1   概述

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸方面開(kāi)展了一系列研究工作。王東武等人^［1］通過(guò)試驗(yàn)研究了煤層氣在巷道內(nèi)的爆炸傳播規(guī)律，分析了煤層氣爆炸時(shí)達(dá)到最大爆轟壓力的時(shí)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(guī)律，研究結(jié)果表明最大爆炸壓力的峰值較大；最大爆炸壓力呈現(xiàn)時(shí)間隨與爆源的距離增大單調(diào)增加；煤層氣量的增加不一定導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x變長(zhǎng)，爆炸產(chǎn)生的火焰長(zhǎng)度為煤層氣積聚區(qū)長(zhǎng)度的3～6倍，研究結(jié)論可為礦井煤層氣事故的預(yù)防提供理論依據(jù)。Barr^［2］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了障礙物對(duì)火焰的加速作用，指出任意尺寸的障礙物都會(huì)引起火焰加速，使巷道內(nèi)的壓力迅速上升。Lin^［3］創(chuàng)建了障礙物誘導(dǎo)沖擊波及火焰波加速傳播的數(shù)值模擬模型，得出不同開(kāi)口類型的管道火焰超壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)并不相同的結(jié)論。潘尚昆等人^［4］提出了管道內(nèi)甲烷爆炸的能量方程，討論了管道內(nèi)壁熱量傳遞、管道直徑以及管道端口開(kāi)閉等因素對(duì)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(guī)律。王大龍等人^［5］主要研究了在密閉條件下燃?xì)獍l(fā)生爆炸影響火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩?。氣體產(chǎn)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(fā)生爆燃的數(shù)值模擬模型。賈智偉等人^［6］研究了管道內(nèi)障礙物對(duì)丙烷-空氣、甲烷-空氣混合物在爆燃過(guò)程中的火焰速度與沖擊波壓力的影響，研究發(fā)現(xiàn)，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(duì)于管廊內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸，試驗(yàn)研究是最基礎(chǔ)可靠的方法，可以為理論研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且可通過(guò)真實(shí)的可燃?xì)怏w爆炸試驗(yàn)最大程度地模擬真實(shí)情況，具有很大的現(xiàn)實(shí)工程意義^［7-9］。筆者在室外空曠場(chǎng)地開(kāi)展了管廊燃?xì)獗ǖ南嗨颇Ｐ驮囼?yàn)研究，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)燃?xì)獗ɑ鹧鎮(zhèn)鞑ト^(guò)程進(jìn)行了攝像監(jiān)測(cè)，研究得到了燃?xì)獗ɑ鹧骈L(zhǎng)度及傳播速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為城市管廊公共安全防控及相關(guān)理論研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

2   試驗(yàn)方案 

2.1  試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

結(jié)合某城市管廊工程相關(guān)資料，綜合考慮模型相似條件、試驗(yàn)可行性、爆破試驗(yàn)不可逆性及安全防護(hù)等因素，按照1∶4比例在武漢市建造了鋼筋混凝土管廊模型（見(jiàn)圖1，圖1中數(shù)據(jù)單位為cm）。該模型建造在地上，模型側(cè)面堆土壓實(shí)模擬埋在地下的工況，頂板上未覆土。該模型除燃?xì)馀撆c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(shè)置1個(gè)40 cm×40 cm的逃生通道，試驗(yàn)時(shí)加裝40 cm×40 cm×10 cm的混凝土頂蓋。在燃?xì)馀擁敳款A(yù)留1個(gè)40 cm×40 cm的泄壓口，試驗(yàn)時(shí)加裝40 cm×40 cm×10 cm的木質(zhì)頂蓋。在燃?xì)馀擁敳吭O(shè)置2個(gè)直徑為3 cm的圓孔作為線纜轉(zhuǎn)接孔。充氣孔和檢測(cè)孔的孔徑均為1 cm。

圖1   管廊模型

模型建造完成后，使用沙袋堆積在模型兩側(cè)至一定高度，并回填土至模型頂部平齊，通過(guò)振動(dòng)搗實(shí)機(jī)壓實(shí)模型兩側(cè)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(guò)槍釘進(jìn)行加固。管廊模型實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2   管廊模型實(shí)物

