隧道内槽罐车对甲醇蒸气爆炸压力场影响的数值模拟分析*

陈长坤，张宇伦，赵小龙，雷 鹏

(1.中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙 410075；2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

随着我国隧道数量日渐增多，易燃易爆危险化学品运输量也在不断增加，如甲醇、液化石油气等[1]。这些危险化学品在通过隧道时有发生爆炸的可能性，而一旦发生爆炸，往往会造成人员伤亡、隧道结构破坏、交通运输系统瘫痪等严重后果[1-2]，如2017年5月河北浮图峪5号隧道内发生危险品槽罐车爆炸事故，共造成15人死亡、21人受伤。在隧道内可燃气体爆炸过程中，障碍物的存在能够对爆炸压力场分布产生影响，因此，开展隧道内障碍物对可燃气体爆炸压力场影响的研究具有必要性。

针对障碍物对于可燃气体爆炸影响的研究是国内外学者关注的热点问题之一。Abdulmajid等[3-4]在圆柱形封闭管道中进行甲烷-空气爆炸实验，研究了阻塞比及障碍物间距对可燃气体爆炸最大超压值和火焰传播特性的影响；Hall等[5]探究了障碍物数量对可燃气体爆炸超压的影响，发现爆炸超压随障碍物数量增加而增大，但存在上限，超过上限后，爆炸超压随障碍物数量增加而减小；Kindracki等[6]在密闭长管中进行了甲烷-空气爆炸实验，研究了点火源位置和阻塞比对可燃气体爆炸发展过程的影响；Oh等[7]在封闭六面体容器中进行液化石油气-空气爆炸实验，研究了容器内置障碍物引起可燃气体爆炸特性的变化情况； Masri等[8]进行了障碍物形状对火焰传播速度影响实验，发现方形障碍物对火焰的加速作用比圆形和三角形障碍物更加明显；尉存娟等[9-11]利用了水平管道式气体爆炸实验系统，开展了置障下瓦斯爆炸实验，发现障碍物的存在对瓦斯爆炸超压具有显著的激励作用；王海宾等[12-13]进行了管道内可燃气体爆炸实验，研究了障碍物阻塞率和数量对可燃气体爆炸超压和火焰传播特性的影响；郭丹彤等[14]运用数值模拟手段，研究了阻塞率和障碍物结构对可燃混合气体爆炸压力场的影响，发现同种障碍物结构下，爆炸超压随阻塞率增加而呈现先增大后减小趋势，相同阻塞率下，立体障碍物对爆炸压力场的影响远大于平面障碍物。以上研究主要集中在密闭管道中障碍物的存在对可燃气体爆炸压力场分布的影响，为隧道内存在障碍物情况下发生可燃气体爆炸压力场分布的研究提供了一定的理论依据和基础。

本文针对甲醇具有易燃、易爆及在化工领域应用广泛等特点，选取其与空气组成爆炸介质，以常用的危化品运输槽罐车建立障碍物模型。应用CFD方法对隧道内不同槽罐车分布下的甲醇蒸气爆炸过程进行数值模拟，在槽罐车尺寸和分布间距固定的情况下，研究隧道内槽罐车数量及其相对点火源中心的位置对甲醇蒸气爆炸压力场分布规律的影响，以期为此类隧道内爆炸事故的应急救援提供一定的理论参考。

1 模型建立

1.1 物理模型及测点布置

以某隧道为原型建立二维物理模型，隧道长为110 m，高为6 m，如图1所示。以常用的危化品运输槽罐车为原型建立二维障碍物模型，槽罐车长为10 m，高为3 m，布置间距固定为3 m，如图2所示。运用ICEM划分结构化网格，网格尺寸为0.1 m×0.1 m。隧道中设置29个测点，测点1～20布置在隧道顶部壁面上，间距为2 m，用以监测甲醇蒸气爆炸对隧道壁面的影响；测点A～I坐标如图1所示，A～F位于距地面2 m高度处，G～I位于距地面3.5 m高度处，用以监测槽罐车周围压力，如图1所示。

图1 隧道模型及测点Fig.1 Tunnel model and monitors

图2 初始条件及槽罐车布置Fig.2 Initial conditions and tank layout

1.2 工况及模拟条件设置

使用FLUENT软件对隧道内甲醇蒸气爆炸过程进行数值模拟，共设置6组工况。工况1不设置槽罐车；工况2，3，4分别设置1，2，3辆槽罐车；工况5，6只设置1辆槽罐车，其中心距点火源中心水平距离分别为23和36 m，如表1及图2所示。可燃气体浓度接近化学当量比浓度时，爆炸产生的超压最大[1]。假定隧道内甲醇蒸气在分布域内的浓度为化学当量比浓度，即甲醇蒸气质量分数为13.44%，甲醇蒸气分布在隧道中间10 m范围内。点火源中心设置在隧道的几何中心(55 m，3 m)，点火源半径为0.1 m，点火温度为1 200 K。空气域由氮气和氧气组成，体积分数分别为79%和21%，初始温度和压力为300 K和101 325 kPa。

