泄爆口對(duì)管道內(nèi)氫氣火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律影響的數(shù)值模擬*

孫華 唐聰 周寧

(1.上海化學(xué)工業(yè)區(qū)公共管廊有限公司 上海 201507； 2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

在氫氣儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中若發(fā)生泄漏燃燒，火焰在受限空間中傳播極易由爆燃發(fā)展為爆轟，從而造成巨大破壞，威脅工業(yè)安全和人身安全。因此，為防控氫氣爆炸事故的發(fā)生，眾多學(xué)者對(duì)氫氣的燃爆機(jī)理及防控技術(shù)開(kāi)展了廣泛的研究，取得了較多的研究成果。相較于其他被動(dòng)火焰緩解系統(tǒng)，泄爆具有易于實(shí)施、成本低且能有效降低可燃?xì)怏w的爆炸強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)學(xué)者們研究的重點(diǎn)。郭強(qiáng)等[1]結(jié)合實(shí)驗(yàn)與模擬手段研究大空間內(nèi)預(yù)混可燃?xì)怏w爆燃泄爆過(guò)程中的壓力變化過(guò)程，小面積泄爆口壓力先下降后上升且第2峰值較大。王世茂等[2]發(fā)現(xiàn)開(kāi)口率增大，超壓峰值下降，壓力波動(dòng)中Helmholtz振蕩及R-T現(xiàn)象明顯，而點(diǎn)火源類(lèi)型中高溫?zé)艚z點(diǎn)火會(huì)較早出現(xiàn)超壓峰值，且峰值最大。WAN S等[3]研究了障礙物通風(fēng)管道中側(cè)向泄爆口位置、大小及障礙物與通風(fēng)口相對(duì)位置關(guān)系對(duì)管道內(nèi)爆炸特性的影響，發(fā)現(xiàn)側(cè)面通風(fēng)口應(yīng)放置在易燃點(diǎn)附近，并設(shè)置在潛在障礙物前面，以發(fā)揮理想的安全緩解作用。RUIPENGYU L等[4]模擬驗(yàn)證一個(gè)帶有可移動(dòng)擋板和障礙物的小型爆炸室，結(jié)果表明最大超壓隨擋板從點(diǎn)火源向下游移動(dòng)或按順序放置附加擋板而增大。CHAO J等[5]對(duì)帶有排氣口的小空間內(nèi)混合可燃?xì)怏w進(jìn)行排氣爆炸試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)壓力最大值可能是由最大燃燒面積、燃燒速度和外部爆炸產(chǎn)生的超壓相互作用控制的壓力瞬變引起的。ROCOURT X等[6]對(duì)立方密封室內(nèi)進(jìn)行了小規(guī)模的氫氣爆炸，研究了排氣面積和點(diǎn)火位置對(duì)封閉容積內(nèi)壓力峰值振幅的影響。

本文采用大渦模擬(LES)方法，選擇大長(zhǎng)徑比管道內(nèi)，對(duì)不同泄爆條件下的氫氣-空氣爆炸過(guò)程開(kāi)展數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)分析泄爆尺寸與泄爆位置對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀瑸榉乐箽錃獗ㄊ鹿始敖档褪鹿饰：μ峁├碚撝巍?/p>

1 數(shù)值方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

目前通常采用大渦模擬(LES)及RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)模型來(lái)模擬預(yù)混可燃?xì)怏w的燃爆過(guò)程。與RANS相比，LES優(yōu)化了湍流的計(jì)算方式，通過(guò)建立空間濾波函數(shù)，對(duì)湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行過(guò)濾分離，大尺度渦流運(yùn)動(dòng)通過(guò)瞬時(shí)N-S方程直接計(jì)算出來(lái)，而小尺度渦流運(yùn)動(dòng)的影響則通過(guò)類(lèi)似于RANS中的建模方法模擬。因此大渦模擬在湍流燃燒方面能夠計(jì)算出更為準(zhǔn)確的結(jié)果，捕捉火焰與湍流之間的微觀作用。

采用基于C方程的Zimont燃燒火焰面亞格子模型對(duì)火焰燃爆過(guò)程進(jìn)行模擬，c為反應(yīng)進(jìn)度變量，模擬過(guò)程中取c=0.3為火焰鋒面，表達(dá)式為：

式中，n為燃燒產(chǎn)物數(shù)；Yi為產(chǎn)物組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Yi,eq為平衡產(chǎn)物組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。c=0時(shí)，表示反應(yīng)未開(kāi)始，c=1時(shí)，表示完全反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程中，c的值為0～1。

