不同阻塞比下甲烷泄爆峰值超压变化规律试验研究.pdf
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1、消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期消防理论研究不同阻塞比下甲烷泄爆峰值超压变化规律试验研究程建华1,郭亚鹏1,何况2,顿志林1(1.河南理工大学 土木工程学院,河南 焦作 454003;2.郑州地铁集团有限公司,河南 郑州 450000)摘要:为探究天然气泄爆过程内部压力变化规律,利用10 L 有机玻璃管道试验装置进行了系列甲烷-空气预混气体爆炸试验,以此为基础分析了管道末端阻塞以及中部阻塞两种工况下甲烷-空气预混气体泄爆时管内峰值超压、峰值超压持续时间、Helmholtz振荡升压速率随泄爆面积的变化关系。试验结果表明:末端阻塞工况下前峰和后峰峰值超压均随着泄爆面积的减
2、小而升高,而中部阻塞工况下位于爆炸腔体外传播管道内部后峰峰值超压随着泄爆面积的减小而不断降低;峰值超压持续时间方面,前峰超压持续时间与泄爆面积关系不大,后峰超压持续时间受泄爆面积影响明显;中部阻塞及末端阻塞两种工况下爆炸升压速率变化情况不具有一致性,中部阻塞时爆炸升压速率随阻塞率先增大后减小,60%阻塞率时出现极大值。末端阻塞时爆炸升压速率随阻塞率先减小后增大,60%阻塞率时出现极小值。关键词:甲烷-空气预混;泄爆过程;压力变化;超压持续时间;升压速率;阻塞比;峰值超压中图分类号:X913.4;TE88 文献标志码:A文章编号:1009-0029(2023)12-1611-07随着我国双碳战略
3、的持续推进,燃气作为清洁能源其使用场景也越来越广泛,近年来频繁的燃气爆炸事故导致了大量的人员伤亡和经济损失。土木工程领域中,地下燃气管道破裂后泄漏的燃气进入邻近的地铁隧道以及地下综合管廊,在一定条件下会发生爆炸,天然气泄漏后如何阻塞以有效引导能量泄放,减少泄爆带来的危害并降低损失,是值得人们关注的。因此,研究受限空间时不同阻塞比条件下甲烷泄爆压力特性具有重要意义。研究表明,泄爆面积(阻塞比)对泄爆超压和火焰形态有很大影响。余明高等1研究了障碍物阻塞率梯度依次为 0、0.05、0.10、0.15时,甲烷火焰传播过程的火焰结构变化、火焰前锋动力学以及压力演变。杨春丽等2认为在泄爆发生过程中障碍物的
4、存在增大了火焰传播速度,并且障碍物的个数和阻塞比的大小对火焰传播速度有很大影响。任少峰等3使用 8 cm8 cm50 cm 泄爆管道及单个压力传感器,通过试验研究泄爆管道甲烷/空气预混火焰的传播特性,揭示了无阻塞条件下泄爆影响火焰结构的动力学演化过程。景国勋等4-5不仅发现阻塞率为 40%的矩形和圆形通道阻塞板随距离增加,管道内的测点最大压力呈先增大后减小的变化趋势,还对阻塞板在非火焰区对不同测点瓦斯爆炸压力峰值的影响进行了研究,定性分析了 3种阻塞比对 6.75 m 处压力峰值的影响规律,揭示了非火焰区内阻塞板对瓦斯爆炸影响的作用机理。杨凯等6借助计算流体动力学技术研究了不同大尺度障碍物体积