表1 工况设置Table1 Test conditions

采用壁面自适应局部涡粘型(WALE)的大涡模拟(LES)模型描述湍流过程中混合气体湍流变化，采用涡耗散概念模型(EDC)描述爆炸过程中混合气体湍流流动与化学反应的相互作用。参考文献[14]，结合隧道内甲醇蒸气爆炸的预先模拟分析，确定模拟时间为0.12 s，时间步长则取为0.1 ms。同时为简化分析，甲醇蒸气爆炸的化学反应考虑为一步不可逆反应，且隧道壁面保持绝热，并忽略热辐射的影响。

1.3 网格独立性验证

参考文献[15]，对本文所使用的网格进行独立性验证，表2给出了3种不同尺寸网格下，t=50 ms时刻监测点1的压强及变化幅度。

表2 3种网格尺寸下的测点压强Table2 Measured point pressure at 3 grid sizes

表2可以看出，随着网格尺寸的增大，监测点1压强的变化幅度也逐渐增大，当网格尺寸达到0.10 m×0.10 m时，模拟结果与0.08 m×0.08 m相比，其变化幅度为3.195%，计算误差在可接受的范围之内，综合考虑计算量等因素，选取主体网格尺寸为0.10 m×0.10 m。同时考虑到近壁面处湍流特性更为复杂，对近壁面位置的网格也做了一定程度的细化。

2 结果及分析

2.1 槽罐车数量对甲醇蒸气爆炸压力场的影响分析

图3给出了不同槽罐车数量工况的4个时刻甲醇蒸气爆炸压强云图。当隧道内没有槽罐车时(如图3(a)所示)，甲醇蒸气爆炸产生的压强相比于其他3组工况较小，压力波整体表现为沿隧道纵向传播。当隧道内存在1辆槽罐车时(如图3(b)所示)，甲醇蒸气爆炸产生的压强明显增大，槽罐车的存在使混合气体流动更加紊乱，湍流程度得到加强。36 ms时，在压力波沿隧道纵向传播方向，槽罐车前端形成压力涡团，槽罐车前端测点A(60 m，2 m)压力增大；54 ms时，混合气体流动的紊乱程度加剧，湍流程度继续加强，压力波逐渐越过槽罐车，槽罐车上端测点G(65 m，3.5 m)及隧道上壁面测点压强增大；100 ms时，压力波继续向隧道两端传播，压强逐渐减小。当隧道内存在2辆槽罐车时(如图3(c)所示)，甲醇蒸气爆炸产生的压强继续增大，因槽罐车的阻碍使混合气体流动的紊乱程度加强而形成更多数量的压力涡团，槽罐车周围压力激增，压力波越过槽罐车后继续向隧道两端传播，强度不断衰减。当隧道内存在3辆槽罐车时(如图3(d)所示)，甲醇蒸气爆炸产生的压强达到4组工况中的最大值，压力波传播更加紊乱，槽罐车局部形成压力涡团数量更多，槽罐车周围压强明显增大。

图3 不同数量槽罐车工况甲醇蒸气爆炸压强云图Fig.3 Pressure contours of methanol steam explosion in different quantity tank truck conditions

图4给出了不同槽罐车数量工况，隧道顶端测点1(55 m，6 m)压强随时间变化曲线。图4(a)为隧道内没有槽罐车的工况，测点1的超压峰值为81.4 kPa，而隧道内分别存在1，2，3辆槽罐车的工况(如图4(b)，(c)，(d)所示)，测点1的超压峰值分别达到284.9，369.2，389.5 kPa，爆炸超压峰值明显增大。对比图4时间坐标可以看出，当隧道内没有槽罐车时，甲醇蒸气爆炸达到最大超压需要52.9 ms；隧道内存在槽罐车时，工况2，3，4中甲醇蒸气爆炸达到最大超压分别需要44.5，44.4，44.6 ms，爆炸达到最大超压所用时间更短。槽罐车的存在对隧道内甲醇蒸气爆炸反应有一定的激励作用。

图5为统计隧道内29个测点在以上4组工况甲醇蒸气爆炸过程中分别出现的最大超压峰值绘制的爆炸最大超压峰值随槽罐车数量变化曲线。当隧道内没有槽罐车时(工况1)，甲醇蒸气爆炸最大超压峰值89.4 kPa远小于其他3组工况；当隧道内存在1辆槽罐车时(工况2)，爆炸最大超压峰值明显增大，达到337.5 kPa。当隧道内存在2辆槽罐车时(工况3)，爆炸最大超压峰值为369.2 kPa。当隧道内存在3辆槽罐车时(工况4)，爆炸最大超压峰值继续增大，达到559.4 kPa，为不存在槽罐车情况下的6.3倍。可以看出，甲醇蒸气爆炸的最大超压峰值随隧道内槽罐车数量的增加而明显增大。槽罐车的存在使爆炸过程中混合气体流动更加紊乱，加强了混合气体的湍流程度，使爆炸反应更完全，爆炸反应产物迅速膨胀，产生更大的爆炸压力。同时，温度升高和压力增大会促进混合气体的湍流流动，继续加强混合气体的湍流程度。爆炸反应与湍流流动之间相互作用使隧道内甲醇蒸气爆炸最大超压峰值随槽罐车数量增加而显著增大。

