FLACS在受限空間可燃?xì)怏w爆炸傳播研究中的應(yīng)用

徐景德，李 暉，郝 旭

(華北科技學(xué)院 研究生處，北京 東燕郊 101601)

FLACS在受限空間可燃?xì)怏w爆炸傳播研究中的應(yīng)用

徐景德，李 暉，郝 旭

(華北科技學(xué)院 研究生處，北京 東燕郊 101601)

天然氣爆炸嚴(yán)重危害社會穩(wěn)定和市民的生命財產(chǎn)安全，管道內(nèi)天然氣爆炸特性的研究對企業(yè)的安全生產(chǎn)和社會穩(wěn)定具有重要意義。本文基于受限空間可燃?xì)怏w爆炸傳播的特點和機理，系統(tǒng)介紹專業(yè)爆炸分析數(shù)值模擬軟件FLACS的功能，并探討其在球狀、管狀、罐狀空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸事故中的應(yīng)用，總結(jié)FLACS軟件的優(yōu)勢和發(fā)展前景，為天然氣產(chǎn)業(yè)安全與發(fā)展提供了理論支持。

FLACS；受限空間；可燃?xì)怏w；爆炸傳播

0 引言

可燃?xì)怏w爆炸是包含多個復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的強動力變化過程，爆炸威力大、破壞范圍廣，同時伴隨產(chǎn)生高溫高壓現(xiàn)象和有毒有害氣體，對周圍的人、物體和環(huán)境造成極大的損害和破壞。爆炸另外一個特點是持續(xù)時間短，威力大的爆炸一般持續(xù)時間也是在秒級范圍內(nèi)，因此爆炸事故調(diào)查非常困難，尤其是爆炸原因、爆炸過程和破壞后果估算等事故調(diào)查關(guān)鍵因素難以精確掌握。爆炸事故調(diào)查一般有三種方法。一種是現(xiàn)場當(dāng)事人員訪問，但是爆炸事故現(xiàn)場混亂，事故中心現(xiàn)場人員生還機率低，通過現(xiàn)場調(diào)查研究爆炸原因比較困難[1]。第二種是實驗?zāi)M，但是實驗研究成本較高，受場地和實驗器材的限制，實驗?zāi)M結(jié)果受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響較大，因此，在爆炸事故中，通過實驗?zāi)M再現(xiàn)事故發(fā)生過程的方法并不普遍。第三種是計算機仿真模擬，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)也日漸成熟，現(xiàn)在數(shù)值模擬已經(jīng)基本彌補了實驗研究的缺陷。數(shù)值模擬方法易操作、成本低，可以設(shè)置穩(wěn)定的邊界條件，舍去事故中的非本質(zhì)因素，定量的描述事故情況及其發(fā)展過程，從而使結(jié)果具有更為普遍的物理意義，幫助研究人員更深入地了解事故的物理本質(zhì)。

為了有效地防止受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸事故的發(fā)生，國內(nèi)的學(xué)者很多借助成熟的CFD商用軟件進(jìn)行了大量研究，并且已經(jīng)取得了顯著成果。目前較為廣泛地用于可燃?xì)怏w爆炸模擬的CFD商用軟件主要有FLACS、Fluent、AutoRea Gas、Phoenics、Dytran等。

張玉周等人運用Dytran分析障礙物對爆炸傳播的影響，研究得出：障礙物的存在對沖擊波的傳播有激勵效應(yīng)[2]。曲志明等人運用了AutoRea Gas軟件研究出瓦斯爆炸的傳播和衰減主要以沖擊波的傳播和衰減為主，爆炸產(chǎn)物的膨脹效應(yīng)以及巷道摩擦阻力使得沖擊波在傳播過程中存在能量損失，進(jìn)而促使壓力波逐漸衰減[3]。鄧飛等人運用Fluent軟件對模型巷道中的瓦斯爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同時刻火焰陣面的發(fā)展情況。通過對火焰陣面發(fā)展情況的觀察，推測事故中瓦斯爆炸的具體情況[4]。藺偉等利用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：與濃度均勻分布的情況相比，濃度梯度的增加，改變了爆轟的壓力分布，增加爆炸傳播威力，造成更大的破壞力[5]。

CFD商用軟件的應(yīng)用目前已經(jīng)取得了很多成果，但是依然存在很多局限性，例如：有限的事故場景適應(yīng)性；不能表現(xiàn)爆炸發(fā)生場所的幾何結(jié)構(gòu)的不對稱性；不能表現(xiàn)爆炸事故的不對稱性；爆炸強度的表現(xiàn)力有限等。

