綜合管廊燃氣艙燃氣爆炸沖擊波傳播特征研究*

夏 微，高 魁,2，喬國棟

(1.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引言

城市地下綜合管廊是1種集約式的管線建造模式，其內(nèi)部綜合了給排水、電力、燃氣、供熱、通信等各種市政管線和設(shè)施[1]，并設(shè)置專門的檢修通道、監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)市政管線的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一建設(shè)和統(tǒng)一管理[2]，是保障城市運行的重要“生命線”設(shè)施[3]。燃氣管道進入綜合管廊避免了“馬路拉鏈”的現(xiàn)象，但與此同時也帶來管道泄漏所造成的一系列新問題。

鄧小嬌等[4]改變?nèi)細夤艿拦茌攭毫?，對燃氣泄漏爆炸危險區(qū)域進行研究，得到爆炸極限范圍移動速度與管輸壓力成正比。萬留杰等[5]研究管廊內(nèi)燃氣濃度分布與泄漏位置的關(guān)系。吳建松等[6]研究通風受限空間內(nèi)的地下綜合管廊燃氣艙內(nèi)燃氣泄漏擴散規(guī)律，結(jié)果表明氣體射流作用與浮升力作用是影響綜合管廊燃氣泄漏擴散濃度分布的重要因素。王玉琪等[7]通過改變泄漏孔徑、通風速度研究不同工況對燃氣擴散的影響。袁欣然等[8]研究泄漏口壓力、孔徑、朝向等因素對擴散的影響。劉希亮等[9-10]研究管廊內(nèi)燃氣爆炸過程中爆炸沖擊波對管廊結(jié)構(gòu)的影響。錢喜玲等[11]研究不同壓力條件下的燃氣濃度的分布特性。孫加超等[12]模擬綜合管廊燃氣艙在不同爆炸荷載下的情況，獲得管廊的破壞模式、燃氣艙內(nèi)空氣中心線各點的超壓時程曲線以及超壓峰值曲線。燃氣艙一旦發(fā)生燃氣泄漏引發(fā)爆炸，在演化傳播等系列交互效應中，其傳播過程及后果必然會影響到高壓電力艙等其他地下綜合管廊設(shè)施，可能會誘發(fā)電纜火災等次生災害。田威等[13]通過數(shù)值模擬研究燃氣艙在1，5，20，40 kg TNT藥量下的內(nèi)爆情況。張凱猛[14]通過數(shù)值模擬得出混凝土隔板對防止爆炸沖擊具有顯著效果，燃氣艙受爆炸沖擊波影響較大，燃氣艙內(nèi)壁處的超壓峰值大于頂板處的超壓峰值。劉中憲等[15]得出在燃氣爆炸荷載作用下，管廊襯砌的損傷破壞具有局部性和弱傳遞性。對比高建豐等[16]得出的管道油氣爆炸實驗結(jié)果和Fluent計算模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2者間的誤差小于4%。Huang等[17]通過對比管道爆炸的實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，表明2者的變化規(guī)律基本一致。Fluent作為1款流體計算分析軟件，其可靠性已經(jīng)被專家學者驗證并得到認可。

文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學者對綜合管廊燃氣艙的研究主要集中在燃氣泄漏擴散和燃氣爆炸對管廊的破壞影響等問題，而對燃氣在管廊內(nèi)爆炸產(chǎn)生的沖擊波的傳播規(guī)律的研究較少。因此本文采用數(shù)值模擬的方法，對不同填充長度情況下，管廊燃氣艙內(nèi)燃氣爆炸后的沖擊波傳播特征進行研究，揭示爆炸過程中的壓力和氣流速度的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型

針對管廊燃氣艙的1個防火分區(qū)，采用計算流體力學軟件Fluent18.0研究燃氣在不同填充長度情況下產(chǎn)生爆炸沖擊波的傳播特征。簡化的物理模型如圖1所示，燃氣艙斷面為1.6 m×2.8 m，防火分區(qū)長200 m，兩端封閉。沿高為1.4 m的截面中心每隔2 m布置1個測點，共計100個測點，用來監(jiān)測燃氣爆炸過程中產(chǎn)生的超壓及氣體的水平流速。點火位置位于燃氣艙左端。爆炸氣體為甲烷-空氣混合氣體，從燃氣艙左端開始填充，填充長度依次為20，50，100，150 m，甲烷體積分數(shù)為9.5%。初始溫度為300 K，初始壓力為101.325 kPa。

圖1 管廊燃氣艙物理模型Fig.1 Physical model of gas cabin in utility tunnel

為簡化計算，對模型做出如下假設(shè)：

氣體滿足理想氣體狀態(tài)；燃氣艙墻面為剛性，不考慮流-固耦合作用；系統(tǒng)絕熱，與外界無熱交換；燃氣爆炸過程為單步反應。

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

2.1 不同填充長度下超壓隨時間的變化規(guī)律

填充長度為20 m時的超壓變化如圖2所示，由圖2可知，隨著時間的增加，超壓先增大后減小再增大。由于模型封閉端的影響，沖擊波傳播到右側(cè)時會再次反向傳播。

圖2 填充長度20 m時超壓變化云圖Fig.2 Cloud chart of overpressure change when filling length is 20 m

