綜合管廊內(nèi)燃氣爆炸荷載特性實驗研究和數(shù)值模擬*

閆秋實，張亞楠，李述濤，孫慶文

(1.北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點試驗室，北京 100124；2.軍事科學院 國防工程研究院，北京 100036；3.中國建筑科學研究院有限公司 國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100013)

中國正在大力建設(shè)城市綜合管廊，解決城市地下管線管理混亂問題。燃氣管線作為城市重要管線工程被納入綜合管廊建設(shè)，在某些極端條件下，綜合管廊內(nèi)燃氣管道可能發(fā)生泄漏并引發(fā)燃氣爆炸，對綜合管廊結(jié)構(gòu)及其周圍的建筑將產(chǎn)生破壞效應。利用管道內(nèi)燃氣爆炸實驗，對綜合管廊內(nèi)燃氣爆炸荷載特性進行研究，分析了氣體濃度、點火方式等因素對爆炸荷載的影響。研究成果可以為我國綜合管廊在燃氣爆炸荷載作用下安全評估及防災減災設(shè)計提供參考。

國內(nèi)外學者對可燃氣體在密閉狹長結(jié)構(gòu)中燃燒及爆炸現(xiàn)象進行了研究[1,2]。王成等在直徑0.35 m、長72 m的圓形截面管道里研究了不同濃度以及不同障礙物條件下瓦斯爆炸爆炸超壓峰值以及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬3,4]。Zhu等利用截面為 0.08 m×0.08 m、長12 m的方形管道研究了管道中瓦斯?jié)舛茸兓瘜鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬5]。Ming-Hsu等在毫米級微尺度管道中研究了不同初始條件下可燃氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊?guī)律,以及管道尺度的變化對火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬6]。王世茂等在長1000 mm，橫截面尺寸為100 mm×100 mm的管道中進行了研究了油氣濃度對半開口管道爆炸超壓特性與火焰行為的影響[7]。Maremonti等利用AutoReaGas進行了在管道內(nèi)混合氣體爆炸過程的模擬，得到管道的尺寸對可燃氣體的爆炸超壓荷載有顯著影響[8]。羅振敏、程方明、張群等運用FLACS軟件對獨頭巷道、20L爆炸罐以及工作面范圍內(nèi)的瓦斯爆炸傳播特性進行了數(shù)值模擬[9-11]。劉慶明、張迎新等研究了管道中存在障礙物時對爆炸超壓峰值的影響[12,13]。Tomlin在爆炸室內(nèi)進行了不同泄壓排氣孔和堵塞情況下的天然氣爆炸實驗，研究結(jié)果表明泄壓板的尺寸、破壞壓力和內(nèi)部堵塞情況對爆炸壓力影響較大[14]。Guo Chaowei等人研究發(fā)現(xiàn)，在濃度為9.5%的可燃性氣體中加入低濃度的煤塵時，燃氣爆炸的火焰速度可以達到爆轟水平[15]。Zhu Yunfei 等人通過研究燃氣濃度等因素對沼氣爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)甲烷濃度為10.3%時超壓峰值最大，并指出可選擇近似方形截面的隧道以壁面極高的超壓[16]。Li LeiLei等人運用ANSYS軟件研究了不同濃度、不同預混區(qū)的甲烷-空氣混合氣體在小尺寸管道中的爆炸超壓特性[17]。羅振敏等人采用FLACS軟件模擬計算了甲烷在4 m×4 m×200 m的密閉空間內(nèi)，濃度分別為8.5%、9.5%和10.5%時的爆炸壓力等，模擬發(fā)現(xiàn)濃度為9.5%和10.5%時爆炸壓力數(shù)值很接近且濃度為10.5時數(shù)值較高[18]。王秋紅等人采用高壓電極點火方式在小尺寸管道內(nèi)進行不同濃度的瓦斯爆炸實驗，分析了濃度對爆炸壓力和溫度的影響，得出當濃度為10%時壓力和溫度最大，最大爆炸壓力隨著濃度的增加先增加后減少[19]。以上研究多數(shù)基于實驗研究對火焰和超壓峰值進行了一定分析，較多的采用數(shù)值分析方法研究燃氣濃度等對爆炸的影響。本文采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對影響燃氣爆炸的氣體濃度、點火能量等因素進行了系統(tǒng)實驗及理論分析。

