擋氣板對綜合管廊燃氣艙爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響研究*

高保彬，朱文杰，任闖難，劉彥偉

(1.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；2.山西省資源環(huán)境與災害監(jiān)測重點實驗室，山西 太原 030000；3.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引言

綜合管廊(Utility Tunnel)是將多種市政管線集于一體的綜合集成系統(tǒng)管路，包括電力、給排水、燃氣熱力等管路。按照國家規(guī)范[1]，燃氣管道需單獨成艙，設(shè)置報警監(jiān)控系統(tǒng)，燃氣艙照明系統(tǒng)也需按照規(guī)范[2]布置，可減少一部分燃氣泄漏、爆炸事故隱患。但燃氣艙封閉擁塞，若出現(xiàn)管道老化腐蝕、電力系統(tǒng)老化漏電，極易造成燃氣泄漏、爆炸事故。

方自虎等[3]利用實驗推導燃氣艙內(nèi)泄漏擴散濃度50%爆炸下限的時間響應(yīng)公式，并用Fluent模擬驗證數(shù)值分析的精確度，為監(jiān)控探頭的布置提供參考;鄧小嬌等[4]等利用Fluent軟件，在不同通風速度、燃氣管道管輸壓力情況下，對燃氣艙內(nèi)20 mm泄漏口徑燃氣泄漏擴散與報警時間之間的關(guān)系進行模擬，發(fā)現(xiàn)解除報警時間與進風口風速呈近似線性關(guān)系;劉中憲等[5]采用LS-DYNA軟件研究燃氣爆炸荷載對綜合管廊產(chǎn)生的動力響應(yīng)，認為管廊襯砌在荷載中的破壞損傷是弱傳遞和局部的,且小于0.2 MPa,超壓峰值對管廊破壞程度較小，大于0.7 MPa會對燃氣艙結(jié)構(gòu)造成明顯破壞;劉希亮等[6]通過LS-DYNA元軟件模擬泡沫鋁以及夾芯泡沫鋁結(jié)構(gòu)等防爆材料在管廊燃氣爆炸中的效果，發(fā)現(xiàn)上述材料均可減少結(jié)構(gòu)損傷，且以夾芯泡沫鋁結(jié)構(gòu)效果最佳;Huang等[7]將實驗與數(shù)值模擬對比發(fā)現(xiàn)，2者在管道爆炸變化規(guī)律方面基本一致;閆秋實等[8]通過對比不同濃度甲烷-空氣混合氣體封閉爆炸實驗結(jié)果與SIMTEC軟件數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),當瓦斯?jié)舛仍?.5%和10.5%時，2者結(jié)果基本吻合;高建豐等[9]通過對比原油爆炸實驗結(jié)果與Fluent模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),2者結(jié)果基本吻合;夏微等[10]采用Fluent軟件建立綜合管廊燃氣爆炸沖擊波傳播的首次流速峰值與首次超壓峰值和填充長度的耦合關(guān)系;王成等[11]通過實驗研究障礙物形狀對水平長直管道內(nèi)瓦斯爆炸產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響，表明障礙物會影響火焰的傳播速度，其中擋板形狀的障礙物使得火焰的傳播速度最小;徐阿猛等[12]、張迎新等[13]、張凱猛[14]均通過數(shù)值模擬或?qū)嶒灧椒ㄗC明管道或管廊內(nèi)障礙物的存在可有效提高沖擊波超壓的最大壓力峰值;黃劍等[15]提出1種增設(shè)擋氣的可燃氣體探測優(yōu)化布置方案，尤其是當燃氣管道發(fā)生微漏情況時，有利于氣體探測器快速識別相應(yīng)并報警。

由于燃氣艙屬于密閉空間，增設(shè)擋氣板后對燃氣艙內(nèi)爆炸沖擊波傳播的影響程度尚不清晰，擋氣板在承擔提高監(jiān)測精準度的同時，是否能兼顧隔爆的作用未知。因此，本文擬進行擋氣板對綜合管廊燃氣艙燃氣爆炸傳播規(guī)律數(shù)值模擬研究，進一步探究擋氣板對燃氣爆炸傳播特性的影響，以更好指導綜合管廊燃氣艙防爆、隔爆措施，以及可燃氣體探測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)置。

