非均勻混合可燃氣云爆炸的數(shù)值計算方法

楊石剛 方秦 張亞棟 陳力 鮑麒 李展

中國人民解放軍理工大學國防工程學院

可燃氣體或低沸點可燃液體，由于事故性泄漏形成可燃氣云，遇到合適的點火源容易引發(fā)蒸氣云爆炸事故，可導致嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡，是現(xiàn)代工業(yè)的主要災害形式之一。對蒸氣云爆炸后果的研究，開始于20世紀70年代，國內外很多研究機構和高校都從事這方面的研究工作［1－2］。

近年來，隨著計算流體動力學的快速發(fā)展，國內外研究者采用數(shù)值模擬方法對氣體爆炸進行了大量的研究。Janovsky等［3］和 Hansen等［4］介紹了利用簡單的物理模型（如TNO多能法、Baker－Strhlow和阻塞評估模型等）預測氣體爆炸后果的不足，并用Stramberk礦道甲烷—空氣混合物爆炸實驗和經(jīng)典的天然氣爆燃實驗數(shù)據(jù)（MERGE、EMERGE、BFETS、HSE、NIOSH實驗）分別對計算流體動力學（CFD）軟件AutoRea－Gas和FLACS進行了驗證；Popat等［5］應用自己開發(fā)的CFD 軟件（EXSIM、FLACS、REAGAS、COBRA、GEISHA）模擬了歐共體資助的氣體爆炸模型和實驗研究工程（MERGE），對各個軟件模擬氣體爆炸的能力進行了評價；Makarov等［6］和 Garcia等［7］總結了7家單 位 用 不 同 CFD 程 序 （CAST3M，COM3D，F(xiàn)LACS，REACFLOW，AutoReaGas，bob和 Fluent）對實驗的模擬，并對各個程序數(shù)值計算的火焰速度、最大超壓、特征壓力上升速率以及最大沖量與實驗結果進行了比較，討論了各個程序的應用范圍和局限性。國內羅艾民等［8］運用AutoReaGas軟件對受限空間泄漏天然氣爆燃過程進行了數(shù)值模擬，分析了影響爆炸場沖擊波超壓的主要影響因素，并將結論應用于事故調查中；曲志明等［9］應用AutoReaGas軟件對掘進巷道置障條件下瓦斯與空氣混合氣體的燃燒爆炸進行了分析和研究；陳文瑛等［10］利用AutoReaGas定量研究障礙物、障礙物阻塞比對開敞空間可燃氣云爆炸超壓場的影響以及爆燃超壓隨測點距離變化的分布規(guī)律；李小東等［11］利用AutoReaGas軟件，模擬了巷道中瓦斯?jié)舛群突鹪磳ν咚贡▊鞑サ挠绊憽?/p>

總的來看，這些基于AutoReaGas軟件的數(shù)值模擬，僅限于氣云濃度均勻分布的蒸氣云爆炸，對非均勻混合的高斯氣云爆炸未見公開報道。

AutoReaGas軟件對可燃氣體爆炸后果的研究是基于理想化的均勻混合氣云模型，即保守地將氣體的濃度分布假定為均勻的化學計量濃度場，而生產(chǎn)、生活以及工業(yè)實際中不太容易形成均勻氣云，而是形成非均勻混合的高斯氣云，導致軟件預測結果（如超壓）比實際測量或事故現(xiàn)場觀測值偏大［3－7］。

鑒于此，本文對AutoReaGas程序進行了如下改進：先利用Fluent軟件計算出非均勻濃度場，并開發(fā)了AutoReaGas軟件接口，將原來均勻分布的濃度場替換成非均勻分布濃度場；與自然擴散型氣云爆炸實驗的對比表明，非均勻混合氣云爆炸的數(shù)值計算更加符合實驗結果。

1 非均勻混合可燃氣云爆炸的AutoReaGas計算方法

AutoReaGas的標準計算步驟為［12］：建立幾何模型并劃分網(wǎng)格，設定相應的邊界條件和參數(shù)，選擇氣體爆炸或爆炸波求解器進行求解。

筆者提出的非均勻混合可燃氣云爆炸的改進數(shù)值計算方法框架（圖1），包括以下程序：通用的流體計算軟件Fluent；模擬氣體燃燒、爆炸的程序AutoRea－Gas；幾何圖形模擬以及網(wǎng)格生成的前處理程序ICEM CFD。

