在意外泄漏条件下，过热丙二醇-水射流的受控闪烁行为

《Process Safety and Environmental Protection》：Property-Controlled Flashing Behavior of Superheated Propylene Glycol–Water Jets under Accidental Release Conditions

本研究以丙二醇-水混合物为模型流体，探究了粘度和表面张力对闪蒸射流动力学特性的影响。实验表明，增加丙二醇浓度显著提高Ohnesorge数，增强粘性耗散，推迟射流破碎，促进液相结构持久性。通过压力-温度路径分析和饱和压修正，验证了热力耦合机制，并修正JaRp准则（JaRp = k1(WevOh)^-1/7，k1=38，k2=178），为复杂流体闪蒸行为预测提供理论依据。

　　

作者：曹毅 | 卢海伟 | 胡敏 | 潘旭海

南京工业大学安全科学与工程学院，南京，210009，中国

摘要

加压设备中过热液体的意外泄漏可能导致闪蒸，并形成两相闪蒸射流。其演变受到热力学和机械效应的共同影响，且对流体性质非常敏感。在本研究中，使用丙二醇-水溶液作为模型工作流体，以连续调节粘度和表面张力，其中粘度起主导作用。实验在恒定储存压力9 × 10? Pa下进行，通过一个4毫米的喷嘴，初始温度为110–160 °C。通过高速成像结合同步的热力学和质量损失测量来表征射流动力学。结果表明，增加丙二醇浓度会显著提高Ohnesorge数，增强粘性耗散，延缓射流破碎，并促进液相结构的持续存在。压力-温度路径分析进一步表明，流体性质引起的阻尼将闪蒸控制转变至更高的压力水平。为了区分平衡边界变化和真正的动力学延迟，对PG-水混合物引入了饱和压力校正。校正后，在许多条件下，量化的相变延迟仍然显著，证实延迟闪蒸的建立不仅仅由热力学非理想性决定。基于这些结果，重新校准了热力学-机械耦合准则 JaRp = k(We_vOh)?1^/?，阈值系数 k₁ = 38 和 k₂ = 178，用于区分非闪蒸、过渡闪蒸和火焰闪蒸状态。

引言

在能源和化学工艺行业中，危险液体通常在高于其大气沸点的过热状态下储存和运输（Pan等人，2025b）。容器的意外泄漏或压力边界的失效可能导致快速减压，释放储存的热能并触发剧烈的闪蒸（Li等人，2026）。与单相排放不同，闪蒸射流涉及非平衡热力学和流体动力学不稳定性的强烈耦合，导致气泡快速生长、射流强烈破碎以及明显的两相闪蒸结构（Zhu等人，2020）。这些特征可能使事故释放行为及其潜在后果的评估变得复杂。准确预测这些现象对于定量风险评估至关重要，然而在不受控制的泄漏条件下控制闪蒸射流演变的机制仍不完全清楚，特别是流体物理性质在决定闪蒸射流演变中的作用。

对于单相液体射流，破碎动力学主要由惯性力、粘性力和表面张力之间的平衡控制（Qin等人，2015）。这一以机械为主的过程可以通过无量纲参数（如Weber (We)、Reynolds (Re) 和 Ohnesorge (Oh) 数来很好地描述，这些参数取决于流体性质和操作条件，包括粘度和射流速度（Strutt，1879）。据报道，一个临界Weber数约为 We ≈ 12，低于此数值时射流保持连续（Zhao等人，2010；Jackiw和Ashgriz，2022）。随着 We 的增加，破碎过程会经历柱状、袋状、表面和多模态破碎阶段（Jalili等人，2023；Nishimura等人，2025；Sasar和Agbaglah，2025）。粘性耗散空气动力能量并抑制不稳定性增长（Shi等人，2021；Tian等人，2025），而表面张力控制断裂行为和临界破碎长度尺度（Zhan等人，2020）。总体而言，We–Re–Oh 框架有效地描述了机械驱动的射流破碎，为理解机械驱动的射流破碎提供了基础。

