化学反应速率不同，火焰锋面的光滑度有所区别；（2）油气主要由汽油中的轻质烃类构成，烃类物质燃烧过程中会产生可视化的辐射效应2.2.4爆燃开燃段辐射分布图15展示了油气爆燃过程中火焰各方位的温度分布情况，拍摄时间点分别在1.25s、2.25s和3.25s处。可以看出1.25s处由于薄膜破裂泄放至外部的未燃油气再一次被点燃形成了外部爆燃峰值图16展示了油气爆燃过程中的对外辐射分布，辐射仪布置方案如图7所示。由图可见，3个采集点的峰值均产生于爆燃开始后4s附近，此时处于残火燃烧的燃烧溃散阶段。位于台架后半段的2号采集点达到了辐射峰值13.997kw/m3开敞空间油气爆燃超压动态时序发展规律本文主要从可视化角度研究了开敞空间油气预混爆燃过程，重点分析了超压、火焰速度、火焰强度等关键参数在爆燃过程中的变化规律。主要结论如下：（1）随着初始油气浓度的变化，可根据火焰的主要表现形式将其归纳为3类，分别是无火的气云灼