多工況下綜合管廊燃?xì)庑孤┲禄馂?zāi)溫度場分析

周慶輝， 肖 龍， 白宗杰， 劉李艷

(1.北京建筑大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院 北京市建筑安全監(jiān)測工程技術(shù)研究中心, 北京 100044；2.北京市市政六建設(shè)工程有限公司， 北京 100023)

根據(jù)GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，燃?xì)夤芫€納入綜合管廊需要單獨設(shè)置艙室. 然而天然氣具有易燃易爆的特性，造成爆炸事故的可能性增加. 這是因為綜合管廊屬于受限空間，天然氣管道一旦泄漏，極易形成高濃度區(qū)，達到爆炸極限，遇到火源從而發(fā)生火災(zāi)爆炸. 相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，我國每年發(fā)生的燃?xì)馐鹿试? 500起以上，每天平均發(fā)生5起燃?xì)馐鹿蔥1]，從博燃網(wǎng)和中國燃?xì)饩W(wǎng)中也統(tǒng)計出2012—2015年共有3 927起燃?xì)馐鹿实木唧w信息[2]. 例如，在2017年，我國共發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿?02起，造成1 100余人受傷，126人死亡[3]，所以對綜合管廊燃?xì)庑孤┗馂?zāi)的研究，是燃?xì)獍踩I(lǐng)域內(nèi)的重要研究內(nèi)容，是燃?xì)夤艿朗鹿史治黾霸u價、應(yīng)急處理的重要依據(jù)，對于保護人身財產(chǎn)安全及事故預(yù)防具有重要的意義.

本文建立綜合管廊燃?xì)馀摰娜S幾何模型，使用FLUENT軟件計算流體力學(xué)，在多種工況條件下，對燃?xì)馀搩?nèi)天然氣的湍流燃燒進行數(shù)值模擬，得出天然氣泄漏速度和空氣流速對火災(zāi)燃燒的影響規(guī)律.

1 計算模型

1.1 燃?xì)馀撐锢砟Ｐ?/h3>

圖1所示是某綜合管廊的剖面圖. 根據(jù)該管廊實際尺寸，運用ICEM軟件建立綜合管廊燃?xì)馀摵吞烊粴夤艿赖膸缀文Ｐ秃途W(wǎng)格模型，并在管道的中間位置設(shè)置一個天然氣泄漏口，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示.

燃?xì)馀搸缀纬叽?長×寬×高)：20 m×1.8 m×3 m

泄露口尺寸(寬×弧長)：2 cm×10 cm

網(wǎng)格單元數(shù)量：1 122 751個

網(wǎng)格面數(shù)量：268 440個

節(jié)點數(shù)量：460 560個

1.2 天然氣燃燒反應(yīng)機理

天然氣中含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烴類組分，還含有各種非烴組分(氮氣、氦氣、二氧化碳、硫化氫和水等). 甲烷及非烴組分達到汽液相平衡狀態(tài)[4]. 由于天然氣的主要成分是甲烷，天然氣燃燒過程采用甲烷燃燒機理. 甲烷在低溫條件下的基元反應(yīng)是支鏈反應(yīng)，過程如下[5-6]：

鏈引發(fā)：

CH4+O2→CH3+H2O；

CH4+O2→CH2O+OH；

OH3+CH→CH3+H2O；

OH+CH2O→HCO+H2O.

鏈分支：

CH+O2→H2O+HCO.

鏈傳遞：

HCO+O2→CO+HO2；

HO2+CH4→H2O2+CH3；

HO2+CH2O→H2O2+HCO.

鏈終止：

OH+器壁→銷毀；

CH3+器壁→銷毀.

天然氣與空氣混合燃燒后的主要產(chǎn)物是二氧化碳和水，因此可以通過分析燃?xì)馀搩?nèi)二氧化碳的分布規(guī)律來探索混合氣燃燒后的煙氣擴散規(guī)律. 同時，綜合管廊可以看作是狹長的受限空間，受限空間內(nèi)可燃混合氣的流動會受到通風(fēng)系統(tǒng)的影響，因此還要考慮空氣流動速度的影響.

1.3 燃燒模型

FLUENT軟件中包含多種燃燒模型、輻射模型及與燃燒相關(guān)的湍流模型，適用于各種復(fù)雜情況下的燃燒問題. 本文采用組分輸運模型模擬天然氣燃燒反應(yīng)，選擇體積反應(yīng)，開啟入口擴散和擴散能量源. 湍流化學(xué)反應(yīng)相互作用選取渦耗散概念模型(EDC).

1.3.1 組分輸運方程

(1)

式中：Ds為組分S在介子中的擴散系數(shù),cs為該組分的體積濃度,ρcs為該組分的質(zhì)量濃度,Ss為該組分的生產(chǎn)率,xi為物理空間單位向量,ui是xi方向的體積力，t為時間.

1.3.2 渦耗散概念模型

(2)

式中：ρ為計算流體的密度，ε*為良好尺度的容積比率，τ*為時間尺度，Yi為預(yù)估物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2 邊界條件設(shè)置

利用FLUENT軟件進行計算，需要對邊界條件進行設(shè)置.

2.1 初始速度和壓力條件

設(shè)置管廊燃?xì)馀摽諝馊肟谒俣葹? m/s、1 m/s、2 m/s，湍流度為10%，出口壓力為0；天然氣泄漏口入口速度為60 m/s、200 m/s、340 m/s，湍流度為10%. 各工況參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 工況設(shè)置

2.2 初始溫度和組成條件

設(shè)置管廊燃?xì)馀搩?nèi)空氣溫度和泄漏天然氣溫度均為300 K，管廊燃?xì)馀搩?nèi)氧氣組分為0.23. 為簡化初始條件，天然氣管道泄漏的天然氣用甲烷代替.