2.2  燃?xì)獬溲b及起爆裝置

借助天然氣鋼瓶及減壓系統(tǒng)，通過(guò)充氣孔向管廊內(nèi)部充氣，同時(shí)在4個(gè)檢測(cè)孔各放置1個(gè)天然氣濃度檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄燃?xì)馀搩?nèi)天然氣的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)這4個(gè)天然氣體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)值的平均值達(dá)到天然氣最佳爆炸體積分?jǐn)?shù)范圍（9.5%～10.0%）時(shí)，停止充氣并靜置5 min。再對(duì)此時(shí)的4個(gè)天然氣體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)值求平均值，如果平均值仍然在9.5%～10.0%范圍內(nèi)，就立即使用木塞對(duì)檢測(cè)孔和充氣孔進(jìn)行密封。試驗(yàn)采用武漢天然氣有限公司提供的川氣，組成為：甲烷體積分?jǐn)?shù)為93.5%，乙烷體積分?jǐn)?shù)為3.3%，丙烷體積分?jǐn)?shù)為0.5%，其他碳?xì)浠衔矬w積分?jǐn)?shù)為0.2%，氮?dú)夂投趸俭w積分?jǐn)?shù)為2.5%。

管廊燃?xì)馄鸨到y(tǒng)使用兩套獨(dú)立的電火花起爆系統(tǒng)，一用一備，位于管廊中間位置。分別將兩組腳線通過(guò)2個(gè)線纜轉(zhuǎn)接孔引出，待管廊充氣完畢滿足起爆要求后，接入兩個(gè)起爆器。該方法操作簡(jiǎn)單方便，過(guò)程安全可靠。

2.3  無(wú)人機(jī)攝像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

使用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為大疆“悟2”專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)，搭載4K高清鏡頭。在每組試驗(yàn)起爆前，遙控?zé)o人機(jī)飛行至管廊正上方懸停，攝像機(jī)鏡頭呈俯視狀態(tài)，確保拍攝畫面包含整個(gè)火焰區(qū)域。為減小試驗(yàn)誤差，每次試驗(yàn)攝像機(jī)錄制參數(shù)相同。

3   燃?xì)獗ɑ鹧鎮(zhèn)鞑サ臄z像結(jié)果

試驗(yàn)當(dāng)天氣溫為9 ℃，大氣壓為102 kPa。共進(jìn)行了4次天然氣爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。根據(jù)攝制的視頻可以看出，燃?xì)馀搩?nèi)的天然氣被引爆后快速反應(yīng)，產(chǎn)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?zèng)_出。這是因?yàn)榕撻T是管廊模型的約束弱面，天然氣爆炸瞬間產(chǎn)生的高強(qiáng)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，爆炸火焰監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1   天然氣爆炸試驗(yàn)條件和結(jié)果

圖3   天然氣爆炸火焰監(jiān)測(cè)結(jié)果

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

通過(guò)視頻處理軟件對(duì)每組試驗(yàn)的視頻進(jìn)行截取，保留天然氣爆炸前和爆炸后火焰沖出全過(guò)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(yàn)的視頻文件處理結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)于每張圖片中的爆炸火焰，以管廊兩側(cè)艙門為起點(diǎn)，以火焰最遠(yuǎn)像素點(diǎn)為終點(diǎn)，對(duì)火焰長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)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(jì)算得出每張圖片中爆炸火焰的實(shí)際長(zhǎng)度。

表2   4組試驗(yàn)的視頻文件處理結(jié)果

從試驗(yàn)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(tài)變化。天然氣在燃燒爆炸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體產(chǎn)物，其較高的溫度會(huì)使其呈現(xiàn)出急劇膨脹的狀態(tài)，氣體產(chǎn)物在發(fā)生膨脹的前期處于與沖擊波協(xié)同運(yùn)動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。沖擊波在管廊兩側(cè)艙門上反射，與跟隨而來(lái)的火焰峰面相遇并相互作用，使得未燃?xì)怏w全部參與燃燒，不斷放出熱量，氣體的溫度、壓力繼續(xù)上升，體積不斷膨脹，當(dāng)管廊內(nèi)部氣體壓力升高到一定程度時(shí)，艙門被沖開(kāi)。爆炸沖擊波沖出管廊后，隨后的火焰波以球面波形態(tài)向外噴出，迅速充滿艙門外的空曠區(qū)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(kāi)始收縮。持續(xù)一段時(shí)間后，火焰逐漸變淡，直至消失。

