封闭管道内气体燃烧火焰传播特性研究

黄涛 范进 丁建国

【摘 要】 为了研究可燃气体在管道内的燃烧规律，选取甲烷与空气预混气体为可燃气体，建立内置障碍物情况不同的封闭管道模型，运用CFD计算流体动力学方法，对管道内气体燃烧过程进行了数值模拟。监测了火焰面的形状、位置、速度的变化;分析了挡板位置、数量以及阻塞率对火焰面传播过程的影响。研究表明：火焰面传播速度随挡板数量、阻塞率的增加而增大，挡板和点火区的距离与管径的比值在0.5～3范围内时，火焰面传播速度达到最大值。研究为工程结构的防爆设计提供依据。

【关键词】 封闭管道  气体燃烧  障碍物  计算流体动力学  火焰传播

1 引言

2014年6月3日，重庆市万圣经济开发区砚石台煤矿发生重大瓦斯爆炸事故，造成22人死亡;8月1日，台湾高雄前镇区发生丙烯气体泄漏并爆炸，造成28人死亡，302人受伤。无论是工业生产，还是日常生活中，可燃气体安全问题已引起人们的高度关注。

气体爆炸问题的研究方法，主要有解析法，实验方法和数值方法。解析法中，常用的解析模型有等温模型、绝热模型和一般模型[1]。模型对实际情况进行了较大的简化，分析存在一定的误差。相比实验方法，数值方法成本低，安全性高，已经被许多研究人员采用。采用数值方法主要有集中参数方法（LMP）和计算流体动力学方法（CFD）。CFD方法能够反映变量在空间的分布，可以适应形状复杂的情况，得到了广泛的应用。运用CFD方法，王志荣等[2]模拟了连通容器内气体的爆炸，结果表明连通管后的容器内产生预压缩，湍流导致爆炸压力增加;李帆等[3]模拟了光滑管道内气体的爆炸，得到了不同时刻管内压力、湍流动能的分布;毕明树等[4]对管道内可燃气爆炸进行了一维数值模拟。

实际上，输气管道在使用过程中，可燃气中含有的杂质将在管道内沉积、聚集，导致管道流通面积减小。在长径比L/D较大（L/D>>5）且内部有较密集的隔板和设备等障碍物的密封体内，气体燃烧过程更加复杂[1、5-6]。为更好的对管道及其围护结构进行抗爆设计，有必要对不同阻塞率下管道内火焰传播特性进行研究。

本文利用计算流体动力学软件Fluent对内径为20mm，长300mm（L/D=15）的管道内甲烷与空气预混气体燃烧过程进行数值模拟。

2 数值模型

建立内径为20mm，长为300mm的管道二维模型，网格大小为1mm×1mm，共约6000个网格。四周边界条件为固定壁面，无滑移。由于气体爆炸发生时间较短，故在模拟过程中忽略热损失，假设壁面为绝热。管道内充满甲烷与空气的混合气体，甲烷含量为10%，混合气体温度为300K。化学反应方程式为：

以管道左端面中心为圆点，设置半径为3mm的半圆形点火区，点火区温度为1800K。如图1中，红色区域所示。

本文共建立7个管道模型。0号为内壁光滑管道模型，管内无挡板。其他模型，分别在管道内距离点火区l处，设置1道或2道挡板，对管道形成一定的阻塞。管道截面如图1所示。具体情况见表1。

3 计算结果与分析

3.1 内壁光滑管道内气云燃烧模拟

内壁光滑管道内气体模拟燃烧过程中，火焰面位置及形状变化如图2所示。点火初期，火焰面近似成半圆形向外扩散，由于侧壁温度与环境温度相同，为300K，火焰面沿轴向延伸，距离壁面较近处还未燃烧。0.5ms时刻，已燃区域逐渐饱满，火焰面成平面，化学反应主要集中于已燃区域右侧。

由于湍流作用，火焰面有一定的厚度，继续向前传播。2ms时刻，火焰面形成指向已燃区域的尖端，形成“郁金香”火焰面，火焰发展为明显的湍流，火焰面厚度进一步增加。此后，火焰面大致维持该形状，逐渐向右传播，至所有气体燃烧完毕。

每隔0.1ms在FLUENT中监测管道中心线上火焰面中心位置，得到火焰面位置与时间的关系曲线。对该曲线进行拟合并求导，可得火焰面中心的速度与时间关系。火焰面的位置、速度与时间关系如图3所示。

点火初期，点火温度较高，由阿累尼乌斯方程[1]可知，化学反应速率较大，火焰面以较快速度向前传播，随着燃烧的进行，火焰面速度逐渐减小。当火焰面以稳定的“郁金香”形向前传播时，一方面，因为监测点的局限性以及湍流的存在，造成监测数据不能准确反映整个火焰面的位置，引起一定的误差;另一方面，由于受到侧壁及管道右端面反射的超压影响，传播速度呈现一定的波动性。

