预混气体爆炸超压实验研究

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【作者】 喻健良  周崇  刘润杰 

【关键词】爆炸超压 前驱冲击波 二次超压 爆燃转爆轰 

【出版日期】2005-04-10

【摘要】对预混气体在圆形管道内的爆炸过程进行了实验研究,根据实验结果将超压的变化过程分为4个阶段.前驱冲击波阶段超压上升曲线比较规则,且压力上升速率逐渐增加,离点火处越远压力上升速率增加得越快.介绍了最大超压在时间和空间上的变化规律.尽管二次超压的峰值相对较小,但作用时间长,且有些二次超压过程中的超压上升幅度甚至超过了某些爆炸环境下的最大超压值.对爆燃转爆轰过程(DDT)进行了初步研究,实验能够记录爆燃转爆轰这种快速转变的过程.建议在设计非密闭的管道或矿道时要充分考虑二次超压的破坏作用和高活性可燃气体的影响.

【刊名】大连理工大学学报

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0 引 言现代工业生产过程中的许多气体介质都具有可燃性,起因于气体爆炸的工业事故也在不断发生[1],而发生在管道及其类似结构内的爆炸占了相当大的比例.作为工业抑爆的前提和基础,明晰可燃气体的爆炸过程已成为亟待解决的问题,其中管道内预混气体的爆炸规律成为研究的重点之一.压力波所引发的力学破坏是预混合可燃气体爆炸的主要破坏形式之一,因此爆炸时管道内超压的变化规律日益引起人们的关注.可燃气体燃烧爆炸过程中形成两波三区结构,即未燃区、前驱冲击波阵面(压力波)、扰动区、燃烧波阵面(火焰阵面)、已燃区,这构成了一个简单的爆燃模型[2].文献[3、4]给出了爆炸的最大超压值与位置的关系,但没有具体说明爆炸时超压值是如何变化的.文献[5]给出了管道内某一测点处超压随时间的变化关系,但没有介绍管道内其他测点处超压值的变化情况.文献[6、7]利用数值方法模拟了巷道内瓦斯爆炸时二次超压(文中称此为二次反冲,本文认为定义为“二次超压”似乎更为合理.)的破坏性,并对二次超压的机理进行了解释,但并未从实验入手加以研究证实.  鉴于上述研究的某些局限和不足,本文对预混气体在圆形管道内的爆炸过程进行进一步的实验研究,并根据实验结果对超压的变化过程进行具体介绍,用数据证明二次超压可能产生的破坏作用,对乙炔-空气混合气的使用提出建议.1 实验装置实验装置如图1所示.圆形管道内径为81mm,长为1.5、2.8m两种,点火端用法兰密闭,点火点位于管端的中心处.实验所用的预混可燃气为乙炔-空气混合气,乙炔摩尔分数为7.75%.采用压力分配法配气,实验时先将出口端封闭,用真空泵抽出管内空气;再向管道内充入可燃气,完全充满;点火前的瞬间将出口端完全打开.爆炸时出口端是开放的、无约束,管道内的初始压力为常压.1.5m的管道内沿轴向布有8个等间距的测点,间距为0.15m;2.8m的管道内沿轴向布有14个测点,各测点的具体位置列于表1,表中数字为该测点至点火处的距离(d).测点处装有光敏火焰传感器和高频动态压力变送器,可以测出超压变化及火焰通过测点时火焰光的强弱变化,并可计算出测点处的火焰传播速度及燃烧时间.光敏火焰传感器的采光点距离管道轴线15mm,可以认为光敏火焰传感器采集到的是管道中心区域可燃气体燃烧的变化情况.高频动态压力变送器安装在管壁上.1燃烧气体;2真空泵;3圆柱形管;4压力、火焰传感器;5程序控制点火系统;6计算机图1 实验装置示意图Fig.1 Sketchmapoftester表1 测点位置表Tab.1 Locationoftestpoints测点d/m1.5m  2.8m测点d/m1.5m  2.8m10.0750.07581.1251.12520.2250.22591.97530.3750.375102.12540.5250.525112.27550.6750.675122.42560.8250.825132.57570.9750.975142.7252 实验结果图2~4是1.5m和2.8m管道内各测点处的超压和火焰传播速度图.从图中可以看出,1.5m管道内的爆炸状态为爆燃,超压和火焰传播速度较低.