歐益宏，李 潤，袁廣強(qiáng)，周建忠，王 波，李陽超

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系,重慶 401311;2.陸軍72489部隊(duì),山東 煙臺 265301)

液態(tài)油料中的輕烴成分在常溫下極易揮發(fā)形成油氣，一旦油氣達(dá)到一定濃度，遇到點(diǎn)火源，就會產(chǎn)生爆炸。對437例油庫著火爆炸事故點(diǎn)火源的統(tǒng)計(jì)表明[1]，明火在各種點(diǎn)火源中居首位，占24%。明火容易引燃油氣的原因是高溫，且明火中含有大量原子或自由基，可誘發(fā)油氣著火爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[2]。

對明火引燃可燃?xì)怏w，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究[3-10]。例如，Kundu等[3]把明火歸為外部點(diǎn)火源，并得到不同類型點(diǎn)火源空間尺度與熱釋放速率之間的關(guān)系。Werle等[4]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧化劑溫度約為1 100 K時，甲烷燃燒時的著火延遲期最短，溫度上升最大。Ryu等[5]和Elbaz等[6]研究了火焰穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)增大流速可提高火焰溫度及穩(wěn)定性。范寶春等[7]模擬了高溫火團(tuán)誘導(dǎo)的爆炸，實(shí)驗(yàn)中要求火團(tuán)初溫不能過高或過低且形成適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?。歐益宏等[8-9]進(jìn)行了油氣熱著火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱壁巨大的溫度梯度導(dǎo)致著火溫度高于自燃點(diǎn)。吳松林等[10]分析了不同點(diǎn)火方式對油氣起燃速度、火焰結(jié)構(gòu)等的影響。然而，這些研究大多針對密閉空間內(nèi)氫氣、甲烷等單一工質(zhì)氣體的燃燒爆炸現(xiàn)象，對油氣這種混合工質(zhì)氣體研究較少[11]。同時，在日常生產(chǎn)、生活中油氣不僅產(chǎn)生于密閉空間中，也常聚集在倉庫、泵房等半封閉空間。因此，本文中對明火引燃半封閉空間油氣爆炸特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析火焰?zhèn)鞑ヌ匦院蛪毫Πl(fā)展特性，包括火焰形狀、火焰組分、火焰縱向和橫向位置及速度、容器內(nèi)壓力和壓力變化速率等參數(shù)，探討火焰與壓力波的耦合作用，以期為預(yù)防、控制和分析油氣著火爆炸事故提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用文獻(xiàn)[12]中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。采用SPKM-13Z明火點(diǎn)火槍于盲板中心點(diǎn)火，為避免陽光對火焰顏色的干擾，實(shí)驗(yàn)在暗室條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)初始溫度為20 ℃，初始壓力為0.1 MPa，點(diǎn)火位置在容器底板中心。油氣體積分?jǐn)?shù)有低、中和高3種，分別為1.0%、1.7%和2.4%，對應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比為0.62、1.05和1.48。為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，每組體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時，配氣系統(tǒng)在達(dá)到所需油氣體積分?jǐn)?shù)并穩(wěn)定后，停止配氣，然后啟動同步控制器依次觸發(fā)高速攝影儀以及壓力采集系統(tǒng)，采集壓力數(shù)據(jù)和火焰圖像。在觸發(fā)后，利用明火點(diǎn)火器引燃油氣。最后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀器，分析數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

通過高速攝影儀對低(1.0%)、中(1.7%)、高(2.4%)這3種油氣體積分?jǐn)?shù)的火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了拍攝，分析火焰精細(xì)結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑シ謪^(qū)、火焰組分和火焰速度等傳播特性。