1 數(shù)值模型與設(shè)置

1.1 幾何模型

本文以連云港市徐圩新區(qū)地下綜合管廊燃氣艙1個200 m防火分區(qū)為研究對象。燃氣艙斷面尺寸為1.8 m×3.8 m，燃氣管道尺寸DN=350 mm，管道距地面高510 mm，距最近的墻寬350 mm，進出通風口尺寸為1.0 m×1.0 m。

根據(jù)徐圩新區(qū)燃氣艙內(nèi)實際情況，采用ANSYS 19.0 Design Moder軟件建立模型，簡化三維模型如圖1所示。其中，擋氣板高500 mm、寬1.8 m，厚度250 mm。根據(jù)擋氣板間距不同，設(shè)置無擋氣板，30，40，50，70 m 5種工況。點火點為球形，直徑DN=1 m，球心位于x=1 m、y=0.9 m、z=1.9 m處。

圖1 模型簡化示意Fig.1 Schematic diagram of simplified model

按照高度不同設(shè)置2組監(jiān)測點：

1)監(jiān)測點1位于燃氣艙頂部Y=0.9 m，Z=3.7 m處，無擋氣板工況設(shè)置6個監(jiān)測點，X軸坐標為10，50，90，130，170，190 m；其余工況X軸坐標分別為10，20，30，40，50，60，70，190 m處，共8個監(jiān)測點，監(jiān)測燃氣艙頂部以及擋氣板處爆炸超壓。

2)監(jiān)測點2位于燃氣艙中部Y=0.9 m，Z=1.9 m處，其X軸坐標分別為10，50，90，130，170，190 m共設(shè)6個監(jiān)測點，監(jiān)測燃氣艙中部燃氣爆炸超壓。

1.2 數(shù)學模型

燃氣爆炸是1種燃燒反應(yīng)過程，且反應(yīng)迅速，選取其過程滿足的守恒方程。

連續(xù)方程如式(1)所示:

(1)

能量方程如式(2)所示：

(2)

動量方程如式(3)所示：

(3)

狀態(tài)方程如式(4)所示：

p=p(ρ,T)=ρRT

(4)

式中：p為壓力，Pa；t表示時間，s；x，y，z為直角坐標；u，v，w為速度量(3個坐標方向)，m/s；ρ表示流體密度，kg/m3；T為溫度，K；R為氣體常數(shù)；e為比能，kJ/kg，e=p/(γ-1)+ρ(u2+v2+w2)/2，γ為氣體指數(shù)。

1.3 模擬設(shè)置

1)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用ANSYS 19.0 MESH軟件，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)工況不同，網(wǎng)格數(shù)量從214 533～398 134個不等，網(wǎng)格平均質(zhì)量0.82。

2)求解設(shè)置。采用基于壓力求解方式，非穩(wěn)態(tài)湍流模型，模型采用Large Eddy Simulation(LES)湍流方程，標準壁面函數(shù)。燃燒模型使用基于湍流燃燒的Eddy-Dissipation(ED)渦擴散模型，Simple算法進行迭代求解。步長0.001s，迭代數(shù)30，步數(shù)600，計算0.6 s內(nèi)燃氣艙爆炸過程。

3)邊界條件與初始條件。①邊界條件：燃氣艙四周墻壁以及管道均為壁面。②初始條件：燃氣艙左端設(shè)置20 m的甲烷-空氣預混區(qū)域，溫度300 K，甲烷體積分數(shù)9.5%，氧氣體積分數(shù)21.2%。初始時刻，在燃氣艙左端設(shè)置球形的高溫區(qū)，初始溫度為1 600 K，CO2質(zhì)量濃度為0.145 6，H2O質(zhì)量濃度為0.119 25。

4)基本假設(shè)。結(jié)合工程實際情況與數(shù)值模擬計算需要，對爆炸過程數(shù)值模擬做以下4個假設(shè)：

①可燃氣體爆炸過程為不可逆單步反應(yīng)。

②氣體滿足理想氣體狀態(tài)。

③甲烷-空氣預混區(qū)混合均勻。

④燃氣艙壁面為絕熱壁面，剛性、無滑移，不與外界產(chǎn)生能量交換。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 無擋氣板燃氣艙頂部與中部超壓隨時間變化規(guī)律