圖1 程序框架結構圖

改進計算方法步驟：①首先用ICEM CFD產(chǎn)生所需的幾何結構以及網(wǎng)格，也可以從其他CAD／CAE軟件導入所需要的幾何模型或網(wǎng)格，如Gambit，True－Grid等，在ICEM CFD中生成2D／3D的非結構化網(wǎng)格（得到＊＊.msh文件），并將生成的非結構化網(wǎng)格轉化為結構化網(wǎng)格（得到＊＊.geo文件）。②然后將得到的＊＊.msh文件導入Fluent軟件中，設定相應的邊界條件和流體物性，求解計算域的濃度場分布（得到＊＊.rst文件）。③將得到的＊＊.geo文件和＊＊.rst文件導入AutoReaGas中，替換掉之前的均勻濃度場，然后執(zhí)4行求解器運算，就得到非均勻混合氣云爆炸的溫度、壓力等變量（圖2）。

2 計算方法的實驗驗證

圖2 AutoReaGas接口示意圖

1999年羅正鴻等以乙炔與空氣混合形成的非理想爆源為實驗對象，在大連理工大學的開敞空間氣相爆炸野外實驗基地對自然擴散所形成的氣云點火后的爆炸規(guī)律進行了實驗研究［13］，考察最大超壓隨氣云大小和點火位置的變化情況。實驗的點火點和傳感器位置如圖3、4所示，其中一組自然擴散型預混氣云爆炸的實驗結果見表1。

從Fluent數(shù)值模型和計算結果（圖5）可以看出，自然擴散型氣云的濃度在空間為非均勻的高斯分布，從氣源中心往外，濃度依次減小，對于這種情況的氣云爆炸模擬，未經(jīng)改進的AutoReaGas軟件將不再適用。

圖3 實驗的點火位置圖

圖4 傳感器位置布置圖

表1 自然擴散型預混氣云爆炸實驗數(shù)據(jù)表［13］

圖5 Fluent數(shù)值模型及計算結果圖

AutoReaGas數(shù)值模型如圖6所示。AutoRea－Gas、修正后的AutoReaGas計算結果及實驗結果對比情況見圖7。

從圖7可以看出：利用Fluent軟件計算的非均勻濃度場替換原來均勻分布的濃度場后，模擬的氣云爆炸超壓與實驗結果吻合較好，特別是沖擊波最大負超壓與實驗結果比較接近。另外，模擬達到最大超壓的時間也與實驗比較接近。由此可見，筆者所提出的改進計算方法是有效的、可靠的。

圖6 AutoReaGas模型圖

3 工程實例

選定某鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站，事故場景設定為注采站套管因運營壓力失控、地震、恐怖襲擊等原因出現(xiàn)泄漏，考慮對泄漏點周邊區(qū)域的影響。泄漏點中心位于地面，坐標（67，62，0），泄漏孔徑為216 mm，泄漏方向垂直于地面，依據(jù)推導的鹽巖儲庫氣體泄漏計算方法［14］，計算出天然氣（甲烷）泄漏源強為173kg／s。注采站長80m、寬60m，為減小邊界條件對模擬的影響，計算區(qū)域的長×寬×高定為150m×100m×30m，x軸正向為正東方向，y軸正向為正北方向，z為垂直方向。

圖7 自然擴散型預混氣云爆炸所產(chǎn)生的超壓（p）—時間（t）曲線對比圖

濃度采用Fluent軟件計算，湍流模型選用標準的k－ε模型，模擬的流速為亞音速，選用不可壓縮理想氣體模型，用基于壓力的隱式求解器求解。模擬過程分3個階段：構建不同風向的基本風場；以構建的基本風場為泄漏初始條件模擬5min的連續(xù)泄漏；模擬停止泄漏后3min甲烷隨風場的自由擴散。具體的模擬過程及計算結果見本文參考文獻［15］。

假定氣體泄漏發(fā)生在某個注采井單元（圖8），泄漏區(qū)域為10m×10m×5m。將Fluent計算的濃度場通過開發(fā)的子程序導入到AutoReaGas中，初步模擬儲氣庫燃燒爆炸產(chǎn)生的爆炸壓力場，計算結果見圖9、10。

由圖9的計算結果可以看出，利用改進的Auto－ReaGas軟件可以得到非均勻混合的高斯氣云爆炸時，鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站不同位置的超壓時程曲線。由圖10可以看出，從點火點（即氣體泄漏源）往外爆炸峰值超壓依次減弱，不管是橫向還是縱向布置的測點計算的峰值超壓（正壓或負壓）均有這樣的規(guī)律。由此可見，改進的AutoReaGas軟件能較好地模擬鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站非均勻混合的高斯氣云爆炸，擴大了軟件的適用范圍。

圖8 注采站（儲氣庫）計算模型圖

圖9 部分測點超壓時程曲線圖

4 結論

針對AutoReaGas軟件中假定氣體濃度均勻分布導致預測結果比較保守的不足，開發(fā)了濃度接口進行改進，通過與自然擴散型氣云爆炸實驗的對比，驗證了本文改進計算方法的有效性，具體結論如下。

