初始温度和压力对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性影响的模拟研究*

吕鹏飞，张家旭，马利克·哈力木，张 瑾，庞 磊，杨 凯，吕则恺

(北京石油化工学院 安全工程学院，北京 102617)

0 引言

市政地下排污管线是城市公共基础设施的重要组成部分，随着我国城镇建设步伐的加快和城市规模的逐步扩大，排污管网贯穿于城市的各个角落。由于地下排污空间相对封闭，容易产生大量有毒、有害、易燃、易爆混合性气体，外界气源极易泄入排污空间形成爆炸性环境，最终导致爆炸事故发生。例如2013年山东省青岛市“11·22”中石化东黄地下输油管道泄漏爆炸事故，挥发油气在市政排水暗渠内积聚遇火花发生爆炸，造成62人死亡、136人受伤。

由于市政地下排污管线开展气体爆炸安全防护研究具有现实意义。Jiang等[1]研究了排污管道内甲烷的生成机理及影响因素；刘仁龙等[2]根据下水道内气体流动特点，基于层流有限速率燃烧模型建立了可燃气体爆炸二维分析模型，研究了气体流动速度和甲烷体积分数对爆炸过程的影响；范小花等[3]分析了污水管网发生气体爆炸事故的主要影响因素，基于模糊综合评价法建立了气体爆炸风险评估模型，结合实例开展了风险评估并提出管理对策；米莉等[4]对城市下水道气体爆炸风险评估开展了研究，基于现有的安全管理经验建立了城市下水道气体爆炸半定量风险评估模型，认为城市下水道气体爆炸风险是可燃气体积聚可能性与爆炸后果的综合体现。此外，彭述娟[5]借助数值模拟和实验手段，在污水管道爆炸成因与气体爆炸极限分析基础上，建立了基于风险矩阵的污水管道气体爆炸风险评估模型；杨凯等[6]归纳了城市排水涵道油气爆炸研究的现状；张远等[7]总结分析了城市排污管道甲烷爆炸防控措施的不足，并提出了今后应重点研究的方向；胡修稳[8]对重庆主城区污水管道气体安全风险评估模型进行了研究，分析了影响爆炸的因素，并基于爆炸波模型计算了污水管道体系的爆炸极限。

综合目前研究成果发现，排污空间气体爆炸研究主要集中在气体成分分析、气体爆炸事故风险评估模型的建立及应用等方面，对气体爆燃特性及灾害传播规律研究较少。本文借鉴气体爆炸相关研究成果[9-16]，针对排污空间特殊环境条件，开展了初始温度和压力对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性影响的研究，以期为排污空间气体爆炸事故分析及预防提供指导。

1 爆炸分析模型

为研究初始温度和压力对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性的影响，借助三维计算流体动力学通用多物理场模拟软件Fluidyn-MP建立爆炸分析模型。所建模型为20 L球形爆炸容器(见图1)。球体半径R为0.168 m，将球心设置为点火源，距球心0.16 m处设有监测点，用于记录爆燃特性参数。考虑到排污空间内可燃性气体主要成分为甲烷，模拟过程中对气体成分进行简化处理，将球体内充满甲烷-空气混合物，其中甲烷体积分数为9.5%。

图1 爆炸分析模型Fig.1 Explosion analysis model

软件模拟中假设可燃气体爆炸为单步不可逆化学反应，采用有限体积法对包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程组进行求解来解决气体爆炸过程中的气体动力学问题，并通过k-ε模型模拟气体爆炸中的湍流行为。

2 初始温度对甲烷-空气混合物爆燃特性的影响

根据排污空间环境温度的动态变化，模拟过程中设置初始温度为253～353 K，以20 K为考察间距，保持初始压力为0.1 MPa，得到不同初始温度条件下甲烷-空气混合物爆燃压力随时间的变化曲线(见图2)。

图2 不同初始温度条件下甲烷-空气混合物爆燃压力随时间的变化曲线Fig.2 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial temperatures