2.1.1火焰?zhèn)鞑シ謪^(qū)及火焰組分

圖2所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1.0%的火焰?zhèn)鞑ミ^程。0 ms時油氣被明火瞬間引燃，火焰開始出現(xiàn)明顯分區(qū)，可分為燃燒核和火焰陣面。燃燒核為白色明火，火焰陣面為淡藍(lán)色光圈。0～24 ms階段，明火還未熄滅，導(dǎo)致燃燒核范圍先擴(kuò)大后減小。在明火的加熱作用下，淡藍(lán)色火焰陣面逐漸擴(kuò)大，呈圓錐形。24～68 ms階段，明火熄滅導(dǎo)致燃燒核消失，剩下淡藍(lán)色火焰陣面。由于反應(yīng)油氣與未反應(yīng)油氣之間存在溫度梯度，從而形成密度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生浮力效應(yīng)[13-14]，導(dǎo)致火焰的縱向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度，火焰陣面變?yōu)閳A柱形。在燃燒產(chǎn)物膨脹和壓力波的雙重作用下，52 ms時，聚乙烯薄膜破裂，此時火焰陣面還未傳播到容器口。68 ms時，火焰陣面?zhèn)鞑サ饺萜骺诓⒁家绯龅挠蜌?，但還未接觸到側(cè)壁，淡藍(lán)色火焰范圍繼續(xù)擴(kuò)大。直到116 ms時,火焰陣面才傳播到側(cè)壁，此時容器內(nèi)淡藍(lán)色光圈范圍達(dá)到最大。隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，容器中心油氣逐漸消耗，亮度降低。隨著容器壁面油氣燃燒耗盡，火焰熄滅，整個過程歷時194 ms。

圖3所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1.7%的火焰?zhèn)鞑ミ^程。0 ms時明火點(diǎn)火槍引燃油氣，形成小的藍(lán)色火焰。0～10 ms時火焰出現(xiàn)明顯的分區(qū)，中心為紅色絲狀燃燒核，外部為藍(lán)色火焰陣面。火焰陣面受浮力和拉伸的影響，出現(xiàn)一些傾斜和扭曲，說明產(chǎn)生了小尺度湍流燃燒，火焰形狀近似為圓錐形。因?yàn)閴毫Σ▊鞑ニ俣却笥诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋?5.4 ms時壓力波沖破薄膜，此時火焰還未傳播到容器口。由于燃燒產(chǎn)物膨脹和湍流的正反饋?zhàn)饔茫鹧骊嚸嫖恢弥饾u移動，到32.0 ms時火焰陣面?zhèn)鞑サ饺萜骺诓⒁家绯龅挠蜌?，此時紅色絲狀燃燒核長度達(dá)到最大，之后迅速消失，火焰形狀近似為圓柱形。隨后在內(nèi)外壓差、泄爆誘導(dǎo)的湍流作用下，火焰陣面急劇變形，變成了大尺度湍流燃燒，導(dǎo)致燃燒速率增大。因?yàn)榛鹧婵v向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度，火焰陣面繼續(xù)向側(cè)壁傳播。56.0 ms火焰陣面開始抵達(dá)側(cè)壁，容器內(nèi)藍(lán)色光圈范圍達(dá)到最大。隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，火焰結(jié)構(gòu)變得更加紊亂。容器中間顏色變暗，藍(lán)色光圈內(nèi)油氣逐漸耗盡，至108.0 ms時火焰熄滅，藍(lán)色光圈消失。

圖4所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=2.4%的火焰?zhèn)鞑ミ^程。0 ms時明火瞬間引燃油氣，產(chǎn)生淡藍(lán)色蘑菇狀火焰。0～20 ms時火焰出現(xiàn)明顯的分區(qū)，中間為橘紅色燃燒核，邊緣為淡藍(lán)色火焰陣面，火焰形狀變成圓柱形。燃燒核出現(xiàn)皺褶、折疊，表現(xiàn)出不穩(wěn)定燃燒，說明發(fā)生了湍流燃燒現(xiàn)象。由于是富燃條件(φ=2.4%)，受浮力影響顯著，火焰縱向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度并且火焰下部保持停滯。20～112 ms時隨著反應(yīng)的進(jìn)行，燃燒核湍流度增大，亮度增大，火焰形狀仍然為圓柱形。因?yàn)榛鹧骊嚸孑^壓力波有所滯后，火焰還未到達(dá)容器口時，聚乙烯薄膜已經(jīng)被壓力波沖破，導(dǎo)致部分未燃油氣被沖到空氣中。112 ms時火焰陣面?zhèn)鞑サ饺萜骺?，引燃泄放的油氣，燃燒核顏色變?yōu)辄S白色。此時，火焰還未傳播到側(cè)壁，到188 ms，火焰陣面才接觸到側(cè)壁。由于氧氣不足，容器內(nèi)大量油氣還未完全燃燒。200～500 ms時，由于空氣的流入，火焰開始從容器頂部向下緩慢燃燒，燃燒核亮度明顯增強(qiáng)，顏色變?yōu)榘咨{(lán)色火焰陣面逐漸消失。隨后，火焰進(jìn)一步發(fā)展，直至熄滅。耗時1 092 ms。