燃燒過程中不考慮管廊內(nèi)部空間與外界的熱交換，管廊壁為絕熱，且管廊壁作剛性壁面處理.

3 火災(zāi)燃燒仿真結(jié)果及分析

3.1 燃燒仿真結(jié)果

甲烷泄漏后，在泄漏氣體動能和恒速空氣流動的影響下，甲烷會在燃?xì)馀摰挠邢蘅臻g內(nèi)擴散，并與空氣混合燃燒，進行動量、熱量和質(zhì)量的交換，直至混合氣濃度達到平衡，從而燃燒達到穩(wěn)定狀態(tài). 圖3為各工況對應(yīng)的混合氣燃燒達到穩(wěn)態(tài)時，燃?xì)馀撦S向剖面的溫度分布及二氧化碳分布云圖.

各工況的云圖分層形態(tài)基本一致，各工況下二氧化碳組分比例的等值線與管廊內(nèi)等溫線基本重合，并且二氧化碳組分比例高低的分布與管廊內(nèi)溫度高低的分布呈現(xiàn)一致性，說明二氧化碳的分布規(guī)律可以反映混合氣燃燒擴散規(guī)律.

3.2 不同工況下燃燒的溫度分布對比

從圖3中各工況溫度分布云圖可以看出，各工況下的等溫線基本都與管廊燃?xì)馀摰妮S向幾何中線相交，因此選擇中線以反映燃?xì)馀搩?nèi)的溫度變化及分布規(guī)律，管廊軸向幾何中線及樣本點示意圖如圖4所示.

圖5表示甲烷泄漏速度和空氣流速對管廊內(nèi)燃燒后溫度分布的影響規(guī)律.

3.2.1 不同空氣流速下燃燒溫度分布

在空氣流速為零的條件下，管廊溫度分布以泄漏口為基準(zhǔn)，向周邊對稱分布，這是由于甲烷從中間泄漏口自然擴散至兩端，并與兩端的空氣形成可燃混合氣.

管廊內(nèi)空氣流速為1 m/s、泄漏速度為60 m/s工況下，泄漏口位置處出現(xiàn)了溫度極大值，說明泄漏初段的甲烷氣流與空氣混合形成了有利于充分燃燒的環(huán)境. 在泄漏速度為340 m/s工況下，泄漏口位置處出現(xiàn)了溫度極小值，這說明高速泄漏的甲烷氣流對溫度具有發(fā)散作用. 在200 m/s泄漏速度下，高溫幾乎均勻分布于整個管廊內(nèi)，泄漏口位置處的溫度梯度較其他兩者過渡的最為平緩. 以上表明：泄漏速度只有在適中時才會促進燃燒，泄漏速度過高或過低并不會加快燃燒反應(yīng).

2 m/s空氣流速下，甲烷以60 m/s速度泄漏時，泄漏口右側(cè)的溫度變化呈現(xiàn)出由高溫直線下降至常溫的現(xiàn)象，說明該泄漏工況受空氣流速的影響最明顯. 相比之下，200 m/s速度泄漏工況下管廊內(nèi)的高溫段相對最長，且高低溫過渡最平緩.

對比圖5(a)～(c)，圖5(a)表明管廊在無風(fēng)時低溫分布最均勻，圖5(b)表明管廊在1 m/s風(fēng)速時高溫分布最均勻. 說明適當(dāng)增加空氣流速可以促進燃燒.

3.2.2 不同天然氣泄漏速度下燃燒溫度分布

甲烷以60 m/s的速度泄漏時，1 m/s和2 m/s空氣流速工況下的溫度分布曲線相似，在泄漏口左側(cè)，1 m/s空氣流速工況下管廊內(nèi)的平均溫度明顯高于后者，表明過高的空氣流速并不能對燃燒起到促進作用.

甲烷以200 m/s速度泄漏時，各空氣流速下燃燒溫度分布均表現(xiàn)出對稱性，說明甲烷以200 m/s速度泄漏時，空氣流速對燃燒溫度分布的影響最小. 空氣流速為1 m/s時混合氣燃燒高溫分布最均勻，說明該工況下混合氣燃燒最充分.

甲烷以340 m/s高速泄漏時，3種空氣流速工況下，泄漏口處溫度分布都有波動，空氣流速越大，泄漏口處甲烷和空氣2種氣流相互擾動作用越激烈，溫度波動越激烈.

4 結(jié)論

1) 管廊內(nèi)空氣流速為零時，燃燒的溫度以泄漏口為基準(zhǔn)，向周邊對稱分布.

2) 對比幾種不同工況，當(dāng)甲烷以200 m/s的速度泄漏，且管廊內(nèi)空氣流速為1 m/s時，火災(zāi)燃燒導(dǎo)致管廊內(nèi)的溫度最高，且高溫分布也最均勻.

3) 在相同的燃?xì)庑孤┧俣认?，適當(dāng)增加空氣流速可以促進燃燒，但過高的空氣流速并不利于燃燒；在相同的空氣流速條件下，泄漏速度過高或過低并不利于燃燒.

4) 燃燒所生成二氧化碳的濃度高低分布與管廊內(nèi)溫度高低的分布呈現(xiàn)一致性，從而二氧化碳的分布規(guī)律可以反映混合氣燃燒擴散規(guī)律.