由图2可知，在不同初始温度条件下，甲烷-空气混合物爆燃压力变化曲线具有一定的相似性：随着爆炸反应的进行，爆燃压力急剧上升，在反应进行到0.2 s左右时，爆燃压力达到峰值。由于建立的20 L球形爆炸罐模型将壁面设置为等温条件，混合物爆炸反应后，壁面与外界进行热交换，造成一定的能量损失，因此随着时间的延长爆燃压力逐渐下降。由图2分别提取不同初始温度下甲烷-空气混合物最大爆炸压力和到达最大爆炸压力的时间，得到变化曲线如图3所示。

由图3可知，随着初始温度的升高，甲烷-空气混合物爆炸反应的最大爆炸压力逐渐下降。其中初始温度为253 K时，最大爆炸压力为0.924 MPa，初始温度为353 K时，最大爆炸压力为0.675 MPa，与253 K时相比，压力值下降0.249 MPa，下降幅度为26.9%。分析认为，随着初始温度的升高，由于反应容器内外温差变大，加速了罐体与外界的热交换，同时也减少了罐体内单位体积甲烷-空气物质的量，造成放出的热量减少。因此，最大爆炸压力呈现下降趋势。同时，由图3可知，到达最大爆炸压力的时间与初始温度的倒数近似呈线性变化规律，即随着初始温度的升高，到达最大爆炸压力时间逐渐缩短。其中初始温度为253 K时，到达最大爆炸压力时间为0.209 s，初始温度为353 K时，到达最大爆炸压力时间为0.143 s，与253 K时相比缩短0.066 s，下降幅度为31.6%。分析认为，随着初始温度的升高，可燃气体分子内能增加，加快了分子的运动速率，使分子间的碰撞几率有所增加，表现为化学反应更加剧烈，造成到达最大爆炸压力的时间缩短。考虑到气体爆炸必须经过一段时间才能完全反应，因此，到达最大爆炸压力的时间不会无限缩短。

图3 不同初始温度条件下甲烷-空气混合物最大爆炸压力及到达时间变化曲线Fig.3 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial temperatures

此外，将图3中不同初始温度条件下甲烷-空气混合物最大爆炸压力模拟值与实验值[17]进行对比(见图4)，两者曲线变化趋势相近，而且在初始温度为253～353 K时曲线基本重合，表明数值模拟结果具有较高的可信度。

图4 不同初始温度条件下甲烷-空气混合物最大爆炸压力对比曲线Fig.4 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane air mixture under different initial temperatures

3 初始压力对甲烷-空气混合物爆燃特性的影响

通常情况下排污空间环境压力的动态变化幅度较小，基本维持在0.1 MPa左右，但在极端条件下(初次爆炸后)，排污空间发生二次爆炸，二次爆炸前混合气体极有可能处于异常高压环境，气体爆燃特性将呈现更为复杂的变化。因此数值模拟过程中，设置初始压力为0.1～1 MPa，以0.1 MPa为考察间距，保持初始温度为300 K，得到不同初始压力条件下监测点处甲烷-空气混合物爆燃压力随时间的变化曲线如图5所示。

图5 不同初始压力条件下甲烷-空气混合物爆燃压力随时间的变化曲线Fig.5 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial pressures

由图5可知，不同初始压力条件下甲烷-空气混合物爆燃压力变化曲线具有相似性，随着时间的延长爆燃压力先急剧上升再缓慢下降，在0.19 s左右爆燃压力达到峰值。此外，与不同初始温度条件下甲烷-空气混合物爆燃压力曲线(图2)相比，压力数值明显增大，整体提高一个数量级，表明甲烷-空气混合物爆燃压力对初始压力的敏感程度远大于初始温度的影响。由图5分别提取不同初始压力下甲烷-空气混合物最大爆炸压力和到达最大爆炸压力的时间，得到变化曲线如图6所示。