1 實驗概況

1.1 實驗裝置

本次實驗依托武漢理工大學安全工程重點學科與湖北省重點實驗室，在武漢理工大學安全科學與工程實驗室進行小尺寸管道爆炸試驗。甲烷-空氣混合氣體爆炸實驗系統(tǒng)如圖1～2所示，主要包括內(nèi)截面為0.11 m×0.11 m、長6 m的氣體爆炸管道主體和配氣系統(tǒng)、點火裝置、同步控制系統(tǒng)、高速攝影機以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等實驗輔助系統(tǒng)。實驗時，在管道內(nèi)充入適量的甲烷和空氣預混氣體，在控制系統(tǒng)的控制下于一端點火起爆，產(chǎn)生的高溫高壓氣體向另一端擴張，同時測量系統(tǒng)記錄測點處的超壓輸出數(shù)據(jù)。

說明：1-水平方形管道；2-配氣系統(tǒng)；3-同步控制器；4-數(shù)據(jù)采集器；M1、M2-壓力傳感器，分別為測點1和測點2；6-高速攝像機；7-圖像顯示器；8-泄壓口；9-進/出氣孔；10-點火裝置11-控制開關(guān)；12-抽真空裝置；13、14、15-開關(guān)閥門；16-真空表。圖 1 水平方形管道實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of horizontal square pipeline test system

圖 2 甲烷-空氣混合氣體爆炸實驗系統(tǒng)實際圖Fig. 2 Practical chart of methane-air mixed gas explosion test system

1.2 實驗工況

本文研究不同濃度下甲烷-空氣混合氣體的爆炸超壓特性，根據(jù)張景林統(tǒng)計[20]，甲烷的爆炸極限為5%～15%，本次實驗選取甲烷-空氣混合氣體的濃度分別為7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%、12.5%和13.5%，分別采取高壓電極點火和化學點火方式作為點火源進行實驗，高壓電極點火電壓為14 kV(約2 J)，化學點火的藥頭能量為5 J。

2 封閉爆炸實驗結(jié)果與分析

2.1 電極點火實驗

對濃度為7.5%～13.5%的甲烷-空氣混合氣體進行高壓電極點火下的爆炸實驗，爆炸現(xiàn)象如圖3所示。從圖3可以看出，濃度為10.5%時實驗現(xiàn)象最為明顯，爆炸燃燒的火焰最明亮，現(xiàn)場可以聽到很響亮的爆炸聲，通過玻璃窗看到明亮的橘黃色火焰?zhèn)鬟^；濃度為9.5%和12.5%的爆炸現(xiàn)象十分相似，但濃度為12.5%時的爆炸聲音比濃度為9.5%的要小，火焰也較暗；而濃度為8.5%的甲烷爆炸現(xiàn)象進一步弱化，火焰更暗。

圖 3 實驗現(xiàn)象(c代表濃度)Fig. 3 Experimental phenomena(c stands for concentration)

高壓電極點火情況下，測點1、2的超壓峰值隨濃度的變化如表1所示。

表 1 (電極點火)超壓峰值(單位:kPa)Table 1 (Electric ignition) Overpressure peak(unit:kPa)

從表中數(shù)據(jù)可以看出隨著甲烷濃度的不斷增加，管道內(nèi)的超壓峰值先快速增大后緩慢減小，在濃度為10.5%時達到最大值，為234 kPa。在不同的濃度下，測點1和測點2所測得的超壓時程曲線都有相同的規(guī)律，且超壓峰值相差很?。贿@是由于燃氣爆炸實驗是在一個小尺寸管道內(nèi)進行，在管道內(nèi)充滿甲烷-空氣混合氣體后，點火產(chǎn)生的爆炸是瞬態(tài)的，我們所用的測量儀器也有一定的精度限制，所以測點1和測點2的超壓時程曲線幾乎一致。濃度c=7.5%時，爆炸超壓出現(xiàn)兩次超壓峰值，如圖4所示。由于c=7.5%時甲烷濃度較低，爆炸燃燒時甲烷和空氣反應速率慢，發(fā)生明顯的層流燃燒，實驗中能清楚看到藍色火焰緩慢傳過。在點火端點燃甲烷-空氣混合氣體時，點火位置引起附近氣體燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體并向管道另一端傳播，甲烷濃度低時混合氣體燃燒反應不充分，會進行二次燃燒爆炸，因此造成二次超壓峰值。在其他濃度時，爆炸超壓時程曲線呈單峰型曲線，如圖5所示。(其他濃度的超壓峰值曲線規(guī)律與圖5相似，不再單獨給出。)

