陳長(zhǎng)坤，張宇倫，趙小龍,2,3

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 清華大學(xué)合肥公共安全研究院災(zāi)害環(huán)境人員安全安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230601；3. 合肥澤眾城市智能科技有限公司，安徽 合肥，230601)

可燃液體在生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程中的潛在熱危害是安全領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容之一。2020 年6月，浙江省溫嶺市沈海高速公路發(fā)生了重大的爆燃事故，造成20人死亡，189人受傷，周邊村莊建筑幾乎全部被毀[1]。這進(jìn)一步引發(fā)了公眾對(duì)可燃液體運(yùn)輸過(guò)程中熱安全問(wèn)題的關(guān)注。事實(shí)上，相比于發(fā)生在開(kāi)放空間的爆燃事故而言，發(fā)生在狹長(zhǎng)管道類(lèi)空間內(nèi)的火災(zāi)或爆燃事故也較為常見(jiàn)且危害性更大[2-3]。例如，2014 年山西省晉濟(jì)高速巖后隧道發(fā)生重大爆燃事故；2017 年，河北省浮圖峪隧道發(fā)生爆燃事故，這些爆燃事故均造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[4]?？扇家后w爆燃事故的頻繁發(fā)生和慘重后果，促使學(xué)者們進(jìn)一步研究可燃液體爆燃相關(guān)問(wèn)題及防災(zāi)減災(zāi)策略。

真實(shí)的管道類(lèi)結(jié)構(gòu)火災(zāi)爆燃事故場(chǎng)景中通常存在障礙物(如隧道內(nèi)的受困車(chē)輛、內(nèi)置設(shè)備等)[5]，障礙物的存在極大地增大了爆燃反應(yīng)強(qiáng)度并使事故波及范圍擴(kuò)大，這是此類(lèi)災(zāi)害事故造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因之一[6-8]。HALL等[9]探究了障礙物數(shù)量對(duì)氣體爆燃?jí)簭?qiáng)的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)爆炸壓強(qiáng)會(huì)隨障礙物數(shù)量增加而增大，而當(dāng)障礙物數(shù)量超過(guò)臨界值時(shí)，最大爆燃?jí)簭?qiáng)將會(huì)隨障礙物數(shù)量增加而減小。NA'INNA 等[10]在密閉管道結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了甲烷和空氣的均勻預(yù)混氣體爆燃實(shí)驗(yàn)，揭示了不同障礙物阻塞比和分布間距下的爆燃火焰波和壓力波傳播特性的演化規(guī)律。JOHANSEN 等[11]在小尺寸狹長(zhǎng)管道結(jié)構(gòu)中研究了早期爆燃火焰加速過(guò)程，發(fā)現(xiàn)障礙物的存在對(duì)火焰波的傳播具有明顯加速作用。MASRI 等[12]研究了障礙物形狀對(duì)火焰波傳播特性的影響，發(fā)現(xiàn)相比于圓形和三角形結(jié)構(gòu)，正方形障礙物對(duì)爆燃火焰的加速作用更明顯。CROSS 等[13]在配置有障礙物的管道結(jié)構(gòu)中開(kāi)展了一系列爆燃測(cè)試，分析了可燃?xì)怏w爆燃到爆轟轉(zhuǎn)化過(guò)程以及爆轟傳播的極限范圍。WANG 等[14]研究了矩形、梯形和球形障礙物形狀對(duì)封閉管道結(jié)構(gòu)中預(yù)混甲烷氣體爆燃的影響，揭示了火焰前沿與不同形狀障礙物邊緣之間的剪切效應(yīng)。LI 等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和大渦模擬手段分析了管道內(nèi)圓形截面空心障礙物對(duì)爆燃火焰波和壓力波傳播的影響規(guī)律，揭示了障礙物和爆燃火焰及壓力波之間復(fù)雜的耦合關(guān)系。王成等[16]在狹長(zhǎng)水平管道結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了小尺寸瓦斯氣體爆燃實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明在一定瓦斯?jié)舛葪l件下，半圓形障礙物作用下爆燃火焰波傳播速度最快，火焰加速誘導(dǎo)激波對(duì)未燃?xì)怏w的影響具有關(guān)鍵作用。郭丹彤等[17]針對(duì)障礙物幾何維度對(duì)均勻預(yù)混氣體爆燃?jí)簭?qiáng)的影響展開(kāi)了數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果表明立體維度障礙物對(duì)爆燃?jí)簭?qiáng)的影響顯著大于平面維度障礙物對(duì)爆燃?jí)簭?qiáng)的影響。程方明等[18]對(duì)半封閉管道結(jié)構(gòu)中爆燃火焰波傳播過(guò)程開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得到了狹長(zhǎng)管道結(jié)構(gòu)中多孔障礙物對(duì)爆燃火焰前沿和局部流場(chǎng)的影響規(guī)律。