填充長度分別為20，50，100，150 m時，燃氣艙內(nèi)部分測點的超壓變化曲線如圖3所示。由圖3可知，超壓隨時間的增加呈現(xiàn)出鋸齒形狀的反復波動，各個測點存在多個超壓峰值且2個峰值之間存在明顯的時間差。以圖3(b)為例說明，甲烷填充長度為50 m，點火之后，燃氣艙內(nèi)形成燃燒波，燃燒波壓縮未燃氣體形成壓縮波，多道壓縮波追趕疊加最終形成沖擊波。沖擊波從點火端開始向外傳播，各個測點的超壓從左到右依次上升到達第1個峰值；前驅(qū)沖擊波通過后，超壓值下降；隨后前驅(qū)沖擊波后的壓縮波到達測點，使得測點的超壓值再次小幅上升，之后下降。由于燃氣艙防火分區(qū)兩端封閉，因此當前驅(qū)沖擊波傳播到右側(cè)封閉端時會被反射形成反射波，距離封閉端較近的測點會因沖擊波與反射波的疊加作用從而使超壓值突躍達到峰值，如圖3(b)測點#90。沖擊波的反向傳播使得各測點超壓再次上升，依次到達第2個超壓峰值。反射波與火焰壓縮波在燃氣艙后半段相遇致使超壓值突躍到較高的水平，此后壓縮波、反射波沿著各自的方向繼續(xù)傳播。壓縮波遇到封閉端產(chǎn)生反射，開始向點火端傳播。測點#70之后的第2個超壓峰值均大于第1個超壓峰值。這與沖擊波與反射波的疊加作用有關(guān)，距離封閉端越近，疊加作用越明顯。由于計算模型為封閉絕熱系統(tǒng)，產(chǎn)生的能量耗散較少，因此沖擊波會在燃氣艙內(nèi)多次反射，出現(xiàn)多個超壓峰值。

圖3 不同填充長度測點超壓變化曲線Fig.3 Change curves of overpressure at measuring points under different filling lengths

對比不同填充長度情況下，發(fā)現(xiàn)隨著填充長度的增加，沖擊波到達各個測點的時間越來越短，超壓峰值的下降趨勢越來越快。這是由于填充長度越大，燃燒持續(xù)的時間越長，燃燒波的存在不斷為沖擊波的傳播提供能量，使得沖擊波的傳播速度加快。

2.2 不同填充長度下水平流速隨時間的變化規(guī)律

填充長度為150 m時燃氣艙內(nèi)的水平流速變化如圖4所示。由圖4可知，燃氣爆炸初始階段，氣流水平流速較小，燃氣艙前段出現(xiàn)回流現(xiàn)象。160 ms時，在反射波的作用下水平流速開始反向增大。

圖4 填充長度150 m時水平流速變化云圖Fig.4 Cloud chart of flat velocity change when filling length is 150 m

不同填充長度情況下部分測點的水平流速變化曲線如圖5所示。由圖5可知，水平流速以0為基點在正負區(qū)間內(nèi)上下波動，這是由于模型是封閉空間，氣流在封閉端反射波的影響下改變運動方向。以圖5(c)為例說明，初始階段測點處的氣流速度會因前驅(qū)沖擊波的到達上升到第1個流速峰值即首次流速峰值。沖擊波過后流速下降，燃氣艙前段測點的流速會降到負值，說明前段流場出現(xiàn)了回流。隨后火焰壓縮波到達測點，流速再次上升。前驅(qū)沖擊波傳播到封閉端發(fā)生反射，反射波到達測點處使得流速快速下降，此時流速達到反向峰值。反射波過后，流速減小，反向傳播的沖擊波傳播到點火端繼續(xù)發(fā)生反射，會使測點流速再次上升到正向峰值。由于沖擊波會在燃氣艙內(nèi)多次反射，因此測點流速曲線會隨著時間的變化上下振蕩且正向峰值和反向峰值之間存在明顯的時間差。

對比不同填充長度下的流速曲線圖，發(fā)現(xiàn)隨著填充長度的增加，流速正向峰值和反向峰值的時間間隔越來越短。流速峰值的下降趨勢也隨著填充長度的增加而變快。這與超壓的變化趨勢是一致的。隨著填充長度的增加，燃氣艙前段的回流現(xiàn)象越來越明顯。

圖5 不同填充長度測點水平流速變化曲線Fig.5 Change curves of horizontal flow velocity at measuring points under different filling lengths