1.2 模型工況

如圖1所示，為研究管道側(cè)方位泄爆口對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，本文針?duì)泄爆尺寸與泄爆位置設(shè)計(jì)了9種計(jì)算域，并增加1組無(wú)泄爆工況作為對(duì)照，模擬工況的詳細(xì)信息見(jiàn)表1中，根據(jù)燃料名字、泄爆口位置與孔徑定義工況標(biāo)識(shí)符。為了詳細(xì)求解在泄爆口對(duì)火焰鋒面結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響，針對(duì)泄爆口進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，處理后的網(wǎng)格尺寸為2 mm×2 mm×2 mm。泄爆口處邊界條件設(shè)置為壓力出口，其他管壁采用非滑移絕熱壁面邊界條件。點(diǎn)火源集中在計(jì)算域的左端中心點(diǎn)，點(diǎn)火能量為1 J。用當(dāng)量比為1(即氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.6%)的氫氣-空氣混合物進(jìn)行了模擬，將氫氣-空氣混合物的層流火焰速度設(shè)置為2.1 m/s,初始溫度和絕對(duì)壓力分別設(shè)置為300 K和101 325 Pa。采用PISO算法對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行耦合。對(duì)流項(xiàng)離散采用二階逆風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式。

表1 模擬工況信息

圖1 計(jì)算域示意

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 泄爆口對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響

圖2為不同泄爆條件下火焰通過(guò)泄爆口時(shí)(泄爆口中心前后0.05 m管段)火焰鋒面與對(duì)應(yīng)的壓力流場(chǎng)的變化。從圖中可以看出，當(dāng)火焰通過(guò)泄爆口時(shí)，火焰前鋒會(huì)出現(xiàn)不同程度的畸變(左側(cè)虛線矩形框所示)。對(duì)于圖2(a)—2(c)中的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖(即h-1-40、h-1-60、h-1-80)，當(dāng)泄爆口距離相同時(shí)，火焰鋒面通過(guò)大孔徑泄爆口會(huì)發(fā)生更為嚴(yán)重的畸變，且火焰也需要更長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)該管段。在圖2(a)中，當(dāng)泄爆口孔徑為40 mm時(shí)，火焰鋒面通過(guò)泄爆口時(shí)僅發(fā)生輕微皺縮現(xiàn)象，通過(guò)所需的時(shí)間約為3 ms。而在圖2(c)中，火焰鋒面在通過(guò)尺寸為80 mm的泄爆口時(shí)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的畸變，通過(guò)所需的時(shí)間約為6 ms。管內(nèi)火焰結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要受燃燒產(chǎn)物膨脹的影響，因此火焰發(fā)展有4個(gè)階段。然而，當(dāng)存在側(cè)向泄爆口時(shí)，管內(nèi)外壓差引起的排放效應(yīng)對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的發(fā)展有一定的影響，火焰前緣由于排放氣流的影響而起皺，進(jìn)而發(fā)生扭曲畸變。壓力流場(chǎng)的變化是火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，如圖2(a)—圖2(c)中的壓力流場(chǎng)所示，泄爆口附近(黑色矩形實(shí)線框所示)，壓力波由高到低分布，形成較大的壓差，流線垂直于壓力波，指向側(cè)面排氣口位置，這一現(xiàn)象導(dǎo)致了火焰結(jié)構(gòu)變化。此外，對(duì)于泄爆尺寸大的管道，泄爆口附近形成的壓力梯度范圍更大，使得泄爆口具有更好的排放作用，最終導(dǎo)致火焰前緣更嚴(yán)重的畸變。