結(jié)合圖2～4可以看出，明火引燃油氣后，火焰具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，即可分為燃燒核和火焰陣面。不同油氣體積分?jǐn)?shù)，火焰組分差異巨大，中低油氣體積分?jǐn)?shù)火焰顏色呈現(xiàn)藍(lán)色或淡藍(lán)色，主要是因?yàn)檠鯕獬渥?，燃燒反?yīng)完全，產(chǎn)生大量OH、CH自由基，而OH、CH光譜呈淡藍(lán)色[15-16]。高體積分?jǐn)?shù)油氣燃燒時，低鏈碳?xì)浣M分迅速發(fā)生反應(yīng)并離解，生成大量OH、CH自由基，火焰顏色呈現(xiàn)淡藍(lán)色，同時高鏈碳?xì)浣M分也裂解為低鏈碳?xì)浣M分。隨后隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的下降以及溫度的上升，反應(yīng)不充分，生成大量碳煙粒子，碳煙粒子在高溫受熱條件下會發(fā)出明亮的黃白光[17-18]。隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的提高，油氣爆炸持續(xù)時間呈現(xiàn)出先縮短后延長的趨勢。

2.1.2火焰陣面?zhèn)鞑ヌ匦约坝绊懸蛩?/p>

根據(jù)高速攝影儀拍攝的火焰圖片與著火容器的位置關(guān)系，可得到不同體積分?jǐn)?shù)的油氣在不同時刻的縱向和橫向火焰陣面位置，再根據(jù)兩幅圖片的時間間隔就可以得到不同體積分?jǐn)?shù)的油氣在不同時刻的縱向和橫向火焰陣面速度。圖5～6所示分別為3種油氣體積分?jǐn)?shù)的縱向火焰陣面位置、縱向火焰陣面速度、橫向火焰陣面位置和橫向火焰陣面速度隨時間的變化曲線。

從圖5(a)中可以看出，同一時刻，體積分?jǐn)?shù)為1.7%的油氣縱向火焰陣面距容器底端最遠(yuǎn)，說明其速度也最大，與圖5(b)中結(jié)果相符。44 ms之前體積分?jǐn)?shù)為2.4%的油氣縱向火焰陣面位置比體積分?jǐn)?shù)為1.0%的油氣距離更遠(yuǎn)，之后比體積分?jǐn)?shù)為1.0%的油氣距離近。原因是高濃度油氣引燃階段受熱浮力推舉作用比低濃度大，火焰能夠快速上升到較高位置，而后由于氧氣不足，高濃度油氣化學(xué)反應(yīng)速率沒有低濃度快，導(dǎo)致縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣刃∮隗w積分?jǐn)?shù)為1.0%的油氣的。3種油氣體積分?jǐn)?shù)縱向火焰陣面位置的斜率都是先減小后增大的趨勢，說明縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣纫彩窍葴p小后增大，與圖5(b)基本相符。從圖5(b)中可以看出，體積分?jǐn)?shù)為1.7%的油氣縱向火焰陣面速度最大，最大值為8.08 m/s，是體積分?jǐn)?shù)為1.0%和2.4%的油氣的縱向火焰陣面速度最大值的2.1倍和2.1倍。3種油氣體積分?jǐn)?shù)縱向火焰陣面速度均先減小后增大，原因是明火引燃初期，油氣被急劇加熱發(fā)生膨脹，并在熱浮力推舉作用下，火焰陣面短時間傳播到較高位置，速度較大。隨后由于薄膜約束，燃燒核壓強(qiáng)減小，浮力作用減弱，導(dǎo)致縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣冉档汀Ｗ詈髩毫Σ_破薄膜，在內(nèi)外壓差和泄爆誘導(dǎo)的湍流作用下，容器內(nèi)部反應(yīng)速率迅速增大，縱向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣忍岣摺?/p>

