密閉空間甲烷-空氣混合物爆炸傳播過程研究

譚迎新 ， 于 碩 ， 韓 意

(1. 中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 中國人民解放軍63961部隊(duì)， 北京 100012)

密閉空間甲烷-空氣混合物爆炸傳播過程研究

譚迎新1， 于 碩1， 韓 意2

(1. 中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 中國人民解放軍63961部隊(duì)， 北京 100012)

利用自行研制的管道式氣體粉塵爆炸試驗(yàn)裝置， 研究了管道內(nèi)甲烷-空氣混合物的爆炸過程， 對(duì)爆炸過程進(jìn)行了模擬仿真. 研究得到的仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差<12%， 與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基本吻合. 試驗(yàn)研究表明： 試驗(yàn)管道的長(zhǎng)徑比L/D較小時(shí)對(duì)管道內(nèi)火焰的加速效應(yīng)有限， 不同時(shí)刻管道內(nèi)壓力波集中在火焰面前方一個(gè)很薄的區(qū)域內(nèi)， 隨著火焰從左向右傳播， 最終在管道右端達(dá)到最大壓力0.92 MPa； 密閉空間內(nèi)， 氣體爆炸最大壓力值的大小與點(diǎn)火位置無關(guān).

氣體爆炸； 甲烷； 爆炸壓力； 火焰?zhèn)鞑?/p>

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)、 化工運(yùn)輸及日常生活中， 輸送可燃?xì)怏w的管道隨處可見， 由于管道爆炸引起的事故以及造成的人員傷亡不在少數(shù). 例如， 2013年11月發(fā)生的山東青島境內(nèi)中石化輸油儲(chǔ)運(yùn)公司濰坊分公司輸油管道破裂導(dǎo)致燃爆的事故， 最終造成62人死亡， 直接經(jīng)濟(jì)損失上億元. 因此， 對(duì)氣體在管道內(nèi)的爆炸及爆轟特性的研究對(duì)于保障人民生活和生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義. 由于在密閉空間尤其是在管道形容器中進(jìn)行試驗(yàn)易于控制氣體爆炸濃度， 因此對(duì)氣體爆炸現(xiàn)象和基本規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究常在管道中進(jìn)行[1-3]. 為了獲得比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更多、 更全面的計(jì)算結(jié)果， 可以采用數(shù)值模擬方法對(duì)爆炸過程進(jìn)行計(jì)算分析. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)模擬已逐漸成為了管道內(nèi)氣體爆炸的主要研究手段[4-7]. 通過數(shù)值模擬可以得到氣體爆炸的發(fā)展變化過程. 本文利用中北大學(xué)自行研制的管道式氣體爆炸試驗(yàn)裝置，對(duì)密閉空間內(nèi)可燃性氣體爆炸過程進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定及模擬仿真研究.

1 甲烷-空氣爆炸過程試驗(yàn)研究

在本實(shí)驗(yàn)室自制的管道式氣體爆炸裝置中進(jìn)行了甲烷-空氣爆炸過程試驗(yàn)研究. 試驗(yàn)裝置的材質(zhì)為20 G碳素鋼無縫管， 內(nèi)徑139 mm， 長(zhǎng)度800 mm[8]. 裝置見圖 1， 其上設(shè)計(jì)有觀察窗、 安全閥、 壓力傳感器安裝接口等.

圖 1 氣體爆炸裝置Fig.1 Gas explosion device

由于甲烷的爆炸范圍為4%～17%， 結(jié)合數(shù)值模擬研究的需要， 試驗(yàn)時(shí)選擇了5%, 8%, 10%, 12%, 14%五個(gè)甲烷濃度進(jìn)行了測(cè)試， 由于甲烷濃度不同， 測(cè)得的壓力及觀察到的現(xiàn)象也不相同. 測(cè)試得到的典型爆炸壓力傳播過程見圖 2. 其中， 甲烷濃度為10%， 煤粉粒度為300目以下.