5、阻塞率条件下天然气内爆炸火焰速度、爆炸超压的分布规律。MA Q J 等7通过数值模拟研究了泄爆面积对外部爆炸的影响,发现泄爆面积较小的容器的减压过程容易形成“喷射火”,泄爆面积较大的容器的泄压形式倾向于“外部爆炸”。ZHANG Q 等8在具有两个侧排气管道的管道中进行了 9.5%的甲烷-空气爆炸试验,研究了泄爆口面积对爆炸超压动态特性和火焰传播速度的影响。时静洁等9发现大孔径泄爆口更好的排放效果造成火焰锋面在通过泄爆口时发生严重畸变且不同尺寸泄爆口产生的泄压效果差异较大。陈先锋等10采用 20 L 球形容器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,发现随刚性障
6、碍物阻塞比增加,峰值超压和最大升压速率先上升后下降。陈晔等11利用 CFD 数值仿真软件 FLACS 建立27 m3舱数值分析模型,扩大泄爆面积和氢体积分数,研究了氢泄爆过程中外部爆炸的形成机制、超压分布规律与危害范围,并分析了不同因素的影响。梳理发现,以上研究多采用试验、模拟的方法分析不同泄爆面积下甲烷等可燃气体泄爆对火焰在密闭空间下相关参数影响,且多数传感器布设数量单一。在此基础上,采用有机玻璃管道爆炸试验装置,设立3 个不同位置的压力传感器进行了 10 L 密闭管道内甲烷泄爆以及上部连接有 5 L顶部开敞空管的 5 L密闭管道泄爆试验,将末端阻塞与中部阻塞两种工况试验结果进行对比分析,研
7、究了甲烷-空气预混气体爆炸时管道内峰值超压、峰值超压持续时间及后峰升压速率随泄爆面积的变化关系。对不同阻塞比下不同位置处泄爆峰值超压相关参数在受限空间内以及空气中的形成和变化规律进行阐释,以更加系统全面地认识甲烷-空气预混气体泄爆过程内部峰值超压变化规律。1试 验1.1试验装置如图 1所示,试验管道由两节规格为 10 cm10 cm50 cm 的长方体有机玻璃管组成(上部管道为 1号管道、下基金项目:国家自然科学基金重点项目(U1810203);国家自然科学基金资助项目(52178388);中铁十六局集团有限公司资助项目(H22-541)1611Fire Science and Technol
8、ogy,December 2023,Vol.42,No.12部管道为 2 号管道,1 号管道在中部阻塞工况下顶部开敞,管内充满外部空气),管壁厚度为 2 cm,体积为 10 L,最大承受压力为 2 MPa。整个爆炸试验装置由 5 部分组成,包括管道装置、配气装置、点火装置、压力采集装置以及数据处理装置。配气装置包括体积分数为 99.9%的甲烷气瓶、空气压缩机、质量流量计。点火装置采用高压式脉冲点火器,输出电压为 15 kV。压力传感器测量范围为-0.10.1 MPa,1 号传感器位于管道右侧距离管道底部31 cm 处,2号传感器位于管道右侧距离管道底部 61.5 cm处,3号传感器位于管道右侧
9、距离管道底部 96 cm 处,点火装置距离底部 6 cm。1.2试验条件试验在常温常压下进行。为研究甲烷-空气预混气体泄爆过程中内部压力荷载作用规律,开展了中部阻塞以及末端阻塞 2种工况的试验。材质为不锈钢板的正方形阻塞片外径尺寸均为 15 cm15 cm,厚度约为 2 mm。阻塞片内径 R2尺寸分别为10.0 cm10.0 cm、9.0 cm9.0 cm、7.8 cm7.8 cm、6.4 cm6.4 cm、4.5 cm4.5 cm,阻塞率分别为 0%、20%、40%、60%、80%,管道内径尺寸 R1为 10 cm10 cm,阻塞率计算如式(1)所示。阻塞率=1-R22R21 100%(1)
