可燃气体在受限空间内的爆炸一般会引起极大的爆炸超压^[1-2]，导致灾难性事故的发生。为了防止气体爆炸带来重大的经济损失和人员伤亡，人们通过实验深入研究了可燃气体利用泄爆管在柱形腔体^[3-9]、球形容器^[10-15]的泄爆过程，以及通过导管直接连接的不同容器^[16]的泄爆过程。获得了单质可燃气体在不同开口面积容器内部的爆炸超压规律、传播特性，或者外部流场的二次爆炸特性等，而对容器内外流场相结合，对不同部位的开孔，多个开孔的泄爆过程研究比较少。

油气是汽油的挥发物，是以轻质烷烃为主要组分的复杂混合物。由于油气在油料洞库、储罐、管道、隧道、地下建筑等受限空间中比较容易聚集，又容易满足爆炸的条件，因此容易造成重大的爆炸事故。基于这个原因，一些作者深入研究了油气在封闭空间中的爆炸特性^[17-18]，获得了不同于其他可燃气体爆炸的成果，而对油气的泄爆过程还未有相关深入研究。

本文中通过内外流场相结合的可视化泄爆实验和数据分析，深入研究油气在圆柱形直管道旁侧单孔、双孔下的泄爆过程，获得管道内外流场的压力特征，管道外流场的火焰特征，获得的相关数据和可视化成果可丰富受限空间油气爆炸成果，为消防安全等提供技术基础。

1.   实验装置和测试系统

主实验装置为一段长1.7 m、半径200 mm的圆柱形直管道，左右两端用法兰封闭。管道侧面有2个观察窗，对应的上端旁侧有2个直径120 mm的开孔，开孔用法兰或者薄膜(破膜压力约600 Pa)封闭。自制点火电极安装在管道一端的法兰中心，通过线缆与自主设计的多功能电点火器(见图 1)相连，点火能量范围为0.1~6.9 J，本文实验中点火能量为3 J。油气雾化循环系统主要由汽化装置、真空泵、安全阀门和导气管组成。

图  1  多功能智能点火器

Figure  1.  Multifunctional intelligent ignition device

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实验测试系统主要由压力动态采集系统、油气体积分数测试系统、高速摄像等组成。压力动态变化由7支泰斯特压力传感器测试，测试频率为100~300 kHz，测试压力量程为0~2 MPa，压力采集分析软件为DAP6.13版。浓度测试系统为GXH-1050红外线分析器和日本COSMOS电子有限公司生产的FGA-4100(5G)汽车排气分析仪。高速摄像拍摄最大速度为1 000 s^-1。整个实验装置及测试系统连接情况如图 2所示。

图  2  实验装置及系统连接示意图

Figure  2.  Diagram of experimental setup

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主要实验步骤：首先，按图 2布置好各种仪器和设备，检查线路；其次，调试、校准测试系统，使系统处于工作状态，清理现场；然后，启动真空泵，将93^#汽油经过气体雾化系统循环输入到管道中，期间，通过气体浓度测试装置进行多次、多个位置油气浓度测量，保证油气在坑道中均匀分布，达到实验所需浓度，关闭安全阀；再然后，启动点火开关，通过内触发，触发压力测试系统，记录压力曲线，同时通过高速摄像机摄制火焰发展过程；最后，打开法兰，用吹风机吹扫，排出废气，进行分析、处理数据和视频，获得相关结果。

2.   实验结果

为了对比研究，完成了体积分数为0.9%~1.55%的油气在封闭空间爆炸实验、单孔开口泄爆实验和双孔开口泄爆实验。实验的环境温度为(14±2) ℃，环境湿度为(25.6±5)%，环境压力为1.015×10⁵ Pa。

2.1   封闭空间油气爆炸的压力特征

通过研究发现，因受限空间条件、油气特性的影响，油气在受限空间爆炸后不同位置的压力曲线可能有多个波峰，相同体积分数的压力曲线也略有差别。图 3描绘了体积分数为1.25%的油气在受限空间爆炸的一组典型压力曲线。B点压力曲线呈现多峰状，最大超压为135 kPa；而C点压力曲线呈现为双峰状，最大压力达到了230 kPa。

图  3  封闭空间油气爆炸的压力曲线(φ=1.25%)

Figure  3.  Curves of pressure for gasoline-air explosion in closed space(φ=1.25%)

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由于C点紧邻管道一端，它的第2个压力峰值应该是反射波造成的。从图 3来看，当B点压力达到最大超压时，C点压力却处于双峰中间的波谷，说明了冲击波在B与C之间得到了加强。