本文介紹在國外使用較為普遍的FLACS軟件在受限空間可燃?xì)怏w爆炸傳播過程的應(yīng)用。

1 可燃?xì)怏w爆炸傳播機理分析

可燃?xì)怏w的爆炸是由引火源引燃局部氣體，產(chǎn)生的火焰在混合氣體中向前傳播的一種快速燃燒現(xiàn)象，其本質(zhì)是一種燃燒現(xiàn)象，是在已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w交界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程。

當(dāng)預(yù)混可燃?xì)怏w被引火源引燃后，會迅速形成一個以點火源為中心的小火球，并以同心球面波的形式一層層向外傳播。反應(yīng)過程中燃燒產(chǎn)物不斷膨脹，未燃?xì)怏w受到壓縮，產(chǎn)生一定的壓力梯度，形成壓力波(即前驅(qū)沖擊波)，并不斷地向未燃區(qū)域傳播。在壓力波的作用下，火焰波不斷向前移動，未燃?xì)怏w被壓力波鋒面壓縮，并在高溫作用下被迅速點燃，形成新的火焰并迅速形成湍流，導(dǎo)致火焰在預(yù)混氣體中逐漸加速，最終將可燃?xì)怏w全部點燃。如圖1所示，假定點火位置在左邊界中心點，整個爆炸區(qū)自左向右可以分為三個區(qū)域：已燃區(qū)，火焰區(qū)和未燃區(qū)[6，7]：

圖1 管狀空間可燃?xì)怏w爆炸物理模型

爆炸后，高溫的燃燒產(chǎn)物繼續(xù)加熱周圍的氣體并且使其迅速膨脹，爆炸反應(yīng)的初期，未燃?xì)怏w高速膨脹并與空氣沖擊波共同作用，壓力波不斷增大，速度快速增加。隨著該過程的進(jìn)行，不斷增大的爆炸產(chǎn)物吸卷了增大的全部空氣質(zhì)量，因此，膨脹出現(xiàn)下降并且逐漸與空氣沖擊波產(chǎn)生脫離。與之脫離后的空氣沖擊波，會借助燃燒產(chǎn)物膨脹而獲得的能量繼續(xù)向前高速傳播，此過程將繼續(xù)加速空氣沖擊波的能量，并使之獲得更強的破壞力，這便是可燃?xì)怏w爆炸傳播與一般燃燒傳播的本質(zhì)區(qū)別[8，9]。

2 FLACS軟件在數(shù)值模擬中的應(yīng)用

2.1 FLACS軟件簡介

FLACS 軟件是挪威GexCon(CMR / CMI)公司基于CFD技術(shù)開發(fā)的一款三維計算流體力學(xué)軟件，包含擴散，爆炸，氫氣，粉塵，火災(zāi)等五個模塊，是當(dāng)前在擴散，火災(zāi)和爆炸安全分析領(lǐng)域頂尖的CFD軟件。FLACS以描述火焰發(fā)展實現(xiàn)對燃燒和爆炸建模，研究局部反應(yīng)隨著壓力、溫度、濃度、湍流等多個參數(shù)的變化。FLACS軟件將湍流和化學(xué)反應(yīng)耦合，采用有限體積法在三維笛卡爾網(wǎng)格下求解可壓N-S方程，并配合邊界條件求解計算區(qū)域中的超壓、火焰速度和燃料消耗量等變量的值：

其中:φ代表通用求解變量(包括質(zhì)量、動量、能量等)；

ρ是氣體密度(kg/m3)；

xj代表在j方向上積分；

μi代表i方向上的速度矢量；

Γφ是擴散系數(shù)；

Sφ為源項[10]。

16.關(guān)于陳寶生部長“三進(jìn)”工作落實的途徑：五是在思想上確保進(jìn)入，要從落實立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略高度，帶著立場、情感、溫度來統(tǒng)籌推進(jìn)“三進(jìn)”工作，做到感情和行動相統(tǒng)一。

該方法考慮了火焰和設(shè)備、管道等因此之間的相互影響和作用，可以直接對氣體爆炸沖擊波進(jìn)行計算。

2.2 FLACS軟件的模擬應(yīng)用

FLACS軟件基于真實復(fù)雜的幾何場景來評估可燃?xì)怏w的擴散和潛在的爆炸情況及其后果，以便確定作用在研究對象上的設(shè)計爆炸載荷。FLACS軟件模擬可燃?xì)怏w爆炸的結(jié)果有助于：1、基于真實的通風(fēng)情況和泄漏情況研究爆炸后果；2、推斷爆炸風(fēng)險，確?？煽啃裕?/p>