10、式中:R1为管道内径尺寸,mm;R2为阻塞片内径尺寸,mm。在进行密闭空间内泄爆压力试验时(末端阻塞),将 1号管道顶部用塑料薄膜以及橡胶垫进行密封并在上部固定不同阻塞率的阻塞片,气密性检查结束后向两节管道组成的 10 L 有机玻璃管内充入配合比为 10%的甲烷-空气混合气体;在进行空气中泄爆压力试验时(中部阻塞),在 1 号管道与 2 号管道连接处(距离管道底部 50 cm 处),用塑料薄膜以及橡胶垫进行密封并固定不同阻塞率的阻塞片,气密性检查结束后向 2号管内充入配合比为 11.5%的甲烷-空气预混气体,1 号管道顶部开敞,管内为空气。为满足空气与甲烷-空气预混气体置换要求,两种工况充气时
11、长均为 7 min。在设计试验方案时对同一组数据进行 3 次测量后,通过对比分析,选取误差较小的一组数据进行一般性分析。为了尽可能减小设备带来的误差,试验采用了高精度测量设备,由于仪器设备误差无法避免,数据采集仪误差偏差范围为110-4 MPa左右,压力传感器精度为 0.25%FS(FS:满量程精度)。2试验结果2.1中部阻塞工况下管内压力图 2 为甲烷体积分数 10%时,中部阻塞工况下管内各测点压力-时间变化曲线。以虚线 L 为分界线,定义虚线 L左侧压力峰为前峰,L右侧压力峰为后峰。数据处理终端1号管道塑料薄膜3号传感器2号传感器阻塞片1号传感器2号管道点火控制装置排气孔稳压器数据采集仪阀
12、门点火装置质量流量计质量流量计空气压缩机甲烷气瓶图 1爆炸试验装置组成示意图Fig.1Schematic diagram of explosion experimental device composition时间/ms0 10 20 30 40 50 60 70 80压力/MPa3.010-22.510-22.010-21.510-21.010-25.010-25.010-30.0-5.010-3t1t2p1p3前峰后峰传感器 1传感器 2传感器 3L(e)80%阻塞率时间/ms0 20 40 60 80 100 120压力/MPa2.510-22.010-21.510-21.010-25.
13、010-20.0-5.010-3-1.010-2-1.510-2t1t2p1p2p3前峰后峰传感器 1传感器 2传感器 3L(a)0%阻塞率时间/ms0 20 40 60 80 100 120压力/MPa2.510-22.010-21.510-21.010-25.010-20.0-5.010-3-1.010-2-1.510-2t1t2p1p2p3前峰后峰传感器 1传感器 2传感器 3L(b)20%阻塞率时间/ms0 20 40 60 80 100 120压力/MPa2.510-22.010-21.510-21.010-25.010-20.0-5.010-3-1.010-2-1.510-2t1t
14、2p1p2p3前峰后峰传感器 1传感器 2传感器 3L(c)40%阻塞率时间/ms0 20 40 60 80 100 120压力/MPa3.010-22.510-22.010-21.510-21.010-25.010-20.0-5.010-3-1.010-2-1.510-2t1t2p1p2p3前峰后峰传感器 1传感器 2传感器 3L(d)60%阻塞率图 2中部阻塞条件下甲烷泄爆压力-时间曲线Fig.2Methane explosion pressure time curve under central blocking conditions泄爆发生之初,气体生成率大于气体流出率,此时管道内部压