(a)h-1-40

(b)h-1-60

(c)h-1-80

(d)h-3-80

(e)h-5-80

對(duì)于圖2(d)、2(e)的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖(即h-3-60、h-5-80)，火焰前鋒通過(guò)泄爆口時(shí)仍發(fā)生明顯的畸變現(xiàn)象，通過(guò)泄爆口的過(guò)程較h-1-80分別延長(zhǎng)了1.5 ms、4 ms。結(jié)合對(duì)應(yīng)的壓力流場(chǎng)變化分析可知，當(dāng)泄爆口與點(diǎn)火端距離增大時(shí)，火焰鋒面畸變不再僅由泄爆口的排放作用造成，且受管道末端反射波擾動(dòng)作用影響很大。在圖2(d)的壓力流場(chǎng)變化圖中，由于泄爆口位于管道中部，火焰鋒面在抵達(dá)泄爆口前擁有較長(zhǎng)的發(fā)展空間，因此在通過(guò)泄爆口時(shí)氣體爆炸強(qiáng)度較高，泄爆口附近產(chǎn)生較大的壓差對(duì)管內(nèi)爆炸進(jìn)行有效的釋放，從而影響火焰鋒面結(jié)構(gòu)的發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于火焰鋒面畸變，泄爆口的排放作用仍占據(jù)主導(dǎo)地位。而在圖2(e)的壓力流場(chǎng)變化圖中，由于泄爆口靠近管道末端，在火焰前鋒到達(dá)側(cè)排氣口之前，管內(nèi)超壓已通過(guò)管道末端進(jìn)行有效的釋放，因此泄爆口的排放作用被削弱，反射波的擾動(dòng)作用成為火焰鋒面畸變的主要原因?？傮w而言，在反射波及泄爆口的協(xié)同作用下，火焰?zhèn)鞑⒌玫礁行У囊种?，火焰需要更長(zhǎng)的時(shí)間通過(guò)泄爆口。

2.2 泄爆口對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

由圖3知泄爆口對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兄匾挠绊?，且在火焰發(fā)展的不同階段，泄爆口對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懢哂休^大的差異。在圖3(a)中(即h-1-40、h-1-60、h-1-80)，當(dāng)火焰前鋒位于泄爆口的前端時(shí)，泄爆口對(duì)火焰?zhèn)鞑ゾ哂屑?lì)作用，且加速效果隨泄爆口尺寸的增大而增強(qiáng)(左側(cè)矩形實(shí)線框所示)。如在h-1-80中，當(dāng)火焰前鋒位于排氣口前端時(shí)，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)到150.2 m/s，比h-1-40提升42.5%。該規(guī)律同樣出現(xiàn)在圖3(b)、3(c)中。分析認(rèn)為，當(dāng)火焰前鋒位于泄爆口前端時(shí)，泄爆口的排放效應(yīng)將對(duì)火焰鋒面產(chǎn)生牽引作用，從而增大火焰與未燃?xì)怏w的接觸面積，加速火焰的傳播。另外，較大尺寸的泄爆口具有更好的排氣效果，因此氣流的牽引作用也更強(qiáng)，火焰獲得的加速效果也更好。壓力流場(chǎng)的相應(yīng)變化為火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律變化提供了依據(jù)。本文將與火焰?zhèn)鞑シ较蛳嗤牧鲌?chǎng)稱為正流場(chǎng)，反之稱為反向流場(chǎng)，垂直方向稱為垂直流場(chǎng)。

當(dāng)火焰通過(guò)泄爆口時(shí)，各工況管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣冉猿霈F(xiàn)大幅度下降，這是因?yàn)榇藭r(shí)泄爆口與火焰鋒面之間形成垂直流場(chǎng)能有效隔離火焰前鋒與未燃?xì)怏w的接觸，并使得部分火焰向外排出發(fā)生淬滅，從而降低燃燒反應(yīng)速率，抑制了火焰?zhèn)鞑?。另外管道末端反射波的擾動(dòng)也會(huì)對(duì)火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生一定的抑制作用。兩者的協(xié)同作用使得管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)大幅下降。在通過(guò)泄爆口后的管段內(nèi)，圖3(a)與圖3(b)、3(c)中的速度變化規(guī)律并不完全相同。在3(b)、3(c)中，火焰在通過(guò)泄爆口后保持較低的傳播速度燃燒至管道末端(右側(cè)矩形虛線框所示)，即火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)入泄爆口減速區(qū)。而在圖3(a)中，在通過(guò)泄爆口后的一定長(zhǎng)度的管段內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⑽戳⒓淳S持在低速水平，而是出現(xiàn)較大幅度的上下震蕩現(xiàn)象。