圖 2 典型爆炸壓力傳播過程Fig.2 Typical P-t curve

當(dāng)濃度為10%時(shí)， 爆炸最劇烈， 這是因?yàn)榇丝痰臐舛日幱诩淄榈幕瘜W(xué)當(dāng)量濃度， 在試驗(yàn)過程中除了可以觀察到明亮的橘黃色火焰外， 還能聽到爆炸聲. 而濃度為8%和12%時(shí)也可以看到比較弱的黃色火焰， 聲音也較小. 而在接近甲烷爆炸下限的5%和接近甲烷爆炸上限的14%處， 燃燒現(xiàn)象非常微弱. 對(duì)應(yīng)于5%, 8%, 10%, 12%, 14%五個(gè)甲烷濃度， 試驗(yàn)測(cè)得的爆炸壓力值分別為0.58, 0.76, 0.88, 0.79和0.64 MPa.

2 甲烷爆炸傳播過程的數(shù)值模擬

在模擬氣體爆炸傳播過程時(shí)， 鑒于管道為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 為了簡(jiǎn)化計(jì)算， 將圖 1 的管道裝置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為二維結(jié)構(gòu)， 與試驗(yàn)管道相近的模擬計(jì)算區(qū)域如圖 3 所示. 假設(shè)點(diǎn)火電極在管道左端面， 取管道軸向截面的一半作為計(jì)算區(qū)域， 在整個(gè)計(jì)算域采用均勻網(wǎng)格， 網(wǎng)格間距確定為2 mm， 網(wǎng)格總數(shù)為16 000[9].

圖 3 管道模擬計(jì)算域Fig.3 Analog simulation area in pipe

2.1 長(zhǎng)徑比對(duì)氣體爆炸過程的影響

甲烷被點(diǎn)燃后管道內(nèi)火焰隨時(shí)間變化的情況如圖 4 所示.

由圖 4 可以看出， 點(diǎn)火5 ms后火焰開始傳播， 速度緩慢， 火焰前鋒面比較光滑， 火焰?zhèn)鞑ミ^程表明此時(shí)的傳播方式為層流. 點(diǎn)火14.5 ms時(shí)， 火焰面不再光滑， 火焰漸漸接近管道壁面. 點(diǎn)火21.4 ms時(shí)， 火焰開始發(fā)生變形、 拉伸， 點(diǎn)火39.4 ms時(shí)， 形成了沿壁面?zhèn)鞑サ幕鹧? 點(diǎn)火74.4 ms 時(shí)， 火焰面變大， 火焰面的變大會(huì)導(dǎo)致更多的可燃?xì)怏w參與反應(yīng)， 增大燃燒反應(yīng)速率， 引起燃燒產(chǎn)物的進(jìn)一步膨脹加速.

圖 4 管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程Fig.4 Flame propagation in pipe

從圖 4 的計(jì)算結(jié)果可以看出火焰沒有達(dá)到能夠爆轟的速度(1 000 m/s以上)， 這是由于水平試驗(yàn)管道的長(zhǎng)徑比較小導(dǎo)致的， 本裝置的長(zhǎng)徑比L/D只有5.7， 不能使火焰很快地加速.

2.2 傳播時(shí)間對(duì)爆炸壓力的影響

圖 5 為管道內(nèi)壓力隨距離變化情況圖. 由圖可以看出管道內(nèi)氣體爆燃過程中的壓力變化情況， 表明不同時(shí)刻管道內(nèi)壓力波集中在火焰面前方一個(gè)很薄的區(qū)域內(nèi).

圖 5 管道內(nèi)壓力變化過程Fig.5 Pressure propagation in pipe

為了進(jìn)一步分析甲烷爆燃過程的壓力變化， 對(duì)時(shí)間為14.5 ms， 74.4 ms， 254.4 ms時(shí)的3個(gè)時(shí)刻的火焰發(fā)展過程進(jìn)行了分析， 其壓力變化曲線如圖 6 所示[9]. 從圖中可以看出， 在這個(gè)過程中， 在點(diǎn)火電極處的火焰燃燒壓力最大， 當(dāng)火焰從左向右傳播時(shí)， 在管道右端壓力達(dá)到最大， 為0.92 MPa.