從圖6(a)中可以發(fā)現(xiàn)，相同時刻，隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增加，橫向火焰陣面位置的距離先增大后減小，說明火焰陣面?zhèn)鞑サ絺?cè)壁時間先減小后增大，橫向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍蠼档停c圖6(b)中曲線吻合。3種油氣體積分?jǐn)?shù)橫向火焰陣面位置的斜率都有先減小后穩(wěn)定的趨勢，表明橫向火焰陣面速度先降低后趨于穩(wěn)定，與圖6(b)曲線相符。從圖6(b)中可以發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)為1.7%的油氣橫向火焰陣面速度最大，最大值為2.45 m/s，是體積分?jǐn)?shù)1.0%和2.4%的橫向火焰陣面速度最大值的1.2倍和1.2倍。3種油氣體積分?jǐn)?shù)橫向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣染葴p小后趨于穩(wěn)定，原因是明火瞬間點(diǎn)燃，將能量高速傳遞給油氣，促使橫向火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣榷虝r達(dá)到最大。由于明火持續(xù)時間極短，能量傳遞有限，導(dǎo)致橫向火焰陣面速度迅速下降。之后因?yàn)閭?cè)壁限制，壓力波反射抑制了橫向火焰陣面，使橫向火焰陣面速度保持穩(wěn)定。

結(jié)合圖5(a)和圖6(a)可以得出，相同時間、相同體積分?jǐn)?shù)油氣的縱向火焰陣面位置比橫向火焰陣面位置遠(yuǎn)，并且隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰陣面位置的距離先變大后變小。油氣體積分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.7%和2.4%的火焰陣面?zhèn)鞑サ絺?cè)壁用時是傳播到容器口用時的1.71倍、1.75倍和1.68倍。結(jié)合圖5(b)和圖6(b)可以得出，相同時間、相同體積分?jǐn)?shù)油氣的縱向火焰陣面速度大于橫向速度，并且隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰陣面的速度先增大后減小。體積分?jǐn)?shù)分別為1.0%、1.7%和2.4%的油氣的最大縱向火焰陣面速度是最大橫向火焰陣面速度的1.89倍、3.30倍和1.89倍。

2.2 壓力發(fā)展特性

2.2.1壓力發(fā)展歷程

根據(jù)高頻壓力傳感器測得的容器內(nèi)壓力變化情況，可得到不同油氣體積分?jǐn)?shù)著火爆炸的壓力發(fā)展歷程，結(jié)果如圖7～9所示。

圖7所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1%時的壓力及壓力變化速率時程曲線。從壓力的發(fā)展歷程來看可以分為4個階段。第Ⅰ階段為壓力平穩(wěn)階段，持續(xù)約25.3 ms，在這段時間內(nèi)壓力沒有上升。原因是明火引燃油氣后，火焰以層流狀態(tài)傳播，火焰面積小，單位時間放熱量少，產(chǎn)生的壓力波還未傳播到傳感器，所測壓力在0 kPa附近，無明顯變化；第Ⅱ階段為壓力陡升階段，持續(xù)約27 ms。25.3 ms時壓力波傳播到傳感器，未燃油氣溫度升高，產(chǎn)物膨脹，從而使燃燒強(qiáng)度增加，火焰面積增大，導(dǎo)致火焰縱向擴(kuò)展速度加快，壓力快速上升，上升速率最大為0.197 kPa/ms。52.3 ms時薄膜破裂，形成第1個超壓峰值p1=2.014 kPa。第Ⅲ階段為壓力猛降后回升階段，持續(xù)約15.7 ms。由于壓力波傳播速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，薄膜破裂時，火焰前鋒距容器口仍有5.69 cm。此時大量未燃油氣在內(nèi)外壓差的作用下沖出容器，導(dǎo)致容器內(nèi)部超壓開始下降。下降速率最大達(dá)到0.367 kPa/ms，至62.2 ms時壓力下降到0.986 kPa。隨著火焰向管口推進(jìn)，因受內(nèi)外壓差和泄爆誘導(dǎo)流動，燃燒面積進(jìn)一步增大。油氣劇烈燃燒產(chǎn)生的升壓大于容器內(nèi)氣體泄壓，致使容器內(nèi)超壓重新開始上升。68 ms后火焰鋒面?zhèn)鞑ブ寥萜骺冢獠坑蜌獗灰?，形成噴射火焰，?dǎo)致容器內(nèi)壓力進(jìn)一步上升，并形成第2個壓力峰值p2[19-20]，數(shù)值為1.077 kPa。第Ⅳ階段為振蕩衰減階段，持續(xù)約72 ms。因?yàn)榛鹧婵v向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于橫向拉伸速度，火焰繼續(xù)向側(cè)壁傳播。在內(nèi)部火焰和管口附近壓力波反向傳播的相互作用下，容器內(nèi)出現(xiàn)壓力振蕩，即Helmholtz振蕩[21-22]，振蕩頻率約為430 Hz。116 ms時火焰接觸到側(cè)壁，由于火焰和壓力波耦合作用，振蕩幅度變大。隨著容器內(nèi)外油氣的耗盡，壓力迅速下降，直至壓強(qiáng)變?yōu)榱恪?/p>