上述研究主要集中于封閉/半封閉狹長(zhǎng)管道結(jié)構(gòu)空間內(nèi)均勻預(yù)混可燃?xì)怏w的爆燃特性，然而現(xiàn)實(shí)中的可燃液體運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的爆燃事故，其初始爆燃?xì)怏w分布是非均勻、非預(yù)混的，爆燃反應(yīng)特性主要由泄漏的可燃液體流淌擴(kuò)展和蒸發(fā)程度所決定。然而，在這種非均勻可燃蒸氣濃度分布條件下障礙物對(duì)狹長(zhǎng)管道類(lèi)結(jié)構(gòu)(如隧道、通道等)爆燃特性影響機(jī)制的研究相對(duì)較少。CHEN等[19]在相同阻塞比條件下(障礙物橫截面積固定)，針對(duì)障礙物寬高比對(duì)管道結(jié)構(gòu)爆燃特征參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行了初步探究。在此基礎(chǔ)上，本文作者研究在相同寬高比情況下(障礙物橫截面寬度和高度之比固定)，障礙物阻塞比對(duì)可燃液體蒸氣非均勻分布條件下的管道爆燃作用機(jī)理。針對(duì)狹長(zhǎng)管道類(lèi)結(jié)構(gòu)中可燃液體泄漏蒸發(fā)誘導(dǎo)的非均勻濃度分布蒸氣爆燃展開(kāi)一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲得火焰前沿結(jié)構(gòu)及傳播速度、爆燃?jí)簭?qiáng)和局部位置CO體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)，以期為此類(lèi)型爆燃基礎(chǔ)研究及事故應(yīng)急處置提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 管道模型和測(cè)量系統(tǒng)

管道模型長(zhǎng)3.0 m，其橫截面為長(zhǎng)×寬為0.30 m×0.25 m的矩形，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。模型頂棚、底板和后側(cè)壁均由厚度為10 mm的鋼板制成。為了便于觀(guān)察爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，前?cè)壁采用厚度為8 mm的耐高溫石英玻璃制成。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，將0.4 kg乙醇液體(純度為99.9%，燃燒熱值為26 780 kJ/kg)注入管道模型中的燃料盤(pán)(高為0.05 m、內(nèi)徑為0.1 m)。燃料盤(pán)放置在加熱板上進(jìn)行恒溫加熱，加熱溫度為351.45 K。模型兩端出口使用0.03 mm厚的聚乙烯薄膜密封，限制蒸發(fā)的乙醇?xì)怏w溢出，形成管道結(jié)構(gòu)內(nèi)初始爆燃濃度分布。在燃料盤(pán)恒溫加熱150 s 后，用5 個(gè)濃度傳感器對(duì)管道模型中乙醇蒸氣濃度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為V1～V5，分別位于點(diǎn)火源處以及通道中心線(xiàn)右側(cè)0.2，0.4，0.6 和0.8 m 處。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中，燃料盤(pán)加熱150 s后，隧道內(nèi)濃度分布已基本穩(wěn)定且已達(dá)乙醇蒸氣爆炸下限。管道模型內(nèi)爆燃?jí)簭?qiáng)變化通過(guò)數(shù)字壓力傳感器(Scienic CY301，量程為0～1 MPa，時(shí)間常數(shù)為0.2 ms)測(cè)量，測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在點(diǎn)火源處(P1)以及距點(diǎn)火源0.2 m(P2)和0.4 m(P3)處。高速攝像機(jī)(Photron UX50)設(shè)置在管道模型正前方10 m 處，用以記錄爆燃火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和火焰前沿結(jié)構(gòu)變化特征，幀速率設(shè)置為500 幀/s。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即使用CO 濃度分析儀(Testo320)測(cè)量管道出口位置CO體積分?jǐn)?shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1 Diagram of experimental model

