王 波， 杜 扬， 齐 圣， 袁广强， 王世茂

(后勤工程学院 供油系， 重庆 401311)

油气爆炸在细长密闭管道内的振荡传播特性

王 波， 杜 扬， 齐 圣， 袁广强， 王世茂

(后勤工程学院 供油系， 重庆 401311)

针对细长密闭管道内汽油蒸气-空气混合气爆炸的振荡传播特性进行实验。研究表明：细长密闭管道内的油气爆炸分为振荡和非振荡两种爆炸模式；振荡爆炸超压呈现出锯齿状振荡特征，其超压增长期由4个阶段组成：第1阶段无明显的压力上升；第2阶段的高压力上升速率与快速的火焰有关；第3阶段的超压振幅以抛物线形式增长，此阶段是否有压力振荡与油气浓度、管道长径比有关，第3阶段的振荡周期随时间减小，振荡周期与火焰锋面前方的未燃区长度有关；第4阶段的超压振幅以指数形式增长，振荡周期趋于稳定并随管道长度的增加呈线性关系增加，振荡周期受到油气浓度的影响；振荡爆炸只在一定油气浓度范围内发生，且振荡爆炸的发生与油气浓度、管道长径比有关；振荡爆炸极限范围及其在油气的爆炸极限内所占比例均随管道长径比的增加而增大。

细长密闭管道； 油气； 长径比； 振荡爆炸； 振幅； 周期

汽油是易挥发的烃类液体燃料，它本身是不爆炸的，但是其蒸气能够容易地与空气混合形成可燃气体爆炸环境，油气爆炸事故时有发生，常造成重大的人员伤亡和经济损失，如2005年伦敦邦斯菲尔德油库爆炸事故[1]。密闭油气管道，如输油结束之后富油气状态的管道，如果发生爆炸，将比长径比约为1的密闭体内的纯超压爆炸造成的破坏更严重[2]。前期已有作者对密闭空间中油气的起燃和爆炸传播规律开展研究，杜扬等[3]研究发现高温热壁条件下油气着火模式为燃烧、热爆燃和热爆炸；吴松林等[4]研究表明不同点火方式下油气爆燃的起燃条件、起燃速度及火焰颜色存在很大的区别，爆炸超压峰值受到点火方式的影响；张培理等[5-6]研究发现分支管道能够提升油气爆炸的最大超压、压力上升速率及火焰速度等。以往的研究主要是针对油气的着火模式、超压峰值等爆炸特性，已有研究表明封闭管道内的瓦斯爆炸呈明显的振荡特征，振荡使得最大爆炸超压较开口型系统内的高[7]，但针对油气在密闭管道内爆炸的振荡传播特性研究还未见相关报道，这一特性的研究对油气管道爆炸防控具有重大意义。近年来许多学者针对管道长径比对可燃气体爆炸的超压、爆燃指数、火焰速度等重要参数的影响开展了相关研究，例如，崔益清等[8]研究了球形容器接管后接管长度对球形容器内和管道末端甲烷气体爆炸强度的影响；Razus等[9-11]研究表明碳氢燃料-空气混合物在长径比L/D=1-2.5的密闭圆管中爆炸时的爆燃指数KG受到圆管长径比的影响；Bi等[12]研究发现甲烷在长径比L/D=6-10.35的密闭管道中爆燃时的最大火焰速度随长径比的增大线性增加。但针对管道长径比对油气爆炸的振荡传播特性的影响研究还未见相关报道。鉴于此，本文利用汽油蒸气-空气混合气作为爆炸反应介质，重点研究油气爆炸在细长密闭管道内的振荡传播特性。

