初始溫度和壓力對(duì)排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性影響的模擬研究*

呂鵬飛，張家旭，馬利克·哈力木，張 瑾，龐 磊，楊 凱，呂則愷

(北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 102617)

0 引言

市政地下排污管線是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快和城市規(guī)模的逐步擴(kuò)大，排污管網(wǎng)貫穿于城市的各個(gè)角落。由于地下排污空間相對(duì)封閉，容易產(chǎn)生大量有毒、有害、易燃、易爆混合性氣體，外界氣源極易泄入排污空間形成爆炸性環(huán)境，最終導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生。例如2013年山東省青島市“11·22”中石化東黃地下輸油管道泄漏爆炸事故，揮發(fā)油氣在市政排水暗渠內(nèi)積聚遇火花發(fā)生爆炸，造成62人死亡、136人受傷。

由于市政地下排污管線開展氣體爆炸安全防護(hù)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。Jiang等[1]研究了排污管道內(nèi)甲烷的生成機(jī)理及影響因素；劉仁龍等[2]根據(jù)下水道內(nèi)氣體流動(dòng)特點(diǎn)，基于層流有限速率燃燒模型建立了可燃?xì)怏w爆炸二維分析模型，研究了氣體流動(dòng)速度和甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)爆炸過(guò)程的影響；范小花等[3]分析了污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸事故的主要影響因素，基于模糊綜合評(píng)價(jià)法建立了氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，結(jié)合實(shí)例開展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并提出管理對(duì)策；米莉等[4]對(duì)城市下水道氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估開展了研究，基于現(xiàn)有的安全管理經(jīng)驗(yàn)建立了城市下水道氣體爆炸半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，認(rèn)為城市下水道氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)是可燃?xì)怏w積聚可能性與爆炸后果的綜合體現(xiàn)。此外，彭述娟[5]借助數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)手段，在污水管道爆炸成因與氣體爆炸極限分析基礎(chǔ)上，建立了基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的污水管道氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；楊凱等[6]歸納了城市排水涵道油氣爆炸研究的現(xiàn)狀；張遠(yuǎn)等[7]總結(jié)分析了城市排污管道甲烷爆炸防控措施的不足，并提出了今后應(yīng)重點(diǎn)研究的方向；胡修穩(wěn)[8]對(duì)重慶主城區(qū)污水管道氣體安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行了研究，分析了影響爆炸的因素，并基于爆炸波模型計(jì)算了污水管道體系的爆炸極限。

綜合目前研究成果發(fā)現(xiàn)，排污空間氣體爆炸研究主要集中在氣體成分分析、氣體爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立及應(yīng)用等方面，對(duì)氣體爆燃特性及災(zāi)害傳播規(guī)律研究較少。本文借鑒氣體爆炸相關(guān)研究成果[9-16]，針對(duì)排污空間特殊環(huán)境條件，開展了初始溫度和壓力對(duì)排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性影響的研究，以期為排污空間氣體爆炸事故分析及預(yù)防提供指導(dǎo)。

1 爆炸分析模型

為研究初始溫度和壓力對(duì)排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響，借助三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)通用多物理場(chǎng)模擬軟件Fluidyn-MP建立爆炸分析模型。所建模型為20 L球形爆炸容器(見圖1)。球體半徑R為0.168 m，將球心設(shè)置為點(diǎn)火源，距球心0.16 m處設(shè)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于記錄爆燃特性參數(shù)?？紤]到排污空間內(nèi)可燃性氣體主要成分為甲烷，模擬過(guò)程中對(duì)氣體成分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將球體內(nèi)充滿甲烷-空氣混合物，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%。

圖1 爆炸分析模型Fig.1 Explosion analysis model

軟件模擬中假設(shè)可燃?xì)怏w爆炸為單步不可逆化學(xué)反應(yīng)，采用有限體積法對(duì)包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進(jìn)行求解來(lái)解決氣體爆炸過(guò)程中的氣體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并通過(guò)k-ε模型模擬氣體爆炸中的湍流行為。

2 初始溫度對(duì)甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響

根據(jù)排污空間環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)變化，模擬過(guò)程中設(shè)置初始溫度為253～353 K，以20 K為考察間距，保持初始?jí)毫?.1 MPa，得到不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫﹄S時(shí)間的變化曲線(見圖2)。

圖2 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫﹄S時(shí)間的變化曲線Fig.2 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial temperatures