4   火焰長(zhǎng)度及火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓卣?/span> 

4.1  火焰長(zhǎng)度變化特征

通過(guò)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(xiàn)爆炸火焰圖片的前1張圖片對(duì)應(yīng)的時(shí)間為零時(shí)刻，以火焰消失的第1張圖片對(duì)應(yīng)的時(shí)間為結(jié)束時(shí)刻，得到天然氣爆炸的火焰持續(xù)時(shí)間。對(duì)以上圖片中的火焰長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，以管廊兩側(cè)艙門為起點(diǎn)，得到火焰在不同時(shí)刻的實(shí)際長(zhǎng)度。表3為4組爆炸試驗(yàn)火焰持續(xù)時(shí)間和火焰最大長(zhǎng)度，火焰最大長(zhǎng)度可體現(xiàn)天然氣爆炸反應(yīng)程度與強(qiáng)度。

表3   4組爆炸試驗(yàn)火焰持續(xù)時(shí)間和火焰最大長(zhǎng)度

從表3可以看出，4次試驗(yàn)中火焰持續(xù)時(shí)間和火焰最大長(zhǎng)度有一定差異，火焰持續(xù)時(shí)間與最大長(zhǎng)度未見(jiàn)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。第4次試驗(yàn)的天然氣爆炸反應(yīng)程度與強(qiáng)度最高。

通過(guò)視頻文件處理得到4次爆炸試驗(yàn)不同時(shí)刻火焰長(zhǎng)度變化曲線，見(jiàn)圖4。

圖4   4次爆炸試驗(yàn)不同時(shí)刻火焰長(zhǎng)度變化曲線

從圖4可以看出，管廊內(nèi)天然氣爆炸，火焰沖出艙外后，在初期約100 ms時(shí)間內(nèi)，火焰迅速向外傳播，火焰長(zhǎng)度達(dá)1.25～1.75 m。隨后火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的速率逐漸趨于平緩，而后火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的速率保持相對(duì)穩(wěn)定。

4.2  火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓卣?/span>

將出現(xiàn)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(shí)間順序排列，出現(xiàn)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(xù)圖片對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣扔孟率接?jì)算：

圖5   4次爆炸試驗(yàn)不同時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€

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?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，可達(dá)到15～22 m/s，此后火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸手饾u減小趨勢(shì)，最終趨近于0。分別對(duì)這6組火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，6組數(shù)據(jù)的擬合方程均為指數(shù)形式，且相關(guān)性較好，表明管廊內(nèi)天然氣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間近似成指數(shù)關(guān)系衰減。

5   結(jié)論

①管廊天然氣爆炸火焰無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)方法安全性高、可行性強(qiáng)，可清晰監(jiān)測(cè)管廊天然氣爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程及其變化特征。

②天然氣爆炸火焰持續(xù)時(shí)間與火焰最大長(zhǎng)度可體現(xiàn)管廊內(nèi)混合氣體的爆炸反應(yīng)程度和強(qiáng)度。

③管廊內(nèi)天然氣爆炸火焰沖出艙外后，在初期約100 ms時(shí)間內(nèi)，火焰迅速向外傳播，火焰長(zhǎng)度達(dá)1.25～1.75 m。隨后火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的速率逐漸趨于平緩，而后火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間變化的速率保持相對(duì)穩(wěn)定。多次試驗(yàn)條件下，火焰最大長(zhǎng)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?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，可達(dá)到15～22 m/s，此后火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸手饾u減小趨勢(shì)，最終趨近于0。

⑤管廊內(nèi)天然氣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間近似成指數(shù)關(guān)系衰減。