1 实验装置与方法

油气爆炸实验系统如图 1所示，由实验管道、压力采集系统、油气雾化循环系统、点火系统、火焰信号采集系统、油气体积分数测试系统等组成。在实验中使用了4种不同长径比的钢制圆管道，其尺寸参数如表 1所示，直径10 cm的圆管有四节，长度分别为30 cm、71 cm、86 cm、86 cm，可以自由组合成管道C0、C1、C2、C3，在法兰连接处使用密封垫圈以保证结合部位的气密性。管道C3上传感器的布置如图 2所示，Fi为火焰传感器，P1为压力传感器，FS1为火焰强度传感器，作为火焰传感器的补充。压力采集系统采用TST6300动态采集系统，最高采样率200 ksps，压力传感器采用ZXP610型压阻式压力传感器，量程为0～2 MPa，安装于管端法兰中心上。点火系统采用WGDH-5型高能无干扰点火器，点火头安装于另一端法兰中心上，点火器点火是通过电容器充电放电实施的，根据W=(CU2)/2公式可以换算得到点火能量，在实验中采用1 μF电容、1 500 V电压，即点火能量为1.125 J。火焰信号采集系统采用HSJ-2型火焰传播信号采集器，采样频率为1 kHz，主要用于采集两测点之间的火焰持续时间Δt，火焰速度可以由式ν=Δx/Δt计算得到(Δx为两测点之间的距离)。

图1 实验系统示意图

图2 管道C3上传感器的布置示意图(cm)

每次实验前先对管道进行充气。分压原理配气方法主要用于常温下为气态的可燃气体，针对汽油这种特殊介质并不适用，因此设计了专用的配气系统。图 1所示的油气雾化循环系统由电磁式空气泵、球阀、油瓶、三通等组成，空气泵的流量为50 L/min。配气时，打开1、4号球阀并关闭2、3号球阀，空气泵产生的气流从液面下吹扫油瓶内的汽油时，会在液面上产生大量气泡，加速油气的挥发并将其吹入循环回路中，充入管道。待充入一定油气后，关闭1、4号球阀，打开2、3号球阀，继续循环搅拌使得油气混合均匀，同时利用GX-1050E型CH浓度测试仪对管内油气浓度进行实时监测，当管内油气浓度趋于稳定时，关闭空气泵和所有阀门。

表1 密闭管道的尺寸参数

2 实验结果及分析

2.1细长密闭管道内油气振荡爆炸的一般特征

图3和图 4分别给出了管道C3(L/D=24.3)中不同浓度时油气爆炸的压力、火焰前锋位置及火焰速度随时间变化的规律。从图 3可以看出，油气爆炸超压增长期由4个阶段组成，以油气浓度1.6%的爆炸数据进行分析。

第1阶段(0～19.6 ms)为点火初期，油气爆炸反应仅发生在点火点附近，参与反应的油气量较少，压力无明显上升。此阶段火焰锋面远离壁面，未受到壁面的约束，因此，火焰传播速度不断加快，19.6 ms时的火焰速度达到27.8 m/s。第2阶段(19.6～41.5 ms)的持续时间为21.9 ms，此阶段结束时的压力pmax2为0.722 bar，压力上升速率曲线上有两个压力上升速率峰值，把在此阶段取得的峰值记为(dp/dt)max1。图 5给出了管道C3中的最大压力上升速率随油气浓度变化的规律，浓度1.6%的油气爆炸超压的第一个压力上升速率峰值(dp/dt)max1为64.842 bar/s(34.9 ms)，而最大火焰速度为83.33 m/s(31.78 ms)，显然第一个压力上升速率峰值(dp/dt)max1是在最大火焰速度已经达到之后取得的，因此第2阶段的高压力上升速率与快速的火焰有关。从图 4可以看出，在第2阶段火焰经历了两次加速过程，火焰速度从第1阶段结束时的27.8 m/s(19.6 ms)增加到43.1 m/s(27.05 ms)，再到83.33 m/s(31.78 ms)，在这两次加速过程中，火焰在轴向上被快速地拉长，这将使得火焰面积大幅度增加，进而引起高质量燃烧速率，最终导致第2阶段的高压力上升速率和爆炸初期阶段的显著超压。第3阶段(41.5～126 ms)的持续时间为84.5 ms，大约为达到最大爆炸压力所需时间Tmax的47.83%。当油气爆炸进入超压增长期第3阶段后，压力振荡立即开始，压力曲线呈现出锯齿状特征，并以“抛物线”形式振荡上升。第4阶段(126～176.65 ms)的持续时间为50.65 ms，大约为达到最大爆炸压力所需时间Tmax的28.67%。当油气爆炸进入第4阶段后，立即改变了压力振荡方式，而又以“指数”形式振荡上升，振幅增长速度明显加快，最终达到了8.98 bar的超压峰值。而实际情况是大多数建筑物和工业结构在第2阶段的超压作用下就会失效[13]，从爆炸安全的角度来看，第3阶段和第4阶段是不相关的，除非这些构筑物能够承受第2阶段的超压1倍以上的压力。把在第3阶段和第4阶段内取得的压力上升速率峰值记为(dp/dt)max2，从图 5可以看出，振荡爆炸提高了油气爆炸超压的压力上升速率，如浓度1.6%的第二个压力上升速率峰值(dp/dt)max2为93.993 bar/s，而浓度1.35%时则高达144.237 bar/s。显然，振荡爆炸比一般爆炸更具破坏性。

