三種多分支結(jié)構(gòu)坑道內(nèi)油氣爆炸過程的大渦模擬

王建 王冬 張培理 梁建軍 劉沖 劉俊家

摘 ?????要：多分支結(jié)構(gòu)坑道在石油化工、天然氣工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。研究多分支結(jié)構(gòu)坑道內(nèi)的油氣爆炸過程，對避免或減小人員傷亡和財產(chǎn)損失、提高多分支結(jié)構(gòu)坑道的安全防護水平具有重要意義。針對三種多分支結(jié)構(gòu)坑道（一字分布型、交錯分布型、相對分布型），采用 WALE 湍流模型和Zimout 預(yù)混燃燒模型對上述三種坑道內(nèi)的油氣爆炸過程進行了模擬分析，重點研究了火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰面積、超壓峰值、超壓上升速率等爆炸過程的關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果表明：總?cè)莘e不變時，一字分布型和交錯分布型坑道內(nèi)的火焰速度、升壓速率均大于相對分布型坑道;支坑道數(shù)量不變時，一字分布型和交錯分布型火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律相似，但交錯型分布坑道內(nèi)較一字型分布作用更強;數(shù)值分析結(jié)果表明，火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰面積與爆炸超壓特性關(guān)系密切，三者之間相互耦合、相互激勵，存在顯著的正反饋機制。

關(guān) ?鍵 ?詞：分布形式; 多分支結(jié)構(gòu);密閉空間;油氣;大渦模擬

中圖分類號：TE88 ???????文獻標(biāo)識碼： A ???????文章編號：1671-0460（2019）08-1811-05

Abstract： Multi-branched structure tunnels are widely used in petrochemical and natural gas industries. Studying the oil and gas explosion process in multi-branch tunnels is of great significance to avoid or reduce casualties and property losses， and to improve the safety level of multi-branch tunnels. In this paper， the WALE turbulence model and the Zimont premixed combustion model were used to simulate the oil and gas explosion process in three kinds of multi-branched structure tunnels. The key parameters of the explosion process were studied， such as flame propagation speed， flame area， overpressure peak value， overpressure rise rate and so on. The numerical simulation results showed that： when the total volume was constant， the flame propagation speed， overpressure peak and boost rate in the one-line distribution and staggered-type tunnels were larger than those of the relative distribution tunnels; when the number of branch tunnels was unchanged， the flame propagation laws of one-line distribution and staggered-type tunnels were similar， but the staggered distribution tunnel had stronger effect than the one-line distribution tunnel. The numerical analysis results showed that the relationship among flame propagation speed， flame area and explosion overpressure characteristics was close， they were mutually coupled and mutually motivated， and there was a significant positive feedback mechanism.

Key words： Distribution form; Multi-branch structure; Confined space; Oil and gas; Large eddy simulation

在石油化工、天然氣工業(yè)中，多分支結(jié)構(gòu)坑道（包括坑道、 巷道等）應(yīng)用較為廣泛，比如坑道工程、城市天然氣管網(wǎng)、煤礦開采巷道等。 油氣爆炸發(fā)生在具有多分支結(jié)構(gòu)的受限空間中時，多分支結(jié)構(gòu)會對燃燒爆炸過程中的熱輸運和組分輸運等過程產(chǎn)生較大影響，與直管或球形容器中的油氣爆炸不同，爆炸后爆炸波會往復(fù)疊加，壓力會明顯上升，在傳播過程中很可能發(fā)展成爆轟波，造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。例如，2017年7月，貴州省青龍沙區(qū)天然氣隧道泄漏爆炸，造成8人死亡，35人受傷; 同年7月，天然氣在吉林省松原市寧江區(qū)繁華路發(fā)生泄漏爆炸。因此，如何控制多分支結(jié)構(gòu)坑道中油氣爆燃事故的發(fā)生，降低油氣爆燃的威脅，減少可能造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，是當(dāng)前亟待解決的主要課題。

相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對涉及分支結(jié)構(gòu)的密閉空間可燃氣體爆炸傳播過程進行了大量研究，取得了一定的成果。王漢良等[2]研究了L型管道，楊志等[3]研究了Z型管道，ZHAI、ZHU等[4，5]研究了U型管道，杜揚、李國慶、蔣新生等[6-9]研究了T型管道，研究發(fā)現(xiàn)，上述涉分支結(jié)構(gòu)均對爆炸強度、壓力有強化作用，對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@加強，結(jié)果表明了分支空間結(jié)構(gòu)與可燃氣體爆炸特性密切相關(guān)。