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

本文將阻塞比定義為障礙物的橫截面積與管道結(jié)構(gòu)的橫截面積的比值。使用混凝土試塊模擬管道結(jié)構(gòu)內(nèi)障礙物，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。障礙物在管道縱向上的長(zhǎng)度固定為0.15 m，寬高比固定為1，障礙物中心位置與點(diǎn)火源之間距離為0.6 m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，高能點(diǎn)火器點(diǎn)火能量設(shè)置為10 J，提前10 s開(kāi)啟高速攝像機(jī)和數(shù)字壓力傳感器。環(huán)境濕度為70%，環(huán)境溫度為303 K，環(huán)境壓力為1.01×105Pa。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每組工況重復(fù)2次。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental scenarios

1.3 管道模型內(nèi)非均勻蒸氣濃度分布

在管道結(jié)構(gòu)可燃液體蒸氣爆燃事故中，由于液體燃料蒸發(fā)擴(kuò)散，其爆燃初始介質(zhì)濃度分布是不均勻的。通過(guò)對(duì)乙醇液體恒溫(351.45 K)加熱150 s，產(chǎn)生管道內(nèi)初始濃度分布。盡管在真實(shí)的可燃液體泄漏場(chǎng)景中，局部的環(huán)境溫度可能無(wú)法達(dá)到泄漏液體的沸點(diǎn)溫度，但是現(xiàn)實(shí)中同樣存在局部位置發(fā)生燃燒或車(chē)輛機(jī)械故障異常發(fā)熱造成液體達(dá)到或接近沸點(diǎn)溫度的情況，從而形成管道空間內(nèi)的蒸氣分布。因此，本文采取沸點(diǎn)溫度恒溫加熱的方式產(chǎn)生初始爆燃介質(zhì)濃度分布，以便更準(zhǔn)確地模擬真實(shí)隧道爆燃事故蒸氣濃度分布。為驗(yàn)證此過(guò)程，在加熱150 s后(乙醇蒸汽濃度分布已相對(duì)穩(wěn)定)，對(duì)管道模型空間內(nèi)乙醇蒸氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)V1～V5位置見(jiàn)圖1。對(duì)工況1～6中的乙醇蒸氣初始濃度分別測(cè)量2～3次，其平均體積分?jǐn)?shù)如表2所示。由表2可以看出：管道結(jié)構(gòu)中乙醇液體蒸發(fā)產(chǎn)生的初始蒸氣濃度分布是不均勻的，點(diǎn)火源處乙醇蒸氣平均體積分?jǐn)?shù)最高且達(dá)到乙醇蒸氣爆炸下限，隨著測(cè)點(diǎn)距離點(diǎn)火源越遠(yuǎn)，乙醇蒸氣平均體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，符合基本預(yù)期。

1.4 實(shí)驗(yàn)誤差分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，爆燃火焰前沿位置、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、壓力等測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免地存在一定程度的誤差，這主要來(lái)自測(cè)量設(shè)備精度、重復(fù)實(shí)驗(yàn)隨機(jī)誤差以及數(shù)據(jù)后期處理誤差等。例如，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊墨@取是通過(guò)將拍攝的火焰視頻輸出成圖片序列，用Matlab 程序?qū)⒉噬珗D片序列轉(zhuǎn)化成二值圖，提取火焰位置信息，獲得火焰前沿位置與傳播時(shí)間的關(guān)系，最后對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)處理，得到火焰?zhèn)鞑ニ俣?。需要注意的是，由于火焰存在自發(fā)光，因此火焰速度數(shù)據(jù)后期處理中也必然存在誤差。

為此，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。單次實(shí)驗(yàn)中某參數(shù)真實(shí)值Xi和標(biāo)準(zhǔn)差σ可通過(guò)式(1)計(jì)算：

表3 典型工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析Table 3 Experimental data and error analysis of typical cases