(a) 1.6%

(b) 1.35%

(c) 1.24%

(a) 1.6%

(b) 1.35%

(c) 1.24%

表 2给出了密闭管道内油气的爆炸极限和振荡爆炸极限。振荡爆炸只在一定油气浓度范围内(即振荡爆炸极限内)发生，因此振荡爆炸的发生与油气浓度有关。同时随着管道长径比的增加，爆炸极限范围逐渐收窄，而振荡爆炸极限范围却逐渐放宽，这是由振荡爆炸下限降低和振荡爆炸上限升高引起的，如管道C0中的振荡爆炸下限为1.61%，而管道C3中仅为0.96%，结果是振荡爆炸极限范围在整个油气爆炸极限内的占比会随着管道长径比的增加而增大，如管道C0中的振荡爆炸极限范围占比仅为25%，而管道C1、C2和C3中的占比分别高达61.2%、71.03%、80.4%。从表 2还看出，仅管道C2(L/D=15.7)和管道C3(L/D=24.3)中的油气爆炸超压增长期第3阶段有压力振荡发生，因此超压增长期第3阶段是否有压力振荡与管道的长径比密切相关。

此外，振荡爆炸的发生也与可燃气体的种类有关，例如，Movileanu等[14]发现当管道长径比为2.4(L=20 cm)时乙烯-空气混合气在爆炸过程中没有压力振荡发生，Phylaktou等[15]发现当管道长径比为6.2(L=100 cm)时甲烷-空气混合气在爆炸过程中也没有压力振荡发生，而汽油蒸气-空气混合气在长径比为3的管道C0(L=30 cm)内仍有振荡爆炸发生。

表2 密闭管道内油气的爆炸极限和振荡爆炸极限

图5 管道C3(L/D=24.3)中的最大压力上升速率

图6给出了管道C3中不同油气浓度下爆炸超压随时间变化的规律。结合表 2，在油气的爆炸极限范围内，C2、C3等较大长径比管道内的油气爆炸压力有三种上升发展模式：① 在超压增长期内没有压力振荡发生，如油气浓度0.95%(C3)时；② 经过第1、第2和第3阶段的压力发展之后，最后在超压增长期的第4阶段才出现压力振荡，如油气浓度1.16%(C3)时；③ 超压增长期第2阶段结束后压力振荡立即开始，一直到达到最大爆炸压力，如油气浓度1.24%(C3)时。而C0、C1等较小长径比管道内的油气爆炸压力则只有(1)和(2)两种上升发展模式。

图6 油气爆炸过程中的压力演化：1-0.95 vol.%；2-1.16 vol.%；3-1.24 vol.%

Fig.6 Pressure evolution during explosions of gasoline-air mixture in tube C3 (L/D=24.3): 1-0.95 vol.%; 2-1.16 vol.%; 3-1.24 vol.%