無擋氣板時，燃氣艙中心截面超壓變化云圖如圖2所示。點火后，艙內(nèi)產(chǎn)生燃燒波，燃燒波壓縮未燃氣體產(chǎn)生壓縮波，壓縮波在點火點處以球形波向外傳播，最先與燃氣艙上下壁面接觸并反射疊加，導致頂部超壓大于中部。多股壓縮波不斷反射疊加，最終形成平面沖擊波從點火端向右側(cè)傳播。由圖2可知，燃氣艙內(nèi)超壓隨時間增加，呈現(xiàn)先上升后下降再上升的規(guī)律，且存在2個明顯超壓區(qū)域。由于防火門的存在，沖擊波傳播到右側(cè)時因壁面反射疊加作用，產(chǎn)生1個反方向的反射波，且超壓值上升。

圖2 無擋氣板燃氣艙超壓變化云圖Fig.2 Cloud diagram of overpressure change in gas cabin without gas baffle

無擋氣板燃氣艙頂部與中部超壓隨時間變化的規(guī)律曲線如圖3所示。由圖3可知，當填充長度20 m時，燃氣艙頂部與中部超壓隨時間變化規(guī)律基本一致：超壓隨時間變化呈現(xiàn)鋸齒狀反復波動，各測點存在多個峰值，且各峰值間時間相差明顯。以圖3(b)組2-50 m測點為例，點火后，沖擊波從點火端向右傳播，到達組2-50 m測點，測點超壓升高達到第1個峰值；前驅(qū)沖擊波通過后，超壓下降，后續(xù)壓縮波到達測點，各測點超壓值再次小幅上升，隨后下降。由于防火門存在，燃氣艙兩端封閉，前驅(qū)沖擊波達到封閉端被反射形成反射波，反射波傳播到各測點，各測點超壓達到第2個峰值；由于反射波與沖擊波疊加作用，導致封閉端附近超壓激增，使得封閉端附近測點第2個超壓峰值大于第1個峰值，如圖3(b)組2-170 m以后測點所示，且離防火門越近，疊加作用越明顯。對比圖3(a)和圖3(b)，在爆炸初期，燃氣艙頂部超壓明顯大于中部；而當沖擊波傳遞到最右側(cè)190 m測點時，頂部與中部超壓基本相同。

圖3 無擋氣板下燃氣艙頂部與中部各測點超壓-時間變化曲線Fig.3 Change curves of overpressure with time in each measuring point at top and middle of gas cabin without gas baffle

2.2 不同間距擋氣板燃氣艙頂部與中部超壓隨時間變化規(guī)律

擋氣板間距為70 m工況下，前驅(qū)沖擊波與壓縮波通過第1個擋氣板時，擋氣板表面與其附近燃氣艙壁面超壓變化云圖如圖4所示。由圖4可知，爆炸發(fā)生后，前驅(qū)沖擊波首先到達擋氣板處，因燃氣艙高3.8 m，擋氣板高度0.5 m，前驅(qū)沖擊波被擋氣板分割成2個部分：大于3.3 m部分被擋氣板壁面反射形成反射波，反射波向相反方向傳播，并與沖擊波疊加，導致?lián)鯕獍灞诿媾c其附近燃氣艙頂部壁面超壓激增；小于3.3 m部分沖擊波繼續(xù)向右傳播，前驅(qū)沖擊波由平面波變?yōu)榍娌?，造?.3 m附近流擾動作用增強，湍流強度增加，3.3 m附近尤其是擋氣板底部壓力增大。前驅(qū)沖擊波的反射波與后續(xù)傳播過來的壓縮波在擋氣板前部區(qū)域相遇，疊加作用導致超壓值突躍，然后朝各自方向繼續(xù)傳播，在云圖上呈現(xiàn)擋氣板前后多個超壓區(qū)域傳播。

圖4 70 m間距工況擋氣板與燃氣艙墻壁超壓云圖Fig.4 Cloud diagram of overpressure at gas baffle and gas cabin wall with spacing of 70 m