由圖2可知，在不同初始溫度條件下，甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫ψ兓€具有一定的相似性：隨著爆炸反應(yīng)的進(jìn)行，爆燃?jí)毫眲∩仙?，在反?yīng)進(jìn)行到0.2 s左右時(shí)，爆燃?jí)毫_(dá)到峰值。由于建立的20 L球形爆炸罐模型將壁面設(shè)置為等溫條件，混合物爆炸反應(yīng)后，壁面與外界進(jìn)行熱交換，造成一定的能量損失，因此隨著時(shí)間的延長(zhǎng)爆燃?jí)毫χ饾u下降。由圖2分別提取不同初始溫度下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間，得到變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著初始溫度的升高，甲烷-空氣混合物爆炸反應(yīng)的最大爆炸壓力逐漸下降。其中初始溫度為253 K時(shí)，最大爆炸壓力為0.924 MPa，初始溫度為353 K時(shí)，最大爆炸壓力為0.675 MPa，與253 K時(shí)相比，壓力值下降0.249 MPa，下降幅度為26.9%。分析認(rèn)為，隨著初始溫度的升高，由于反應(yīng)容器內(nèi)外溫差變大，加速了罐體與外界的熱交換，同時(shí)也減少了罐體內(nèi)單位體積甲烷-空氣物質(zhì)的量，造成放出的熱量減少。因此，最大爆炸壓力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。同時(shí)，由圖3可知，到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間與初始溫度的倒數(shù)近似呈線性變化規(guī)律，即隨著初始溫度的升高，到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間逐漸縮短。其中初始溫度為253 K時(shí)，到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間為0.209 s，初始溫度為353 K時(shí)，到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間為0.143 s，與253 K時(shí)相比縮短0.066 s，下降幅度為31.6%。分析認(rèn)為，隨著初始溫度的升高，可燃?xì)怏w分子內(nèi)能增加，加快了分子的運(yùn)動(dòng)速率，使分子間的碰撞幾率有所增加，表現(xiàn)為化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，造成到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間縮短?？紤]到氣體爆炸必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能完全反應(yīng)，因此，到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間不會(huì)無(wú)限縮短。

圖3 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力及到達(dá)時(shí)間變化曲線Fig.3 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial temperatures

此外，將圖3中不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力模擬值與實(shí)驗(yàn)值[17]進(jìn)行對(duì)比(見圖4)，兩者曲線變化趨勢(shì)相近，而且在初始溫度為253～353 K時(shí)曲線基本重合，表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可信度。

圖4 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力對(duì)比曲線Fig.4 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane air mixture under different initial temperatures

3 初始?jí)毫?duì)甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響

通常情況下排污空間環(huán)境壓力的動(dòng)態(tài)變化幅度較小，基本維持在0.1 MPa左右，但在極端條件下(初次爆炸后)，排污空間發(fā)生二次爆炸，二次爆炸前混合氣體極有可能處于異常高壓環(huán)境，氣體爆燃特性將呈現(xiàn)更為復(fù)雜的變化。因此數(shù)值模擬過(guò)程中，設(shè)置初始?jí)毫?.1～1 MPa，以0.1 MPa為考察間距，保持初始溫度為300 K，得到不同初始?jí)毫l件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)處甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫﹄S時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同初始?jí)毫l件下甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫﹄S時(shí)間的變化曲線Fig.5 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial pressures

由圖5可知，不同初始?jí)毫l件下甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫ψ兓€具有相似性，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)爆燃?jí)毫ο燃眲∩仙倬徛陆?，?.19 s左右爆燃?jí)毫_(dá)到峰值。此外，與不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫η€(圖2)相比，壓力數(shù)值明顯增大，整體提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明甲烷-空氣混合物爆燃?jí)毫?duì)初始?jí)毫Φ拿舾谐潭冗h(yuǎn)大于初始溫度的影響。由圖5分別提取不同初始?jí)毫ο录淄?空氣混合物最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間，得到變化曲線如圖6所示。

圖6 不同初始?jí)毫l件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力及到達(dá)時(shí)間變化曲線Fig.6 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial

由圖6可知，隨著初始?jí)毫Φ纳?，甲?空氣混合物最大爆炸壓力近似呈線性關(guān)系遞增，到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間也逐漸增大，與不同初始溫度條件下的變化趨勢(shì)(見圖3)截然相反。其中，當(dāng)初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力為0.775 MPa，到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間為0.171 s；當(dāng)初始?jí)毫?.0 MPa時(shí)，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力為8.455 MPa，到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間為0.214 s，與初始?jí)毫?.1 MPa相比，最大爆炸壓力急劇增大，提高了9.9倍，到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間增加了25.15%。分析認(rèn)為，隨著初始?jí)毫Φ脑黾?，甲?空氣混合物分子間距縮短，使得分子濃度升高，增加了分子間的碰撞幾率，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，造成最大爆炸壓力逐漸增大。此外，根據(jù)分子碰撞理論，爆炸反應(yīng)過(guò)程中并不是所有的分子碰撞都能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，只有發(fā)生碰撞的分子舊鍵破裂再進(jìn)行原子間的重新結(jié)合，分子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能才能產(chǎn)生有效碰撞。初始?jí)毫Φ脑龃笤斐煽扇細(xì)怏w分子間距減小，在增加分子間碰撞幾率的同時(shí)，也加快了碰撞中自由基銷毀速率，降低了自由基濃度，導(dǎo)致初期燃燒速度減小，因此延長(zhǎng)了到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間。

此外，將圖6中不同初始?jí)毫l件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力模擬值與實(shí)驗(yàn)值[18]進(jìn)行對(duì)比(見圖7)，初始?jí)毫?.1～0.5 MPa，模擬值與實(shí)驗(yàn)值相比整體偏小，但兩者曲線變化趨勢(shì)相近，這與數(shù)值模擬時(shí)設(shè)置的初始溫度偏高有一定關(guān)系(實(shí)驗(yàn)時(shí)初始溫度為281～291 K，模擬時(shí)初始溫度為300 K)，根據(jù)模擬結(jié)果可實(shí)現(xiàn)非常壓情況下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的定量預(yù)測(cè)。

圖7 不同初始?jí)毫l件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力對(duì)比曲線Fig.7 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane-air mixture under different initial

4 初始?jí)毫统跏紲囟葘?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h2>

考察不同初始?jí)毫统跏紲囟葪l件下爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?，得到火焰?0 L球形爆炸容器中心點(diǎn)火點(diǎn)傳播到壁面附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均傳播速度變化曲線(見圖8和圖9)。

圖8 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度變化曲線Fig.8 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial temperatures

圖9 不同初始?jí)毫l件下甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度變化曲線Fig.9 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial

由圖8可知，隨著初始溫度的增加，甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度呈線性增加，其中初始溫度為253 K時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.292 m/s，初始溫度增加到353 K時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.9 m/s，與初始溫度為253 K相比較，增幅為47%，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍鏊倜黠@。

由圖9可知，隨著初始?jí)毫Φ脑黾樱淄?空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度整體呈增加趨勢(shì)，其中初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.585 m/s，當(dāng)初始?jí)毫υ黾拥? MPa時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.615 m/s，與初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)相比，增幅為1.9%，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇幻黠@。此外，當(dāng)初始?jí)毫?.3～0.8 MPa時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣确€(wěn)定在1.6 m/s，根據(jù)劉易斯等[19]提出的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力變化關(guān)系，以0.5和1 m/s為分界點(diǎn)，將火焰?zhèn)鞑ニ俣确譃?個(gè)不同階段，初始?jí)毫?.3～0.8 MPa時(shí)，3個(gè)階段的綜合作用造成火焰平均傳播速度保持相等，形成平臺(tái)現(xiàn)象。由此可見，初始溫度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇h(yuǎn)大于初始?jí)毫Φ挠绊?，表明火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)初始溫度較敏感。

5 結(jié)論

1)隨著初始溫度的升高，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間降低，而初始?jí)毫Φ脑黾訉?dǎo)致最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間增大。表明初始溫度和初始?jí)毫?duì)甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響作用相反。

2)在初始溫度考察范圍內(nèi)(253～353 K)，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力下降幅度為26.9%，到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間下降幅度為31.6%。在初始?jí)毫疾旆秶鷥?nèi)(0.1～1 MPa)，最大爆炸壓力增加9.9倍，到達(dá)最大爆炸壓力時(shí)間增加25.15%。表明甲烷-空氣混合物發(fā)生爆燃時(shí)，初始?jí)毫?duì)最大爆炸壓力的影響比初始溫度更大，因此，應(yīng)關(guān)注排污空間初始?jí)毫Φ募眲∽兓绕浔苊舛伪ㄊ鹿实陌l(fā)生。

3)隨著初始溫度和初始?jí)毫Φ纳撸淄?空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度增加，而初始溫度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^大，表明火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)初始溫度的敏感程度遠(yuǎn)大于初始?jí)毫Φ挠绊憽?/p>