15、力开始积累并不断上升,随着爆炸反应的进行,气体生成率会与气体流出率达到平衡,此时管内压力不再升高,气体累积量达到极值,这就产生了第一个压力峰值 p1。之后随着气体流出率大于当时的气体生成率,管道内部压力开始下降12。管内爆炸压力不断上升,直至火焰前部到达泄爆口,热燃烧产物开始从排气口流出。火焰到达泄爆口时流出率突然增加,流出率再次大于体积生成率,产生第二个压力峰值 p2,这是对哈里斯提出的第二个压力峰值的传统解释。然而,第二个峰也可能是由不同的机制引起的:通过泄爆口释放的未燃烧混合物形成了一个湍流动量射流,这时的动量射流还没有完全发展起来,当火焰峰从泄爆口出现时继续在湍流中传播。第三个压力峰值
16、 p3及其后面的压力峰群是一定幅度的压力振荡(Helmholtz 振荡)。气体爆炸体积增加速率足以使内部压力升高,而振荡本身则随着火焰前沿的膨胀而逐渐减弱,这可能导致远离泄爆口的火焰前端部分不稳定,向泄爆口的气体流动和未燃烧的混合物之间的湍流边界层中也可能具有不稳定性。该燃烧阶段的燃烧速率因流出的燃烧气体和容器内未燃烧气体之间的剪切层中产生的湍流而提高,当一般密度界面向更高密度介质的方向加速时,该界面变得不稳定,因此 Helmholtz 在距离泄爆口处最远的火焰表面会引发不稳定。从图 2中可以看出,距离泄爆口远端处传感器记录的峰值超压变化较近端相比波动明显,且随着阻塞率的增大(泄放面积的减小)
17、,Helmholtz振荡效应逐渐减弱直至消失。因此,试验还研究了传感器与泄放口之间的关系,见图 2。随着传感器与泄放口位置距离的增加,Helmholtz振荡幅度也逐渐增大。这是由于传感器位于管内底部密闭一端,管内形成的气体流场最长,气体向密闭端运动时,在惯性作用下,密闭端气体压缩使压力上升,此时测得的 Helmholtz振荡数值较大。2.2末端阻塞工况下管内压力图 3 为甲烷体积分数 10%时,末端阻塞工况下管内各测点压力-时间变化曲线。图 3中同样以虚线 L为分界线,定义 L左侧压力峰为前峰,L右侧压力峰为后峰。由图 3 可以看出,随着阻塞率的增大(泄放面积的减小),各测点记录的超压峰值数量
18、逐渐由最初的三峰减少为双峰直至单峰。造成这种现象的原因是混合气体多次爆燃形成冲击波后,随着阻塞率的增加,阻塞片反射波与冲击波的叠加效应越来越大。图 3(a)中,由于爆炸反应腔的高宽比为 10,且点火端位于腔体底部,预混气体在高压电弧的激发下无法一次性全部参与爆炸,而是从激发处多次向前依次爆炸,因此会形成多个波峰;图 3(b)中,存在少部分阻塞时,部分爆炸冲击波被反射回来并与后续爆炸冲击波产生叠加导致前峰压力峰值变大,前峰与后峰的压力峰值差变小;图 3(c)中,随着阻塞率的提高,冲击波的反射与叠加效应进一步增强,前峰与后峰的压力峰值差变得更小;图 3(d)中,随着阻塞率的进一步提高,这种叠加愈发
19、明显,且叠加后的后峰峰值已经超越前峰;图 3(e)中,阻塞率达到 80%时,爆炸形成的后峰冲击波与反射波的叠加已经远大于前峰峰值,此时后峰成为破坏主力波。3试验结果讨论与分析3.1管道内峰值超压变化图 4为甲烷体积分数 11.5%时,采用不同阻塞率阻塞时间/ms0 10 20 30 40 50 60 70 80压力/MPa3.510-23.010-22.510-22.010-21.510-21.010-35.010-30.0-5.010-3t1t2前峰后峰传感器 1传感器 2传感器 3L(e)80%阻塞率时间/ms0 10 20 30 40 50 60 70 80压力/MPa1.810-21.