上述涉分支結(jié)構(gòu)容器內(nèi)可燃氣體爆炸研究，雖然部分涉及了分支坑道，但是，涉及的分支坑道數(shù)量較少、形式較單一，研究的系統(tǒng)性和深度也不足以推廣至多分支結(jié)構(gòu)坑道內(nèi)的油氣爆炸環(huán)境。因此，在實驗的基礎(chǔ)上，建立了多分支結(jié)構(gòu)封閉坑道油氣爆炸的數(shù)值模擬模型，深入研究了油氣爆炸燃燒特性。這項研究將有助于探索多分支結(jié)構(gòu)坑道中油氣的爆炸、燃燒和傳播過程規(guī)律，極大地豐富了油氣爆炸燃燒領(lǐng)域的理論體系，為相關(guān)領(lǐng)域提供了理論參考。

1 ?數(shù)值模擬模型

1.1 ?基本假設(shè)

在具有復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)坑道內(nèi)的油氣爆炸燃燒過程是一個具有強湍流場特征和燃燒反應(yīng)劇烈的過程，包括熱傳遞和組分傳輸、流體流動、化學(xué)反應(yīng)和許多其他影響因素。由于上述因素影響，難以建立數(shù)值模擬模型。為了保證數(shù)值模擬準(zhǔn)確可行，在理論模型的構(gòu)建中，本文做以下假設(shè)和簡化[10]：

（1）封閉坑道內(nèi)各組分氣體均為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程;

（2）油氣燃燒反應(yīng)涉及到復(fù)雜的多步基元反應(yīng)，由Lawrence國家實驗室發(fā)現(xiàn)的C1～C4詳細反應(yīng)機理包括155種成分、689個基元反應(yīng)[11]。但是為了研究該過程中壓力和火焰?zhèn)鞑ミ^程中的變化，需要根據(jù)烴類化合物燃燒模型的研究將燃燒反應(yīng)簡化為成兩步反應(yīng)：

（3）充斥密閉空間內(nèi)的油氣混合物處于常溫常壓狀態(tài)，呈均勻分布;

（4）將壁面邊界視為剛性、絕熱、光滑和密閉的。

1.2 ?湍流模型

目前，求解可燃氣體爆炸問題的數(shù)值方法主要有有直接模擬法（DNS）、雷諾平均法（RANS）和大渦模擬法（LES）[12-14]。在針對可燃氣體爆炸的數(shù)值模擬計算中，RANS模型和 LES 模型都被廣泛采用，為更精確爆燃過程和精細化流場特征，項目組前期對fluent軟件的四種常用湍流模型（WALE模型、Dynamic magorinsky-Lilly 模型、RNG k-ε模型和 Reynolds Stress 模型）進行試運算，并將這四種湍流模型的計算結(jié)果同相應(yīng)的實驗結(jié)果進行對比，以此判定這四種湍流模型的精確度。結(jié)果表明，WALE大渦模型計算所得各特征參數(shù)與實驗結(jié)果相比較，誤差比其余三種湍流模型計算結(jié)果最小[15，16]。因此下文將選用LES計算方法對爆燃過程的湍流信息和流場精細化特征進行仿真研究。

預(yù)混氣體燃燒中大渦模擬的基本原理是模擬復(fù)雜的燃燒化學(xué)反應(yīng)過程和復(fù)雜爆炸壓力波系統(tǒng)的形成。大渦模型主要由連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、反應(yīng)進程變量方程和理想氣體狀態(tài)方程組成：

2 ?幾何模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分

為全面反映不同分布形式的多分支結(jié)構(gòu)坑道油氣爆炸火焰-流場-超壓的耦合機理以及火焰特殊形態(tài)結(jié)構(gòu)特征形成機理，在本文的數(shù)值模擬部分，主要建立了3個幾何模型工況形式：分別為一字分布型（the lined layout）、相對分布型（the relative layout）、交錯分布型（the staggered layout），如圖1-a、1-b、1-c所示。