圖 4 超壓時程曲線(濃度c=7.5%)Fig. 4 Overpressure time curves(c=7.5%)

2.2 化學點火實驗

接下來，同樣對濃度為7.5%～13.5%的甲烷-空氣混合氣體分別進行化學點火下的爆炸實驗，不同濃度所測得的超壓峰值如表2所示。超壓峰值隨著濃度提高先增大后緩慢減少，在濃度為10.5%時達到最大值，為312 kPa?；瘜W點火的爆炸現(xiàn)象更加明顯，反應更加劇烈，濃度為10.5%和11.5%的甲烷爆炸現(xiàn)象最為顯著，爆炸聲更響亮，通過玻璃窗觀察到的火焰速度明顯高于電極點火實驗。濃度c=7.5%時超壓時程曲線如圖6所示，濃度為10.5%的甲烷爆炸超壓時程圖如圖7所示。通過對比圖6和圖4以及圖7和圖5我們可以發(fā)現(xiàn)，化學點火情況下，超壓曲線上升速率快，超壓作用時間更短，且超壓峰值更高。這是由于化學點火相比高壓電極點火，提高了點火能量。提高點火能量點燃時，空氣中溫度和壓強提升速率更快，空氣中加熱面積增大，大大縮短了氣體燃燒的反應時間，使甲烷-空氣氣體的燃燒速率提高，甲烷和空氣燃燒反應更充分，因此點火能量提高時，爆炸超壓峰值也會提高。(化學點火情況下，其他濃度的超壓峰值變化規(guī)律同樣與圖7相似，因此在文中不再單獨給出。) 結(jié)合表2和表1的超壓峰值數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，與電極點火相比，化學點火的超壓峰值普遍提高，化學點火的超壓峰值比電極點火平均提高約40%。

圖 5 超壓時程曲線(濃度c=10.5%)Fig. 5 Overpressure time curves(c=10.5%)

圖 6 超壓時程曲線(濃度c=7.5%)Fig. 6 Overpressure time curves(c=7.5%)

表 2 (化學點火)超壓峰值(單位:kPa)Table 2 (Chemical ignition) Overpressure peak(unit:kPa)

圖 7 超壓時程曲線(濃度c=10.5%)Fig. 7 Overpressure time curves(c=10.5%)

3 封閉管道內(nèi)混合氣體爆炸數(shù)值分析

3.1 管道模型

本次實驗的數(shù)值分析軟件采用由鄢正華博士自主研發(fā)的CFD軟件Simtec，李松陽等人采用Simtec軟件對超高層建筑的轟燃現(xiàn)象進行模擬并與其他結(jié)果進行對比，很好的驗證了軟件的正確性[21]。我們選擇Simtec軟件中的大渦模型模擬甲烷-空氣混合物爆炸超壓，管道模型示意圖如圖8所示。管道內(nèi)截面尺寸為0.11 m×0.11 m，長度為6 m，管道內(nèi)充滿不同濃度的甲烷和空氣進行封閉爆炸模擬。管壁采用鋼材，壁厚為2 cm，在距離管道一端0.15 m處設(shè)置點火源，在管道中部和端部分別設(shè)置測點1和測點2用于記錄管道中部和管道端部的超壓時程等數(shù)據(jù)：其中測點1位于管道中心，測點2位于距離管道端部0.25 m處。其余主要參數(shù)設(shè)置如下：重力加速度為9.8 m·s-2，初始溫度為20 ℃，大氣壓力為1.013 bar，空氣成分為氧氣和氮氣，兩者的體積分數(shù)分別為21%和79%，進行數(shù)值模擬時采用的燃燒模型為修改的渦耗散概念模型(EDC-Modified)?；瘜W反應方程組如下：CH4+1.5O2=CO+2H2O+0.03SOOT；CO+0.5O2+0.1H2O=CO2+0.1H2O；CO2=CO+0.5O2。設(shè)置不同的點火能分別模擬電極點火和化學點火，電極點火的點火能設(shè)置為2 J，化學點火的點火能設(shè)置為5 J。數(shù)值模擬中采用的網(wǎng)格尺寸為5 mm，網(wǎng)格尺寸對超壓峰值的影響如表3所示，從表3的數(shù)據(jù)可以看出，網(wǎng)格尺寸為8 mm和5 mm時的超壓峰值與10 mm相差極小，因此認為采用的5 mm尺寸是有足夠的精度的。