2.3 超壓峰值和流速峰值變化規(guī)律及耦合關(guān)系

不同填充長度下的首次超壓峰值變化曲線如圖6所示。由圖6可知，超壓峰值隨著傳播距離的增加總體呈現(xiàn)出先增大再減小再增大的規(guī)律。填充長度為100 m和150 m時，超壓峰值在第1次增大后不會立刻降低而是保持一段平穩(wěn)狀態(tài)。這是由于此時燃氣的燃燒速率已達到最大，并保持相對穩(wěn)定，化學反應產(chǎn)生的能量與沖擊波傳播過程中損耗的能量趨于平衡。當燃燒反應結(jié)束，平衡被打破，因此超壓峰值開始衰減。填充長度越大，最大超壓峰值越大，對比圖中填充長度為20 m和50 m時的曲線能明顯看出，填充長度為50 m時的最大超壓峰值約為填充長度為20 m時的2倍。圖6中50，100，150 m的曲線表明最大超壓峰值不會隨著填充長度的增加而無限增大，超過某個臨界長度后，爆炸超壓受填充長度的影響將會變小。由于點火端產(chǎn)生反射波的影響，使得超壓峰值在燃氣艙前10 m有減小趨勢。超壓峰值在200 m處發(fā)生突躍，是由沖擊波和反射波疊加引起的，當填充長度為100 m和150 m時，超壓峰值在此處達到最大值，即隨著填充長度的增加，產(chǎn)生最大超壓峰值的位置由接近填充長度結(jié)束的位置轉(zhuǎn)移到燃氣艙的封閉端。填充長度為150 m時，封閉端產(chǎn)生的超壓約為填充長度結(jié)束位置的2.3倍。

圖6 首次超壓峰值變化曲線Fig.6 Change curves of first peak overpressure

不同填充長度下首次流速峰值的變化曲線如圖7所示。由于0 m和200 m處流速為0，所以圖7中并未顯示。首次流速峰值隨著距離的增加總體呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢。填充長度為100 m和150 m時，流速峰值會在增加后保持一段平穩(wěn)狀態(tài)，流速峰值衰減位置接近填充長度結(jié)束的位置。隨著填充長度的增大，最大流速峰值先增大后維持穩(wěn)定。由此可判斷燃氣艙內(nèi)存在1個臨界填充長度，最大流速峰值達到最大，超過此臨界長度，峰值不會再有較大的變化直至衰減。

圖7 首次流速峰值變化曲線Fig.7 Change curves of first peak flow velocity

根據(jù)上述分析可知首次超壓峰值和流速峰值存在一定的耦合關(guān)系。不同填充長度下的首次超壓峰值與流速峰值的擬合曲線如圖8所示。由圖8可知，超壓峰值與流速峰值呈現(xiàn)為正比關(guān)系，即隨著首次超壓峰值的增大，首次流速峰值相應增大。對比圖8中4組方程發(fā)現(xiàn)，隨著填充長度的增加，方程的斜率減小，截距增大。

圖8 首次流速峰值與首次超壓峰值的擬合Fig.8 Fitting of first peak flow velocity and first peak overpressure

流速峰值與超壓峰值的關(guān)系可表示為u=Ap+B。斜率A和截距B分別與填充長度L擬合所得公式如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：A為斜率；B為截距；L為填充長度，m。

將式(1)～(2)代入u=Ap+B可得首次流速峰值與填充長度和首次超壓峰值的關(guān)系式，如式(3)所示：

(3)

式中：u為首次流速峰值，m/s；p為首次超壓峰值，kPa。

通過數(shù)據(jù)擬合，建立首次流速峰值與填充長度和首次超壓峰值的耦合關(guān)系。

3 結(jié)論

1)燃氣爆炸后，燃氣艙內(nèi)存在多個超壓峰值。沖擊波到達各測點的時間與燃氣填充長度成反比。測點流速曲線隨時間的變化以0為基點上下振蕩，流速的下降趨勢隨著填充長度的增加而變快。

2)超壓峰值隨著傳播距離的增加先增大后減小再增大。隨著填充長度的增加，產(chǎn)生最大超壓峰值的位置由接近填充長度結(jié)束的位置轉(zhuǎn)移到燃氣艙封閉端，填充長度為150 m時，封閉端產(chǎn)生的超壓約為填充長度結(jié)束位置的2.3倍。表明在此情況下爆炸產(chǎn)生的超壓會對封閉端產(chǎn)生極大破壞，建議在實際設(shè)計中對燃氣艙防火分區(qū)的封閉端進行強化處理。

3)首次流速峰值與首次超壓峰值呈現(xiàn)正比關(guān)系，流速峰值隨著超壓峰值的增加而增加。通過擬合得到流速峰值與超壓峰值及填充長度的耦合關(guān)系，為燃氣艙燃氣爆炸后的流速分布研究提供參考。