Page 165 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 杜赛枫，等： 破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响 第 2 期

上方火舌传播速度较快，如图 4(c)～(d) 所示。这种上下火舌速度的差异，是由火焰不稳定性与重力的相
互作用导致的 [24] 。随着管道内火焰的继续传播，郁金香形火焰结构的上下两个火舌逐渐靠近，在管道出
口处郁金香形火焰结构消失，当 p =71 kPa 时甚至可以观察到火焰在管口处形成了新的指形火焰结构。
v
2.2 破膜压力对管道内压力特性的影响
爆炸超压是易燃气体安全防护领域最重要的参数之一，图 5 为不同破膜压力下的内部压力-时间变
化曲线。实验结果表明，管道封闭端压力传感器 PT1 和中心处压力传感器 PT2 测得的爆炸超压具有相

似的变化规律。在低破膜压力下，PT1 和 PT2 单调增加至峰值后下降至负压峰；而当 p ≥71 kPa 时，
v
PT1 和 PT2 在达到最大压力峰值之前都经历了下降阶段，这可能是由于泄爆口打开时间较晚，火焰温度
过高, 在管道封闭端和中心处管道壁面存在热传导现象，造成了部分能量损失。相较于 PT1 和 PT2，开口
端压力传感器 PT3 测得的压力-时间变化曲线存在较大差异。

p b
60 PT1 120 PT1
PT2 80 p out PT2
PT3
PT3
40
Overpressure/kPa 20 0 p b p out p ext Overpressure/kPa 40 0 p ext

−20 −40
t open t open
0 15 30 45 60 75 90 105 120 0 15 30 45 60 75 90 105 120
Time after ignition/ms Time after ignition/ms
(a) p v =14 kPa (b) p v =71 kPa
180
p b 180 p b
PT1 PT1
PT2 PT2
120 p out PT3 120 p out PT3
Overpressure/kPa 60 p ext Overpressure/kPa 60 0 p ext

0

t open −60 t open
−60
0 15 30 45 60 75 90 105 120 0 15 30 45 60 75 90 105 120
Time after ignition/ms Time after ignition/ms
(c) p v =131 kPa (d) p v =186 kPa
图 5 不同破膜压力下内部压力-时间曲线
Fig. 5 Internal pressure-time histories under different vent burst pressures

从图 5 可以看出，在开口端压力传感器 PT3 测得的压力-时间曲线中可以观察到多峰现象，特定的
超压峰值与特定的产生机制有关。第 1 个压力峰值 p 是由覆盖在泄爆口的铝膜破裂所致 [25-26] ，也被称为
b
动态破膜压力，因此该超压峰值对应时刻可近似看作泄爆口开启时间 t open 。当火焰到达泄爆口时，可以
观察到第 2 个超压峰值 p ，它是由燃烧混合物的泄放引起的 [27] ，燃烧混合物的泄放会导致管道内的体积
out
流出率急剧增加，这也可由对应时刻的火焰图像加以佐证。当先前从管道排出的未燃烧氢气-空气预混
气体被火焰点燃时，发生外部爆炸，外部爆炸会使管道外部压力上升，从而降低了泄爆口的内外压力梯
度 [28-29] ，进而阻碍了管道内部压力释放，最终增大内部超压并产生了第 3 个压力峰值 p 。
ext
随着 p 的升高，铝膜破裂所需能量增加，泄爆口开启时间延长。在 p =14 kPa 时，泄爆口最早开启时
v
v

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