圖8所示為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=1.7%時壓力及壓力變化率時程曲線。壓力發(fā)展過程同樣分為4個階段。第Ⅰ階段為壓力平穩(wěn)階段，壓力無明顯變化，持續(xù)約15.6 ms。0 ms時油氣被明火引燃，壓力波經(jīng)過15.6 ms傳播至傳感器，在此期間所測壓力稍微大于0 kPa。第Ⅱ階段為壓力陡升階段，持續(xù)約9.8 ms。隨著火焰快速傳播，容器內(nèi)壓力急劇上升，上升速率最大為0.647 kPa/ms。到25.4 ms時聚乙烯薄膜破裂，形成第1個壓力峰值p1=2.606 kPa。第Ⅲ階段為壓力猛降后回升階段，持續(xù)約6.8 ms。因?yàn)榛鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣刃∮趬毫Σ▊鞑ニ俣?，薄膜破裂時，火焰?zhèn)鞑サ骄嚯x容器口1.54 cm處，大量未燃油氣泄放到空氣中，引起容器內(nèi)壓力迅速下降。下降速率最大為0.492 kPa/ms，至29 ms時壓力下降到1.645 kPa；隨著火焰向管口推進(jìn)，受內(nèi)外壓差和泄爆誘導(dǎo)流動，燃燒面積進(jìn)一步增大。油氣劇烈燃燒產(chǎn)生的升壓大于容器內(nèi)氣體泄壓，致使容器內(nèi)超壓重新上升。32.2 ms時火焰鋒面?zhèn)鞑ブ寥萜骺冢獠坑蜌獗灰?，形成噴射火焰，引起容器?nèi)壓力進(jìn)一步上升，形成第2個壓力峰值p2=1.889 kPa。第Ⅳ階段為振蕩衰減階段，持續(xù)約45.8 ms。火焰?zhèn)鞑サ饺萜骺诤罄^續(xù)向側(cè)壁擴(kuò)展，在內(nèi)部火焰和管口附近壓力波反向傳播的相互作用下，容器內(nèi)產(chǎn)生Helmholtz振蕩，振蕩頻率約為546 Hz。56 ms時火焰抵達(dá)側(cè)壁，由于火焰和壓力波耦合作用，振蕩幅度變大。之后容器內(nèi)外油氣快速減少，振蕩減弱，壓力迅速回落，最后變?yōu)榱恪?/p>

圖9為油氣體積分?jǐn)?shù)φ=2.4%的壓力及壓力變化速率時程曲線，壓力曲線可分為4個階段。第Ⅰ階段為壓力平穩(wěn)階段，持續(xù)約25.5 ms，這段時間內(nèi)壓力沒有上升，約為0 kPa。第Ⅱ階段為壓力陡升階段，持續(xù)約58.9 ms。由于油氣體積分?jǐn)?shù)高，燃燒不完全，釋放的熱量較少，縱向火焰陣面速度較低，約為1 m/s，導(dǎo)致容器內(nèi)壓力上升較慢，上升速率最大為0.092 kPa/ms。至84.4 ms時，形成第1個壓力峰值p1，為1.989 kPa。第Ⅲ階段為壓力猛降后回升階段，持續(xù)約27.6 ms。因?yàn)閴毫ι仙^慢，薄膜發(fā)生膨脹，在p1點(diǎn)沒有破裂。隨后在火焰高溫和壓力波的雙重作用下，102 ms時薄膜破裂，此時火焰?zhèn)鞑サ骄嗳萜骺?.23 cm處。破膜后，泄爆速度大于未燃?xì)怏w速度，導(dǎo)致容器內(nèi)超壓迅速下降。下降速率最大達(dá)到1.026 kPa/ms，至106.2 ms壓力下降到0.038 kPa。112 ms時，火焰鋒面?zhèn)鞑ブ寥萜骺?，外部油氣被引燃，形成噴射火焰。?dǎo)致容器內(nèi)壓力上升，并形成第2個壓力峰值p2，約為0.246 kPa。第Ⅳ階段為振蕩衰減階段，持續(xù)約15.8 ms?；鹧?zhèn)鞑サ饺萜骺诤罄^續(xù)向側(cè)壁擴(kuò)展，在內(nèi)部火焰和管口附近壓力波反向傳播的相互作用下，容器內(nèi)產(chǎn)生Helmholtz振蕩，振蕩頻率約為506 Hz。由于油氣體積分?jǐn)?shù)較高，燃燒反應(yīng)不完全，導(dǎo)致燃燒并不劇烈[19]。隨著空氣的回流和氧氣的補(bǔ)充，形成穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，導(dǎo)致振蕩快速衰減，容器內(nèi)壓力迅速減小到零。

