管道内可燃气体爆炸研究进展_梁春利

管道内可燃气体爆炸研究进展

梁春利*　李　芳

(大连理工大学化工学院)

摘　要　主要对管道内可燃气体爆炸近二十年来的实验和数值模拟研究的进展情况进行了评述,以便从整体上了解这一方向目前的研究程度、研究热点和研究方法。并对管道内可燃气体爆炸研究的发展前景提出了展望。

关键词　气体爆炸　火焰传播　障碍物　火焰速度　数值模拟　管道

现代工矿业火灾大都起因于可燃气体的爆炸,而发生在管道及其类似结构内的爆炸占据相当大的比例。对此类爆炸的研究,不仅可以为预防和控制火灾提供实用、可靠的依据,还可以探索管道内可燃气体爆炸过程中的功能转换问题,为可燃气体爆炸的应用开辟道路。

爆炸对工业装备和房屋建筑等产生的结构性破坏主要是可燃气体燃烧产生的压力波所致,因而对于可燃气体火焰阵面的加速传播的研究具有重要意义。本文从实验和数值模拟两个方面对近二十年来的研究进展情况进行评述。

1　实验研究

19世纪20年代,就有人开始了管道内可燃气体爆炸的实验研究。Chapma n开创了有障碍物管道中的火焰传播研究工作。其结果表明,当火焰穿过管道中周期排列的圆环片时,由于这种节流障碍物对速度的扰动,火焰不断加速,甲烷/空气预混火焰速度可超过400 m/s,而在光管中其相应的速度只有6m/s。而后, Evans等[1]在实验中发现,当火焰穿过金属丝网时,也发生火焰加速现象。20世纪70年代末至90年代初,研究管道中的火焰加速现象出现一个高潮,人们在不同形状的管道中研究障碍物对火焰加速的影响。其中M o en等[2]指出,即使是较小的障碍物也会由于障碍物的扰动而引起火焰加速,导致管内压力急剧上升,管内超压是无障碍物时的8.8倍。此后管道内火焰加速现象引起了广泛的关注。 近些年来,研究者在前人工作的基础之上,对于管道内的可燃气体爆炸进行了大量深入的研究,实验涉及障碍物对火焰传播加速的影响、爆燃转爆轰过程和火焰倒置等方面内容。

1.1　障碍物对火焰传播加速的影响

K.-H.Oh等[3]在密闭方管中进行一系列的实验。实验方案如下:在阻塞率为0、44.4%和66.7%的情况下,对浓度为4%、4.5%、5%和6%的L PG(液化石油气)进行组合实验。实验结果表明,最后的爆炸压力及其上升速率不受内置障碍物阻塞率的影响,只与混合气体的浓度有关。然而,密闭管道内可燃气体的爆炸情况与实际生产管道内的情况相差很大,主要是由于实际工程中的爆炸通常是在气体流动、管道敞开的情况下发生的,因而密闭管道内的实验研究相对少些。

周凯元等[4]对直管道内无障碍物的情况进行了研究。对于相等的点火距离,密闭端点火比开口端点火的火焰速度大7倍,其中点火距离指火焰加速段的长度。对于同样的气体和同样的点火距离情况,得出的结论是:较小管径的管道中火焰的传播速度也较小。研究者还对管道中设置加速环的情况进行了实验研究。实验结果表明:管道内障碍物对火焰加速度的影响主要取决于加速环个数,而环间距的影响居次要地位。在同样的点火条件下,当管内有障碍物(加速环)时,与没有障碍物时相比,火焰速度增加了67%～177%,并且指出点火能量的影响仅限于火焰传播的初期。以上实验是在激波管中进行的,管道内壁光滑,其结果比较理想。

*梁春利,男,1973年10月生,硕士研究生。大连市,116012。

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然而对于一个内壁产生腐蚀或被污垢污染并有大量凸起物附着在内表面的管道,将会比一个具有光滑内壁

的管道产生更大的火焰加速度。目前,还没有人在这方面做出对比研究。

桂晓宏等[5]进行了一系列管道内瓦斯爆炸的实验研究。实验结果见表1。从表1中可以看出,随着障碍物的增多,火焰的传播速度明显增大,障碍物对火焰有显著的加速作用。在障碍物相同的条件下,长径比为20时的火焰速度最大。表1

