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奇趣物理实验——不吐不快

(2023-04-08 12:51:33)
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奇趣物理实验

分类: 奇趣物理实验
点击如下网址,观看完整实验视频
欢迎在微信公众号关注“奇趣物理实验

文献3中提到

        装有高压液化气体的油罐车或火车车厢发生某种事故,从而引发火灾。火对油罐的加热有两方面的效果。首先,储罐中液体被加热,引起储罐中的压强升高。储罐中的压强取决于液体的蒸汽压,而蒸汽压是温度的指数函数,所以随着液体温度的升高,储罐内的压力会显著增加。其次,没有被液体浸润的金属墙壁区域,由于没有有效的散热机制(相比而言,被液体浸润的金属墙壁区可以很快向液体散热),火焰导致储罐壁面温度快速升高,从而导致储罐材料强度下降。有研究表明,在温度达到400时,钢铁的屈服强度只有原来的一半,600时仅为常温下的20%一30%。同时,压力的迅速上升。引起安全阀动作,泄放出更多的燃料,进而加剧了局部的火灾。储罐金属壁的高温,使得灼热的金属壁面强度削弱,在储罐内部的压力作用下,高温区域(即储罐的蒸汽区)壁面逐渐变薄,发生塑性蠕变,最终可能导致局部失效,罐壁表面出现裂缝,蒸气瞬间释放,使得容器内压力迅速下降,于是原先封闭容器中的液体瞬间处于过热状态,引起液体的爆炸性沸腾。其结果是产生大量的蒸汽,并在容器空间中出现具有很高动能的两相流体,容器内的压力迅速恢复,甚至于几倍的超过失效前的容器内部初始压力。这种超压的出现使得裂缝沿着容器壁面快速传播,如果裂缝在整个储罐上快速扩展开来,这种爆炸形式即为即称为沸腾液体膨胀蒸汽爆炸。
        均相核化是指当液体整体温度逐渐上升,且处于无干扰状态的时候,过热度随着液体的温度升高而越来越高,平衡气泡尺寸也越来越小;当平衡气泡尺寸接近分子尺寸时,在热波动作用和相不均情况下,一些分子聚并,形成泡化分子团,即泡化核心,气泡在泡化核心的基础上开始不断生长,这种核化过程称为均相核化。由均相核化引起的沸腾,称为均相沸腾。由于引起均相核化的泡化核心半径非常小,和分子半径是一个数量级的,这种情况对于大分子介质(如高分子有机物)较易出现,对一般介质而言,这种均相沸腾是很难达到的。
        可能在较低的过热度下发生核化,从而发生沸腾。这些因素被称为异相核化条件。一般情况下的沸腾都是异相沸腾。实际上,水在常压下,达到110时,即可出现明显的气泡沸腾。由此可见,通常见到的水的沸腾,不属于均相核化。这是由于工程上的金属面不是绝对光滑的,上面存在许多坑穴瘢痕,由于空穴的存在,而使得壁面上产生气泡,是促成水的异相核化的主要因素。

奇趣物理实验——不吐不快
奇趣物理实验——不吐不快
《翻江倒海》中
玻璃瓶“正立”放置
本次实验中
玻璃瓶倒置
暴沸的情况
与“正立”时类似

奇趣物理实验——不吐不快
加热一段时间后
玻璃瓶被烧漏了
此时液体流量较小
没有导致瓶中压强急剧下降
所以整个过程比较平稳
直至液体漏完

奇趣物理实验——不吐不快
奇趣物理实验——不吐不快
酒精灯加热
玻璃瓶发生爆炸
这或许是由于
相对“正立”而言
“倒置”时加热区域减小
容器下方温度较高导致

奇趣物理实验——不吐不快
上面16张图片
相邻两张的时间间隔
为1/240秒
爆炸前
下方液体都曾经发生过暴沸
正处于沸腾状态
上方玻璃球炸开时
下方液体并没有剧烈沸腾
大约过了0.025秒
液面明显升高
与“沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)”不同
本实验中的玻璃瓶在发生爆炸前
液体已经处于沸腾状态
下面为文献3中对于BLEVE的描述
部分内容与本实验有相似之处

