球形密閉容器內(nèi)氫氣濃度對(duì)混合氣體燃爆特性的影響?

任家帆 馮 偉 全樹(shù)新 常圣泉 彭 旭 曹衛(wèi)國(guó) 饒國(guó)寧

①南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)②西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)③遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司(遼寧慶陽(yáng)，745000)④中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院(山西太原，030051)

引言

氫氣作為合成氨的基本原料之一，是煉油工業(yè)的重要原料；同時(shí)，氫氣因其清潔、效率高和可再生能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的新能源載體，得到了日益廣泛的重視和應(yīng)用。但隨著社會(huì)發(fā)展和新能源的應(yīng)用，由于對(duì)氫氣安全使用知識(shí)了解不足而造成的事故也越來(lái)越多。2001年2月27日，江蘇省鹽城市某化肥廠合成車間管道突然破裂，隨即大量氫氣泄漏發(fā)生燃爆；2015年6月28日，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某公司發(fā)生一起氫氣泄露燃爆事故，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

國(guó)內(nèi)外對(duì)氫氣燃爆的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在燃爆的傳播機(jī)理以及傳播影響等因素方面。孫從煌等[1]研究了點(diǎn)火條件對(duì)密閉管道內(nèi)預(yù)混氫氣-空氣混合氣體燃爆特性的影響，研究表明：不同點(diǎn)火條件對(duì)密閉管內(nèi)氣體的動(dòng)能和內(nèi)能的影響規(guī)律類似于其對(duì)管內(nèi)氣體的流速和溫度的影響規(guī)律，而對(duì)渦量的影響不明顯；曹衛(wèi)國(guó)等[2-5]采用20 L球形容器對(duì)粉塵燃爆的嚴(yán)重程度進(jìn)行了評(píng)估，并利用Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬；Yang等[6]研究了導(dǎo)管長(zhǎng)度和氫氣濃度對(duì)氫氣-空氣混合氣體燃爆后產(chǎn)生的最大超壓和火焰行為的影響；Tan等[7-10]通過(guò)側(cè)面帶有泄爆口的球形容器，研究了惰化條件下受限空間內(nèi)部混合氣體燃爆及泄爆過(guò)程中的壓力變化規(guī)律；Zheng等[11]研究了可燃?xì)怏w燃爆火焰在不同長(zhǎng)寬比封閉管道中的傳播規(guī)律。氫氣具有點(diǎn)火能低、燃燒極限范圍廣、層流燃燒和擴(kuò)散速度快以及燃爆威力大等特點(diǎn)，因此其燃爆過(guò)程更有典型性[12]。

受實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前，對(duì)不同濃度的氫氣-空氣混合氣體燃爆壓力的研究主要集中在密閉空間中，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量其燃爆的壓力特征，但在一個(gè)強(qiáng)約束的密閉空間中，其湍流預(yù)混火焰的火焰形態(tài)和火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律也更加復(fù)雜，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲取。

目前，數(shù)值模擬已經(jīng)較為成熟，成為研究該類燃爆問(wèn)題的一種有效手段。本文中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD(computational fluid dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))方法相結(jié)合，采用20 L球形燃爆系統(tǒng)對(duì)不同濃度的氫氣-空氣混合氣體燃爆結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，然后對(duì)其燃爆過(guò)程進(jìn)行模擬，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，并揭示了詳細(xì)的三維流場(chǎng)參數(shù)，為理論研究提供了科學(xué)參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

目前，對(duì)可燃?xì)怏w燃爆特性的研究沒(méi)有統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的研究方法。因此，本實(shí)驗(yàn)中建立了針對(duì)于可燃?xì)怏w燃爆的20 L燃爆測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括20 L燃爆球體、抽真空系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 20 L球形燃爆裝置實(shí)物圖Fig.1 20 L spherical explosion device

示意圖如圖2所示。

圖2 可燃?xì)怏w燃爆測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of combustible gas explosion test system