瓦斯爆炸过程中火焰的传播规律测定结果

序号障碍物长径比L /D 速度m õs -1序号障碍物

长径比L /D 速度

m õs -11无2097.71420177.12无3673.22436125.03无5036.13450119.84无6030.6446096.45无7014.2547058.66220139.86620245.07236111.37636230.0825098.78650240.0926076.59660222.010

2

7037.810670201.0

研究者还发现冲击波阵面的强度与火焰的速度有关,即当火焰速度小于100m/s 时,超压较小,反映出冲击波阵面的强度较弱,此时冲击波可近似处理成声波,引起的结构破坏较小;一旦火焰加速达到200m/s 量级,则会引起严重的湍流效应,这种高速火焰的压力波所引起的爆炸波的破坏效应与爆轰波产生的破坏效应相当,产生的结构破坏的程度很大。以上这些数据和结论对抑制矿井内瓦斯爆炸大有帮助。

K.-H.O h 等[3]采用截面为0.2×0.2m 、长度为

0.9m 的方管进行实验。在管道中无障碍物的情况下,L PG 的火焰速度随着点火距离的增加而增大。而后,研究者对管道内设置障碍物的爆炸过程进行研究,经分析得出结论:由于障碍物产生了旋涡,致使障碍物正后方的火焰速度有所下降。随着旋涡的破碎和火焰阵面的拉伸,火焰的湍流和热扩散导致障碍物后面的火焰传播加速。同时,研究者还指出开口管道内障碍物的阻塞率是一个非常重要的参数,它对火焰的传播速度和爆炸压力有很大的影响。

M asri 等[6]进行了一系列管道内可燃气体的爆炸实验,综合研究了障碍物的形状、尺寸和阻塞率对管道内可燃气体爆炸过程的影响。障碍物形状包括圆形、三角形、方形、菱形、平板,阻塞率范围在10%～75%。

研究结果表明:(a )障碍物的形状对火焰初始发展阶段的影响不大。火焰接近障碍物时的燃烧速度大约是层

流燃烧速度的1.5倍;(b )由于障碍物形状不同,火焰阵面前的未燃气体流动扭曲程度也不同。扭曲导致火

焰在障碍物与容器侧壁之间的喷射,扭曲程度不同导致障碍物后的旋涡流速大小不同;(c)在各种形状的障碍物中,矩形横截面障碍物引起最大的火焰加速,而圆形横截面障碍物则引起最小的火焰加速。对于存在圆形横截面障碍物的湍流燃烧,绕流后的火焰重新连接相当迅速,持续时间极短,所以障碍物后的火焰加速较低;(d)爆炸过程中的最大超压通常随阻塞率的增大而升高,但升高的比率取决于障碍物的几何形状,在各种形状的障碍物中,平板形障碍物引起的超压最高,圆柱形障碍物最低。由此可见,障碍物的几何形状、阻塞率对可燃气体爆炸过程具有很大的影响。1.2　爆燃转爆轰实验的研究

对于管道内可燃气体爆炸来说,爆燃过程对生产生活危害不大,而爆轰过程的破坏性极大,因而对爆燃转爆轰过程的研究具有实际意义。

Net tlet on [7]在其管道内可燃气体爆炸的实验中得出一个基本结论:在爆燃转爆轰的过程中,压力和火焰阵面的速度都达到最大值。

Chr isto ph [8]在其实验中定量分析了爆燃转爆轰过程。为了拍摄到爆燃转爆轰的图片,实验在透明的聚碳酸酯管道中进行,管道(内径69mm,壁厚10mm,长25m )内的可燃气体为按化学计量组成的丙烷/空气预混气体,密闭端点火,火焰从左边向右边开口端传播。管道内可燃气体爆轰过程如图1所示。

图1　管道内丙烷/空气爆轰的过程

图1所示白色的平行实线为管壁,从第一幅图可以看到可燃气体点燃后的火焰,很微弱,勉强可以见到。第二幅图为大约100L s 后,突然出现的相当明亮的火焰,此时表明爆燃转爆轰过程发生了。其他四幅图为爆燃转爆轰后的过程。由测定的结果得出的基本结论是:(a )爆燃转爆轰的过程发生在大约一个管径的很短范围内;(b)对于丙烷来说,在紧临转爆点的火焰阵面的速度不超过2300m /s ,对乙烯来说不超过2900m /s ,对氢气来说不超过2500m/s;(c)在爆燃转爆轰过程中,与火焰亮度的瞬间增加相比,火焰阵面速度增加相对平

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《化工装备技术》第27卷第2期2006年