文献3中提到
奇趣物理实验——不吐不快
        密闭容器中水被加热至130时,如果将覆于容器顶部开口处的爆破片突然打开,由于容器内压力和外界大气压力存在一个压力差,容器气相空间最靠近壁面开口处的介质首先发生外泄,随着介质向外高速喷出,容器内压力开始下降,与此同时,在开口处形成的稀疏波以当地音速向下传播。当稀疏波传播到容器内液相时,液相内压力也开始经历一个下降过程,此时的液体由于突然的降压而呈现为过热状态。液体开始剧烈沸腾,液相内出现大量的气泡,这些气泡首先出现在气液两相的分界面,而后在整个液相区发生。但需指出的是气泡的出现在整个液相区内的分布是不均匀的,在液相表面最先发生并且最为剧烈。同时在真实液体中总是有一些自由气体以小气泡或核的形式存在,通常1cm^3中小气泡的个数可达为10^4一10^8个,在压力突降时,这些气泡也会快速成长。
奇趣物理实验——不吐不快
         在图3.9中A点时刻,突然打开爆破片,容器内压力急剧降低,在A—B时段内,容器内物质泄放带来压力下降,紧接着在液相表面形成两相流层,膨胀的两相流层快速向上运动,挤压气相空间造成压力上升,这两个过程共同影响容器内压力变化,在B点时刻,容器内压力上升的速率大于下降速率,在图线上可以看出压力开始上扬,从A至B时段时间为6ms。随着压力的上升,在两相流层的表面,气泡不断地破裂,释放出热量与动能,又近一步地推动压力的升高。
        但与此同时,压力的持续升高导致了容器内气相空间介质加速向外喷出;随着温度的降低,水的过热度不断降低,内能不断减少,在当容器内压力超过破裂前的初始压力后,水不再过热,气泡出现,生长,破裂等一系列活动受到抑制,两相流层的膨胀加速度降低,推动能力减弱,这些都会导致容器内压力出现下降。这两种过程并行发展,经过28ms,在C点时刻,压力下降的趋势超过压力上升的趋势,容器内压力达到一个瞬态的平衡后,开始下降,这一点处的压力值是初始压力的2.2倍。
        从C点到D点这一段时间内,容器内压力又重新处于下降阶段。当压力下降到低于容器初始压力后,水又呈现为过热状态,水的沸腾使得两相流层重新得到加速,向上挤压着气相空间,从D点开始,容器内压力又开始出现升高。
        在压力变化的过程中,两相流层以高速向上膨胀,最终猛烈撞击到容器的上壁面,其对壁面的冲击被称为“液体锤”,它对原本在高温下金属材料特性已经大大降低的容器壁面来说,会造成严重的伤害,甚至可能导致容器的瞬间的整体破裂。同时两相流在运动至容器顶部时,较小的通流面积使得两相流难以顺利喷出容器,形成“阻塞”。两相流内所包含的气泡在容器内压力较高处由于外面的液体压力高于汽泡内的汽化压力,汽泡可能会又重新凝结溃灭形成空穴,瞬间内周围的液体以极高的速度向空穴冲来,造成液体互相撞击,使局部的压力骤然增加。这样不仅阻碍两相流的正常流动,尤为严重的是,如果这些汽泡在金属壁面附近溃灭,则液体就像无数个小弹头一样,连续地打击金属表面,其撞击频率很高,金属表面可能会因冲击疲劳而强度降低。同时气泡凝结时放出热量,也会推动压力的局部上升。这种液体汽化、凝结、冲击、形成高压、高温、高频的冲击负荷,造成金属材料表面压力剧烈震荡升高的现象和工业过程中常见的“气蚀”十分类似。
        如图3.8中所示,容器内压力在经历了第一个由两相流层急剧膨胀导致的压力峰后,又出现一个形似平台的压力升高段,压力值达到初始压力的两倍以上,这可能是由于具有上升动能的两相流,最终撞击到上壁面产生“液体锤”效应,结合喷发过程中的“堵塞”以及两相流中气泡破裂释能推动压力上升等多个因素综合造成的。在这一阶段,两相流从容器开口处持续高速喷出,由于喷出流的不均匀性,压力有一些波动,但基本呈现出一个平台阶段。随着容器中温度和介质密度的降低以及能量的泄放,喷出过程逐渐停止,容器内压力也开始逐渐下降。


有兴趣的读者,可以参阅如下文献,进行深入了解
1:关于暴沸成因的探讨. 化学教学, 1991 (3): 40-41.
2:液化气体蒸气爆炸事故机理研究进展. 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2006, 30(4): 708-711.
3:沸腾液体膨胀蒸汽爆炸 (BLEVE) 动力演化机理的小尺寸模拟试验研究[D]. 合肥: 中国科技大学, 2007.
4:沸腾液体扩展蒸汽爆炸初期演化过程的数值模拟. 北京化工大学学报 (自然科学版), 2012, 39(4): 101.
5:含水老化油暴沸机理. 化工学报, 2015, 66(12): 4823-4826:液化气体蒸气爆炸事故机理研究进展. 武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2006, 30(4):4.

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