室內(nèi)可燃?xì)怏w－空氣預(yù)混爆炸特性的數(shù)值模擬

汪 濤， 李小東

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的農(nóng)村地區(qū)發(fā)展成為城鎮(zhèn)和小型城市，燃?xì)獾南牧恳搽S之急劇增加。城市居民早已習(xí)慣使用天然氣代替煤作為家庭燃料，與此同時(shí)，在工業(yè)領(lǐng)域氣體燃料的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。氣體燃料的特點(diǎn)是易泄漏和易燃、易爆，當(dāng)這些可燃?xì)怏w在室內(nèi)發(fā)生泄漏后，就會(huì)增加火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)性。天然氣普及后，爆炸事故的數(shù)量在迅速增加，尤其是室內(nèi)煤氣爆炸事故頻繁發(fā)生，造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡［1］。這些都引起人們對(duì)氣體爆炸研究的日益重視，采取何種措施更能積極有效地把爆炸范圍和可能造成的破壞控制在最小程度，成為安全工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)寧建國(guó)教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組［2］采用基于人為燃燒函數(shù)法的多流體網(wǎng)格程序，對(duì)管道內(nèi)和球形容器內(nèi)的煤氣爆炸進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，并對(duì)這一過(guò)程開(kāi)創(chuàng)性地進(jìn)行了可視化研究。陳林順［2］運(yùn)用AutoReaGas軟件對(duì)煤礦井下獨(dú)頭巷道中的瓦斯爆炸以及室內(nèi)煤氣泄露后的爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬。林柏泉［3］采用描述火災(zāi)傳播過(guò)程的Pheonix計(jì)算程序，建立常壓下火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的數(shù)學(xué)模型，雖然對(duì)瓦斯爆炸傳播路線(xiàn)上障礙物前、后沖擊波變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，但在障礙物存在的條件下，沖擊波波陣面前、后的強(qiáng)間斷情況無(wú)法處理，模擬結(jié)果存在較大的失真。周凱元等［4］設(shè)置加速環(huán)對(duì)爆燃火焰在直管中加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)論，閉端點(diǎn)火比開(kāi)端點(diǎn)火火焰加速增大5倍以上，且管徑較大，加速也較大；點(diǎn)火能量的影響僅限于火焰的傳播初期，而障礙物對(duì)爆燃火焰的加速影響很大；對(duì)當(dāng)前的工業(yè)阻火及防爆安全提出了更新的要求。

1 氣體爆炸的數(shù)值方法與物理模型

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)爆炸過(guò)程進(jìn)行仿真模擬的基本方法是，先建立物理模型和數(shù)學(xué)模型，根據(jù)研究問(wèn)題的特征建立數(shù)值模型，然后編制程序進(jìn)行數(shù)值模擬，最后對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。甲烷是煤氣的重要成分，為了方便參數(shù)設(shè)置，本文以甲烷為主采用AutoReaGas軟件對(duì)煤氣爆炸過(guò)程進(jìn)行模擬。

2 可燃?xì)怏w－空氣預(yù)混燃的爆炸特性的數(shù)值模擬

本文建立的是一套80m2的兩室一廳的模型，用來(lái)模擬煤氣泄漏后發(fā)生爆炸所造成的損害。選取甲烷作為研究對(duì)象，空氣為助燃性物質(zhì)。因?yàn)榻^大部分氣體爆炸是在空氣環(huán)境下發(fā)生的，為了使本文的研究工作與實(shí)際更接近，所以選擇空氣作為氧化性氣體。

2.1 初始條件設(shè)置

考慮到模擬真實(shí)的房間構(gòu)造較復(fù)雜，本文將房間簡(jiǎn)化為長(zhǎng)9.25m、寬8.15m、高2.60m 的長(zhǎng)方體，忽略外墻厚度，對(duì)體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷－空氣預(yù)混氣體爆炸進(jìn)行模擬。建立模型如圖1。

圖1 室內(nèi)氣體（甲烷）爆炸模擬模型的平面圖

2.1.1 測(cè)點(diǎn)、障礙物和通風(fēng)區(qū)設(shè)置

模型中1～25的測(cè)點(diǎn)是均勻分布，高度均為1.3m。第1個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（1.6，1.4，1.3），以（1.8，1.6，0）的步長(zhǎng)增加測(cè)點(diǎn)，然后在各通風(fēng)口增加1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共29個(gè)測(cè)點(diǎn)。第1、6、26個(gè)測(cè)點(diǎn)所在位置是廚房。房間中障礙物主要有內(nèi)墻、家具、灶臺(tái)等。內(nèi)墻如圖1所示，統(tǒng)一厚度為0.25m，共6堵。