2 結(jié)果與分析

2.1 爆燃火焰前沿結(jié)構(gòu)演化特征

圖2所示為工況5中不同時(shí)刻的乙醇蒸氣爆燃火焰?zhèn)鞑D片。當(dāng)管道結(jié)構(gòu)中心處乙醇蒸氣被點(diǎn)燃時(shí)，火焰首先以球形結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)地向四周傳播。從圖2 可知：在20～30 ms 時(shí)，由于在徑向上被管道側(cè)壁限制，球形火焰主要以手指形狀向管道兩端出口傳播，其傳播速度也逐漸增大。在92 ms時(shí)，火焰前沿傳播到障礙物前方，火焰前沿逐漸拉伸變形，并出現(xiàn)了明顯褶皺結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了大量湍流火焰。在此階段，乙醇蒸氣與空氣混合更充分，爆燃化學(xué)反應(yīng)加速，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著提高。同時(shí)，劇烈燃燒的火焰使火焰前沿后方出現(xiàn)了一定的負(fù)壓區(qū)域，出現(xiàn)了火焰逆流現(xiàn)象。在106 ms時(shí)，爆燃火焰從管道口沖出，火焰?zhèn)鞑ピ俅渭铀佟４撕?，火焰不再受管道?cè)壁限制，開(kāi)始向內(nèi)卷曲。隨著乙醇蒸氣被反應(yīng)消耗，化學(xué)反應(yīng)速率減小直至停止，火焰逐漸消失。

圖2 不同時(shí)刻的乙醇蒸氣爆燃火焰?zhèn)鞑D片(工況5)Fig.2 Pictures of deflagration flame propagation of ethanol vapor at different times(case 5)

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，障礙物對(duì)管道結(jié)構(gòu)中火焰?zhèn)鞑ゾ哂酗@著影響，有障礙物一側(cè)的爆燃反應(yīng)強(qiáng)度明顯增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@提升。圖3所示為工況6中障礙物對(duì)火焰前沿的剪切作用。從圖3可以看出：在傳播過(guò)程中，劇烈的湍流燃燒區(qū)域出現(xiàn)在設(shè)置有障礙物的一側(cè)，因此該側(cè)火焰速度也更快。這可能是由于火焰穿過(guò)障礙物和管道側(cè)壁組成的狹窄空間時(shí)，障礙物尖端邊緣使火焰前沿產(chǎn)生較為明顯的剪切層，這種剪切流動(dòng)在局部分割出大量渦旋，在一定程度上有利于分布不均勻的可燃蒸氣與空氣混合[20]。同時(shí)，燃燒產(chǎn)物快速熱膨脹導(dǎo)致的流場(chǎng)擾動(dòng)、障礙物誘導(dǎo)的湍流也會(huì)促使火焰表面產(chǎn)生褶皺，增大了火焰面積，進(jìn)而增強(qiáng)了局部的質(zhì)量和能量的輸運(yùn)，并促使局部爆燃反應(yīng)速率加快，從而使整體爆燃反應(yīng)強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著提高。此外，火焰本身的不穩(wěn)定性也是火焰加速傳播的潛在原因之一[21]。對(duì)于當(dāng)前乙醇蒸氣非均勻濃度分布且存在障礙物的爆燃場(chǎng)景，火焰?zhèn)鞑サ牟环€(wěn)定性主要是由熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和受限空間及障礙物共同誘導(dǎo)的不穩(wěn)定性，且障礙物誘導(dǎo)的不穩(wěn)定性的影響效應(yīng)更強(qiáng)。綜上可以推斷，在當(dāng)前乙醇蒸氣非均勻濃度分布下的爆燃場(chǎng)景中，障礙物尖端邊緣對(duì)火焰前沿的剪切效應(yīng)和局部流場(chǎng)流體渦旋運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生湍流火焰以及兩側(cè)傳播速度差異明顯的主要原因。剪切流和渦旋數(shù)量可能會(huì)受到障礙物阻塞比的影響，進(jìn)而影響湍流火焰面積和爆燃反應(yīng)強(qiáng)度，最終體現(xiàn)為火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪簭?qiáng)特性改變。

圖3 障礙物對(duì)火焰前沿剪切作用(工況6)Fig.3 Shear action of obstacle on flame front(case 6)