当管长增至2.8m时爆炸状态已经开始图2 1.5m管道内的超压与时间关系图Fig.2 Relationshipofoverpressureandtimeintubeof1.5m图3 2.8m管道内的超压与时间关系图Fig.3 Relationshipofoverpressureandtimeintubeof2.8m图4 管道各测点处的火焰传播速度Fig.4 Flamepropagationspeedofeachtestpointintube由爆燃向爆轰转变,火焰传播速度已达km/s量级,最大超压已达MPa量级.图5为图2中测点2处的超压变化情况,从图中可看出爆炸时超压的变化可分为4个阶段:1~2为前驱冲击波阶段,2~3为升压阶段,3~4为降压阶段,4~6为余波阶段.其中4~5为二次超压过程,它已充分显现出了这类化学爆燃过程的输运传递的波动属性.火花塞点火后在电极周围形成可自持传播的火焰波,火焰燃烧后放出的热量又使邻近的未燃气发生燃烧,放出更多的热量.同时热量又使气体的温度骤升、体积膨胀,进而诱导形成前驱冲击波(压力波),前驱冲击波使未燃气体发生扰动并推动气体向管道的出口端流动.从图2、3、6可以看出,爆炸后测点处的超压值随着前驱冲击波的到来而逐渐上升,上升曲线比较规则.在时间上,随着时间的推移各测点处的压力上升速率(即曲线的斜率)逐渐增大.在空间上,离点火处越远,压力上升速率增加得越快.图5 超压与时间关系图Fig.5 Relationshipofoverpressureandtime图6 2.8m管道前驱冲击波阶段图Fig.6 Phasesofprodromalblastwaveintubeof2.8m  在升压阶段因火焰燃烧而放出的能量将使超压值再次上升并达到最大值,各测点的最大超压值见图7、8.在爆燃状态下最大超压值沿管长先下降,大约在中间位置达到最低值,然后又逐渐上升.当爆燃向爆轰转变时最大超压值则急剧增大.2.425m以后的各测点处的最大超压值均在1.5MPa以上,由于压力变送器的量程有限,仅为1MPa,实验中因超压值远大于其量程而连续冲坏了数个压力变送器,故未能在图8中标绘出实图7 1.5m管道内各测点处的最大超压值Fig.7 Maximumoverpressureofeachpointintubeof1.5m图8 2.8m管道内各测点处的最大超压值Fig.8 Maximumoverpressureofeachpointintubeof2.8m图9 1.5m管道最大超压与时间的关系Fig.9 Relationshipofmaximumoverpressureandtimeintubeof1.5m图10 2.8m管道最大超压与时间的关系Fig.10 Relationshipofmaximumoverpressureandtimeintubeof2.8m际数据.将管道内各测点达到最大超压的时间绘于图9和10,并根据图中的实验数据进行了拟合.由于管道长度仍相对较短,各测点的时间相差不大,离点火处近的测点达到最大超压的时间稍晚.3 实验结果分析(1)从图7、8可看出在密闭端点火的条件下,爆燃状态时管道中部的最大超压值较低,两端较高.点火端最大超压值较高与点火端密闭有关.火焰燃烧积累的热量使气体的温度上升、体积膨胀,而右侧未燃预混气暂时静止的惯性及声障作用和点火端左侧的密闭作用使气体无法向点火侧流动,均阻碍了气体的瞬时快速膨胀,故导致压力不断升高,最终使最大超压达到了较高值.在管道后半段气体流速与火焰传播速度不断加快,放热量迅速增加,虽然此时气体流动状况得到改善,易于膨胀,但由于放热量足够多,仍可使超压上升.升高的超压又推动着未燃气以更快的速度流动,火焰传播速度进一步增加,超压继续上升,这样就形成了正反馈,最终导致爆燃状态转变为爆燃转爆轰(DDT)状态.由图8可知这种转变是突然发生的,火焰传播速度的变化率不大,但最大超压却骤然升高.(2)余波阶段的超压呈现一种震荡起伏的过程,可持续上百ms,其中起破坏作用的是第一个震荡过程即二次超压过程.单从图11、12来看其超压不是很高,但是在二次超压开始前管道内的压力处于最低值,呈负压状态,管内压力是先从负压升至常压,再从常压变为正压.1.5m管道二次超压过程的峰值与其初始时刻的压力值之差为50~110MPa,2.8m管道此值可达70~150MPa,与图7、8相比较即可看出其升压程度相当可观,有的值甚至超过了1.5m管道内的最大超压值.这种作用时间较长,且具一定压力强度的二次超压波的破坏,今后可以采用“冲量”这个物理量来度量这种所谓的“远场”综合破坏强度.