复杂多孔结构对丙烷爆炸的影响_乔征龙.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2304-08复杂多孔结构对丙烷爆炸的影响*乔征龙1，2，马恒1，2，邓立军1，2(1 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000;2 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新 123000)摘要:为了揭示复杂多孔障碍物对丙烷/空气爆炸动力学参数的影响，采用小尺寸爆炸管道，运用高速摄像技术和数据采集手段，分析不同试验条件下火焰穿越复杂多孔障碍物前后的形态及管内压力变化。结果表明:受复杂多孔障碍物的影响，爆炸火焰穿过障碍物时，会触发 ichtmyer Meshkov不稳定性，火焰失稳，形态复杂;随着障碍物阻塞率的增加，爆炸火焰到达障碍物所在位置的时间减小;复杂多孔障碍物对爆炸火焰有明显的激励作用，火焰传播速度随障碍物阻塞率的增加而增加;在所有试验中，火焰传播速度均在 0.4 0.5 m 的管段攀升至最大;障碍物阻塞率增加，管道出口端的最大爆炸压力增加，达到最大爆炸压力所需的时间增加，爆燃指数随障碍物上圆孔的间距增加而增加。关键词:安全工程;复杂多孔障碍物;阻塞率;丙烷;爆炸中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0430*收稿日期:2022 03 21作者简介:乔征龙，博士研究生，从事可燃气体爆炸及阻爆抑爆等研究，1173839997 qq com;马恒(通信作者)，教授，博士生导师，从事矿井通风安全研究，。基金项目:国家自然科学基金项目(51904143)0引言丙烷是一种应用广泛的能源，是液化石油气的重要组成部分。丙烷通常被用作焊接、电力系统和工业燃料1。由于生产工艺、运输和使用不当，容易发生丙烷的泄露和爆炸事故2。与此同时，生产和运输过程中所使用的设备，壁面不平整可视为障碍物，对爆炸火焰的传播产生影响。研究表明，障碍物的存在将促进爆炸火焰的加速，加剧爆炸超压的上升3 6。因此，需要深入研究障碍物与爆炸火焰的相互作用。障碍物对爆炸火焰传播的影响很早就引起了研究人员的关注。1926 年，Chapman 等7 首次报道了障碍物会加速管道内火焰的传播，为障碍物促爆机理的研究奠定了基础。1999 年，Fairweather 等8 研究了容器内障碍物对火焰位置、形态和超压的影响，最先指出障碍物的存在会影增强火焰的传播速度和容器内的超压。此后，研究人员对障碍物促进爆炸的机理及相关参数(如障碍物形 状9 12、阻 塞率13 15、位置16、数量17 18 及间距19 等)的影响进行了大量研究。目前，有一些关于障碍物影响火焰传播的研究报告，包括试验研究和模拟研究。Dobashi20、Masri等21、Ibrahim 等22 定性分析了不同结构障碍物对爆燃压力的影响，发现平板障碍物会导致最高超压，圆柱体障碍物会导致最低超压。2013 年，Johansen等23 研究不同障碍物间距对火焰传播的影响，指出障碍物间距与阻塞比的比值为 5 时，火焰传播速度最大。2018 年，Li 等24 研究障碍物阻塞率对爆炸超压的影响，发现随着阻塞率的增加，爆炸超压先增加后减小。2008 年，Park 等25 利用 NFPA 方程、Molkov 方程和 Yao 方程检验内部存在障碍的腔体峰值压力，指出 NFPA 方程计算值最大，Molkov 方程和Yao 方程的结果与试验结果接近，并推导出一个新的经验公式。2020 年，Han 等26 研究障碍物位置对封闭管道内爆炸火焰加速和超压变化的耦合效应，发现障碍物向后移动会影响火焰的最大传播速度和最大超压。2005 年，Ning 等27 研究孔板障碍物对火焰加速机理及爆炸超压的影响，指出障碍物诱导湍流在火焰传播过程中能够持续加速火焰的传播，增强爆炸超压。