3、最優(yōu)化的防爆安全設(shè)計；4、檢驗現(xiàn)有的防爆設(shè)施等[11]。

2.2.1 FLACS對球形空間可燃?xì)怏w爆炸的模擬研究

張群等人在相同的實驗條件下，分別模擬了20L近球形爆炸實驗裝置內(nèi)甲烷，一氧化碳，氫氣，乙烷等不同可燃?xì)怏w的爆炸極限。通過對比數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果，驗證了FLACS軟件在模擬可燃性氣體爆炸方面的可行性。此外還研究了點火位置、氣體成分濃度、障礙物和密閉情況等因素對巷道內(nèi)瓦斯爆炸過程的影響。張群等人的研究確定了巷道內(nèi)瓦斯爆炸傳播的影響因素，為礦井和化工廠對可燃?xì)怏w爆炸事故的預(yù)防和控制提供了一定的理論依據(jù)[12]。

為了對礦井瓦斯爆炸災(zāi)害進(jìn)行有效地防治、安全評估和事故調(diào)查，羅鎮(zhèn)敏等人通過實驗和數(shù)值模擬方法研究了XKWB-1型近球型密閉式氣體爆炸特性測試裝置內(nèi)的甲烷爆炸過程，結(jié)果表明，添加輻射模型的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果更加吻合，平均誤差僅1.88%，說明輻射換熱是瓦斯爆炸過程中除熱傳導(dǎo)和熱對流外主要的熱量傳遞方式。研究說明，添加輻射模型的數(shù)值模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，其誤差基本符合工程需要，因此，在對復(fù)雜環(huán)境下的瓦斯爆炸情況進(jìn)行數(shù)值模擬時，應(yīng)該考慮添加輻射換熱模型以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[13]。

圖2 8%和10%濃度甲烷爆炸曲線數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比

2.2.2 FLACS對管狀空間可燃?xì)怏w爆炸的模擬研究

陳曉坤等人研究了巷道中障礙物、瓦斯?jié)舛鹊纫蛩貙ν咚贡▊鞑ミ^程中壓力場的影響，并得出了壓力—時間曲線圖。由圖3可以看出，障礙物對瓦斯爆炸傳播過程有較大影響，有障礙物存在的情況下，瓦斯爆炸壓力波的變化幅度相對于無障礙物的情況下迅速增大，但爆炸壓力峰值相對減??；爆炸壓力波沿巷道傳播過程中波動衰減。陳曉坤等人的研究具有一定的工程意義，其研究結(jié)果為井下巷道的優(yōu)化布置提供了一定的技術(shù)支持[14]。

圖3 9.5%瓦斯?jié)舛葔毫Α獣r間曲線

白岳松模擬研究了直管道中瓦斯爆炸的火焰和壓力傳播過程并和分叉管道情況下的爆炸傳播情況進(jìn)行了對比，得出火焰陣面?zhèn)鞑サ椒植砜跁r的火焰云圖，從圖4可以看出，在即將到達(dá)分叉口時，出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，火焰燃燒面積顯著增加；爆炸所產(chǎn)生的火焰燃燒速率和沖擊波壓力都出現(xiàn)了大幅度的增加，破壞程度加大。根據(jù)研究結(jié)果，在礦井設(shè)計開拓、可燃?xì)怏w輸運的過程中應(yīng)盡量減少管道分叉，避免復(fù)雜管道情況的出現(xiàn)[15]。

圖4 分叉口的火焰云圖

2.2.3 FLACS對罐狀空間可燃?xì)怏w爆炸的模擬研究

王學(xué)歧等人分別模擬了不同點火位置，障礙物位置，阻塞度情況下，某企業(yè)液化氣球罐區(qū)的液化氣泄漏擴散、爆炸事故后果，展現(xiàn)了通過觀察火焰鋒面及爆炸超壓分布圖的變化分析爆炸后果的威力變化，反推事故發(fā)生的過程，并找出事故原因的方法[10]。結(jié)果表明，F(xiàn)LACS能夠詳細(xì)地分析液化氣體出現(xiàn)泄漏爆炸后，空間各部位的超壓變化規(guī)律和趨勢，并能從不同角度、不同層面來分析影響液化氣泄漏爆炸的各因素，并且可以對爆炸沖擊波進(jìn)行三維的動態(tài)展示。研究結(jié)果為企業(yè)的事故預(yù)防、風(fēng)險評價和事故調(diào)查等提供了有效的技術(shù)支持。

