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  • 技術前沿

    1   概述

     

    近年來國內外學者在受限空間內可燃氣體爆炸方面開展了一系列研究工作。王東武等人1通過試驗研究了煤層氣在巷道內的爆炸傳播規律,分析了煤層氣爆炸時達到最大爆轟壓力的時空特征、火焰波及范圍變化特征、煤層氣爆炸火焰速度變化特征等規律,研究結果表明最大爆炸壓力的峰值較大;最大爆炸壓力呈現時間隨與爆源的距離增大單調增加;煤層氣量的增加不一定導致火焰傳播距離變長,爆炸產生的火焰長度為煤層氣積聚區長度的36倍,研究結論可為礦井煤層氣事故的預防提供理論依據。Barr2通過實驗研究了障礙物對火焰的加速作用,指出任意尺寸的障礙物都會引起火焰加速,使巷道內的壓力迅速上升。Lin3創建了障礙物誘導沖擊波及火焰波加速傳播的數值模擬模型,得出不同開口類型的管道火焰超壓的增長趨勢并不相同的結論。潘尚昆等人4提出了管道內甲烷爆炸的能量方程,討論了管道內壁熱量傳遞、管道直徑以及管道端口開閉等因素對煤層氣爆炸后沖擊波和火焰波傳播的影響,并研究了火焰的傳播規律。王大龍等人5主要研究了在密閉條件下燃氣發生爆炸影響火焰傳播的主要因素。氣體產物的膨脹作用、特殊管徑和特征尺寸以及火焰湍流因素等均有不同程度影響,建立了能反映礦井半封閉空間甲烷-空氣混合氣體發生爆燃的數值模擬模型。賈智偉等人6研究了管道內障礙物對丙烷-空氣、甲烷-空氣混合物在爆燃過程中的火焰速度與沖擊波壓力的影響,研究發現,在同樣條件下,丙烷-空氣和甲烷-空氣混合物的爆炸沖擊波壓力存在較大差別。

     

    對于管廊內可燃氣體爆炸,試驗研究是最基礎可靠的方法,可以為理論研究提供基礎數據,并且可通過真實的可燃氣體爆炸試驗最大程度地模擬真實情況,具有很大的現實工程意義7-9。筆者在室外空曠場地開展了管廊燃氣爆炸的相似模型試驗研究,通過無人機對燃氣爆炸火焰傳播全過程進行了攝像監測,研究得到了燃氣爆炸火焰長度及傳播速度隨時間的變化規律,研究結果可為城市管廊公共安全防控及相關理論研究提供試驗依據。

     

    2   試驗方案 

    2.1  試驗模型

     

    結合某城市管廊工程相關資料,綜合考慮模型相似條件、試驗可行性、爆破試驗不可逆性及安全防護等因素,按照14比例在武漢市建造了鋼筋混凝土管廊模型(見圖1,圖1中數據單位為cm)。該模型建造在地上,模型側面堆土壓實模擬埋在地下的工況,頂板上未覆土。該模型除燃氣艙與電力艙間隔墻厚15 cm外,其余墻壁均厚20 cm。在通行艙頂部設置140 cm×40 cm的逃生通道,試驗時加裝40 cm×40 cm×10 cm的混凝土頂蓋。在燃氣艙頂部預留140 cm×40 cm的泄壓口,試驗時加裝40 cm×40 cm×10 cm的木質頂蓋。在燃氣艙頂部設置2個直徑為3 cm的圓孔作為線纜轉接孔。充氣孔和檢測孔的孔徑均為1 cm。

     

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    1   管廊模型

     

    模型建造完成后,使用沙袋堆積在模型兩側至一定高度,并回填土至模型頂部平齊,通過振動搗實機壓實模型兩側回填土。模型軸向方向兩端采用木板加玻璃膠密封作為艙門,并通過槍釘進行加固。管廊模型實物見圖2。

     

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    2   管廊模型實物

     

    2.2  燃氣充裝及起爆裝置

     

    借助天然氣鋼瓶及減壓系統,通過充氣孔向管廊內部充氣,同時在4個檢測孔各放置1個天然氣濃度檢測儀,實時監測并記錄燃氣艙內天然氣的體積分數。當這4個天然氣體積分數檢測值的平均值達到天然氣最佳爆炸體積分數范圍(9.5%10.0%)時,停止充氣并靜置5 min。再對此時的4個天然氣體積分數檢測值求平均值,如果平均值仍然在9.5%10.0%范圍內,就立即使用木塞對檢測孔和充氣孔進行密封。試驗采用武漢天然氣有限公司提供的川氣,組成為:甲烷體積分數為93.5%,乙烷體積分數為3.3%,丙烷體積分數為0.5%,其他碳氫化合物體積分數為0.2%,氮氣和二氧化碳體積分數為2.5%。

     

    管廊燃氣起爆系統使用兩套獨立的電火花起爆系統,一用一備,位于管廊中間位置。分別將兩組腳線通過2個線纜轉接孔引出,待管廊充氣完畢滿足起爆要求后,接入兩個起爆器。該方法操作簡單方便,過程安全可靠。

     

    2.3  無人機攝像監測系統

     

    使用的無人機型號為大疆“悟2”專業級無人機,搭載4K高清鏡頭。在每組試驗起爆前,遙控無人機飛行至管廊正上方懸停,攝像機鏡頭呈俯視狀態,確保拍攝畫面包含整個火焰區域。為減小試驗誤差,每次試驗攝像機錄制參數相同。

     

    3   燃氣爆炸火焰傳播的攝像結果

     

