0 引言

在对隔爆外壳进行检验时，非常关键的一个项目就是隔爆外壳的参考压力测定，测得的参考压力是检验隔爆外壳耐压性能的重要依据，参考压力测定结果的准确性，直接关系到后续过压试验结果的有效性。

在实际检验中，被测试外壳内部可能会有部件形成隔板，这一隔板会对测压结果有显著的影响。在2023年，某国际知名防爆实验室组织的爆炸压力测定能力验证项目，就设置了这样的场景，参加实验室需要分别测试空外壳以及预装隔板外壳内的最大爆炸压力，如图 1、图 2所示，其中空外壳（配置A）的传感器位置已经确定，而有隔板外壳（配置B）需要实验室自行确定传感器位置，并测出内部爆炸时最大的爆炸压力。配置B的试验方案对实验室提出了很高的要求，除了测试设备本身外，还要求实验室有一定的经验，能预判不规则形状的腔体内部发生爆炸时，可能出现最大压力的位置。由于传感器仅能测量单点的压力曲线，无法全面了解腔体所有部位的压力情况，偶然性很大。在本次能力比对中，约有1/4的实验室未能找到配置B的压力最大点，说明确实有不少实验室缺乏足够的经验。

图 1配置A

图 2配置B

1 建模计算

基于这些情况，我采用CFD仿真的手段对不同的配置进行仿真计算，以更好地了解腔体内部不同配置时，内部爆炸压力的情况，以及爆炸传播的规律，为测压试验传感器布置提供有效的参考。

为了对试验数据进行保密，此处分析所用模型与样品并不一致，并进行了简化，因此仿真数据与测试结果并不相同。

参考样品内腔尺寸，建立了计算区域，其长宽高均为170mm，在距离点火侧100mm处设置一个高度120mm、厚度5mm的隔板。测压点按照所给方案设置在各个面的中心位置，位置见图 3。

图 3测压点及点火点位置示意图

试验气体按照GB/T3836.2设置为（31±1）%的H2，在预定位置设置点火源，各边界设置为普通壁面。为了节约计算时间，本次将模型沿中间分开，仅计算一侧。

2 结果分析

本次共计算了三种情况，分别是配置A、配置B、将点火位置更改至对面的配置B。结果分别如下：

配置A。

其爆炸压力曲线见图 4。从图 5中我们可以清楚地看到，在这种简单情况下，可燃性气体被点燃后，爆炸火焰以球面向外扩散，火焰峰面是比较平滑的球面，顶部、侧面、底部三个测压点与点火源的距离相同，因此压力曲线在相同的时间点同时上升，压力几乎一样；而在点火点对面的位置，距离较远，爆炸过程更加充分，压力会比前面几个点的更大。在第一波爆炸压力峰值后，爆炸冲击波并不会立即消失，而是被刚性的壁面反弹，反映在测压曲线上，在初次峰值后，后续还有新的峰值。由于仿真的时候，壁面不像实际爆炸中那样吸收能量，后续峰值依然比较显著，有时叠加上其他方向的爆炸冲击波，后续峰值可能会比初次的更高，但在实际测试中，后续峰值会显著降低，这一现象在组织机构提供“爆炸压力影响因素”中也有反映。

图 4配置A（氢气）压力曲线

图 5配置A火焰峰面图

另外，还按照方案的要求，用（14%±1）%的C2H2进行计算，结果见图 6。由于乙炔燃烧速度显著比氢气低，从点火到压力显著上升的延迟时间更长，为了在相近的尺度下比较压力变化情况，图中未显示前半部分曲线。从图中可以看到，各个测压点的压力情况与氢气基本相同，但整体压力值要大于氢气。由于乙炔计算更加耗时，后续仅分析氢气的情况。

图 6配置A（乙炔）压力曲线

这一配置的内部腔体结构简单，无特别的变化，实验室只要按照要求进行试验，结果通常都不会有问题，本次绝大多数实验室表现都为满意。

配置B

参考组织机构提供的样品，在腔体下方设置一个隔板，并用氢气进行计算，结果见图 7。从压力曲线图中我们可以看到，顶部、侧面、底部三个测压点的爆炸压力也是同时达到了第一个峰值，然而，从图 8中可以看到，由于隔板的存在，提前反射了隔板下方的爆炸冲击波，侧面和底部两处的压力曲线很快再次上升，并达到了另一个峰值，而顶部的压力由于没有反射，则与配置A中一样继续下降。从图 9中可以看到，在越过隔板后，由于火焰在传播过程中受到隔板的扰动，峰面出现皱褶，燃烧更加迅速，在火焰峰面到达对侧面后，产生了比配置A中更高的压力，但小于侧面和底部的压力。

图 7配置B压力曲线

图 8配置B火焰扩散图（刚接触隔板）

图 9配置B火焰扩散图（越过隔板）

为了确认隔板对爆炸压力的影响，将隔板高度修改为50mm，再次进行计算，结果见图 10。由图中可以看到，此次侧面的压力与顶部的情况一样，到达峰值后即下降，而底部压力仍有迅速上升并达到新的峰值。从图 11可以看到，由于降低了隔板高度，火焰峰面主体不再像第一次那样绕过隔板，而是直接到达壳壁，加上隔板增强了火焰峰面湍流，使得燃烧更加距离，导致对侧的压力更大。

图 10配置B（短隔板）压力曲线

图 11配置B（短隔板）火焰扩散图

上述案例已经基本完成了能力比对要求的项目，且结论也与比对结果相符。为了更好地了解有隔板的情况下，爆炸传播的过程，本文增加了从另一侧点火的案例，也就是将点火位置改为P5处，结果见图 12。在这种情况下，火焰先遇到了隔板，然后从上部通道绕过后继续扩散传播，如图 13所示，此时，火焰前锋先到底顶部，再到达侧面，最后到达远端（P1）和底部，如图 14所示。这两处的先后顺序与几何结构有关，不是必然关系。由于此次案例中，火焰峰面在扩散初期就被隔板扰动产生皱褶，在后续过程中燃烧更加剧烈，各测压点的压力都大于原方案。

图 12配置B（远端点火）压力曲线

图 13配置B（远端点火）火焰越过隔板扩散

图 14配置B（远端点火）火焰扩散图

隔板对隔爆腔体参考压力的影响

3 小结

通过对不同配置的案例进行计算，并对结果进行比较，我们可以发现以下规律：

1. 在爆炸传播过程中，隔板会影响火焰前锋，使其皱褶加大，燃烧加剧，导致最终爆炸压力增大；

2. 壳壁、隔板对爆炸冲击波的反射，使得压力波汇合处压力增大；

3. 在密闭的空间内，离点燃源远的位置，由于爆炸过程更充分，压力可能更大；

4. 隔板对不同位置压力的影响，与其几何尺寸有关。可根据不同位置与隔板边缘的距离预估压力大小关系。