綜合管廊燃?xì)馀摎怏w滅火模擬分析

席一凡，周慶輝

（北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院）

1 引言

根據(jù)2016年《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》：凡建有地下綜合管廊的區(qū)域，各類管線必須全部入廊，管線以外區(qū)域不得新建管線。因此，目前在建的城市地下綜合管廊都包含有燃?xì)馀?。但是由于天然氣屬于易燃易爆氣體，綜合管廊也緊鄰人口密集區(qū)，如果發(fā)生危險(xiǎn)將對百姓的生命財(cái)產(chǎn)造成重大威脅。根據(jù)“燃?xì)獗ü娖脚_”收錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，2020 年全年共計(jì)發(fā)生燃?xì)獍踩鹿?48 起，共造成84 人死亡，670 人受傷。對綜合管廊燃?xì)馀摶馂?zāi)及氣體滅火的研究，是燃?xì)獍踩I(lǐng)域內(nèi)的重要研究內(nèi)容,是天然氣艙事故分析及評估、應(yīng)急救災(zāi)處理的重要依據(jù)。

2 計(jì)算模型

天然氣中含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烴類組分，還含有各種非烴組分（氮?dú)?、氦氣、二氧化碳、硫化氫和水等）[2]。由于天然氣的主要成分是甲烷，天然氣燃燒過程采用甲烷燃燒機(jī)理。甲烷在低溫條件下的基元反應(yīng)是支鏈反應(yīng)。

天然氣與空氣混合燃燒后的主要產(chǎn)物是二氧化碳和水，因此可以通過分析燃?xì)馀搩?nèi)熱量的分布規(guī)律探索混合氣燃燒后的火災(zāi)擴(kuò)散規(guī)律。同時，綜合管廊是狹長的受限空間，受限空間內(nèi)可燃混合氣的流動會受到通風(fēng)系統(tǒng)的影響，因此還要考慮空氣流動速度的影響。燃燒的條件包括可燃物、氧氣和著火點(diǎn)，可通過降低氧氣濃度的方式阻斷燃燒反應(yīng)。

2.1 組分運(yùn)輸方程

式（2）中：Ds為組分S在介子中的擴(kuò)散系數(shù)，cs為該組分的體積濃度，ρcs為該組分的質(zhì)量濃度，Ss為該組分的生產(chǎn)率。Ds是組分S在流體中的擴(kuò)系數(shù)，xi為物理空間單位向量，ui是xi方向的體積力。

2.2 渦耗散模型

渦耗散模型認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率取決于未燃?xì)怏w微團(tuán)在湍流作用下破碎成更小微團(tuán)的速率。組分中第i種物質(zhì)在第r個反應(yīng)中的產(chǎn)生速率Rir公式為：

式（3）中：vi,r′為反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量系數(shù)；vi,r″為反應(yīng)r中生成物i的化學(xué)計(jì)量系數(shù)；Mw,R為某種產(chǎn)物的分子量；Mw,i為第i種物質(zhì)的分子量；YP是任何一種產(chǎn)物的質(zhì)量組分；YR是某種產(chǎn)物的質(zhì)量組分。

2.3 RNG k-ε模型

RNG k-ε 模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。它和標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型很相似，但RNG 模型在方程中考慮到湍流漩渦，加了一個條件，有效改善了精度。RNG 理論為湍流Prandtl數(shù)提供了解析公式，然而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)。然而標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式。這些公式的效用依靠正確對待近壁區(qū)域這些特點(diǎn)使RNG k-ε 模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度[3]。

2.4 物理模型

根據(jù)管廊實(shí)際尺寸，運(yùn)用ICEM 軟件建立綜合管廊燃?xì)馀摵吞烊粴夤艿赖膸缀文Ｐ停ㄒ妶D1）和網(wǎng)格模型（見圖2-3），并在管道的中間位置設(shè)置一個天然氣泄漏口，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖1 某城市地下綜合管廊模型

圖2 燃?xì)馀搸缀尉W(wǎng)格模型

圖3 燃?xì)馀搨?cè)面幾何網(wǎng)格模型

燃?xì)馀摮叽纾洪L20m、寬1.8m、高3m。泄露口尺寸：寬2cm、弧長10cm的口。網(wǎng)格單元：1122751個。網(wǎng)格面：2658440個。節(jié)點(diǎn)數(shù)量：460560個。