2016 年，Li 等28 研究柔性/刚性障碍物在不同等效比下对火焰前沿演化的影响，发现火焰前方气流推动柔性障碍物倾斜，增加了剪切层和涡流，影响了火焰的形态。2021 年，Li 等29 研究障碍物位置和汽油蒸汽浓度对汽油 空气燃料爆炸的影响，指出超压与火焰传播之间存在耦合关系。2021 年，Qin 等30 研究障碍物对氢气/空气预混气体爆炸火焰的影响，发现障碍物的数量越多，形成的ayleigh-Taylor 不稳定性和 Kelvin-Helmholtz 不稳定性越强，火焰拉升越明显，火焰传播的湍流强度越大。2016 年，L 等31 研究障碍物位置和当量比对氢气/空气爆炸超压的影响，指出爆炸的超压与火焰结构密切相关，超压的最大值取决于管道内火焰的最大表面积。2021 年，Luo 等32 研究障碍物对LPG/空气混合物爆燃的影响，发现障碍物诱导未燃气体流场结构，增加了火焰前锋的褶皱程度，显著提高了火焰传播速度。2019 年，Wang 等33 研究定容容器内多孔障碍物对预混气体爆炸特性的影响，指出了多孔障碍物的存在会缩短爆炸时间，障碍物间4032第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023距增加会降低最大爆炸压力。2020 年，温小萍等34 利用陶瓷棒自行构建试验平台，对 9.5%的甲烷/空气预混气体进行试验研究，最先提出了一维多孔介质与细水雾协同的抑爆模型。为了得到障碍物圆孔间距的变化对爆炸火焰形态、火焰传播速度、燃烧时间及超压等参数的影响，本文采用小尺寸长直管道进行丙烷 空气预混气体的爆炸试验，在管道中央设置不同阻塞率(孔数)的障碍物，通过高速摄像机和压力传感器记录管道内部火焰变化和管道出口端的压力变化，为液化石油气行业的防灾减灾提供指导。1试验系统及方法1.1试验系统为了确定单一多孔障碍物对丙烷/空气爆炸的影响，在图 1 的试验系统中进行试验。该系统由爆炸反应管道、压力数据采集系统、高数摄像机、真空泵、和远程点火系统组成。爆炸管道总长度为 0.5m，包括 2 个圆柱体管道，材料为石英，能承受 2.0MPa 的内压。管道出口端用聚乙烯膜封堵，该膜能承受最大冲击力为 37.5 kPa。数据采集系统由一个压力传感器(中国 SOKYO 制造，可以测量 0 2.0MPa 的动态压力，安装在管道出口)、电源和数据采集单元，采样间隔时间为 0.1 ms。点火系统由电极棒、点火能量为 500 mJ 的脉冲点火装置和信号接收装置。高速摄像机型号为 NPX GS6500UM，分辨率为 640 px 320 px，曝光时间为 0.5 ms。障碍物放置在管道的 1/2 处，厚度为 0.075 mm，通过法兰盘的螺纹孔固定。试验前用氧气浓度检测仪、压力表和温度计分别测定试验仪器所在环境的氧气体积浓度、大气压和温度。根据丙烷在空气中的化学反应方程式，计算丙烷与管道中空气完全反应时的体积分数。利用道尔顿分压定律配置管道中的预混气体，精度为0.1%。首先使用负压泵抽出封闭管道中一定比例的空气，然后向管道内通入相同比例的丙烷气体。开启循环泵 4 min，以保证预混气体的均匀性。管内气体放置 10 min，避免管内的湍流影响试验结果。1.2试验材料和数据规范试验气体由平安气体有限公司提供。试验仪器所在环境的各项参数见表 1。根据表 1 的氧气体 积 浓 度 计 算 试 验 所 需 丙 烷 的 体 积 分 数 约为 4.0%。1.3火焰图像处理方法使用 MATLAB 软件耦合 Canny 边缘检测算法对不同时刻火焰图像进行处理。根据火焰边缘白色像素点所在位置计算火焰传播速度。1)火焰前锋位置计算。首先，使用循环函数对火焰图像进行灰度化和二值化处理。确定火焰锋面所在位置，得到火焰区域的边界。利用三角函数计算火焰边缘所有白色像素点与电极所在位置之间的距离。比较计算结果，取距离的最大值作为火焰前端所在位置。2)火焰传播速度计算。利用式(1)32，35 计算管道内不同时刻火焰的最大传播速度。