圖 6 不同時(shí)刻的壓力分布曲線Fig.6 p-t curve in pipe corresponding to different time

2.3 點(diǎn)火位置對(duì)爆炸過程的影響

為了使研究結(jié)果更加接近于實(shí)際情況， 研究了點(diǎn)火位置對(duì)爆炸過程的影響. 將點(diǎn)火電極由管道左端端面改至距左端端面100 mm處， 得到了改變點(diǎn)火位置后火焰發(fā)展過程中的壓力分布， 如圖 7 所示.

由圖 7 可以看出， 在初始階段， 爆炸壓力波以球形形狀向四周均勻擴(kuò)散， 當(dāng)壓力波傳播到管道壁面和管道左端的封閉壁面時(shí)， 受它們的約束形成了反射波， 這個(gè)壓力波與初始的壓力波匯合、 疊加， 形成了向右運(yùn)動(dòng)的爆炸波. 當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ焦艿阶钣叶藭r(shí)， 速度已經(jīng)減小， 壓力達(dá)到最大值0.91 MPa， 與在端面點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的最大壓力0.92 MPa 相差不明顯. 由此可知， 密閉空間內(nèi)點(diǎn)火位置對(duì)氣體爆炸壓力的大小影響很小， 這與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)論吻合[10].

圖 7 點(diǎn)火位置對(duì)壓力的影響Fig.7 Effect of ignition point on pressure in pipe

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

本文對(duì)不同甲烷濃度下發(fā)生爆炸的模擬計(jì)算壓力值與試驗(yàn)測(cè)試壓力值進(jìn)行了比較， 所得結(jié)果見表 1.

表 1 甲烷爆炸壓力的模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值Tab.1 Simulation and test value of methane explosion pressure

由表 1 可見， 模擬計(jì)算的結(jié)果比試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)均偏大， 這是由于在實(shí)際氣體燃燒過程中， 管道和氣體之間存在有一定的熱量交換， 而在仿真過程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)管道壁面進(jìn)行了絕熱假設(shè)， 由此造成了二者之間的誤差. 從二者的比較結(jié)果看， 偏差數(shù)值<12%.

3 結(jié) 論

本文對(duì)管道內(nèi)氣體爆炸過程進(jìn)行了模擬計(jì)算和數(shù)值分析， 仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差<12%. 研究表明：

1)試驗(yàn)管道的長(zhǎng)徑比L/D值是決定氣體是否爆轟的關(guān)鍵因素， 長(zhǎng)徑比較小時(shí)對(duì)管道內(nèi)火焰的加速效應(yīng)有限.

2)不同時(shí)刻管道內(nèi)壓力波集中在火焰面前方一個(gè)很薄的區(qū)域內(nèi)， 隨著火焰從左向右傳播， 最終在管道右端達(dá)到最大壓力0.92 MPa.

3)密閉空間內(nèi)， 氣體爆炸最大壓力值的大小與點(diǎn)火位置無關(guān).

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StudyonExplosionPropagationProcessofMethane-AirMixtureinConfinedSpace

TAN Ying-xin1， YU Shuo1， HAN Yi2

(1. School of Environment and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan 030051， China；2. PLA Unit 63961， Beijing 100012， China)

A pipe device was self-designed. The explosion propagation process of methane-air mixture in confined space was studied by experimental test and analog simulation. The error between analog simulation result and experimental data was less than 12%. They were all close to the literature data. Test study indicates, when the ratio of length and diameter (L/D) was lower, the flame can be not accelerated. The pressure wave was focused in a very thin area in the front of flame. With flame propagation from left to right, the maximum explosion pressure of methane-air mixture was up to 0.92 MPa.The maximum explosion pressure value have nothing to do with pipe ignition point in confined space.

gas explosion; methane; explosion pressure; flame propagation

1673-3193(2017)05-0605-04

2016-12-09

山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(201603D121012)

譚迎新(1964-)， 女， 教授， 主要從事安全技術(shù)及工程、 武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程方面的研究.

X932

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.05.017