2.2   单孔泄爆基本特征

2.2.1   单孔泄爆的主要实验参数

将开孔1或者开孔2单独打开，其他孔和端口封闭，完成单孔泄爆实验，实验的主要参数情况见表 1。表中，p表示最大超压，火焰最大高度h是火焰以孔口为基点的最大燃烧高度, 火焰持续时间t表示的是在孔外燃烧火焰从出现到完全熄灭经历的时间。

表  1  单孔泄爆实验的主要参数

Table  1.  Main parameters of single pore venting explosion test

实验编号	开孔	φ/%	pB/kPa	pC/kPa	pD1/E1/kPa	h/m	t/s
1	1	0.90	38	14	650	0.8	3.2
2	1	1.10	42	19	720	1.5	4.5
3	1	1.13	53	21	730	1.6	5.6
4	1	1.17	59	27	750	2.2	5.2
5	1	1.50	200	132	810	2.8	3.6
6	1	1.55	311	180	830	2.9	3.2
7	2	1.10	90	13	740	1.8	3.5
8	2	1.20	150	23	810	2.6	4.0

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从表 1可以得出如下结论：

(1) 当开孔1泄爆时，各点的压力、火焰最大高度基本随着体积分数的增加而增加(见图 4)，其中泄爆孔外部的最大超压远远大于容器内部的最大超压。但是从火焰持续时间看，油气体积分数较小或者较大，持续时间都较短，而在体积分数为1.13%时，火焰持续时间达到了最大为5.6 s。

图  4  油气体积分数与最大超压、火焰最大高度的关系

Figure  4.  Gasoline-air volume fraction vs. maximum overpressure and flame altitude

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(2) 当开孔2泄爆时，与同体积分数开孔1泄爆相比，开口的最大超压和火焰最大高度都大得多，主要原因应该是火焰前锋和压力波耦合加速的距离长所致。

2.2.2   外流场可视化结果

将体积分数为1.50%和1.13%的油气在开孔1泄爆的外流场视频进行截图，获得火焰变化过程如图 5所示。

图  5  两种油气体积分数的外流场火焰变化过程

Figure  5.  Flame changing processes of the outflow field induced by two gasoline-air volume fractions

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通过对图 5和视频的分析，可得如下结论：

(1) 外流场爆炸过程可归纳为4个阶段。第1阶段，气体在管道内发生爆炸，薄膜被掀开，未燃气体从开孔泻出，没有火焰出现；第2阶段，火焰从泄孔射出，与未燃气体一道在孔口外爆燃，形成“蘑菇云”，“蘑菇云”重心偏向一侧。第3阶段，气体持续射流燃烧，这个阶段持续时间长，火焰也最长，燃烧速度也最快，火焰颜色几乎变成了白色。第4阶段为火焰的熄灭阶段，火焰不稳定，颜色变淡，长度逐渐减小。

(2) 通过对比分析，发现有3个明显特点：油气的体积分数越高，第2阶段形成的“蘑菇云”面积越大，“蘑菇云”的伞柄越短；油气体积分数越高，第3阶段形成的射流火焰越长，持续燃烧过程越稳定；油气的体积分数越高，熄灭阶段出现了火焰的再次增强、变厚，可能有多次压力峰值。

与开孔1泄爆相比，开孔2泄爆实验的外流场类似。只是最大超压更大，火焰长度更长，爆炸声音更大，持续时间更短。

2.2.3   内外流场压力变化规律

图 6是油气体积分数为1.13%时，内外流场中B、C和D点的压力曲线。

图  6  开孔1泄爆过程中内外流场压力曲线(φ=1.13%)

Figure  6.  Curves of pressure for internal and external flow field in the process of venting explosion for pore 1(φ=1.13%)

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从内流场的压力曲线来看，B点的压力呈单峰，最大超压为52 kPa，然后出现了负压；D点的压力先是震荡，然后出现了短时间的峰值，最大超压为15 kPa，最后呈现一个长时间单峰，最大超压达到了21 kPa。

从外流场压力曲线来看，D₁点(开孔1的正中央，距离开口40 mm)出现了2次超压，最大压力分别达到了720、410 kPa。D₂点(距开孔1边缘30 mm，开口20 mm)出现了多次有规律的正压和负压的交替震荡，压力并不是很大。在D₁点出现2次很大的超压是因为开孔1处于点火端700 mm处，内部流场出现的正向和逆向冲击波从开孔射出。

通过以上分析，外流场的压力比内流场高了很多，破坏性很大。但内流场持续时间相对较长。图 7是同样体积分数下开孔2泄爆的外流场压力曲线。

图  7  开孔2泄爆过程中外流场压力曲线(φ=1.13%)