結(jié)合圖7～9可以得出，明火引燃不同體積分?jǐn)?shù)油氣時都會形成壓力雙峰現(xiàn)象。對中、低體積分?jǐn)?shù)油氣，第1個壓力峰值為破膜壓力；對高體積分?jǐn)?shù)油氣，第1個壓力峰值略微大于破膜壓力。第2個壓力峰值則都是由于外部油氣被引燃，導(dǎo)致容器內(nèi)部超壓急劇上升而形成。明火引燃油氣的壓力發(fā)展歷程都可分為4個階段，即壓力平穩(wěn)階段、壓力陡升階段、壓力猛降后回升階段和振蕩衰減階段。隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的增大，振蕩頻率先增大后減小。

2.2.2油氣體積分?jǐn)?shù)對壓力參數(shù)影響

根據(jù)圖7～9得到不同油氣體積分?jǐn)?shù)下的壓力參數(shù)值，如表1所示。

表1 不同油氣體積分?jǐn)?shù)下的壓力參數(shù)Table 1 Pressure parameter for different gasoline/air volume fractions

從壓力發(fā)展歷程的4個階段來看，在壓力平穩(wěn)階段，不同油氣體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)時間差別較小，而在其余3個階段，不同油氣體積分?jǐn)?shù)的持續(xù)時間差別很大，這說明油氣體積分?jǐn)?shù)對壓力平穩(wěn)階段影響較弱，對其余階段影響較弱；隨著油氣體積分?jǐn)?shù)的升高，經(jīng)過壓力平穩(wěn)階段、壓力陡升階段和壓力猛降階段后，回升階段的持續(xù)時間先算短后增長，而振蕩衰減階段的持續(xù)時間一直減小。由表1中數(shù)據(jù)可得到不同油氣體積分?jǐn)?shù)壓力發(fā)展各階段所占發(fā)展歷程總時間比例的直方圖，結(jié)果如圖10所示。圖10中可看出，3種油氣體積分?jǐn)?shù)在第Ⅰ階段中的持續(xù)時間所占比例基本一致，最大差別不超過2%，同樣說明油氣體積分?jǐn)?shù)對壓力平穩(wěn)階段影響較弱。油氣體積分?jǐn)?shù)為1.0%和1.7%時的壓力發(fā)展各階段的持續(xù)時間所占比例大致相同，壓力變化曲線走勢也基本一致。而油氣體積分?jǐn)?shù)為2.4%的壓力發(fā)展各階段持續(xù)時間所占比例與1.0%和1.7%時的差別較大，其壓力變化曲線走勢與1.0%和1.7%時的也不一樣。第Ⅱ階段所占比例較大，是1.0%和1.7%時的2.42倍和3.54倍；而第Ⅳ階段所占比例小，是1.0%和1.7%時的0.23倍和0.20倍。原因是由于油氣濃度較高時，壓力上升較慢且振蕩持續(xù)時間短。