2.1.2 點(diǎn)火初始條件

對(duì)于室內(nèi)均勻甲烷預(yù)混氣體或局部氣體爆炸和障礙物條件下氣體爆炸，假設(shè)某一處預(yù)混氣體遇到點(diǎn)火源發(fā)生爆炸。點(diǎn)火源產(chǎn)生能量加熱火焰附近的局部甲烷預(yù)混氣體，使其溫度迅速升高達(dá)到著火溫度而點(diǎn)燃；然后，甲烷氣體借助火焰?zhèn)鞑ナ拐麄€(gè)甲烷－空氣預(yù)混氣體著火燃燒。點(diǎn)火類(lèi)型均為球面火源，點(diǎn)火能分別是0.031 299kJ。選取廚房的灶臺(tái)為點(diǎn)火位置。

2.2 模擬結(jié)果的分析

圖2為點(diǎn)火后不同時(shí)刻室內(nèi)的火焰溫度場(chǎng)分布。從圖2中可以較為直觀(guān)地看到氣體爆炸后溫度的發(fā)展變化過(guò)程。

圖2 不同時(shí)刻室內(nèi)的火焰溫度場(chǎng)分布圖

點(diǎn)火后，點(diǎn)火位置附近的溫度開(kāi)始迅速上升，火焰以緩慢的速度向四周傳播，火焰面呈半球形，且表面光滑，表明此時(shí)的火焰以層流方式傳播。當(dāng)火焰逐漸接近壁面后，由于受到墻壁阻礙和約束作用，火焰改變方向，與已燃區(qū)內(nèi)的已燃?xì)怏w相作用，使已燃區(qū)內(nèi)發(fā)生湍流。墻壁的約束加劇了湍流的產(chǎn)生，在湍流的作用下，火焰開(kāi)始發(fā)生變形、拉伸，火焰進(jìn)入加速傳播階段。

圖3為點(diǎn)火后不同時(shí)刻室內(nèi)的火焰超壓場(chǎng)分布。從圖3可以較為直觀(guān)地看到氣體爆炸后壓力的發(fā)展變化過(guò)程。

圖3 不同時(shí)刻室內(nèi)的火焰超壓場(chǎng)分布圖

點(diǎn)火后，點(diǎn)火位置附近的壓力迅速增大，并且向周?chē)?，圖3分別截取了第1001、2001、3001次和循環(huán)最后一次的云圖來(lái)形象地表示室內(nèi)超壓場(chǎng)隨時(shí)間的變化狀況。

第34頁(yè)圖4是選取各房間典型測(cè)點(diǎn)和通風(fēng)區(qū)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

第34頁(yè)圖5是選取各房間典型測(cè)點(diǎn)和通風(fēng)區(qū)測(cè)點(diǎn)的超壓變化曲線(xiàn)。由圖5中看出，點(diǎn)火后，房間各處的溫度迅速上升到最大值，且當(dāng)超壓快速升到最大值后，就一直在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖4 溫度－時(shí)間曲線(xiàn)

圖5 超壓－時(shí)間曲線(xiàn)

3 結(jié)論

本文通過(guò)AutoReaGas軟件對(duì)室內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬，建立典型的室內(nèi)物理模型及數(shù)值模型，模擬室內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏后與空氣預(yù)混爆炸場(chǎng)的特性，得出如下結(jié)論：

1）室內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏后與空氣預(yù)混爆炸過(guò)程中，點(diǎn)火位置、泄爆壓力的改變對(duì)爆炸場(chǎng)內(nèi)超溫、超壓會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)建模、模擬得出的曲線(xiàn)圖可知，泄爆壓力的大小對(duì)爆炸產(chǎn)生的超壓有巨大的影響，泄爆壓力越大，產(chǎn)生的超壓就越大；對(duì)溫度無(wú)明顯影響。點(diǎn)火位置的改變對(duì)溫度有一點(diǎn)影響，點(diǎn)火位置改變后，同一測(cè)點(diǎn)的溫度會(huì)發(fā)生波動(dòng)；對(duì)壓力影響與測(cè)點(diǎn)到點(diǎn)火位置的距離有關(guān)，同一測(cè)點(diǎn)，不同點(diǎn)火位置，距離越近，測(cè)點(diǎn)的最大超壓越大。

2）爆炸靜態(tài)超壓不會(huì)對(duì)人或建筑物結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重傷害或損壞，因此，高溫?zé)齻窃谑覂?nèi)氣體爆炸事故發(fā)生后對(duì)人造成傷害的最主要因素。由此可見(jiàn)，在實(shí)際爆炸發(fā)生后怎樣減少對(duì)人身體的灼燒應(yīng)該成為研究的重點(diǎn)。

［1］Chen Linshun.The analysis and simulation of BLEVE and VCE accidents［D］.Beijing：School of Mechatronics Engineering，Beijing Institute of Technology，2001.

［2］陳林順.沸騰液體膨脹蒸氣爆炸和蒸氣云爆炸事故的分析和模擬［D］.北京：北京理工大學(xué)，2001.

［3］Lin Baiquan.The influence of barriers on flame and explosion wave in gas explosion［J］.Journal of Coal Science and Engineering，2008，4（2）：53－57.

［4］周凱元，李宗芬.丙烷－空氣爆燃波的火焰面在直管道中的加速運(yùn)動(dòng)［J］.爆炸與沖擊，2000，20（2）：137－142.