在該實(shí)驗(yàn)中，氫氣在20 L球中和空氣按不同的體積比預(yù)混進(jìn)行反應(yīng)。首先，對(duì)20 L球內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，此時(shí)抽真空的量取決于氫氣和空氣的體積比，通過(guò)狀態(tài)方程得出其壓強(qiáng)比，抽出一定比例的空氣；然后，由氣瓶向20 L球中注入氫氣，至球體內(nèi)部壓力(表壓)為0。

通過(guò)壓力傳感器記錄燃爆過(guò)程中的動(dòng)態(tài)壓力，并利用動(dòng)態(tài)壓力的歷史數(shù)據(jù)來(lái)分析其最大燃爆壓力和壓力上升速率。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

在以往的研究中，大多將20 L爆炸球簡(jiǎn)化為一個(gè)二維的圓形或三維的球體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未很好地體現(xiàn)出來(lái)。為了更好地利用Fluent軟件進(jìn)行流暢的分析，根據(jù)20 L爆炸球的實(shí)際尺寸，建立了三維幾何模型，并保留其點(diǎn)火電極、噴嘴和折流板等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格劃分，并對(duì)表面網(wǎng)格進(jìn)行加密。示意圖如圖3所示。

圖3 20 L球形燃爆裝置網(wǎng)格Fig.3 20L spherical vessel explosion device grid

2.2 控制方程

氫氣燃爆過(guò)程是復(fù)雜的湍流燃燒燃爆，對(duì)其燃爆過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)處理燃爆發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的湍流，采用Arrhenius方程來(lái)描述可燃?xì)怏w的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[13]。在迭代求解含化學(xué)反應(yīng)的Navier-Stokes方程時(shí)，需要建立并求解一系列的控制方程[1]。

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

組分運(yùn)輸方程

式中：ρ為密度；ui和uj為速度分量；p為靜壓；T為溫度，其中參考溫度為300 K；τij為應(yīng)力張量，且τij=μ(?ui/?xj＋?uj/?xi)-2/3(μ?ul/?xl)δij，δij為單位張量，μ為分子黏度；keff為有效熱導(dǎo)率；Qc為化學(xué)反應(yīng)放熱的體積熱源以及輻射熱源的能量源項(xiàng)；E為內(nèi)能，且E=h-p/ρ＋μ2i；ha、Ja、Ya、Da、ωa分別為燃料組分a的比焓、質(zhì)量擴(kuò)散通量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、擴(kuò)散系數(shù)和化學(xué)反應(yīng)速率[14-15]。

3 結(jié)果與討論

3.1 壓力曲線分析

圖4記錄了不同體積分?jǐn)?shù)(10%、20%、30%、40%、50%、60%)的氫氣燃爆壓力曲線；表1為不同體積濃度氫氣燃爆的最大壓力和最大升壓速率。

圖4 氫氣燃爆壓力曲線Fig.4 Combustion-explosion pressure curves of hydrogen

表1 不同體積分?jǐn)?shù)氫氣燃爆的最大壓力及最大升壓速率Tab.1 Maximum pressure and pressure rising rate of hydrogen deflagration with different volume concentrations

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在6種氫氣體積分?jǐn)?shù)下，氫氣燃爆的最大壓力先增加后減少，氫氣體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，達(dá)到的超壓最大。此時(shí)，氫氣和空氣中，氧氣的體積比接近化學(xué)計(jì)量比；因此，在該體積分?jǐn)?shù)下，氫氣和氧氣的反應(yīng)速率最快，即燃燒速率最大，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫沧畲?，爆炸時(shí)間相應(yīng)地減少，對(duì)應(yīng)的壓力上升速率也大于另外兩種情況。

由圖4(a)和圖4(b)的對(duì)比可以看出，數(shù)值模擬壓力曲線的上升階段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但模擬的壓力曲線在到達(dá)最大壓力后卻并沒(méi)有像實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣有較為明顯的下降。這是因?yàn)樵谀M過(guò)程中，假設(shè)壁面是絕熱的，和外界沒(méi)有任何的熱傳遞，也不會(huì)造成熱量損失；因此，在反應(yīng)完成后，20 L球中的壓力基本保持不變。但是在實(shí)驗(yàn)條件下，20 L球不可能做到完全的絕熱條件，會(huì)與外界發(fā)生熱傳遞，造成熱量損失；因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的壓力曲線在后期會(huì)有所下降。