2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

圖4所示為不同障礙物阻塞比作用下的火焰前沿位置和傳播速度。從圖4可以看出：在障礙物的作用下，管道右側(cè)火焰的傳播速度比管道左側(cè)的大。在初始球形火焰階段，阻塞比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖幻黠@。而隨著爆燃反應(yīng)繼續(xù)發(fā)展，火焰?zhèn)鞑ブ劣烧系K物和管道側(cè)壁組成的受限空間，在局部湍流擾動(dòng)、障礙物尖端邊緣剪切以及火焰自身不穩(wěn)定性的共同作用下，火焰前沿結(jié)構(gòu)出現(xiàn)褶皺變形，火焰面積和傳播速度明顯增大。隨著障礙物阻塞比增大，火焰前沿被障礙物尖端邊緣擠壓剪切的越明顯，局部湍流擾動(dòng)也更強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓黾印４送?，在乙醇液體蒸發(fā)擴(kuò)散形成初始濃度分布及反應(yīng)過(guò)程中，由于卡門(mén)渦街效應(yīng)和局部流體熱膨脹，障礙物后方積聚一定數(shù)量的可燃蒸氣渦旋，這也是可燃液體蒸發(fā)并自由擴(kuò)散誘導(dǎo)形成的非均勻初始濃度分布的特性之一。當(dāng)火焰通過(guò)障礙物和管道側(cè)壁邊界組成受限空間時(shí)，在截面空間突然增大導(dǎo)致的驟然膨脹和障礙物誘導(dǎo)的局部流體湍流效應(yīng)以及積聚的可燃蒸氣渦旋的共同作用下，爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅蔚玫斤@著提升。最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)在此加速階段，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，其最大值可達(dá)97.53 m/s。

圖4 不同障礙物阻塞比下火焰前沿位置和傳播速度Fig.4 Flame front location and propagation speed with different obstacle blockage ratios

圖5所示為在不同障礙物阻塞比作用下管道無(wú)障礙物側(cè)和有障礙物側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯档谋容^。從圖5可以看出：除阻塞比為0.55的工況外，有障礙物一側(cè)的火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯稻葻o(wú)障礙物一側(cè)的大。這是因?yàn)?，一方面爆燃火焰?zhèn)鞑ケ旧砭哂胁环€(wěn)定性，另一方面，障礙物的存在顯著增大了管道右側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋S著障礙物阻塞比增大，障礙物截面高度寬度增大(截面寬高比是固定的)，結(jié)合不均勻的蒸氣濃度分布情況，火焰前沿受到的剪切效應(yīng)將更為明顯，同時(shí)障礙物誘導(dǎo)的局部湍流擾動(dòng)也更強(qiáng)，爆燃反應(yīng)強(qiáng)度隨之增大。然而，障礙物阻塞比影響下的爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯底兓厔?shì)并不是單調(diào)的[22]。障礙物的存在對(duì)火焰和壓力波傳播具有阻礙作用。當(dāng)阻塞比過(guò)大時(shí)，其所產(chǎn)生的熱損失和動(dòng)量損失將會(huì)抵消甚至超過(guò)對(duì)其火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用，這導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減緩。由圖5還可以發(fā)現(xiàn)：管道兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯惦S阻塞比的變化趨勢(shì)幾乎是相反的。在實(shí)驗(yàn)中，由于右側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)較快，爆燃火焰幾乎總是先從管道內(nèi)存在障礙物的右側(cè)率先沖出出口。當(dāng)爆燃火焰以較大速度和動(dòng)量從右側(cè)出口沖出后，其后方會(huì)形成一定的負(fù)壓區(qū)域，該負(fù)壓區(qū)域可能會(huì)對(duì)左側(cè)火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生一定的阻力。爆燃火焰從右側(cè)出口沖出的速度越快，負(fù)壓區(qū)域?qū)ψ髠?cè)火焰?zhèn)鞑サ淖枇σ簿驮酱蟆?/p>

圖5 管道內(nèi)爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯礔ig.5 Deflagration flame propagation speed peak in the channel

2.3 壓強(qiáng)傳播特性和隧道出口CO體積分?jǐn)?shù)