图5 甲醇蒸气爆炸最大超压峰值变化曲线Fig.5 Maximum overpressure peak variation curve in methanol vapor explosion

图6 隧道顶端测点超压峰值变化曲线Fig.6 Curve of overpressure peak at the top of tunnel

图6给出了工况1～4隧道顶端测点1～20超压峰值变化曲线。可以看出，隧道内存在槽罐车工况的隧道顶端测点超压峰值明显大于没有槽罐车工况的超压峰值。隧道顶端测点超压峰值随距点火源中心距离增加而减小，靠近隧道出口位置测点超压峰值最小，说明隧道开口端具有一定的泄压作用。同时，存在槽罐车工况的隧道壁面压强虽然整体呈现衰减趋势，但在槽罐车上方隧道壁面测点压强增大，这是由于槽罐车的存在使压力波经过槽罐车时表现更为紊乱，在槽罐车周围形成压力涡团，使局部压力增大。

2.2 槽罐车位置对甲醇蒸气爆炸压力场的影响分析

图7给出了工况2，5，6(只设1辆槽罐车，其中心距点火源水平距离分别为10，23，36 m)的爆炸压强云图。当槽罐车设置在距点火源水平距离5 m处时，甲醇蒸气爆炸压力波整体沿隧道纵向传播，混合气体在运动过程中受槽罐车的阻碍而更加紊乱，混合气体湍流程度得到加强，爆炸反应更加剧烈，槽罐车前端形成大量压力涡团，使槽罐车前端测点A(60 m，2 m)压力增大，54 ms时，混合气体流动紊乱加剧，湍流程度继续加强，压力波逐渐越过槽罐车，槽罐车上端测点G(65 m，3.5 m)及隧道上壁面测点压强增大。100 ms时，压力波继续向隧道两端传播，强度衰减。当槽罐车分别设在距点火源水平距离为23和36 m处时(如图7(b)，(c)所示)，甲醇蒸气爆炸压力场与工况2表现无明显的差别，压力波整体表现为沿隧道纵向传播，混合气体流动遇到槽罐车阻碍后，混合气体湍流程度得到加强，爆炸反应更加剧烈，在槽罐车周围形成压力涡团，使槽罐车周围压力增大，压力波越过槽罐车后继续向隧道两端传播，强度衰减。

图7 不同槽罐车位置工况甲醇蒸气爆炸压强云图Fig.7 Pressure contours of methanol steam explosion in different tanker locations

图8 隧道顶端测点超压峰值变化曲线Fig.8 Peak overpressure variation curves at the top of the tunnel

图8给出了工况1，2，5，6的隧道顶端测点1～20超压峰值变化曲线。当仅设置一个槽罐车(工况2，5，6)时，隧道顶端测点超压峰值明显大于没有槽罐车工况的超压峰值。槽罐车的存在加强了爆炸过程中混合气体的湍流程度，使爆炸反应更加剧烈，导致产生更大压力，释放更多能量，而温度和压力的提升通过爆炸反应与湍流流动之间的相互作用，继续加强了混合气体的湍流程度，进一步激励爆炸反应产生更大压强，从而使设置槽罐车工况的隧道顶端壁面测点超压峰值明显大于没有槽罐车工况下的超压峰值。同时，工况1(未设置槽罐车)的隧道顶端测点压强呈现出随距点火源中心水平距离增加而衰减的趋势；而工况2，5，6(只设置1辆槽罐车，其中心距点火源中心水平距离分别为10，23，36 m)的隧道顶端测点压强只是在整体上呈现衰减趋势，在爆炸过程中槽罐车周围会积聚大量压力涡团，使槽罐车周围的隧道顶端壁面测点压强局部增大。隧道内槽罐车相对点火源中心的位置对甲醇蒸气爆炸压力场的分布有一定的影响。

3 结论

1)在特定条件下隧道内槽罐车的存在对甲醇蒸气爆炸有一定的激励作用，可以使爆炸反应更加剧烈，压力波传播更加紊乱，爆炸达到最大超压的时间减少。

2)在甲醇蒸气爆炸过程中，槽罐车的存在可提高混合气体的湍流程度，激励了爆炸反应，进而又促进了混合气体的湍流流动，二者之间的相互作用使甲醇蒸气爆炸超压随槽罐车数量的增加而显著增大，模拟过程中槽罐车数量从0增加到4时，该隧道内甲醇蒸气爆炸超压峰值由89.4 kPa增大到559.4 kPa。

3)当仅存在1辆槽罐车时，槽罐车相对点火源中心的位置可以影响爆炸过程中槽罐车周围空间压力场的分布，使槽罐车周围压强增大。

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