3 邊界條件設(shè)置

周寧[4]等人研究風(fēng)速對綜合管廊天然氣管艙泄露擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬得出，風(fēng)速增大到3.81m/s后，湍流能升高，湍流擾動增強(qiáng)，泄露口出渦團(tuán)發(fā)生畸變，濃度報(bào)警器不在工作，能有效抑制甲烷擴(kuò)散。所以我們設(shè)定風(fēng)速為3.81m/s；物種模型為物質(zhì)運(yùn)輸；泄露口速度為20m/s；湍流強(qiáng)度為10%；燃?xì)馀撍χ睆綖?.25m、泄露口水力直徑為0.033m；外墻溫度均為300K。

4 FLUENT模擬

4.1 燃?xì)馀摶馂?zāi)模擬及二氧化碳?xì)怏w滅火模擬

燃?xì)馀摶馂?zāi)模擬：由無風(fēng)狀態(tài)下反應(yīng)溫度分布圖（見圖4）可知，在無風(fēng)狀態(tài)下，火焰的最高溫度為3980K，整個火焰沿泄露口呈對稱分布。

圖4 無風(fēng)狀態(tài)下反應(yīng)溫度分布圖

當(dāng)風(fēng)速為3.81m/s、空氣中氧氣濃度為0.21%時，由反應(yīng)過程圖和溫度分布圖（圖5-6）可知，在風(fēng)速為3.81m/s 時，反應(yīng)進(jìn)行到160s 左右反應(yīng)趨于穩(wěn)定，此時燃?xì)馀搩?nèi)的最高溫度為3023.972K，整個管廊內(nèi)天然氣燃燒隨著風(fēng)向燃燒，火焰主要分布在出風(fēng)口側(cè)。

圖5 風(fēng)速為3.81m/s、空氣中氧氣濃度為0.21%時，反應(yīng)過程圖

圖6 風(fēng)速為3.81m/s、空氣中氧氣濃度為0.21%時，溫度分布圖

由據(jù)泄露口0m、5m、10m 處溫度分布圖（圖7～9）可知，火焰剖面呈倒心形向外傳播，距離泄露口越遠(yuǎn)，心形越大，在整個剖面中，在心形的中心處溫度最高。

圖7 泄露口剖面溫度分布圖

圖8 據(jù)泄露口5m處剖面溫度分布圖

圖9 據(jù)泄露口10m處剖面溫度分布圖

在風(fēng)的作用下，甲烷隨著風(fēng)向傳播，由于甲烷密度小于空氣，燃?xì)馀撋蠈尤紵鼊×?，溫度也更高?/p>

4.2 二氧化碳?xì)怏w滅火模擬

將整個反應(yīng)迭代300步就可以使整個反應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，然后逐步增加CO2濃度改變空氣中氧氣的含量。

由通入CO2后的反應(yīng)過程圖（圖10）可知，通入CO2后，從發(fā)生反應(yīng)到反應(yīng)結(jié)束的時間變短，反應(yīng)過程變得更加緩和。由各個濃度下溫度分布圖（圖11）可知，整個燃?xì)馀搩?nèi)溫度隨著氧氣濃度的減少而降低。

圖10 通入CO2后的反應(yīng)過程

圖11 各個濃度下溫度分布圖

5 仿真結(jié)果及分析

通過數(shù)據(jù)結(jié)果（表1）和反應(yīng)結(jié)果組合圖（圖12）可知，隨著空氣中CO2的增加，O2濃度的減少，整個反應(yīng)過程的最高溫度在逐漸降低，總的熱傳遞速率也在降低，總的反應(yīng)源熱和反應(yīng)熱也在降低。甲烷燃燒所需的著火點(diǎn)溫度為811.15K，在空氣中氧氣含量降到0.03 時，整個反應(yīng)的最高溫度是低于甲烷燃燒所需的著火點(diǎn)溫度，氧氣含量繼續(xù)降低，則整個反應(yīng)將不再進(jìn)行。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)果

圖12 反應(yīng)結(jié)果組合圖

6 結(jié)論

①在無風(fēng)狀態(tài)下，燃?xì)馀搩?nèi)火焰呈對稱分布，在有風(fēng)狀態(tài)下，火焰隨風(fēng)向傳播，燃燒的最高溫度會有所降低，但對火災(zāi)的影響較小。

②火焰在管廊內(nèi)的形狀呈倒心形，在心形的中心處溫度最高。

③在通入二氧化碳后整個燃?xì)馀摰幕馂?zāi)反應(yīng)劇烈程度會隨著二氧化碳濃度的增加而降低，反應(yīng)時間也相應(yīng)縮短。

④通入二氧化碳會有效抑制火災(zāi)，但只有當(dāng)氧氣濃度降低到0.03以下時才起作用。