圖6所示為點(diǎn)火源位置爆燃?jí)簭?qiáng)變化情況和不同障礙物阻塞比工況最大爆燃?jí)簭?qiáng)以及爆炸威力指數(shù)。從圖6(a)可以看出：爆燃?jí)簭?qiáng)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)大體可分為前驅(qū)波階段、上升階段、衰減階段和余震階段。當(dāng)管道中乙醇蒸氣被點(diǎn)燃時(shí)，在中心位置首先形成球形壓力波。爆燃反應(yīng)釋放高溫使未燃蒸氣和燃燒產(chǎn)物迅速膨脹，爆燃?jí)簭?qiáng)迅速升高。隨后，壓力波在管道側(cè)壁限制下沿管道縱向向兩端出口傳播，使分布在管道內(nèi)的未燃蒸氣被預(yù)先壓縮，局部位置乙醇蒸氣濃度增加，此過(guò)程中爆燃反應(yīng)強(qiáng)度顯著提升且壓強(qiáng)迅速達(dá)到峰值。而隨著爆燃反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)展，壓力波受管道側(cè)壁的不斷摩擦和反射以及爆燃本身不穩(wěn)定特性的綜合影響，導(dǎo)致爆燃?jí)毫Σ◤?qiáng)度迅速衰減。

圖6 不同工況中爆燃?jí)簭?qiáng)和壓強(qiáng)最大值與爆炸威力指數(shù)Fig.6 Deflagration pressure,maximum deflagration pressure and explosive power index in different cases

從圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，最大壓強(qiáng)隨障礙物阻塞比呈現(xiàn)出非單調(diào)的變化趨勢(shì)。當(dāng)阻塞比為0.25～0.35時(shí)，爆燃?jí)簭?qiáng)相對(duì)較小。而當(dāng)堵塞比增加到0.40時(shí)，爆燃?jí)簭?qiáng)陡然增大，達(dá)到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下最大值。當(dāng)障礙物阻塞比達(dá)到0.55 時(shí)，爆燃?jí)簭?qiáng)峰值減小。這是因?yàn)?，一方面障礙物存在可以增強(qiáng)爆燃反應(yīng)過(guò)程中局部流場(chǎng)的湍流擾動(dòng)，同時(shí)障礙物尖端邊緣對(duì)于火焰前沿具有較為明顯的剪切作用，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中分離出相當(dāng)數(shù)量的火焰渦旋，結(jié)合爆燃火焰自身不穩(wěn)定性(當(dāng)前場(chǎng)景以熱-擴(kuò)散不穩(wěn)定性為主)，增加了爆燃火焰面積，從而增強(qiáng)了局部的質(zhì)量和能量輸運(yùn)，提升了爆燃反應(yīng)速度和強(qiáng)度，產(chǎn)生更大的壓力[20-21]。另一方面，障礙物本身就具有一定的阻礙作用。當(dāng)阻塞比過(guò)大時(shí)，障礙物所引起的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的熱損失和動(dòng)量損失，將會(huì)抵消甚至超過(guò)障礙物對(duì)爆燃反應(yīng)的促進(jìn)作用，從而出現(xiàn)最大壓強(qiáng)隨著障礙物阻塞比進(jìn)一步增大而減小的現(xiàn)象[22]。

爆炸威力指數(shù)KG可以在一定程度上反映受限容器內(nèi)物體(如隧道中滯留的車(chē)輛、受困人員等)受到的爆炸損傷程度[23]，其表達(dá)式如下：