圖 8 管道模型圖Fig. 8 Pipeline model diagram

表 3 網(wǎng)格尺寸對超壓峰值的影響Table 3 Influence of grid size on peak overpressure

3.2 封閉爆炸模擬與實驗結(jié)果對比

圖 9 超壓時程曲線(實驗與數(shù)值分析對比)Fig. 9 Overpressure time curves(Comparison of experiments and numerical analysis)

從圖9中超壓時程曲線對比圖可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果的超壓上升速率和下降速率普遍比實驗快。這是由于在數(shù)值模擬中，甲烷-空氣混合氣體點燃后的起爆速度很快，在任何濃度下都采用的甲烷和空氣充分反應的方程式，燃燒模式采用的湍流燃燒，這會導致比實驗燃氣爆炸產(chǎn)生更高的超壓，特別是甲烷濃度處于非化學當量濃度時，超壓時程曲線相差較大。在數(shù)值模擬時，實驗管道材料采用完全剛性的材料，爆炸超壓波在管道內(nèi)完全反射，也是造成超壓峰值偏高的因素。所以當甲烷濃度為最佳濃度10.5%時，甲烷和空氣充分燃燒完全反應，實驗和模擬的超壓峰值誤差較最小，且模擬的超壓時程曲線更加接近實驗的超壓時程曲線；甲烷濃度為8.5%和12.5%時，氧氣濃度過高或過低，都使得實際的甲烷-空氣燃燒反應不充分，然而數(shù)值模擬中模擬的是充分模擬后的結(jié)果。因此甲烷在處于非最佳濃度時，數(shù)值模擬和實驗超壓峰值相差較大。

各濃度的超壓峰值模擬結(jié)果如表4和表5所示，通過將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比可以發(fā)現(xiàn)，無論是電極點火還是化學點火，在濃度為9.5%和10.5%時誤差都最小，可以利用數(shù)值分析軟件對甲烷充分燃燒情況進行模擬。總體上對比表4和表5可以發(fā)現(xiàn)化學點火的超壓峰值普遍高于電極點火，與實驗規(guī)律一致?；瘜W點火情況下的實驗和模擬誤差較小，模擬精度更高，特別是甲烷的濃度為9.5%～12.5%時，化學點火下的實驗模擬的誤差都較小，超壓峰值誤差在允許的范圍內(nèi)。因此在化學點火情況時，可以充分利用Simtec軟件模擬甲烷濃度范圍為9.5%～12.5%的混合氣體情況。

表 4 (電極點火實驗與模擬結(jié)果對比)超壓峰值(單位：kPa)Table 4 (Comparison of electrode ignition test and simulation results)Overpressure peak (unit:kPa)

表 5 (化學點火實驗與模擬結(jié)果對比)超壓峰值(單位：kPa)Table 5 (Comparison of chemical ignition test and simulation results)Overpressure peak(unit:kPa)

4 結(jié)論與展望

進行了甲烷-空氣混合氣體爆炸實驗，之后通過有限元軟件Simtec對不同點火方式和不同濃度的甲烷爆炸進行數(shù)值模擬，綜合實驗分析與數(shù)值分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)甲烷爆炸超壓峰值隨著濃度的不斷增加先增大后減少。甲烷在濃度為10.5%時爆炸現(xiàn)象最明顯，產(chǎn)生爆炸超壓的峰值最大，超壓上升速率最快，達到最大爆炸壓力的時間變短。

(2)點火方式為化學點火時，爆炸現(xiàn)象更加明顯，爆炸后火焰的傳播速度加快，峰值超壓結(jié)果較電極點火平均提高40%左右；說明提高起爆能量，能明顯提高燃氣爆炸火焰燃燒速度及爆炸超壓峰值。

(3)數(shù)值分析結(jié)果能夠較好的反映最危險情況(甲烷在濃度為9.5%和10.5%且點火方式為化學點火)的實驗規(guī)律，可以利用數(shù)值分析方法對綜合管廊內(nèi)燃氣爆炸進行安全研究及分析。