Figure  7.  Curves of pressure for internal and external flow field in the process of venting explosion for pore 2(φ=1.13%)

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从图 7可以发现，当仅有开孔2泄爆时，E₁点出现了3次压力峰值，最大超压分别是740、505、250 kPa，而E₂点并未出现压力震荡，最大超压为90 kPa。

2.3   双孔泄爆基本特征

将两个开孔同时打开，进行双孔泄爆实验，实验主要参数如表 2所示。

表  2  双孔泄爆实验主要参数

Table  2.  Main parameters for venting explosion test for the double cores

实验编号	φ/%	pA/kPa	pB/kPa	pC/kPa	pD1/kPa	pE1/kPa	h孔1/m	h孔2/m	t/s
1	0.90	9.0	1.5	2.0	90	32.5	0.5	0.8	3.0
2	1.20	20.0	6.5	9.0	140	220.0	0.6	1.1	2.0
3	1.23	22.0	7.0	9.5	150	280.0	0.8	1.5	1.8
4	1.40	27.5	10.0	12.5	170	330.0	0.9	1.6	1.3

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由表 2可以发现，随着体积分数的增加，各点的最大超压，火焰最大高度基本呈递增趋势，持续时间反而降低。由于存在泄孔，A点最大超压大于B点和C点的最大超压。与开孔1的最大超压相比，开孔2的最大超压较大，火焰最大高度较高。

2.3.1   外流场可视化结果

将体积分数为1.40%的油气在两个开孔同时泄爆的外流场视频进行截图，得到如图 8所示的火焰变化过程。

图  8  双孔泄爆过程中外流场火焰变化过程(φ=1.40%)

Figure  8.  Flame changing process of outflow filed during the venting explosion for the double cores(φ=1.40%)

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由图 8的前3幅图可以看出，开孔1的火焰已经出现“蘑菇云”，而开孔2还没有火焰出现。第4幅图中开孔2的“蘑菇云”不明显，主要原因是破膜压力已将薄膜冲开，油气散失了一些。在泄爆第3阶段，开孔2外流场火焰更高、更稳定。从最后3幅图看出，燃烧过程持续时间最长。

2.3.2   内外流场压力变化规律

图 9是油气体积分数为1.40%时，内外流场的压力曲线。

图  9  双孔泄爆过程中内外流场压力曲线(φ=1.40%)

Figure  9.  Curves of pressure for internal and external flow field in the process of venting explosion for the double pores(φ=1.40%)

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从内流场来看，受2个开孔的原因，A点的最大超压大于B和C点的最大超压。A点的压力曲线仍然呈单峰，最大超压为28 kPa。B点的压力仍然呈双峰，最大超压分别为10.1、10.0 kPa。C点的第1个峰压已经不是很明显，第2个峰的最大超压为13.0 kPa。

从外流场来看，D₁点压力曲线也是呈现为双峰状，最大超压分别达到170、25 kPa；双峰中间有一最大负压为25 kPa，负压出现的原因可能是开孔2此时出现了最大超压。说明了2个开孔有相互影响。E₁点压力主要呈现单峰状，最大超压为320 kPa。这样，开孔2的最大超压大于了开孔1的最大超压。

综上所述，管道外流场的最大超压远远大于了内流场的最大超压。

2.4   压力曲线的对比分析

对封闭空间油气爆炸实验、单孔、双孔泄爆实验的压力进行对比分析，获得如下结论：

(1) 3种实验中，封闭空间的内流场最大超压远远大于有开孔的内流场压力，但小于开孔外的最大超压;

(2) 1个泄孔外最大超压小于2个泄孔外的最大超压;

(3) 开孔位置距点火端越远，开孔外最大超压越大;

(4) 在实验油气体积分数区间内，体积分数越大，相应的压力越大。

3.   结论

通过本实验装置下油气爆炸实验，获得的主要结论如下：

(1) 通过高速摄像，获得了单孔、双孔泄爆外流场火焰发展过程。油气泄爆过程可归纳为4个阶段，分别是薄膜被掀开，未燃气体从开孔泻出；火焰形成“蘑菇云；火焰持续剧烈燃烧；火焰逐渐熄灭。

(2) 通过对比不同油气体积分数在封闭空间的爆炸，单孔、双孔泄爆实验，获得了管道不同位置的压力变化曲线特征，以及最大超压、开孔外火焰的最大高度和火焰持续时间等参数。数据分析表明，封闭空间的内流场最大超压远大于开孔泄爆内流场最大超压，而开孔泄爆的外流场最大超压远大于内流场最大超压，多孔泄爆可以分流最大超压等。