刚_柔性障碍物对甲烷_空气预混气体泄爆动力学的影响_陈先锋.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1101-07刚/柔性障碍物对甲烷/空气预混气体泄爆动力学的影响*陈先锋，张椿城，李毅，许闯，智雪珂(武汉理工大学安全科学与应急管理学院，武汉 430070)摘要:为探究刚/柔性障碍物对甲烷/空气泄爆行为的影响，采用自主搭建的连接容器(20 L 球形容器连接 4 m 长爆炸管道和 0.5 m 长泄压管道)试验系统，研究不同阻塞比与厚度的刚性/柔性障碍物对甲烷/空气爆炸超压及泄爆火焰的影响。结果表明，在球形容器内，随阻塞比和厚度增加，峰值超压与最大升压速率相应增大，在阻塞率为 80%和厚度为0.40 mm 时峰值超压分别达到了 190.4 kPa 和 273.5 kPa，最大升压速率分别为 4.32 MPa/s 和 7.32 MPa/s。在管道末端，随柔性障碍物厚度增加，爆炸超压与升压速率同样大幅度提升。而随刚性障碍物阻塞比增加，峰值超压和最大升压速率先上升后下降。在设置刚性和柔性障碍物后，泄爆管道内均出现二次爆炸的现象，不同的是，二次爆炸的剧烈程度随柔性障碍物厚度增加而上升，而随刚性障碍物阻塞比增加呈现先增加后降低的趋势。关键词:安全工程;爆炸超压;刚性障碍物;柔性障碍物;二次爆炸;泄爆中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0073*收稿日期:2022 01 29作者简介:陈先锋，教授，从事工业防火防爆研究;李毅(通信作者)，博士研究生，从事工业防火防爆研究，zcc0507 whut edu cn。基金项目:湖 北 省 重 点 研 发 计 划 项 目(2021BCA218，2021BCA216)0引言随着国家经济的快速发展和工业化程度的不断提高，天然气因其储量丰富、热值高等特点被广泛应用于化工、电力等多个领域。天然气的主要成分甲烷在生产、储存过程中由于人为操作失误、设备故障、管道老化等造成的事故屡见不鲜1。1790 年，奥斯汀发现甲烷是碳和氢的化合物后2，美国及国内一些高校、研究所相继采用爆炸试验和数值模拟的方法开展研究。在甲烷气体燃爆过程中，障碍物的存在对于火焰形态、火焰速度、爆炸超压等参数具有较大影响。因此，深入开展障碍物对甲烷/空气爆炸行为的影响，对燃气管道的安全设计具有重要意义。1926 年，Chapman 等3 首次发现障碍物能加速管道内火焰的传播。自此，国内外学者针对障碍物数量4、阻塞率5、间距6 等开展了一系列试验与数值模拟研究。试验研究方面，Huang 等7 通过在试验管道中安装不同开口形状的阻塞板，研究了垂直浓度梯度和阻塞板形状对甲烷 空气爆炸特性的综合影响，试验发现阻塞板和浓度梯度的存在导致湍流燃烧加剧。Dong 等8 研究了内含障碍物和沉积煤尘的水平管道中甲烷 空气爆炸行为，结果表明:管道中存在单个障碍物时局部压力上升率增加，但压力峰值无明显变化;管道中存在多个障碍物时压力急剧上升，最大爆炸超压随障碍物数量增加而增加。通过对矩形障碍物的研究，Li 等9 发现障碍物削弱了层流火焰传播速度，泄放管道中压力小幅上升。数值模拟研究方面，Li 等10 借助 LES 模型研究发现压力和火焰速度与气体浓度、障碍物数量正相关。通过变换湍流模型、障碍物形状和点火位置，Nguyen 等11 通过模拟研究了火焰与流场结构的相互关系。程方明等12 通过模拟和试验对比研究了障碍物对爆炸火焰的影响，结果表明，火焰穿过多孔障碍物后传播速度骤升至峰值，且障碍物是导致火焰面破碎及面积褶皱率增大的直接原因。2003 年，杜志敏13 最先利用薄膜研究了泄爆口面积、泄爆压力等因素对容器内压力变化的影响。2021 年，徐景德等14 首次将薄膜作为柔性障碍物研究了其对甲烷/空气爆炸的影响，并发现这种具有一定承压能力的柔性障碍物对甲烷爆炸波产生的激励效应不可忽视。刘珊珊等15 通过试验发现柔性障碍物(膜片)对爆炸超压与火焰速度具有明显的促进作用，且膜片厚度越大，火焰速度越高。