vf=xn+1 xnt(1)式中vf为爆炸火焰传播速度，m/s;xn+1为当前时刻火焰锋面在管道中的位置，m;xn为上一个时刻火焰锋面在管道中的位置，m;t 为当前时刻和上一时刻的差，s。3)障碍物阻塞率。障碍物的阻塞率为障碍物在爆炸管道截面的投影面积与管道截面面积的比值。=SBSA(2)式中 为障碍物的阻塞率，%;SB为障碍物面积，m2;SA为爆炸管道截面积，m2。图 1试验系统Fig 1Experimental system表 1试验环境参数Table 1Experimental environment parameters项目参数值温度20 大气压101.3 kPa湿度75%氧气体积浓度20.7%50322023 年 7 月乔征龙，等:复杂多孔结构对丙烷爆炸的影响Jul，20231.4试验工况试验将不含障碍物的工况 4 作为对照试验，置障试验分为 3 种工况，如图 2 所示。障碍物选用PVC 材料，工况 1 3 每层圆孔间距 5 mm，障碍物上圆孔的直径为 10 mm，障碍物厚度为 0.75 mm，放置在两段管道的连接处。在置障试验中，障碍物的阻塞率分别为 64%、61%和 56%。图 2试验工况Fig 2Experimental conditions2结果与讨论2.1障碍物对丙烷爆炸火焰的影响1)火焰形态分析。火焰的结构和形态是表征火焰行为和火焰不稳定行为的重要参数32。图 3 为不同试验条件下丙烷/空气预混气体爆炸火焰序列。火焰形态在管道1 中与甲烷和氢气36 38 相似。火焰由电极向障碍物发展过程中，火焰前锋的弧度不断减小。随着障碍物阻塞率的减小，火焰锋面的弧度增加。火焰接近多孔障碍物时，火焰锋面的前方会有较强的诱导气流沿 x 轴正方向由管道 1 越过障碍物进入管道 2中。部分诱导气流被障碍物阻碍，在火焰前锋两侧形成方向相反的两个涡团，涡团外部形成剪切层包裹部分丙烷/空气预混气体，使得剪切层内的气体未被点燃。当每层圆孔的间距增加时，剪切层的面积增加，使得爆炸火焰前锋的弧度减小。爆炸火焰贴近障碍物时，受多孔障碍物的阻碍和管内压力的双重作用，会延缓火焰的传播。在工况 1 3 中，爆炸火焰分别在 35.5 37.5 ms、42.5 43.5 ms 和 42.5 43.5 ms 的传播速度减小。并且，在该时间段内，涡团所在位置的面积不断减小，如图4 所示。尤其在工况 1 中，当火焰穿过障碍物时，管道 1 被爆炸火焰完全填充，说明此时管道 1 中的涡团消失，被剪切层包裹的丙烷/空气预混气体一部分被爆炸火焰引燃，一部分被诱导气流带入管道 2 中。爆炸火焰穿过障碍物后火焰前锋所在位置与电极间的距离迅速增加。根据图 4 可知，障碍物的阻塞作用使得管道内部的局部压力快速上升，满足了ichtmyer Meshkov39 不稳定性的触发条件，影响了火焰结构，增加了湍流动能，加快了火焰的传播。根据式(3)可知，管道2 中的流体密度大于管道 1 中的流体密度，因此，在爆炸过程中 A+的值增加，导致激波作用的脉冲力增加，触发 ichtmyer Meshkov 不稳定性。此外，尾端 PVC 膜破裂，使得管内压力得到释放，压力多火焰的作用减小。观察穿越障碍物后的火焰形态可以发现，当障碍物中心未开孔时，爆炸火焰经过所有圆孔进入管道 2 中。当障碍物中心开孔时，爆炸火焰以“渐进式”的传播由管道 1 向管道2 中传播。在工况 1 3 中，障碍物的阻塞率依次减小，而障碍物对火焰的阻塞作用没有增加。说明当阻塞率在一定范围内时，中心未开孔的障碍物对火焰阻塞作用较小。dadt=k u A+a+0(3)式中a 是振动幅度，m;k 为扰动波数，a0+为激波刚通过不同介质界面后的振动幅度，u激波作用界面后界面的速度改变量，m/s;A+为波后 Atwood数，定义为 A+=2 12+1，1为最先被激波作用的流体密度，kg/m3。如图 3 所示，爆炸火焰由点燃至熄灭所需时间分别为 443.0 ms、315.0 ms、300.5 ms 和 255.5 ms。火焰熄灭所需时间随障碍物阻塞率的增加而增加。在爆炸火焰