爆炸时设置在管道或矿道中的设备在承受了一次超压很高的正向冲击以后,其结构可能已经发生破坏,这之后的二次冲击可能会造成更为严重的破坏.因此在设计非密闭的管道或矿道时要充分考虑二次超压的破坏作用.图11 1.5m管道二次超压峰值Fig.11 Peakvalueofreturnshockintubeof1.5m图12 2.8m管道二次超压峰值Fig.12 Peakvalueofreturnshockintubeof2.8m  (3)气体爆炸出现的可能性以及爆炸后产生的后果在很大程度上取决于气体的活性.气体活性越强,分子扩散越快,爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度也越大.根据可燃气体的反应活性将爆炸威力的影响分为低、中、高三类[8],见表2.表2 可燃气体反应活性的参照分类Tab.2 Classificationofreactionactivityofcombustiblegases反应活性可燃气体低氨,甲烷,氯乙烯中己烷,丙烷,乙烯,n-丁烷,高烷烃高氢,乙炔,苯实验中所用预混气体为乙炔-空气混合气,乙炔为高活性气体,爆炸时管内超压与火焰传播速度很大,远超过甲烷、丙烷等中低活性气体的爆炸威力[5、9].图8中爆炸波仅传播了2m多就出现了爆燃转爆轰过程.因此在设计有乙炔等高活性气体流动的管道或设备时一定要充分考虑其点火容易及爆炸威力大的属性.4 结 语根据实验结果对管道内可燃气体爆炸时两种爆炸环境的超压变化过程进行了描述,初步观测到了爆燃转为爆轰状态的诸多特征.以往的研究中较为重视压力从常压升至最大超压这一过程对设备结构的破坏,但本实验结果表明,二次超压过程中压力上升的幅度仍然相当大,有时甚至超过了1.5m管道爆炸的最大超压值;同时还可看到该二次超压过程对环境结构物的累积作用时间很长,因此要对其可能产生的破坏作用给予足够的重视.乙炔-空气混合气属高活性可燃气体,爆炸威力大,极易出现爆燃转爆轰过程.预混气体爆炸超压实验研究@喻健良$大连理工大学化工机械系!辽宁大连 116012 @周崇$大连理工大学化工机械系!辽宁大连 116012 @刘润杰$大连理工大学化工机械系!辽宁大连 116012爆炸超压;;前驱冲击波;;二次超压;;爆燃转爆轰对预混气体在圆形管道内的爆炸过程进行了实验研究,根据实验结果将超压的变化过程分为4个阶段.前驱冲击波阶段超压上升曲线比较规则,且压力上升速率逐渐增加,离点火处越远压力上升速率增加得越快.介绍了最大超压在时间和空间上的变化规律.尽管二次超压的峰值相对较小,但作用时间长,且有些二次超压过程中的超压上升幅度甚至超过了某些爆炸环境下的最大超压值.对爆燃转爆轰过程(DDT)进行了初步研究,实验能够记录爆燃转爆轰这种快速转变的过程.建议在设计非密闭的管道或矿道时要充分考虑二次超压的破坏作用和高活性可燃气体的影响.[1]KHANFI,ABBASISA.Majoraccidentsinprocessindustriesandananalysisofcausesandconsequences[J].JofLossPreventionintheProcessInd,1999,12(5):361-378. [2]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京:北京理工大学出版社,1996.80-89. [3]桂晓宏,余华,林伯泉.瓦斯爆炸过程中火焰与超压的实验研究[J].江苏煤炭,2000(1):14-16. [4]桂晓宏,林伯泉.火焰速度与超压关系[J].淮南工业学院学报,1999(12):14-17. [5]北条英光,津田健,新井信,等.管内にぉける火炎の传播举动とフレ-ムァレスタ-の消炎性能[J].化学工学论文集,1986(2):153-158. [6]居江宁,吴文权,吴中立,等.TVD方法在瓦斯爆炸可压缩流场中的应用[J].淮南工业学院学报,2000(9):19-24. [7]居江宁,吴文权.巷道瓦斯爆炸二次反冲的数值模拟[J].上海理工大学学报,1999(1):39-42. [8]MERCXWPM,VANDEN

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