3 結(jié)論及展望

(1) FLACS軟件采用分布式多孔結(jié)構(gòu)的思想來表現(xiàn)幾何形狀，將小于網(wǎng)格尺度的火焰用亞格子模型來表現(xiàn)，因此對于爆炸場景和爆炸傳播火焰的描述更加細(xì)致，使得模擬結(jié)果更加精確。

圖5 2.3 s時火焰鋒面及超壓分布圖-xz面

圖6 2.3 s時火焰鋒面及超壓分布圖-yz面

(2) 相比其他數(shù)值模擬軟件，F(xiàn)LACS軟件能夠研究更復(fù)雜的情況，刻畫更復(fù)雜的爆炸場景和爆炸傳播條件，在更真實的場景下研究爆炸過程。

(3) FLACS是一款專業(yè)的爆炸分析數(shù)值模擬軟件，在爆炸風(fēng)險評估方面具有權(quán)威性，但目前該軟件在國內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用FLACS進(jìn)行模擬研究的例子較少，可以考慮進(jìn)一步發(fā)展，充分利用。

[1] 張秀清.氣體爆炸現(xiàn)場特征[J].刑事技術(shù)，2002，5:40-42.

[2] 張玉周，姚斌.瓦斯爆炸沖擊波傳播過程規(guī)律及破壞效應(yīng)的計算機模擬[J].能源與環(huán)境，2008，1，12-13.

[3] 曲志明，王育德，等.瓦爆炸沖擊波的動力學(xué)規(guī)律及數(shù)值模擬研究[J].煤礦安全，2013，4:1-5.

[4] 鄧飛，劉后明，等.障礙物對巷道瓦斯爆炸傳播影響數(shù)值模擬研究[J].中國礦山工程，2012，41(4)：35-36，41.

[5] 藺偉，宋清官，等.濃度梯度對瓦斯爆炸影響的數(shù)值模擬[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2015.35(4)：336-340.

[6] 徐景德.礦井瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律及影響因素的研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2002.

[7] 吳衛(wèi)衛(wèi).受限空間可燃?xì)怏w爆炸數(shù)值模擬[D].遼寧沈陽：東北大學(xué)，2013.

[8] 劉欣.可燃?xì)怏w泄漏擴散的CFD模擬研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

[9] 胡鐵柱.瓦斯爆炸傳播規(guī)律數(shù)值模擬[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

[10] 王學(xué)歧，韓兆輝，等.基于CFD的液化氣罐區(qū)泄露爆炸事故后果模擬[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9(2)：64-68.

[11] 程康，金全洲，等.基于FLACS的水上LNG泄漏事故數(shù)值模擬分析[J].傳海工程，2015，4(3)：169-175.

[12] 張群.高瓦斯礦井封閉火區(qū)瓦斯爆炸實驗及數(shù)值模擬研究[D].陜西西安：西安科技大學(xué)，2012.

[13] 羅鎮(zhèn)敏，張群，等.基于FLACS的受限空間瓦斯爆炸數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報，2013，38(8)：1381-1387.

[14] 陳曉坤，鄧麗萍.獨頭巷道瓦斯爆炸的數(shù)值模擬研究[J].煤礦安全，2012，43(7)，20-22.

[15] 白岳松.受限空間瓦斯爆炸傳播規(guī)律數(shù)值模擬研究[D].山西太原：太原理工大學(xué)，2012.

Application of FLACS in the Study of Numerical Simulation of Gas Explosion in Confined Space

XU Jing-de，LI Hui，HAO Xu

(GraduateDepartment，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

The explosion of gas seriously endangers social stability and people’s live and property safety，the research on the explosion characteristics of gas is of great significance to the safety production and social stability. Based on the characteristic and mechanism of gas explosion in confined space，in this paper，the function and application of FLACS the professional explosion analysis numerical simulation software， is systematically introduced，to study its application of gas explosion in spherical space，tubular space and tank space， summing up the advantages and prospects of FLACS，which provides theoretical support for the safety and development of gas industry.

FLACS; confined space; combustible gas; explosion propagation

2016-03-12

國家自然基金面上項目(069825)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(3142015122，3142015118)

徐景德( 1965-)，男，安徽安慶人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，華北科技學(xué)院研究生處處長，研究方向為礦井瓦斯災(zāi)害防治及安全監(jiān)管監(jiān)察。E-mail: xujd1430@126.com

TD712.7

A

1672-7169(2016)03-0007-05