图7给出了三种不同长径比管道中浓度为1.35%时油气爆炸超压随时间变化的规律。从图 7看出，当油气浓度为一定值时，不同长径比管道中油气爆炸压力有不同的演化过程，在管道C0中，在油气爆炸过程中没有压力振荡发生，而在更大长径比管道C1和管道C3中均有压力振荡发生，说明压力振荡现象的出现与管道长径比密切相关。在管道C1中，只在第4阶段才有压力振荡发生，然而在管道C3中，爆炸超压增长期第2阶段结束后压力振荡立即开始，且与管道C1相比，管道C3中振荡的振幅更大。从表 2可以看到，仅管道C2和C3中的油气爆炸超压增长期第3阶段有压力振荡发生，其振荡极限范围分别为0.73%和0.96%，且在各自的整个振荡爆炸极限内的占比分别为48.03%和61.54%，显然随着管道长径比的增加，第3阶段有压力振荡的极限范围逐渐增大。表 3给出了浓度为1.35%时油气爆炸超压增长期第2阶段结束时的爆炸参数，结合图 7，超压增长期第2阶段结束时的压力pmax2随着管道长径比的增加而逐渐减小，从管道

1. 管道C0(L/D=3)； 2. 管道C1(L/D=8.6)； 3. 管道C3(L/D=24.3)

Fig.7 Pressure evolution during explosions of a 1.35% gasoline-air mixture: 1-tube C0 (L/D=3); 2-tube C1 (L/D=8.6); 3-tube C3 (L/D=24.3)

C0(L/D=3)中的2.58 bar，减小到管道C1(L/D=8.6)中的1.1 bar，再到管道C3(L/D=24.3)中的0.774 bar。同时，管道的长径比越大，超压增长期第1阶段和第2阶段的持续时间之和越短，而第3阶段和第4阶段的持续时间之和越长，在管道C0、C1和C3中，超压增长期第2阶段结束时的时间t2分别为54.6 ms、40.7 ms和37.1 ms，显然，超压增长期第2阶段结束时的压力pmax2均是在非常短的时间内达到的，因此为细长密闭管道配备的任何泄压系统或抑爆系统都应该有非常快的响应。

表3 浓度为1.35%时油气爆炸超压增长期第2阶段结束时的爆炸参数

2.2超压振荡幅值及周期分析

2.2.1 超压振荡幅值分析

上面已经提到，细长密闭管道内的油气爆炸超压呈明显的锯齿状振荡特征，而由于研究条件的不同，一端封闭一端开口管道内的爆炸超压呈近似正弦波形状振荡[16]，说明边界条件对气体爆炸超压特征有影响。在油气爆炸初期阶段，由于燃烧反应速度较慢，产生的压力波的超压较小，压力反射波在管道内传播时，受到阻尼的影响会很快消散掉，不会出现压力振荡。随着燃烧反应速度逐渐加快，火焰锋面温度不断升高，产生的压力反射波在传播过程中不能完全消散，于是会在管道内往复反射，呈现出振荡特征。此外，火焰加速机理导致能量释放增强，从而快速激发爆炸容器中的声学共振，引起压力振荡[17]。图 8和图 9分别给出了油气爆炸超压增长期第3阶段和第4阶段的振荡幅值随时间变化的规律，超压增长期第3阶段内振荡升压和振荡降压部分的幅值分别以抛物线形式随时间增长，而超压增长期第4阶段内振荡升压和振荡降压部分的幅值则分别以指数形式随时间增长，由图 3和图 4可知，超压上升过程伴随着火焰速度的变化，因此两阶段呈现不同的振荡方式是与火焰-压力波相互作用密切相关的，火焰减速产生的膨胀波激发了火焰与压力波的相互作用[18]。以管道C3中浓度1.6%的油气爆炸为例，当油气爆炸进入超压增长期第3阶段后，火焰速度一直在下降，但仍然维持在较高值，同时爆炸超压相对较小，压力波对火焰锋面的扰动不强烈，能促进火焰锋面的燃烧反应，其反应放热仅能使超压振幅以增长速度较慢的抛物线形式增长。当油气爆炸进入超压增长期第4阶段后，火焰还需要向前传播一段距离才能抵达管端，火焰锋面移动较慢，其最大火焰速度仅为6.51 m/s，而经过第3阶段的压力上升发展之后，爆炸超压达到了较高值，压力波能对火焰锋面造成强烈扰动，利于前方未燃气的快速燃烧，反应放热速率大幅提高，超压振幅会以增长速度更快的指数形式增长。然而超压振荡并不会一直持续下去，当管道内的油气消耗殆尽，不能为超压发展提供能量支持时，加之壁面散热和粗糙度等因素的影响，超压在达到峰值以后会很快衰减，超压衰减期的振幅呈负指数衰减，如图 10所示，相比于浓度1.35%，浓度1.24%的振幅衰减速度更快。