总体来说，国内外学者全面研究了障碍物对甲烷气体爆炸的影响，但研究过程多采用刚性障碍物，很少采用柔性障碍物，这导致研究结果与实际爆炸过程存在较大偏差，而且没有深入地对比研究刚性与柔性障碍物对甲烷爆炸过程的影响。在工业生产和日常使用中，类似膜状结构的障碍物也广泛存在。如煤矿井下的矿井风门、风窗等结构，在建筑、厂房内常闭的防排烟门、防爆门等，甚至部分压力容器内的隔断结构也相当于一种膜状障碍物的存在。这类障碍物普遍存在一定压力阈值，一旦冲击波压力超过该阈值，膜状障碍物便会发生破裂，造成气体的全断面泄放。鉴于此，本文利用自行搭建的连接容器对刚/柔性障碍物爆炸影响进行综合研究，以期对甲烷/空气在工业生产使用中的爆炸防护与控制提供理论支撑与技术参考。1011第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，20231试验设计1.1试验系统本试验系统主要由爆炸容器系统、配气系统、点火系统、数据采集系统和同步控制系统组成，见图1。爆炸容器系统由球形容器(20 L)与 2 段圆形管道(每段长 2 m，内径为 60 mm)通过法兰 螺栓连接组成。配气系统主要由 LFIX 2000 型配气仪(四川莱峰公司)及甲烷、空气压缩气瓶组成。点火系统由电源和化学点火药头组成。点火药头能量为 5 J，设置在球形容器中心。数据采集系统由 HIOKI 8861 50 型 数 据 采 集 仪(日 本 HIOKI 公 司)、CYG1508GSLF 型压力传感器(扬州熙源公司)和Fastcam SA1.1 型高速摄影仪(日本 Photron 公司)三部分组成。根据试验数据采集要求，将 8861 50 型数据采集仪采样频率设置为 10 kHz，记录时长为 2s。压力传感器精度为 0.5%，分别布置在球形容器侧壁(距泄爆口 4.2 m，量程为 0 6 MPa)和管道 B末端(距泄爆管 0.1 m，量程为 0 2 MPa)。FastcamSA1.1 型高速摄影仪拍摄速度设定为 10 000 帧/s，通过千兆以太网接口进行高速数据传输，以确保其能够清晰高速地记录火焰动态变化过程16。管道B 和泄爆管之间安装厚度为 0.10 mm 的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)薄膜作为泄爆口。图 1试验系统Fig 1Experimental system1.2试验方法与步骤试验前先检查试验管道气密性，确保各系统正常工作。根据试验方案，将柔性/刚性障碍物安装在管道 A、B 的连接处。通过配气仪将预先设置的指定浓度的混合气充入连接容器。配气结束后静置 5min，以确保预混气体的均匀分布，同时消除配气过程引起的气体流动对后续预混气体爆炸动力的影响17。最后将数据采集仪及高速摄影机设置为触发等待状态，启动点火按钮引燃预混气体。数据采集系统自动获取试验数据并进行存储。为保证数据的真实性和准确性，每组试验至少重复进行 3 次。试验选用不同厚度(0、0.10 mm、0.20 mm、0.30mm、0.40 mm)的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜代表不同压力阈值的膜状障碍物进行试验。为探究不同破膜压力对爆炸气体动力学行为的影响，试验前对各厚度 PTFE 薄膜的静态破裂压力进行测定。试验开始前，将 PTFE 薄膜固定于管道 B 末端，然后缓慢向管道中注入空气，直到薄膜破裂。使用压力传感器记录压力变化。相同薄膜厚度重复试验3 次，取平均值作为实际静态膜破裂压力16。测试结果见表 1。1.3试验工况设置试验所用预混气体中甲烷体积分数为 9.5%。在管道 B 末端设置 0.1 mm 厚度的 PTFE 薄膜作为泄爆口。管道 A、B 法兰连接处设置阻塞比 为 0、20%、40%、60%、80%的刚性障碍物和厚度分别为0、0.10 mm、0.20 mm、0.30 mm、0.40 mm 的膜状障碍物，形状见图 2。