(a) 泄壓口距離點(diǎn)火端1 m

(b) 泄壓口距離點(diǎn)火端3 m

(c) 泄壓口距離點(diǎn)火端5 m

2.3 泄爆口對(duì)管道內(nèi)壓力的影響

圖4為當(dāng)泄爆口直徑為40、60、80 mm時(shí)，不同泄爆口位置條件下的超壓曲線(泄爆口位置分別為1 m和5 m)。對(duì)于無(wú)泄爆條件管道，管內(nèi)峰值壓力達(dá)到623.03 kPa，泄爆口的泄壓效果明顯，但不同泄爆條件下，泄爆口發(fā)揮的泄壓效果并不相同。在圖4(a)中，峰值壓力隨泄爆口直徑的增大而減小，在h-1-40中，管道內(nèi)的峰值壓力為306.6 kPa，較無(wú)泄爆管道下降了49.21%；當(dāng)泄爆口直徑增大至60 mm時(shí)，即h-1-60，管道內(nèi)的峰值壓力降至122.88 kPa，較無(wú)泄爆管道下降了80.28%；當(dāng)泄爆口直徑進(jìn)一步增大至80 mm，即h-1-80，管道內(nèi)的峰值壓力降至更低，為61.23 kPa，較無(wú)泄爆管道下降了90.17%。在圖4(b)中，管內(nèi)的峰值壓力也顯示相同的變化規(guī)律。分析認(rèn)為，在密閉管道中，氣體燃爆所產(chǎn)生的高壓迫使管內(nèi)氣流通過(guò)泄爆口外排，從而有效釋放爆炸，而大孔徑泄爆口具有更大的排放面積，因此產(chǎn)生更好的泄壓效果。

對(duì)比圖4(a)與4(b)可知，當(dāng)泄爆口位置發(fā)生變化時(shí)，相同尺寸泄爆口的泄壓效果亦出現(xiàn)較大的差異。當(dāng)直徑為60 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點(diǎn)火端1 m、3 m、5 m時(shí)，管內(nèi)超壓峰值較無(wú)泄爆管道分別下降了49.21%、83.89%、78.03%。分析認(rèn)為，對(duì)于密閉管道，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿乐胁繒r(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到速度峰值，因此產(chǎn)生的爆炸強(qiáng)度也最高。若此時(shí)泄爆口設(shè)置于管道中部時(shí)，其附近將形成較大的壓力梯度，從而產(chǎn)生較好的泄壓效果。當(dāng)泄爆口尺寸高于40 mm時(shí)，不同位置泄爆口皆能保持較好的泄壓效果，管內(nèi)壓降達(dá)80%以上。由此可認(rèn)為，對(duì)于閉口管道，泄爆口尺寸對(duì)不同位置泄爆口泄壓效果有重要影響。當(dāng)泄爆口尺寸較小時(shí)，泄爆口的泄壓效果受其位置影響很大。當(dāng)直徑為40 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點(diǎn)火端1 m、3 m、5 m時(shí)，管內(nèi)超壓峰值較無(wú)泄爆管道分別下降了49.21%、83.89%、78.03%。而隨著泄爆口尺寸的增大，側(cè)孔的泄壓效果幾乎不受其尺寸的影響。而當(dāng)直徑為80 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點(diǎn)火端1 m、3 m、5 m時(shí)，管內(nèi)超壓峰值較無(wú)泄爆管道分別下降了90.17%、94.99%、92.78%。

(a) 泄壓口距離點(diǎn)火端 1 m

(b) 泄壓口距離點(diǎn)火端 5 m

3 結(jié)論

(1)在火焰通過(guò)泄爆口的過(guò)程中，泄爆口對(duì)其前鋒結(jié)構(gòu)發(fā)展影響很大。當(dāng)泄爆口距點(diǎn)火端較近時(shí)，火焰鋒面僅受泄爆口排放作用影響，發(fā)生畸變。而當(dāng)泄爆口與點(diǎn)火端距離增大，火焰鋒面在通過(guò)泄爆口時(shí)，受末端反射波及泄爆口排放作用共同影響，仍能發(fā)生嚴(yán)重的畸變。

(2)當(dāng)火焰前鋒位于泄爆口前方時(shí)，火焰受正流場(chǎng)的牽引加速傳播，加速效果出現(xiàn)在泄爆口前的整個(gè)管段內(nèi)。當(dāng)火焰鋒面通過(guò)泄爆口時(shí)，受反射波及垂直流場(chǎng)的共同作用，各工況火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)大幅下降。

(3)泄爆口的泄壓效果與泄爆口尺寸呈正相關(guān)；當(dāng)泄爆口位于管道中部時(shí)，泄壓效果最佳。當(dāng)泄爆口尺寸較小時(shí)，泄爆口的泄壓效果受其位置影響很大。當(dāng)直徑為40 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點(diǎn)火端1 m、3 m、5 m時(shí)，管內(nèi)超壓峰值較無(wú)泄爆管道分別下降了49.21%、83.89%、78.03%。而隨著泄爆口尺寸的增大，側(cè)孔的泄壓效果幾乎不受其位置的影響。而當(dāng)直徑為80 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點(diǎn)火端1 m、3 m、5 m時(shí)，管內(nèi)超壓峰值較無(wú)泄爆管道分別下降了90.17%、94.99%、92.78%。