2.3 火焰和壓力波之間的耦合作用分析

結(jié)合火焰圖像和壓力發(fā)展歷程可得出，火焰和壓力波之間形成了強(qiáng)烈的耦合作用，兩者相互作用，相互影響，存在一定的空間位置關(guān)系。以體積分?jǐn)?shù)為2.4%的油氣為例來說明火焰與壓力波的耦合作用，如圖11所示。從圖中可以看出：一方面，火焰的發(fā)展對壓力波具有強(qiáng)烈的促進(jìn)作用。當(dāng)火焰陣面面積增大時，未燃?xì)怏w溫度升高，已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w的組分輸送速率加快，燃燒速度加快，超壓急劇上升。另一方面，壓力波的變化也會對火焰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于壓力波傳播速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，壓力波在傳播過程中會產(chǎn)生反射、折射，使火焰陣面出現(xiàn)局部停滯和失穩(wěn)變形。破膜前，壓力波對火焰起誘導(dǎo)作用，后面緊跟著淡藍(lán)色的火焰陣面；破膜后，由于開口鄰進(jìn)的壓力波反向傳播，導(dǎo)致容器外部氣體向內(nèi)部流動，油氣界面不穩(wěn)定，產(chǎn)生Helmholtz振蕩。

3 結(jié) 論

(1)不同體積分?jǐn)?shù)的油氣火焰組分不同，并且火焰具有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，可分為燃燒核和火焰陣面。

(2)油氣體積分?jǐn)?shù)在1%～2.4%范圍內(nèi)時，隨著體積分?jǐn)?shù)增加，縱向和橫向火焰陣面速度均先變大后變小，并且縱向火焰陣面速度要大于橫向火焰陣面速度。

(3)容器內(nèi)的壓力發(fā)展歷程可分為4個階段，即壓力平穩(wěn)階段、壓力陡升階段、壓力猛降后回升階段和振蕩衰減階段，而且會形成壓力雙峰現(xiàn)象。

(4)油氣體積分?jǐn)?shù)對容器內(nèi)壓力和壓力變化速率有顯著影響，但對壓力平穩(wěn)階段影響較弱。油氣體積分?jǐn)?shù)在1%～1.7%范圍內(nèi)時，壓力發(fā)展各階段持續(xù)時間所占比例大致相同；油氣體積分?jǐn)?shù)大于2.4%時，與1.0%～1.7%油氣體積分?jǐn)?shù)相比在第Ⅱ階段所占比例大，而在第Ⅳ階段所占比例小。

(5)油氣爆炸過程中火焰和壓力波之間形成了強(qiáng)烈的耦合作用?；鹧婕铀僭斐蓧毫ι仙瓷?、折射的壓力波導(dǎo)致火焰陣面停滯和失穩(wěn)變形，壓力波反向傳播和火焰湍流增強(qiáng)產(chǎn)生Helmholtz振蕩。

[1] 帥先勇,王元剛.油庫著火爆炸事故的形成原因及預(yù)防[J].石油庫與加油站,2003,12(5):17-18.

SHUAI Xianyong, WANG Yuangang. Causes and prevention of fire and explosion accident in oil depot[J]. Oil Depot and Gas Station, 2003,12(5):17-18.

[2] 趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996.

[3] KUNDU S, ZANGANEH J, MOGHTADERI B. A review on understanding explosions from methane-air mixture[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016,40:507-523.DOI:10.1016/j.jlp.2016.02.004.

[4] WERLE S, WILK R K. Ignition of methane and propane in high-temperature oxidizers with various oxygen concentrations[J]. Fuel, 2010,89(8):1833-1839.DOI:10.1016/j.fuel.2010.03.012.

[5] RYU Jungwan, KWON Jongseo, KIM Ryanggyun, et al. Surface ignition behaviors of methane-air mixture in a gas oven burner[J]. Applied Thermal Engineering, 2014,65(1/2):262-272.

[6] ELBAZ A M, ZAYED M F, SAMY M, et al. The flow field structure of highly stabilized partially premixed flames in a concentric flow conical nozzle burner with coflow[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2016,73:2-9.DOI:10.1016/j.expthermflusci.2015.08.016.

[7] 范寶春,邢曉江,李鴻志.可燃介質(zhì)中高溫火團(tuán)誘導(dǎo)的爆炸及其抑制[J].兵工學(xué)報(bào),2001,22(2):195-198.

FAN Baochun, XING Xiaojiang, LI Hongzhi. Explosion induced by a hot reactive gas pocket and its suppression[J]. Acta Armamentarii, 2001,22(2):195-198.

