, 徐童1, 史聪灵2, 赵小龙1, 张宇伦11. 中南大学 防灾科学与安全技术研究所, 长沙 410075;
2. 中国安全生产科学研究院 地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室, 北京 100012
收稿日期：2019-03-31
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51576212，51622403）
作者简介：陈长坤(1977-), 男, 教授, E-mail:cckchen@csu.edu.cn
摘要：为了探索隧道内可燃液体蒸气的爆燃超压及火焰传播规律，该文采用1/20的缩尺寸隧道模型，以不同液体温度（30、40、50、60、70、78℃（沸点））下蒸发产生的乙醇蒸气为爆燃介质，分析不同时间点火的引爆情况及爆燃超压等数据。结果表明：蒸气的爆炸极限受到初始液体温度的影响，当蒸气温度低时爆炸极限范围小，同时所需要的引爆能量也会变大。被引爆乙醇蒸气的超压值沿隧道纵向呈现明显的双峰形状，同时在超压曲线第1次达到峰值时，燃料盘上方压力测点P1低于远离中心位置P2、P3处的超压值。此外，隧道内爆燃超压最大值会随着乙醇蒸气浓度的增加而呈现先增大后减小的趋势。
关键词：缩尺寸隧道可燃液体蒸气爆燃超压
Bench-scale experimental study of the deflagration overpressure of a flammable liquid vapor in a tunnel
CHEN Changkun1
, XU Tong1, SHI Congling2, ZHAO Xiaolong1, ZHANG Yulun11. Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology, Central South University, Changsha 410075, China;
2. Beijing Key Laboratory of Metro Fire and Passenger Transportation Safety, China Academy of Safety Science and Technology, Beijing 100012, China
Abstract: The deflagration overpressure and flame propagation of ethanol vapor were investigated in a bench-scale tunnel. The characteristics of the deflagration flame and the overpressure were measured at liquid temperatures of 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃ and 78℃ (boiling point). The results show that the explosion limit of vapor is affected by the initial liquid temperature. At low temperatures, the explosion limit range is quite small and the required detonation energy is very large. The overpressure of the ignited vapor had an obvious double-peak shape along the longitudinal direction of the tunnel. Meanwhile, when the overpressure reached peak at the first time, the pressure measuring points P1 above the fuel pins were lower than the overpressure of P2 and P3 away from the center. In addition, with increasing ethanol vapor concentration, the maximum detonation overpressure first increased and then decreased in the tunnel.