壓力；Δt為達(dá)到最大壓強(qiáng)的時(shí)間。根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算不同阻塞比情況下的爆炸威力指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖6(b)。由圖6(b)可以看出：爆炸威力指數(shù)KG表現(xiàn)出與最大壓強(qiáng)相似的變化趨勢(shì)，均是隨著障礙物阻塞比的增大而先增大后減小。在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)尺度和非均勻濃度分布條件下，臨界阻塞比為0.40；同時(shí)，通過(guò)對(duì)比分析火焰?zhèn)鞑ズ捅級(jí)簭?qiáng)傳播過(guò)程，發(fā)現(xiàn)狹長(zhǎng)管道結(jié)構(gòu)中爆燃火焰與壓力的傳播存在明顯的耦合效應(yīng)。圖7所示為典型工況(工況3，阻塞比r=0.40)爆燃?jí)簭?qiáng)與火焰的耦合傳播示意圖。從圖7可以看出：當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁鞎r(shí)，爆燃?jí)簭?qiáng)幾乎同時(shí)達(dá)到最大值。實(shí)際上，爆燃發(fā)生后，管道中心可燃液體蒸氣開(kāi)始劇烈燃燒，使壓強(qiáng)迅速上升。增加的壓強(qiáng)以壓縮波的形式向前傳播，未燃的可燃蒸氣被預(yù)先壓縮和預(yù)熱，繼而加速爆燃火焰?zhèn)鞑?。同時(shí)，被加速的傳播火焰會(huì)進(jìn)一步激勵(lì)壓力傳播，導(dǎo)致壓強(qiáng)進(jìn)一步攀升。而障礙物的存在會(huì)影響局部位置的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使得這種爆燃火焰與壓強(qiáng)傳播的耦合效應(yīng)進(jìn)一步放大。需要注意的是，這種火焰與壓強(qiáng)之間的耦合傳播機(jī)制可以顯著擴(kuò)大火災(zāi)爆燃事故波及范圍，并可能誘發(fā)巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，需要在此類(lèi)事故的應(yīng)急救援和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中特別關(guān)注。

圖7 火焰與壓強(qiáng)耦合傳播Fig.7 Coupling propagation of flame and pressure

CO是火災(zāi)和爆燃事故中主要致死性反應(yīng)產(chǎn)物之一。圖8所示為不同障礙物阻塞比條件下管道出口位置的CO體積分?jǐn)?shù)。從圖8可知：CO體積分?jǐn)?shù)隨障礙物阻塞比增大而單調(diào)增大，而且增長(zhǎng)速率接近于線(xiàn)性(擬合曲線(xiàn)為y=934.6x+218，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9以上)，這可能與障礙物的存在以及由非均勻濃度分布導(dǎo)致的局部位置熱化學(xué)反應(yīng)不完全的共同影響有關(guān)。在本研究中，當(dāng)阻塞比達(dá)到0.55時(shí)，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到730×10-6，足以對(duì)管道結(jié)構(gòu)內(nèi)的消防人員和被困人員造成傷害。因此，對(duì)于真實(shí)場(chǎng)景中的管道類(lèi)結(jié)構(gòu)火災(zāi)和爆燃事故，應(yīng)格外注意管道結(jié)構(gòu)內(nèi)障礙物(被困車(chē)輛或者其他內(nèi)置設(shè)備)的疏導(dǎo)，并提前預(yù)估障礙物誘發(fā)更強(qiáng)的壓強(qiáng)沖擊和更高濃度CO氣體所造成的潛在事故后果。

圖8 管道出口位置CO體積分?jǐn)?shù)Fig.8 CO volume fraction at channel portal

3 結(jié)論

1)爆燃火焰通過(guò)由障礙物和管道側(cè)壁組成的受限空間時(shí)，火焰前沿受到明顯剪切和拉伸，耦合障礙物誘導(dǎo)的局部流體湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，產(chǎn)生更多湍流火焰，使火焰?zhèn)鞑ゼ铀?。在?dāng)前實(shí)驗(yàn)工況中，即乙醇蒸氣非均勻濃度分布且障礙物寬高比為1的條件下，隨著阻塞比增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣榷仍龃蠛鬁p小，最大速度為97.5 m/s。

2)當(dāng)障礙物寬高比相同時(shí)，爆燃?jí)簭?qiáng)隨阻塞比增大而呈現(xiàn)出非單調(diào)的變化趨勢(shì)。障礙物對(duì)蒸氣爆燃的影響存在臨界狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到臨界阻塞比時(shí)，隧道爆燃?jí)簭?qiáng)達(dá)到最大值。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)工況及寬高比為1 條件下，該障礙物臨界阻塞比為0.40。

3)在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)工況中，管道結(jié)構(gòu)出口處的爆燃CO 體積分?jǐn)?shù)隨障礙物阻塞比增大而單調(diào)增大，最大體積分?jǐn)?shù)達(dá)到730×10-6。