3.2 數(shù)值模擬分析

運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、化學(xué)反應(yīng)模型和中心點(diǎn)火的方式來(lái)研究氫氣的燃爆過(guò)程。以30%氫氣體積分?jǐn)?shù)為例，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 不同時(shí)刻氫氣的質(zhì)量濃度Fig.5 Mass concentration of hydrogen at different times

圖6 不同時(shí)刻系統(tǒng)中的溫度分布Fig.6 Temperature distribution in the system at different times

圖7 不同時(shí)刻球體中的氣流速度矢量Fig.7 Velocity vector in the sphere at different times

從圖5和圖6可以得出，氫氣低濃度區(qū)為已燃區(qū)，高濃度區(qū)為未燃區(qū)，已燃區(qū)和未燃區(qū)之間為預(yù)熱區(qū)；氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著半徑方向升高，溫度則沿著半徑方向降低，即沿著半徑方向提供給氫氣反應(yīng)的能量逐漸降低，因此吸收能量離解為自由基的氫分子數(shù)目越來(lái)越少，這也是越靠近未燃區(qū)氫氣質(zhì)量濃度越高的原因。

從圖6可以看出，火焰是一個(gè)邊燃燒邊膨脹的過(guò)程，在反應(yīng)初期(4.0 ms前)，已燃區(qū)占比很小，使得未燃區(qū)氣體被壓縮的量可以忽略不計(jì)，從壓力曲線可以看出，其壓力變化也不劇烈；但隨著已燃區(qū)占比的增加，使得未燃燒氣體在燃燒前被壓縮，其單位體積內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的分子數(shù)增多，反應(yīng)速率加快，放熱量增加造成溫度的升高，同時(shí)，反應(yīng)加快造成壓力的急劇上升。

圖7為反應(yīng)的不同時(shí)刻氣流速度矢量圖。在數(shù)值模擬中，假定初始的氣流速度為0 m/s。隨著反應(yīng)的繼續(xù)，中心氣流的速度減慢，這是由于在給予密閉容器內(nèi)已燃區(qū)外部氣體壓力的同時(shí)，也承受外部氣體所帶來(lái)的阻力作用，導(dǎo)致已燃區(qū)氣流速度降低。在火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)壁面之前，最大氣流速度不斷增加，并出現(xiàn)在火焰前緣位置。在點(diǎn)火后的6.5 ms，氣流到達(dá)壁面，此時(shí)容器內(nèi)接近最大壓力。

4 結(jié)論

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)氫氣-空氣混合氣體的燃爆過(guò)程進(jìn)行了深入研究。研究表明，在氫氣-空氣混合氣體的6種體積分?jǐn)?shù)下，最大燃爆壓力隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增大、后減少的趨勢(shì)；且氫氣體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)燃爆極限壓力最大，為0.761 5 MPa；升壓速率最快，為0.299 2 MPa/ms。

2)在點(diǎn)火開(kāi)始后的4.0 ms內(nèi)，火焰面擴(kuò)張較慢；4.0 ms后，化學(xué)反應(yīng)速率增大，火焰面迅速擴(kuò)張。這是由于隨著火焰的擴(kuò)張，使得未燃?xì)怏w在燃燒前被壓縮，單位體積內(nèi)參與反應(yīng)的分子數(shù)增加，化學(xué)反應(yīng)速率加快。

3)建立了三維數(shù)值仿真模型，其模擬結(jié)果的壓力變化行為在上升階段和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差不超過(guò)15%。因此，該數(shù)值模型可用于研究可燃?xì)怏w爆燃的最大壓力及其上升速率，為研究可燃?xì)怏w的爆燃機(jī)理和針對(duì)可燃?xì)怏w的防爆、抑爆提供了數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。