Key words: bench-scale tunnelflammable liquid vapordeflagrationoverpressure
中国石油化工行业的不断发展，促进了其产品运输量逐年递增。然而，这些产品在运输过程中往往会经过近似封闭的隧道空间，一旦运输的可燃气体和易挥发液体泄漏[1]，极易引发爆燃事故，进而造成严重的人员伤亡以及财产损失。
隧道受限空间内压力波及火焰的传播成为研究的重点。标准20 L球爆炸极限测试实验系统被作为测试爆炸浓度极限的基本装置[2-4]，测出了丙酮蒸气、天然气等可燃气体的爆炸极限及最大爆炸压力等相关爆炸特性[5-6]。同时，也有****通过数值模拟研究了爆炸火焰及爆炸波的传播规律，例如，Zhang等[7]基于数值模拟提出了预测隧道中爆炸波超压衰减规律的方法，并考虑了隧道壁面粗糙度对爆炸超压的影响。Abdel等[8]通过大涡模拟(large eddy simulation, LES)研究了点火源的尺寸、形状等不同实验工况对氢气/空气预混火焰传播过程中产生的火焰及超压特性的影响。Xu等[9]采用了大涡模拟与亚网格燃烧模型相结合的方法，研究了半封闭空间中障碍物对甲烷/空气爆燃预混火焰结构、速度等因素的影响。曲国娜等[10]模拟了受限空间内瓦斯的爆炸特性，爆炸温度和超压随着CO体积分数的升高均出现先升高后降低的趋势。此外，众多有关爆燃火焰传播及压力变化影响因素的实验也被开展，Zhang等[11]通过实验研究了隧道内障碍物的特点对爆炸火焰的扰动规律。Razus等[12-13]研究了气体浓度及初始温度等参量对爆炸压力的影响。Wei等[14]通过实验研究了受限空间内预混燃料的比例对爆燃火焰传播速度及压力波的影响。文[15-18]通过一系列实验得出汽油蒸气在隧道内爆炸的传播机理等重要结论。Kuhl等[19]研究了隧道的几何形状和体积对爆炸火焰传播的影响。王成等[20]研究了不同形状障碍物对火焰传播特性和爆炸超压的影响。程关兵等[21]开展了一般状况下氢气、丙烷和空气混合的爆轰特性研究。目前对隧道爆燃的实验研究重点大多聚焦于障碍物类别、外界环境、隧道形状等影响因素，分析其对爆燃超压和火焰传播特性的影响。
然而，一旦在隧道内发生可燃液体泄露事故，隧道内部温度以及泄漏时间也会对可燃液体蒸气的爆燃特性产生显著的影响，并且此类相关研究较少。基于此，本文在1/20缩尺寸隧道(0.25 m ×0.3 m ×3.0 m)内，进行了不同温度乙醇液体条件下，不同点火时间的乙醇蒸气爆燃特性实验研究。记录了隧道内爆燃火焰的传播过程，测量了可燃蒸气爆燃产生的超压值，并对不同工况下的隧道爆燃超压进行分析，以期为今后隧道爆燃相关研究提供参考。
1 缩尺寸实验方法实验整体结构如图 1所示，采用的模型为1/20的缩尺寸隧道模型，隧道模型总长3 m，横截面尺寸为0.25 m×0.3 m。隧道模型顶棚、底面和后侧壁均为10 mm厚的钢板结构，前侧壁为8 mm厚的耐高温石英玻璃，用以观察爆燃火焰的传播过程，同时在隧道模型结构接缝处采用防火泥进行封堵，以提高隧道密闭性。隧道模型纵截面如图 2所示。
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| 图 1 1/20缩尺寸隧道模型立体图 |
| 图选项 |
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| 图 2 隧道模型纵截面图 |
| 图选项 |
实验的燃料为纯度99.99%的乙醇液体，其热值为3.0×107 J，沸点为78 ℃，密度为789 kg/m3 (20 ℃)。乙醇盛放在直径10 cm、高度5 cm的无缝焊接油盘内，每次在实验前向油盘内加入0.4 kg乙醇液体。油盘放置在(proportion integration differentiation, PID)加热板上，油盘两侧距隧道壁面均为10 cm，加热板距离隧道底面3 cm，并由四角支架支撑放置在电子天平上。实验时，为了在隧道内形成乙醇蒸气浓度场，将距隧道中心点两侧50 cm处采用聚乙烯薄膜封闭，使得可燃蒸气的浓度场范围为1 m的区间，使用PID加热板对油盘内的乙醇液体按照初始设定的工况进行加热。此外，采用高能电火花点火器进行点火，点火位置设置在隧道内部中心处，点火能量恒定为10 J。