[8] 歐益宏,杜揚(yáng),張崢,等.高熱壁油氣熱爆燃實(shí)驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2008,8(4):115-118.

OU Yihong, DU Yang, ZHANG Zheng, et al. Experiment analysis of gasoline-air mixture deflagration under the condition of hot wall[J]. Journal of Safety and Environment, 2008,8(4):115-118.

[9] 歐益宏,杜揚(yáng),蔣新生,等.地下坑道瓦斯熱著火實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦安全,2011,42(2):4-7.

OU Yihong, DU Yang, JIANG Xinsheng, et al. Experimental study on thermal ignition of gas in underground tunnel[J]. Safety in Coal Mines, 2011,42(2):4-7.

[10] 吳松林,杜揚(yáng),張培理,等.點(diǎn)火方式對受限空間油氣爆燃規(guī)律的影響研究[J].化工學(xué)報(bào),2015,66(2):1-8.

WU Songlin, DU Yang, ZHANG Peili,et al. Study on ignition effect for gasoline-air deflagration behavior in confined space[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2015,66(2):1-8.

[11] 程平,張為俊,儲焰南,等.用選擇離子流動管質(zhì)譜測定汽油和柴油蒸汽成分[J].分析化學(xué),2003,31(5):548-551.

CHENG Ping, ZHANG Weijun, CHU Yannan, et al. Analysis of petrol and diesel vapor using selective ion flow tube/mass spectrometry[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2003,31(5):548-551.

[12] 歐益宏,袁廣強(qiáng),周建忠,等.半封閉空間鎢絲點(diǎn)燃油氣特性研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,32(4):38-44.

OU Yihong, YUAN Guangqiang, ZHOU Jianzhong, et al. Experiment characteristics of tungsten wire ignition gasoline-air mixture in semi-confined space[J]. Journal of Logistics Engineering University, 2016,32(4):38-44.

[13] 徐進(jìn)生,劉洋,陳先鋒,等.甲烷與空氣質(zhì)量濃度當(dāng)量比對火焰結(jié)構(gòu)及傳播特性的影響[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2014,24(9):64-69.

XU Jinsheng, Liu Yang, Chen Xianfeng, et al. Effect of CH4to air mass concentration ratio on flame structure and propagation characteristic[J]. China Safety Science Journal, 2014,24(9):64-69.

[14] MENON S K, BOETTCHER P A, VENTURA B, et al. Hot surface ignition ofn-hexane in air[J]. Combustion and Flame, 2015,163:42-53.

[15] 汪泉.有機(jī)玻璃方管內(nèi)瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯縖D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[16] 牛芳,劉慶明,白春華,等.甲烷/空氣預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑ミ^程[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(5):441-445.

NIU Fang, LIU Qingming, BAI Chunhua, et al. Observation of propagating flame of methane-air mixture[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2012,32(5):441-445.

[17] 牛芳,劉慶明,白春華,等.甲烷-煤塵爆炸物火焰?zhèn)鞑ヌ匦訹J].高壓物理學(xué)報(bào),2012,26(4):455-461.

NIU Fang, LIU Qingming, BAI Chunhua,et al. Flame propagation and combustion in methane-coal-air mixture[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012,26(4):455-461.

[18] NIE Baisheng, HE Xueqiu, ZHANG Chen, et al. Temperature measurement of gas explosion flame based on the radiation thermometry[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2014,78:132-144.

[19] GUO Jin, SUN Xuxu, RUI Shengchao, et al. Effect of ignition position on vented hydrogen-air explosions[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015,40(45):15780-15788.DOI:10.1016/j.ijhydene.2015.09.038.

[20] 胡俊,萬士昕,浦以康,等.柱形容器開口泄爆過程中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦訹J].爆炸與沖擊,2004,24(4):330-336.

HU Jun, WAN Shixin, PU Yikang, et al. The characteristics of flame propagation during explosion venting from cylindrical vessel[J]. Explosion and Shock Waves, 2004,24(4):330-336.

[21] Rocourt X, Awamat S, Sochet I, et al. Vented hydrogen-air deflagration in a small enclosed volume[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014,39(35):20462-20466.

[22] GUO Jin, WANG Changjian, LI Quan, et al. Effect of the vent burst pressure on explosion venting of rich methane-air mixtures in a cylindrical vessel[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016,40:82-88.