不同擋氣板間距工況燃氣艙中部超壓變化曲線如圖5所示。由圖5可知，超壓隨時間變化規(guī)律與無擋氣板工況變化規(guī)律基本一致。安裝擋氣板后，隨擋氣板間距減小，2組各測點在達到超壓峰值后的下降曲線中鋸齒狀突起個數(shù)增加，如圖3(b)與圖5(a)組2-10 m測點曲線對比。無擋氣板時，組2-10 m測點在0.05 s后曲線下降形狀順滑，對比擋氣板間距30 m工況，組2-10 m測點在0.05 s后下降過程中有明顯鋸齒狀突起。這與沖擊波的壁面反射作用有關(guān)，增設(shè)擋氣板情況下，沖擊波在傳播過程中，一部分沖擊波被頂部擋氣板壁面反射，形成小股反射波向相反方向傳播經(jīng)過測點，形成下降過程中鋸齒狀突起，且隨擋氣板間距減小，突起數(shù)量明顯增加。這說明增設(shè)擋氣板，對燃氣艙中部的沖擊波傳播有一定影響，增加燃氣艙中的氣流擾動，且隨擋氣板間距變小，擾動作用增加，對沖擊波在燃氣艙中部傳播有一定抑制作用，組2-190 m測點首次超壓峰值與2次峰值均隨擋氣板間距減小，總體呈下降趨勢，說明增設(shè)擋氣板可有效抑制沖擊波在燃氣艙中的反射傳播作用。

圖5 不同擋氣板間距燃氣艙中部超壓-時間變化曲線Fig.5 Change curves of overpressure with time at middle of gas cabin under different spacing of gas baffle

不同擋氣板間距工況下燃氣艙頂部超壓變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，擋氣板對燃氣艙頂部超壓變化影響較大，但總體規(guī)律基本一致。其擋氣板處監(jiān)測點因反射疊加作用造成超壓峰值激增，其余監(jiān)測點隨時間增加，超壓曲線呈鋸齒狀反復波動并逐漸減小，經(jīng)防火門反射后向相反方向2次傳播。對比不同工況下?lián)鯕獍逄幊瑝鹤兓€發(fā)現(xiàn)，燃氣艙頂部產(chǎn)生過的超壓峰值隨擋氣板間距的減小而增大，且擋氣板對抑制燃氣艙頂部沖擊波傳播有一定作用，對比圖6與圖3(a)不同工況下燃氣艙頂部組1-190 m測點首次超壓峰值與2次超壓峰值發(fā)現(xiàn)，安裝擋氣板后組1-190 m測點首次超壓峰值與2次超壓峰值均小于未安裝擋氣板工況。

圖6 不同擋氣板間距燃氣艙頂部-時間超壓變化曲線Fig.6 Change curves of overpressure with time at top of gas cabin under different spacing of gas baffle

3 結(jié)論

1)未安裝擋氣板工況下，燃氣艙頂部與中部超壓變化規(guī)律大致相同，超壓隨時間變化呈現(xiàn)鋸齒狀反復波動，各測點存在多個峰值，且各峰值間時間相差明顯。爆炸初期，燃氣艙頂部超壓會明顯大于中部。

2)擋氣板對燃氣艙中部超壓影響較小，而對頂部超壓影響較大，尤其是頂部擋氣板處超壓因疊加作用激增，且隨擋氣板間距增大，燃氣艙擋氣板處產(chǎn)生的最大超壓峰值呈逐漸減小趨勢；與未安裝擋氣板相比，安裝擋氣板后，燃氣艙頂部與中部190 m測點首次與2次超壓值均有減小，且隨擋氣板間距減小，190 m測點處超壓值呈總體減小趨勢。

3)安裝合適間距擋氣板在加快燃氣泄漏報警時間的同時兼具一定阻爆隔爆作用。但安裝擋氣板后，燃氣艙頂部擋氣板處超壓峰值激增，最低也有1.36 MPa，因此，在實際工程中，應(yīng)做好擋氣板以及其他障礙物處隔爆、抑爆措施；實際工程中，可以考慮安裝鋼制或混凝土制的擋氣板，擋氣板間距不宜設(shè)置過小，可結(jié)合燃氣泄漏報警時間，具體設(shè)置擋氣板間距，以達到優(yōu)化燃氣泄漏探測系統(tǒng)的目的。