采用高速摄像机对隧道内爆燃火焰传播过程进行拍摄记录，1280×488像素分辨率的高速摄像机放置在隧道模型正前方距其中心10 m处，其帧率设定为500帧/s。爆燃过程中隧道内部压力变化采用数字压力传感器测量，数据采集间隔为1 ms，在隧道后侧壁中心以及距中心40 cm和80 cm处分别布置1个压力传感器对爆燃过程产生的压力进行测试，并在燃料盘中心距隧道顶部125 mm处布置了蒸气浓度及温度的监测点以实时检测乙醇蒸气浓度及预混气体温度。
实验记录了乙醇液体温度分别为30、40、50、60、70、78 ℃条件下，蒸发不同时间后点火的爆燃情况，其中当液体温度为30~60 ℃时，分别测试了蒸发10、20、30、40、50、60 min后点火的情况，在液体温度为70 ℃时，分别测试了蒸发5、10、15、20 min后点火的情况，对于液体温度为78 ℃(沸点)时，分别进行了蒸发1~9 min的点火爆燃测试。本实验各工况的乙醇蒸气浓度均小于乙醇液体的饱和蒸气浓度。
2 结果与分析2.1 可燃液体蒸气爆燃发生情况分析当乙醇液体温度为30~50 ℃时，乙醇蒸气均未被引爆，其他情况见表 1。当乙醇液体温度在60 ℃时，蒸发40 min后蒸气浓度已达到爆炸极限，并且该工况下的乙醇蒸气被引爆。乙醇液体继续蒸发至50 min时，乙醇蒸气也被引爆。
表 1 60、70、78 ℃液体温度下乙醇蒸气引爆情况
| 工况编号 | 液体温度/℃ | 点火时间/min | 浓度/% | 蒸气温度/℃ | 引爆 |
| A1 A2 A3 A4 A5 | 60 | 10 20 30 40 50 | 2.02 3.84 5.57 7.82 9.46 | 34.4 36.3 41.1 46.2 50.6 | 否 否 否 是 是 |
| A6 A7 A8 A9 | 70 | 5 10 15 20 | 5.02 9.34 13.57 15.82 | 42.4 48.3 52.1 58.2 | 否 是 是 是 |
| A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 | 78(沸点) | 1 2 3 4 5 6 8 9 | 4.82 6.64 8.27 10.32 12.86 14.55 16.55 19.44 | 56.4 58.3 59.6 60.2 62.6 63.1 63.3 64.1 | 是 是 是 是 是 是 是 是 |
表选项
由上述工况可知，当乙醇液体温度增至60 ℃后才出现爆燃现象，可见隧道内爆炸极限范围随温度降低而减小，同时所需要的引爆能量也会变大。而实验过程中的点火能量始终为10 J，因此是否被引爆主要受到了恒定点火能量的影响。初始时刻的乙醇蒸气温度受到了乙醇液体温度的影响，因此在液体温度为70 ℃和78 ℃(沸点)时，调整了乙醇的点火时间，当乙醇液体在70 ℃的温度条件下蒸发5 min后，由于此时的点火能量较低，无法引爆。之后随着点火时间的延长，可燃蒸气的浓度逐渐提高，同时乙醇蒸气-空气的混合蒸气温度也提高，且此后的混合可燃蒸气均被引爆。当乙醇液体温度达到沸点时，蒸发1 min后可燃蒸气浓度已达到爆炸极限，当启动点火器时，混合可燃蒸气被引爆。
2.2 在液体温度78 ℃条件下不同点火时间的爆燃超压分析为了更好地研究爆燃情况下可燃蒸气浓度对爆燃超压特性的影响，将在液体温度78 ℃(沸点)的条件下，对其在隧道内蒸发不同时间所形成蒸气的爆燃超压进行对比分析。
1) 隧道内爆燃火焰传播过程分析。
图 3为在液体温度78 ℃的条件下，蒸发2 min后点火的隧道内乙醇蒸气爆燃火焰传播过程，其他工况的爆燃火焰传播过程与此类似。
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| (液体温度78 ℃，蒸发2 min后点火) 图 3 隧道内爆燃火焰传播过程 |
| 图选项 |
由图 3可知，在爆燃发生的初始阶段，反应程度较缓慢，爆燃火焰从点火点慢慢向四周扩散发展，首先形成球形火焰，随后火焰在传播过程中受到隧道上下侧壁的限制，开始沿着隧道纵向向隧道两端传播，火焰初期呈现淡蓝紫色。随着爆燃的继续进行，火焰两端逐渐呈现指尖型火焰传播趋势，但由于受到重力的作用，火焰基本沿着隧道上壁面向前传播，且燃烧反应速率在热量和压力的综合作用下快速提高，加上隧道壁面对前锋火焰的熄灭作用，部分火焰将发生反转，呈现出一个向后凹陷的形状向前传播，爆燃火焰面积增大，释放出更多的热量，火焰传播速度也快速上升。之后随着反应释放更多的热量及压力波压缩前方的混合气体，隧道内流体的湍流强度提高，进而加剧了爆燃反应速率，导致爆燃火焰的表面积迅速增大，同时释放出更多的热量，使隧道内部的温度快速升高，燃烧产物及未燃气体的体积迅速膨胀，使部分未燃的乙醇蒸气冲出隧道口，当爆燃火焰传播出隧道末端出口时，隧道出口的可燃乙醇蒸气被引燃，火焰开始向内不断卷吸空气，火焰区域逐渐膨胀到最大。随着可燃蒸气的反应消耗，火焰逐渐消失。