在執(zhí)行模擬計算之前對計算的幾何模型進行網(wǎng)格劃分。為保證求解精度，本文采用邊長為4 mm 的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對坑道模型進行區(qū)域劃分，總網(wǎng)格數(shù)量為 125 萬個。由于爆炸反應(yīng)持續(xù)時間極短，坑道的壁面與火焰鋒面之間的熱交換極其有限，因而將坑道壁面邊界（Wall）都設(shè)置為絕熱無滑移。初始條件設(shè)為：計算區(qū)域壓力為大氣壓力，即超壓P0=0 Pa;初始反應(yīng)物選用體積濃度為1.5%的汽油蒸氣，層流火焰速度假設(shè)為定值0.34 m/s;點火區(qū)域的初始溫度T0設(shè)置為3 000 K，其他區(qū)域初始溫度T0=300 K;流場初速度以及反應(yīng)進程變量均初始化為0。在左側(cè)坑道中心位置的封閉端，Patch設(shè)定半徑為2 mm的半球形（Sphere）點火區(qū)域（反應(yīng)進度變量c=1），用以模擬點火功能[17]。

3 ?結(jié)果分析

3.1 ?火焰?zhèn)鞑ミ^程分析

圖2、圖3為三種分布形式的多分支坑道內(nèi)油氣爆炸火焰鋒面位置以及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆抡娼Y(jié)果的對比，如圖所示。從火焰鋒面位置曲線可見，三種分布形式的變化趨勢相對均勻和一致。隨著坑道內(nèi)反應(yīng)進程的進行，坑道內(nèi)火焰前鋒距離右側(cè)點火端的距離逐漸增大，增長趨勢均呈現(xiàn)單調(diào)遞增規(guī)律，一字分布型和交錯分布型曲線近似重合0～40 ms（即火焰從點火段傳播到第三個分支的時間區(qū)間）一字分布型斜率略大，60 ms（火焰從點火段傳播到第四個分支的時間區(qū)間）后兩者重合，兩者斜率皆大于相對分布型。

一字分布型和交錯分布型曲線變化趨勢相似，火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生四個峰值，對應(yīng)四個分支結(jié)構(gòu)處的條件變化，其中一字分布型速度峰值高于交錯分布型，且20～60 ms區(qū)間的鋒面位置早于交錯分布型，根據(jù)仿真結(jié)果推測火焰徑向傳播至某一側(cè)管壁產(chǎn)生的渦旋會影響火焰的徑向傳播速度和輕微阻礙火焰的軸向傳播速度，因此使得同側(cè)分布分支比交錯兩側(cè)分布分支的主坑道火焰先傳播到下一個分支位置，因此交錯分布型主坑道火焰速度峰值大于一字分布型。相對分布型較前兩種分布形式主坑道火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@更小，說明總?cè)莘e不變時，說明總?cè)莘e不變時，一字分布型和交錯分布型較相對分布型火焰爆炸傳播過程顯著加強。

3.2 ?爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ヱ詈详P(guān)系

結(jié)合圖4、5進行討論分析，根據(jù)壓力上升速率的變化規(guī)律曲線來分析，火焰?zhèn)鞑ミ^程可劃分為從點火到發(fā)展的三個階段。

第一階段（0到20 ms）為點火初期，火焰鋒面還未接觸多分支結(jié)構(gòu)坑道，此時反應(yīng)初始，僅在點火頭周圍反應(yīng)，升壓速率較低，超壓變化幅度非常小。三種分布形式的變化規(guī)律呈現(xiàn)單調(diào)遞增規(guī)律，一字分布型和交錯分布型升壓速率均大于相對分布型。第二階段（20～126 ms），一字分布型和交錯分布型兩者曲線基本一致，將其視為等同一并分析。20 ms時，此時一字分布型和交錯分布型的火焰鋒面前端恰好傳播至第一個分支，火焰形狀開始變得不規(guī)則。并且在20～60 ms 之間，隨著火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過分支數(shù)量的增多，超壓上升速率也逐漸增大。并且當(dāng)火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過四個分支之后，兩者的升壓速率于70 ms處達到最大峰值。相對分布型軸向火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷谇皟烧撸噬龎核俾始铀龠^程慢于前兩者，于126 ms達到峰值。第三階段（126 ms之后）由于從該時刻后火焰只在主坑道內(nèi)傳播且多分支結(jié)構(gòu)坑道未燃氣體減少引起的火焰局部熄滅，使得火焰面積大幅減少，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆贉p小，從而使得升壓速率驟然下降，相對分布型升壓速率小于于前兩者。