(a) L/D=24.3(C3)

(b) L/D=24.3(C3)

(c) L/D=15.7(C2)

(a) L/D=8.6(C1)

(b) L/D=8.6(C1)

(c) L/D=3(C0)

(d) L/D=3(C0)

图10 管道C3(L/D=24.3)中油气爆炸超压衰减阶段的振荡幅值

Fig.10 Amplitude of decay phase of gasoline-air explosion overpressure in tube C3 (L/D=24.3)

2.2.2 超压振荡周期分析

为了研究超压振荡特征，对油气爆炸超压振荡增长期的振荡周期进行了计算分析。图 11给出了油气浓度为1.35%时振荡周期和火焰锋面前方未燃区长度随时间变化的规律，振荡周期是变化的，在超压增长期第3阶段内，振荡周期随时间减小，而在增长期第4阶段内，振荡周期趋于稳定，有小幅波动并维持在5.8 ms左右。从图 11看出，未燃区长度随时间减小，而当未燃区长度在156.4～39.8 cm范围内时，振荡周期也随时间减小，说明振荡周期与火焰前锋和封闭端之间未燃区长度有关。Petchenko等[19]通过直接数值模拟研究了从管道开口端到封闭端的预混火焰传播，发现火焰形状和燃烧速率呈明显的振荡特征，认为火焰前锋到封闭端的距离(实际就是未燃区长度)控制着火焰前锋和封闭端之间压力波的状态参数。随着燃烧的进行，火焰速度、未燃区长度均随时间减小，未燃气中的压缩波强度逐渐变弱，从而对压力反射波的影响逐渐减弱，振荡周期不断降低，而当未燃区长度小于39.8 cm时，未燃气中的压缩波对压力反射波几乎无影响，压力反射波能比较自由地传播，振荡周期趋于稳定。表 4给出了油气爆炸超压增长期第4阶段的振荡周期和振荡频率。管道长度对振荡周期的影响如图 12所示，当油气浓度为一定值时，振荡周期随着管道长度的增加呈线性关系增加，如油气浓度为1.72%时的振荡周期和管道长度之间的线性拟合式为：t=-0.065 4+2.318L。油气浓度对振荡周期的影响如图 13所示，管道C1、C2及C3内的振荡周期与油气浓度的关系可用2次函数描述，如管道C1内的拟合式为：t=0.577x2-2x+3.655，最小的振荡周期在油气浓度1.72%附近取得，而管道C0内的振荡周期受油气浓度的影响较小，维持在0.65 ms左右，不满足2次函数式。

图11 管道C3(L/D=24.3)中浓度为1.35%时油气爆炸超压增长阶段的振荡周期及未燃区长度

Fig.11 Oscillation periods and length of unburned zone for growing phases of a 1.35% gasoline-air mixture explosion overpressure in tube C3 (L/D=24.3)

图12 不同油气浓度下振荡周期随管道长度的变化

Fig.12 Variation of oscillation periods with tube length under different gasoline-air mixture concentrations

表4密闭管道中油气爆炸超压第4阶段的振荡周期和

振荡频率

Tab.4Oscillationperiodsandfrequenciesofthe4thstageofgasoline-airexplosionoverpressureinclosedtubes