相比之下，过热液体的排放由于空气动力剪切和闪蒸蒸发的共存而引入了额外的复杂性（Zhu等人，2019）。热力学驱动力与机械不稳定性强烈相互作用，闪蒸强度通常使用压力比 (R_p) 和Jacob数 (Ja) 等参数来表征（Colson等人，2023）。尽管增加热力学驱动力会导致闪蒸行为的明显转变（Brown和York，1962；Kitamura等人，1986），但越来越多的证据表明，仅靠热力学参数不足以唯一描述闪蒸射流的演变。即使在相同的 R_p 条件下，也观察到了射流形态和结构演变的显著差异（Atac等人，2021）。这些差异源于达到相同热力学状态的不同路径导致关键物理性质（特别是粘度和表面张力）的变化，这些性质独立影响气泡生长动力学和不稳定性发展。

这种对流体性质的强烈依赖性对可靠解释和预测闪蒸行为构成了重大挑战。现有的准则通常是基于使用特定工作流体在狭窄性质范围内的实验得出的。低粘度流体（如液氨）通常表现出强烈的相变敏感性和剧烈的闪蒸膨胀，而粘度或表面张力较高的流体则表现出明显抑制的闪蒸动力学（Aleiferis等人，2025；Fang等人，2023；Li等人，2022；Liu等人，2026）。这些差异反映了通过 We 和 Oh 的变化，热力学驱动力和机械阻力之间的平衡发生了系统性的变化。因此，当应用于具有多种性质的复杂工业流体时，当前的闪蒸准则往往具有有限的普遍性和显著的不确定性（Qenawy等人，2025）。

因此，系统地阐明物理性质变化如何通过关键无量纲参数调节闪蒸射流中的热力学-机械耦合对于开发稳健的闪蒸射流分析预测框架至关重要。在本研究中，选择了丙二醇-水二元系统作为模型工作流体，通过改变丙二醇体积分数来连续调节粘度和表面张力，同时保持相对稳定的热力学条件。这种方法允许在广泛的 Oh 和 We 范围内控制实验条件的构建。基于这一平台，系统地研究了性质变化对瞬态泄漏行为、射流形态和破碎模式转变的影响。进一步评估和修订了经典闪蒸准则，以提高其在复杂流体条件下的适用性。结果为改进闪蒸行为的解释和闪蒸准则在复杂流体条件下的适用性提供了物理基础。

实验装置

实验装置如图1所示。它包括一个20升的不锈钢储存容器、一个电加热和加压单元、一个快速响应的释放阀、一个透明喷嘴部分以及一个集成的数据采集系统。工作流体通过内部电加热棒加热，而高纯度氮气用于对容器加压并在释放前保持液体处于规定的过热状态。释放过程由电驱动的阀门启动

丙二醇混合对瞬态射流演变的影响

本节比较了在固定过热度 ΔT = 50 ℃ 下纯水（W）和PG-水混合物的瞬态释放行为。分析重点关注流体性质如何影响减压过程、储罐热力学响应和射流结构演变。

如图5(a)所示，释放过程可以分为三个阶段：I. 快速衰减、II. 稳定闪蒸和III. 后期衰减。随着PG浓度的增加，所有三个阶段都延长了，特别是

结论

• 1.
  流体性质的调节从根本上改变了PG-水射流的瞬态闪蒸行为。随着丙二醇含量的增加，Ohnesorge数单调增加，射流演变从纯水中的快速破碎转变为含PG混合物中的延迟破碎，液体核心更加持久。来自压力衰减率、质量释放率、P–T 路径和射流形态的综合观察表明，流体性质强烈影响结构

CRediT作者贡献声明

曹毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，软件，方法论，数据管理，概念化。胡敏：撰写 – 审稿与编辑，资源，项目管理，方法论。卢海伟：验证，调查，正式分析，数据管理。潘旭海：监督，资源，项目管理，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了江苏省研究生研究创新计划（KYCX25_1809）的支持。