20、610-21.410-21.210-21.010-28.010-36.010-34.010-32.010-30.0-2.010-3t1t2p1前锋后峰传感器 1传感器 2传感器 3Lp2(d)60%阻塞率时间/ms0 10 20 30 40 50 60 70压力/MPa8.010-36.010-34.010-32.010-30.0-2.010-3t1t2p1p3前峰后峰传感器 1传感器 2传感器 3Lp2(a)0%阻塞率时间/ms0 10 20 30 40 50 60 70压力/MPa1.010-28.010-36.010-34.010-32.010-30.0-2.010-3t1t2p1p3前
21、锋后峰传感器 1传感器 2传感器 3Lp2(b)20%阻塞率时间/ms0 10 20 30 40 50 60 70压力/MPa1.210-21.010-28.010-36.010-34.010-32.010-30.0-2.010-3t1t2p1p3前锋后峰传感器 1传感器 2传感器 3Lp2(c)40%阻塞率图 3末端阻塞条件下甲烷泄爆压力-时间曲线Fig.3Methane explosion pressure time curve under terminal blocking conditions1612消防科学与技术2023年 12 月第 42 卷第 12 期泄爆发生之初,气体生成率大于
22、气体流出率,此时管道内部压力开始积累并不断上升,随着爆炸反应的进行,气体生成率会与气体流出率达到平衡,此时管内压力不再升高,气体累积量达到极值,这就产生了第一个压力峰值 p1。之后随着气体流出率大于当时的气体生成率,管道内部压力开始下降12。管内爆炸压力不断上升,直至火焰前部到达泄爆口,热燃烧产物开始从排气口流出。火焰到达泄爆口时流出率突然增加,流出率再次大于体积生成率,产生第二个压力峰值 p2,这是对哈里斯提出的第二个压力峰值的传统解释。然而,第二个峰也可能是由不同的机制引起的:通过泄爆口释放的未燃烧混合物形成了一个湍流动量射流,这时的动量射流还没有完全发展起来,当火焰峰从泄爆口出现时继续在
23、湍流中传播。第三个压力峰值 p3及其后面的压力峰群是一定幅度的压力振荡(Helmholtz 振荡)。气体爆炸体积增加速率足以使内部压力升高,而振荡本身则随着火焰前沿的膨胀而逐渐减弱,这可能导致远离泄爆口的火焰前端部分不稳定,向泄爆口的气体流动和未燃烧的混合物之间的湍流边界层中也可能具有不稳定性。该燃烧阶段的燃烧速率因流出的燃烧气体和容器内未燃烧气体之间的剪切层中产生的湍流而提高,当一般密度界面向更高密度介质的方向加速时,该界面变得不稳定,因此 Helmholtz 在距离泄爆口处最远的火焰表面会引发不稳定。从图 2中可以看出,距离泄爆口远端处传感器记录的峰值超压变化较近端相比波动明显,且随着阻塞
24、率的增大(泄放面积的减小),Helmholtz振荡效应逐渐减弱直至消失。因此,试验还研究了传感器与泄放口之间的关系,见图 2。随着传感器与泄放口位置距离的增加,Helmholtz振荡幅度也逐渐增大。这是由于传感器位于管内底部密闭一端,管内形成的气体流场最长,气体向密闭端运动时,在惯性作用下,密闭端气体压缩使压力上升,此时测得的 Helmholtz振荡数值较大。2.2末端阻塞工况下管内压力图 3 为甲烷体积分数 10%时,末端阻塞工况下管内各测点压力-时间变化曲线。图 3中同样以虚线 L为分界线,定义 L左侧压力峰为前峰,L右侧压力峰为后峰。由图 3 可以看出,随着阻塞率的增大(泄放面积的减小)
25、,各测点记录的超压峰值数量逐渐由最初的三峰减少为双峰直至单峰。造成这种现象的原因是混合气体多次爆燃形成冲击波后,随着阻塞率的增加,阻塞片反射波与冲击波的叠加效应越来越大。图 3(a)中,由于爆炸反应腔的高宽比为 10,且点火端位于腔体底部,预混气体在高压电弧的激发下无法一次性全部参与爆炸,而是从激发处多次向前依次爆炸,因此会形成多个波峰;图 3(b)中,存在少部分阻塞时,部分爆炸冲击波被反射回来并与后续爆炸冲击波产生叠加导致前峰压力峰值变大,前峰与后峰的压力峰值差变小;图 3(c)中,随着阻塞率的提高,冲击波的反射与叠加效应进一步增强,前峰与后峰的压力峰值差变得更小;图 3(d)中,随着阻塞率
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