汽油蒸气(vol.%)L/D=3(C0)L/D=8.6(C1)L/D=15.7(C2)L/D=24.3(C3)振荡周期振荡频率振荡周期振荡频率振荡周期振荡频率振荡周期振荡频率1.35--2.05003.82635.81721.720.616671.95263.652745.61821.850.616671.955133.82635.81722.10.714282.05003.92566.051652.47--2.24544.52227.1141注:振荡周期的单位为ms,振荡频率的单位为Hz

图13 油气浓度对振荡周期的影响

由以上分析可知，细长密闭管道内的油气爆炸为高频高压的振荡爆炸，产生的振荡压力波极易使得管壁金属材料发生高温蠕变，可能导致管道的塑性断裂，对管道的安全运行产生极大的影响，因此应该避免振荡爆炸的发生。

3 结 论

针对细长密闭管道内汽油蒸气-空气混合气爆炸的振荡传播特性进行了实验研究，通过分析爆炸数据得出如下结论：

(1) 细长密闭管道内的油气爆炸超压呈锯齿状振荡特征，振荡爆炸超压增长期由4个阶段组成：第1阶段无明显的压力上升，但点火后火焰速度却在快速增大；第2阶段的高压力上升速率与快速的火焰有关；第3阶段的超压振幅以抛物线形式增长，此阶段是否有压力振荡与油气浓度、管道长径比有关，随着管道长径比的增加，第3阶段有压力振荡的极限范围逐渐增大；第4阶段的超压振幅以指数形式增长。

(2) 油气爆炸压力有三种上升发展模式：在超压增长期内没有压力振荡发生；只在超压增长期的第4阶段才出现压力振荡；超压增长期第2阶段结束后压力振荡立即开始，一直到达到最大爆炸压力。

(3) 振荡爆炸只在一定油气浓度范围内(即振荡爆炸极限内)发生，而且振荡爆炸的发生与油气浓度、管道长径比有关。随着管道长径比的增加，振荡爆炸极限范围逐渐放宽，振荡爆炸极限在油气爆炸极限内所占比例逐渐增大。

(4) 振荡周期是随时间变化的，超压增长期第3阶段的振荡周期随时间减小，振荡周期与火焰前锋和封闭端之间未燃区长度有关，而超压增长期第4阶段的振荡周期趋于稳定，振荡周期随着管道长度的增加呈线性关系增加，同时振荡周期也受到油气浓度的影响。

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Oscillationpropagationcharacteristicsofgasoline-airmixtureexplosioninelongatedclosedtubes

WANG Bo, DU Yang, QI Sheng, YUAN Guangqiang, WANG Shimao

(Department of Petroleum Supply Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Oscillation propagation characteristics of gasoline-air mixture explosion were tested in several elongated closed tubes. The results showed that gasoline-air mixture explosion has two modes including oscillation and non-oscillation; oscillation explosion overpressures exhibit a saw-toothed oscillation characteristic, their growth interval consists of four stages; the 1st stage has no significant increase in pressure; the high rate of pressure rise for the 2nd stage is associated with very fast flame speed; the overpressure amplitude of the 3rd stage grows in a parabolic curve form, if there is a pressure oscillation at this stage is related to gasoline-air mixture concentration and tube’s length to diameter ratio, the oscillation period of this stage decreases with increase in time, the oscillation period is related to the length of unburned zone in front of flame front; the overpressure amplitude of the 4th stage increases exponentially, the oscillation period tends to be stable and increases linearly with increase in tube length, it is also affected by gasoline-air mixture concentration; oscillations explosions occur only within a certain range of gasoline-air mixture concentration, the occurrence of oscillation explosion is associated with gasoline-air mixture concentration and tube’s length to diameter ratio; the limit range of oscillation explosion and its proportion in the gasoline-air explosion limit increase with increase in tube’s length to diameter ratio.

elongated closed tube; gasoline-air mixture; length to diameter ratio; oscillation explosion; amplitude; period

国家自然科学基金(51276195)

2016-09-21 修改稿收到日期：2016-10-25

王波 男，博士，1988年生

杜扬 男，博士，教授，1958年生

X932

： A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.17.016