3.2 阻塞率对火焰传播速度的影响

分别监测0、1、2号模型火焰面中心位置。记录火焰面中心速度与时间关系，如图4所示。在有挡板的管道中，火焰面传播速度在壁面反射超压的作用下依然有波动，最大速度与平均速度均远大于光滑管道。挡板对火焰面传播有很大影响。

由于挡板的存在，挡板左侧形成燃烧腔，腔内超压值较大，挡板处形成超压出口，造成气体喷涌，如图5所示。燃烧气体在超压作用下通过挡板，火焰传播速度增加，形成突起状火焰面。挡板对气流有明显的扰动，产生大尺寸湍流，燃烧剧烈，进一步增加火焰传播速度。在两者共同作用下火焰前阵面高速通过挡板，同时，挡板与管壁形成的角落处气体燃烧速度较慢，形成火焰断层，如图6。随着角落可燃气燃烧殆尽，火焰断层消失。

3.3 挡板位置对火焰传播的影响

分别监测3、4、5号模型火焰面中心位置。记录火焰面速度与时间关系，如图7所示。

在点火初期，5号模型中挡板距离点火区较远，对火焰面传播影响不大，3、4号模型中，管道内火焰面传播速度增长较快，4号模型速度峰值大于其他管道。火焰面传播中期，5号模型受挡板影响，火焰面传播速度峰值高于其他管道。这意味着，距离点火区远的挡板对火焰面传播初期影响较小，对达到挡板前后的火焰面传播才有较明显的影响。当挡板处于合适位置上时，将产生最大火焰面传播速度，该位置距离点火区0.5～3倍管径。

3.4 挡板数量对火焰传播的影响

监测6号模型火焰面中心位置变化。4、6号模型火焰面速度随时间变化曲线如图8所示。6号模型火焰面速度峰值大于其他管道。相对于4号模型，6号模型中火焰面速度峰值增加近30%。由此可知，两块挡板之间形成的燃烧腔对火焰面传播仍然有加速作用。观测显示，50mm挡板处火焰面传播同样出现断层现象。

4 结语

本文对7个充满甲烷-空气预混气体，内部挡板设置情况不同的封闭管道模型进行燃烧模拟，得出以下结论：

（1）在L/D较大的密闭容器预混气体燃烧过程中，最大火焰面速度在燃烧初期形成。传播过程中火焰面速度受边界条件影响出现波动。

（2）当管道内存在障碍物时，火焰面传播速度大大增加，阻塞率越高，速度增加越大，并在挡板处出现火焰断层现象。

（3）存在最不利距离，当障碍物和点火区的距离与管径的比值在0.5～3范围内时，出现火焰面传播速度最大值。障碍物离点火区太远或者太近时，其对火焰面传播速度的影响程度降低。

（4）增加障碍物数量会形成多个燃烧腔，燃烧腔对火焰面传播有加速作用。

参考文献：

[1]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

Zhao Hengyang.  Principle of gas and dust explosion [M]. Beijing： Beijing Institute of Technology Press， 1996（in Chinese）

[2]王志荣，蒋军成，郑杨艳.连通容器气体爆炸的CFD模拟[J].化工学报，2007，58（4）：854-861.

Wang Zhirong，Jiang Juncheng，Zheng Yangyan. CFD simulation on gas explosion field in linked vessels[J].Journal of Chemical Industry and Engineering，2007，58（4）：854-861（in Chinese）.

[3]李帆，谭迎新.管道内甲烷-空气预混爆炸燃烧的数值模拟[J].工业安全与环保，2009，35（4）：28-30.

Li Fan，Tan Yingxin. Numerical Simulation of Detonation and Combustion of Methane-air Premix in Pipeline[J]. Industrial Safety and Environmental Protection，2009，35（4）：28-30（in Chinese）.

[4]毕明树，尹旺华，丁信伟.管道内可燃气体爆炸的一维数值模拟[J].天然气工业，2003，23（4）：89-92.

Bi Mingshu，Yin Wanghua，Ding Xinwei，et al.One-dimensional numerical simulation of gas explosion in pipe[J]. natural gas industry，2003，23（4）：89-92（in Chinese）.

[5]Phylakton H，Andrews G E. Gas explosions in long closed vessels[J].Combustion Science and Technology，1991，77（1）：27-39

[6]Bjerketvedt D，Bakke J R，Wingerder K V. Gas explosion handbook[J].Journal of Hazardous Materials，1997，52：1-150