2) 爆燃超压沿隧道纵向传播特性及变化规律。
图 4为在乙醇液体温度78 ℃的条件下，蒸发不同时间后点火的爆燃压力波沿隧道纵向传播的变化情况。在乙醇气体被点燃的初期，反应还不是很剧烈，在极短时间内气体受到的干扰几乎没有，此时压力测点P1、P2、P3测得的超压值差距不大。爆炸发生初期，火焰厚度很薄，可以分为反应区和预热区。乙醇蒸气在反应区参加反应之后产生大量热量，通过热传导的方式传递到预热区。预热区的乙醇气体被加热，同时被挤压，产生了前驱压力波，这就是“两波三区结构”[22]。压力前驱波的向前传播使得隧道内的压力急剧增加，出现了第一次压力峰值，爆燃火焰在向外推进的过程中，可能由于自身原因(由于温度升高而使反应不断加速造成湍流)或外部原因(管道壁面粗糙度以及黏性等)引起火焰面的振荡，当振荡较大时，会导致一侧火焰逆向流动，逆向流动的火焰到达油盘上方时，可能发生二次的爆燃，进而促进了压力的进一步上升，出现第2个峰值。对比图 3可知，当爆燃发生后，在爆燃压力波沿隧道纵向的传播过程中，爆燃超压值从测点位置P1到P3均呈现先上升后下降、再上升又下降的趋势，并且随着点火时间的延长，爆燃压力曲线呈现了较明显的双峰形状。此外，火焰面的振荡能够进一步形成漩涡，使得火焰面发生褶皱。这些褶皱是火焰前缘本身产生的湍流所导致的，它能够增大火焰面的面积，扩大反应区域，加快反应速度，进而增大火焰燃烧速度。而增大了的火焰速度又会继续增加湍流强度，提高化学反应速率，这种正反馈机制能够使火焰不断加速，这也就产生了P1测点位置在100 ms时刻的超压均低于P2及P3的现象。
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| 图 4 蒸发不同时间后点火的爆燃超压变化曲线 |
| 图选项 |
3) P1测点位置爆燃超压随点火时间变化的规律分析。
图 5为P1测点位置在蒸发不同时间后点火的压力变化对比，以及在P1测点位置的各工况最大超压随着点火时间的变化规律。
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| 图 5 (网络版彩图)蒸发不同时间后点火的超压波沿隧道纵向传播变化曲线 |
| 图选项 |
由图 5a可知，随着点火时间的延长，爆燃产生的第1个峰值出现时间大致相同，大约为100 ms，但随着爆燃继续发展，出现第2个峰值的时间没有特别明显的规律；当蒸发9 min后点火时，第2个峰值出现的时间明显短于其他工况，且其爆燃压力峰值明显高于其他工况。由图 5b可知，随着隧道内乙醇蒸气浓度的增加，爆燃产生的超压峰值呈现了4个不同的阶段：当蒸发1~2 min后点火时，爆燃产生的最大超压增幅较小；当蒸发2~6 min后点火时，最大压力峰值快速上升，随后又出现了缓慢增长的过程；当蒸发6~8 min后点火时，压力峰值出现了剧烈的增长；但当蒸发9 min后点火时，爆燃产生的最大超压急剧下降。分析爆燃发展过程可知，在78 ℃的液体温度下，随着点火时间的延长，隧道内混合可燃蒸气产生的爆燃超压也增加，但当蒸气浓度增大到一定值后，将由于氧浓度相对不足而导致爆燃传播缓慢，进而出现了最大超压值急剧下降的现象。
3 结论本文进行了隧道内可燃液体在不同液体温度的条件下蒸发所形成蒸气的爆燃特性实验研究，主要结论如下：
1) 爆炸范围受初始温度所影响，当温度低时爆炸极限范围小，同时所需要的引爆能量也会变大。
2) 隧道内被引爆乙醇蒸气的压力值曲线沿隧道纵向呈现了明显的双峰形状。此外，由于爆炸火焰在传播过程中的加速效果，爆燃超压在第1次达到峰值时，燃料盘正上方P1测点位置超压值均低于远离中心的P2、P3测点处。
3) 随着点火时间的延长，隧道内燃料盘上方P1测点位置的最大超压值会因反应过程中乙醇蒸气浓度增加、氧气浓度的相对减少而呈现先增大后减小的趋势。
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