圖10 部分測點峰值超壓圖

1）開發(fā)了AutoReaGas軟件濃度接口，可以將Fluent軟件計算的非均勻濃度場耦合進AutoReaGas軟件，將原來均勻分布的濃度場替換成實際的濃度場，與實驗結果對比分析表明，本文的改進計算方法有效地提高了計算精度。

2）改進的AutoReaGas軟件能較好地模擬鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站非均勻混合的高斯氣云爆炸，擴大了軟件的適用范圍。

［1］ 楊石剛，方秦，張亞棟.鹽巖地下儲氣庫泄漏事故后果評價模型研究進展［J］.中國安全科學學報，2011，21（8）：108－115.YANG Shigang，F(xiàn)ANG Qin，ZHANG Yadong.Research progress in consequence assessment models for leakage accidents of underground gas storage caverns in salt rock［J］.China Safety Science Journal，2011，21（8）：108－115.

［2］ PARK D J，LEE Y S.A comparison on predictive models of gas explosions［J］.Korean Journal of Chemical Engineering，2009，26（2）：313－323.

［3］ JANOVSKY B，SELESOVSKY P，HORKEL J，et al.Vented confined explosions in Stramberk experimental mine and AutoReaGas simulation［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2006，19（2／3）：280－287.

［4］ HANSEN O R，HINZE P，ENGEL D，et al.Using computational fluid dynamics（CFD）for blast wave predictions［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2010，23（6）：885－906.

［5］ POPAT N R，CATLIN C A，ARNTZEN B J，et al.Investigations to improve and assess the accuracy of computa－tional fluid dynamic based explosion models［J］.Journal of Hazardous Materials，1996，45（1）：1－25.

［6］ MAKATOV D，VERBECKE F，MOLKOV V，et al.An inter－comparison exercise on CFD model capabilities to predict a hydrogen explosion in a simulated vehicle refuelling environment［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（6）：2800－2814.

［7］ GARCIA J，BARALDI D，GALLEGO E，et al.An intercomparison exercise on the capabilities of CFD models to reproduce a large－scale hydrogen deflagration in open atmosphere［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（9）：4435－4444.

［8］ 羅艾民，李萬春，吳宗之，等.扁平圓環(huán)局限空間蒸氣云爆炸數(shù)值模擬及其在事故調查中的應用［J］.中國安全科學學報，2008，18（1）：95－99.LUO Aimin，LI Wanchun，WU Zongzhi，et al.Numerical simulation of vapor cloud explosions in flat circle confined space and its application to accident investigation［J］.China Safety Science Journal，2008，18（1）：95－99.

［9］ 曲志明，劉歷波，王曉麗.掘進巷道瓦斯爆炸數(shù)值及實驗分析［J］.湖南科技大學學報：自然科學版，2008，23（2）：9－14.QU Zhiming，LIU Libo，WANG Xiaoli.Numerical and experimental analysis of gas explosion in the excavation roadway of coal mine［J］.Journal of Hunan University of Science ＆ Technology：Natural Science Edition，2008，23（2）：9－14.

［10］ 陳文瑛，柴建設.有障礙物開敞空間可燃氣云爆炸超壓場的數(shù)值模擬［J］.中國安全科學報，2009，19（6）：35－40.CHEN Wenying，CHAI Jianshe.Numerical simulation of explosion overpressure field of flammable vapor with barriers in open space［J］.China Safety Science Journal，2009，19（6）：35－40.

［11］ 李小東，王晶禹，白春華，等.巷道中瓦斯爆炸誘導激波傳播特性研究［J］.中國安全科學學報，2009，19（10）：83－87.LI Xiaodong，WANG Jingyu，BAI Chunhua，et al.Study on propagation characteristics of blast waves induced by gas explosion in tunnels［J］.China Safety Science Journal，2009，19（10）：83－87.

［12］ Century Dynamics ＆ TNO.AutoReaGas V 3.1Theory manual，the interactive software for reactive gas dynamics and blast analysis［R］.Houston：Century Dynamics ＆TNO，2002.

［13］ 羅正鴻.小氣量開敞空間可燃氣云爆燃研究［D］.大連：大連理工大學，1999.LUO Zhenghong.Investigation into deflagration of smallvolume combustible vapour clouds［D］.Dalian：Dalian University of Technology，1999.

［14］ 楊石剛，方秦，張亞棟，等.鹽巖地下儲庫氣體泄漏量的計算方法［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（增刊2）：3710－3715.YANG Shigang，F(xiàn)ANG Qin，ZHANG Yadong，et al.Calculation method for gas leakage mass from underground gas storage caverns in salt rock［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31（S2）：3710－3715.

［15］ 楊石剛.鹽巖地下儲氣庫泄漏危險性的理論和數(shù)值模擬研究［D］.南京：中國人民解放軍理工大學，2013.YANG Shigang.Theory and numeric imitation research on hazard of gas leakage from underground gas caver in salt rock［D］.Nanjing：PLA University of Science and Technology，2013.