    試驗當天氣溫為9 ℃,大氣壓為102 kPa。共進行了4次天然氣爆炸試驗,試驗條件見表1。根據攝制的視頻可以看出,燃氣艙內的天然氣被引爆后快速反應,產生的爆炸沖擊波首先從管廊模型艙門處沖出,隨后爆炸火焰波快速沖出。這是因為艙門是管廊模型的約束弱面,天然氣爆炸瞬間產生的高強度沖擊波最先沖破密閉模型的約束弱面。4組天然氣爆炸試驗結果見表1,爆炸火焰監測結果見圖3。

     

    1   天然氣爆炸試驗條件和結果

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    3   天然氣爆炸火焰監測結果

      

    從表1可以看出,在試驗條件基本相同的情況下,并非每次試驗爆炸火焰都從兩側艙門沖出,原因可能是天然氣在管廊內部并未與空氣充分混合均勻,各次試驗的爆炸反應程度與強度存在差異,或者是兩側封閉艙門的緊固程度有差異。

     

    通過視頻處理軟件對每組試驗的視頻進行截取,保留天然氣爆炸前和爆炸后火焰沖出全過程視頻片段,再將截取的視頻片段以相同的幀率,逐幀分解為圖片,4組試驗的視頻文件處理結果見表2。對于每張圖片中的爆炸火焰,以管廊兩側艙門為起點,以火焰最遠像素點為終點,對火焰長度進行測量。將管廊模型圖像尺寸與管廊模型尺寸之比作為比例尺,計算得出每張圖片中爆炸火焰的實際長度。

     

    2   4組試驗的視頻文件處理結果

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    從試驗獲得的天然氣爆炸火焰沖出艙門的歷程圖片,可清晰地看出爆炸火焰沖出艙門后的形態變化。天然氣在燃燒爆炸過程中會產生大量氣體產物,其較高的溫度會使其呈現出急劇膨脹的狀態,氣體產物在發生膨脹的前期處于與沖擊波協同運動的高速運動狀態。沖擊波在管廊兩側艙門上反射,與跟隨而來的火焰峰面相遇并相互作用,使得未燃氣體全部參與燃燒,不斷放出熱量,氣體的溫度、壓力繼續上升,體積不斷膨脹,當管廊內部氣體壓力升高到一定程度時,艙門被沖開。爆炸沖擊波沖出管廊后,隨后的火焰波以球面波形態向外噴出,迅速充滿艙門外的空曠區域。隨著天然氣的消耗,熱量供給減少,氣體的溫度降低,膨脹的氣體開始收縮。持續一段時間后,火焰逐漸變淡,直至消失。

     

    4   火焰長度及火焰傳播速度變化特征 

    4.1  火焰長度變化特征

     

    通過視頻文件處理方法得到4組管廊天然氣爆炸火焰沖出管廊的歷程圖片,以出現爆炸火焰圖片的前1張圖片對應的時間為零時刻,以火焰消失的第1張圖片對應的時間為結束時刻,得到天然氣爆炸的火焰持續時間。對以上圖片中的火焰長度進行測量,以管廊兩側艙門為起點,得到火焰在不同時刻的實際長度。表34組爆炸試驗火焰持續時間和火焰最大長度,火焰最大長度可體現天然氣爆炸反應程度與強度。

     

    3   4組爆炸試驗火焰持續時間和火焰最大長度

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    從表3可以看出,4次試驗中火焰持續時間和火焰最大長度有一定差異,火焰持續時間與最大長度未見明顯對應關系。第4次試驗的天然氣爆炸反應程度與強度最高。

     

    通過視頻文件處理得到4次爆炸試驗不同時刻火焰長度變化曲線,見圖4。

     

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    4   4次爆炸試驗不同時刻火焰長度變化曲線

     

    從圖4可以看出,管廊內天然氣爆炸,火焰沖出艙外后,在初期約100 ms時間內,火焰迅速向外傳播,火焰長度達1.251.75 m。隨后火焰長度隨時間變化的速率逐漸趨于平緩,而后火焰長度隨時間變化的速率保持相對穩定。

     

    4.2  火焰傳播速度變化特征

     

    將出現爆炸火焰圖片的前1張圖片和所有含爆炸火焰的m張圖片按時間順序排列,出現爆炸火焰圖片的前1張圖片記為第1張圖片。在每2張連續圖片對應的時間段內,平均火焰傳播速度用下式計算:


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    5   4次爆炸試驗不同時刻火焰傳播速度變化曲線

     

    從圖5可以看出,天然氣爆炸火焰沖出管廊艙門瞬間的火焰傳播速度最大,可達到1522 m/s,此后火焰傳播速度呈逐漸減小趨勢,最終趨近于0。分別對這6組火焰傳播速度數據進行回歸擬合,6組數據的擬合方程均為指數形式,且相關性較好,表明管廊內天然氣爆炸火焰傳播速度隨時間近似成指數關系衰減。

     

    5   結論

     

    ①管廊天然氣爆炸火焰無人機航拍監測方法安全性高、可行性強,可清晰監測管廊天然氣爆炸火焰傳播過程及其變化特征。

     

    ②天然氣爆炸火焰持續時間與火焰最大長度可體現管廊內混合氣體的爆炸反應程度和強度。

     

    ③管廊內天然氣爆炸火焰沖出艙外后,在初期約100 ms時間內,火焰迅速向外傳播,火焰長度達1.251.75 m。隨后火焰長度隨時間變化的速率逐漸趨于平緩,而后火焰長度隨時間變化的速率保持相對穩定。多次試驗條件下,火焰最大長度的最大值為2.38 m,最小值為1.80 m。

     

    ④天然氣爆炸火焰沖出管廊艙門瞬間的火焰傳播速度最大,可達到1522 m/s,此后火焰傳播速度呈逐漸減小趨勢,最終趨近于0。

     

    ⑤管廊內天然氣爆炸火焰傳播速度隨時間近似成指數關系衰減。

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