Page 166 - 《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

间 t ope n 为 21.2 ms，最晚开启时间 t ope n 在 p =186 kPa 时取得，约为 26.0 ms，后者较前者延长了 22.6%。当
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p =14 kPa 时，在 p 和 b p t 之间可以观察到 PT3 传感器记录到的压力出现振荡现象，如图 5(a) 所示。这可
v ou
以归因于管道内燃烧产物的生成率与未燃烧混合物的体积流出率之间的竞争，当前者大于后者时，压力
上升，反之压力下降。此外，当管道内部压力逐渐下降到环境压力时，气体在惯性作用下继续向管道外
部泄放，导致管道内产生负压。因本文中管道长径比较大（16.7），管道内的负压也不同；离泄爆口越远，
负压也越大。Rui 等 [14] 利用高度为 1.8 m 的容器开展泄爆实验时发现了类似的现象。若可燃气体的层
流燃烧速度慢或者泄爆容器的长径比小，则该现象不明显 [9, 30] 。
图 6 显示了各超压峰值与 p 之间的函数关系。p 随 b p 的升高而单调升高，在 p ≥42 kPa 时，p 为最
b
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v
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大压力峰值。p 始终高于 p ，这种差异是由于材料在动态瞬时压力脉冲负荷下比在缓慢的静态压力负
b
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荷下更坚固 [31] 。超压峰值 p t 随 p 的升高而逐渐升高，这是由于随着 p 的升高，泄爆口打开时间越晚，
v
v
ou
管道内消耗的氢气-空气混合气体越多，反应越剧烈，火焰泄放前管道内燃烧产物的生成率与未燃烧混合
v
物的体积流出率之间的差值越大，p ou t 越高。值得注意的是，当 p ≤27 kPa 时，p ou t 略高于 p ；当 p 升高到
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b
42 kPa，p 开始超过 p ，且两者之间差异随着 p 的继续升高而显著升高。此外，超压峰值 p t 随 p 的升
v
v
b
out ex
高而升高，是所有实验中最低的峰值。
图 7 为不同破膜压力下管道内 3 个压力传感器测得的最大超压。当 p 由 v 14 kPa 升高到 186 kPa 时，
管道内的最大超压从 54.9 kPa 升高到 195.0 kPa，增幅为 255.2%，管道内部最大超压随 p 的升高而升高。
v
分析认为：随着 p 的升高，管道内参与反应的氢气增加，且氢气燃烧产生的能量无法及时得到释放，从而
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导致超压升高。此外，管道内最大超压的位置，即由 PT1、PT2 或 PT3 测得的最大超压，取决于 p 。实验
v
结果表明：当 p ≤42 kPa 时，管道内部最大超压始终在管道中心处（PT2）测得；而随着 p 继续升高，管道
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内部最大超压在泄爆口附近处（PT3）取得，这是因为本文中采用的泄爆管道长径比较大，内部压力随距
泄爆口距离变化而变化。当破膜压力较低时，泄爆封口较早破裂，离泄爆口近的位置，泄放效果明显，最
大压力也低；而在管道的点火端，因燃烧产物向壁面传热导致压力降低。随着破膜压力升高，泄压时间
推迟；泄爆封口破裂前，由于管道内的氢气点燃后产生了亚声速传播的压缩波以及之后的燃烧波，此时
管道内部的未燃烧氢气会受到压力波冲击影响向前推动，可燃气体被压缩至管道末端且湍流度升高，因
此管道末端的的爆炸压力也就升高。李静野等 [32] 和 Zhou 等 [33] 分别在 3.5 和 7.2 m 的密闭管道进行爆炸
实验时也发现了管道内不同位置最大压力不一致的现象。
250
200 p b PT1
p out 200 PT2
160 p ext 150 PT3
Pressure peak/kPa 120 Maximum internal overpressure/kPa 100
p v
80

40 50

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Vent burst pressure/kPa Vent burst pressure/kPa

图 6 压力峰值与破膜压力之间的关系 图 7 最大内部超压与破膜压力之间的关系
Fig. 6 Relationships between the pressure peaks Fig. 7 Relationships between the maximum internal
and the vent burst pressure overpressures and the vent burst pressure

2.3 破膜压力对管道外火焰传播特性及压力的影响
图 8 给出了不同破膜压力下典型的外部火焰图像。当火焰到达泄爆口时，火焰从泄爆口喷出，并点
燃外部可燃气云触发外部爆炸。当 p =14 kPa 时，观察到外部火焰始终保持射流结构，在几毫秒内迅速
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