阻塞比 定义为=2 r22(1)式中r、分别为圆环形刚性障碍物的内径和外径，mm。图 2试验材料Fig 2Experimental materials2结果与讨论2.1球形容器内压力演化图 3 和 4 所示为球形容器内爆炸超压及最大升表 1薄膜材料的静态破裂压力Table 1Static fracture pressure of membrane materials薄膜厚度/mm薄膜静态破裂压力/kPa0.10670.151000.201350.302100.403002011Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期图 3刚性障碍物条件下球形容器内的爆炸超压与最大升压速率曲线Fig 3Overpressure and maximum rate of overpressurerise curves in spherical vessel with rigid obstacles压速率变化趋势。由图 3 和 4 可知，随障碍物阻塞比、厚度增大，球形容器内峰值超压及最大升压速率均增大。由于热量散失与管道 B 尾端泄爆膜破裂，爆炸后期球形容器内压力快速下降并逐渐恢复至常压。分析认为，阻塞比和厚度的增加导致障碍物壁面反射激波强度相应增大。受反射激波扰动影响，球形容器内气体湍流程度增大，燃烧反应加快，导致峰值超压和最大升压速率相应增大18。另一方面，障碍物的存在极大影响气体流动，随阻塞比、厚度的不断增加，球形容器内可燃气体向管道中流动阻碍增强，导致可燃气不断积聚，峰值超压进一步增大。同时从图 3(b)可以看出，最大升压速率的上升速度同样与阻塞比呈正相关性。随阻塞比增加，到一定程度后，障碍物对气流的阻塞作用激增，球形容器内受激波扰动引起的气体湍流度增大，燃烧愈加剧烈，因此最大升压速率的上升速度相应增大。由于柔性薄膜破裂前对球形容器形成密闭环境，避免了未燃气体向管道中流动，使得柔性障碍物的峰值超压与升压速率总体上大于刚性障碍物，见图 4柔性障碍物条件下球形容器内爆炸超压与最大升压速率曲线Fig4Overpressure and maximum rate of overpressure risecurves in spherical vessel with membrane obstacles图 3 和 4。同时，由于受静态破膜压力影响，柔性障碍物破裂后管道内部全部贯通，这导致峰值超压快速下降，因此柔性障碍物存在情况下，球形容器内峰值超压稳定在相对应厚度的薄膜的静态破膜压力附近。2.2管道末端压力演化刚性障碍物阻塞比为 0 60%时，管道 B 尾端峰值超压与最大升压速率随阻塞比的增大而增大，但当阻塞比增大到 80%时，峰值超压与最大升压速率随之下降，见图 5。分析认为刚性障碍物对火焰传播具有加速激励与障碍阻隔双重影响。当阻塞比在 0 60%时，管道内流场受障碍物扰动湍流强度增大，此时主要表现为加速激励效果。强湍流致使反应加速，最大升压速率和峰值超压相应增大。阻塞率超过 60%后，刚性障碍物严重阻挡气体流动，此时障碍阻隔占据主导地位。火焰与障碍物的接触面积增大导致散热量增大，燃烧反应速率减缓，最大升压速率和峰值超压因而大幅降低。30112023 年4 月陈先锋，等:刚/柔性障碍物对甲烷/空气预混气体泄爆动力学的影响Apr，2023图 5不同阻塞比刚性障碍物条件下管道末端的爆炸超压与最大升压速率曲线Fig 5Explosion overpressure and maximum pressurerise rate curves at the end of the pipeline withdifferent blocking ratios当管道内置柔性障碍物时，薄膜破裂后来自球形容器内的高速喷射火焰点燃管道下游未燃气体。随薄膜厚度增加，其破裂的压力更大，破裂后形成的射流火焰速度更快，对管道下游的未燃气体扰动更强;同时由 2.1 节可知，薄膜厚度越大，球形容器内燃烧越充分，这使得薄膜破裂后向管道下游传播的火