图6 不同初始压力条件下甲烷-空气混合物最大爆炸压力及到达时间变化曲线Fig.6 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial

由图6可知，随着初始压力的升高，甲烷-空气混合物最大爆炸压力近似呈线性关系递增，到达最大爆炸压力的时间也逐渐增大，与不同初始温度条件下的变化趋势(见图3)截然相反。其中，当初始压力为0.1 MPa时，甲烷-空气混合物最大爆炸压力为0.775 MPa，到达最大爆炸压力时间为0.171 s；当初始压力为1.0 MPa时，甲烷-空气混合物最大爆炸压力为8.455 MPa，到达最大爆炸压力时间为0.214 s，与初始压力为0.1 MPa相比，最大爆炸压力急剧增大，提高了9.9倍，到达最大爆炸压力时间增加了25.15%。分析认为，随着初始压力的增加，甲烷-空气混合物分子间距缩短，使得分子浓度升高，增加了分子间的碰撞几率，加快了化学反应速率，造成最大爆炸压力逐渐增大。此外，根据分子碰撞理论，爆炸反应过程中并不是所有的分子碰撞都能产生化学反应，只有发生碰撞的分子旧键破裂再进行原子间的重新结合，分子动能转化为内能才能产生有效碰撞。初始压力的增大造成可燃气体分子间距减小，在增加分子间碰撞几率的同时，也加快了碰撞中自由基销毁速率，降低了自由基浓度，导致初期燃烧速度减小，因此延长了到达最大爆炸压力的时间。

此外，将图6中不同初始压力条件下甲烷-空气混合物最大爆炸压力模拟值与实验值[18]进行对比(见图7)，初始压力为0.1～0.5 MPa，模拟值与实验值相比整体偏小，但两者曲线变化趋势相近，这与数值模拟时设置的初始温度偏高有一定关系(实验时初始温度为281～291 K，模拟时初始温度为300 K)，根据模拟结果可实现非常压情况下甲烷-空气混合物最大爆炸压力的定量预测。

图7 不同初始压力条件下甲烷-空气混合物最大爆炸压力对比曲线Fig.7 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane-air mixture under different initial

4 初始压力和初始温度对火焰传播速度的影响

考察不同初始压力和初始温度条件下爆炸火焰传播速度，得到火焰由20 L球形爆炸容器中心点火点传播到壁面附近监测点的平均传播速度变化曲线(见图8和图9)。

图8 不同初始温度条件下甲烷-空气混合物爆炸火焰平均传播速度变化曲线Fig.8 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial temperatures

图9 不同初始压力条件下甲烷-空气混合物爆炸火焰平均传播速度变化曲线Fig.9 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial

由图8可知，随着初始温度的增加，甲烷-空气混合物爆炸火焰平均传播速度呈线性增加，其中初始温度为253 K时，火焰传播速度为1.292 m/s，初始温度增加到353 K时，火焰传播速度为1.9 m/s，与初始温度为253 K相比较，增幅为47%，火焰传播速度增速明显。

由图9可知，随着初始压力的增加，甲烷-空气混合物爆炸火焰平均传播速度整体呈增加趋势，其中初始压力为0.1 MPa时，火焰传播速度为1.585 m/s，当初始压力增加到1 MPa时，火焰传播速度为1.615 m/s，与初始压力为0.1 MPa时相比，增幅为1.9%，火焰传播速度增幅不明显。此外，当初始压力为0.3～0.8 MPa时，火焰传播速度稳定在1.6 m/s，根据刘易斯等[19]提出的火焰传播速度与压力变化关系，以0.5和1 m/s为分界点，将火焰传播速度分为3个不同阶段，初始压力为0.3～0.8 MPa时，3个阶段的综合作用造成火焰平均传播速度保持相等，形成平台现象。由此可见，初始温度对火焰传播速度的影响远大于初始压力的影响，表明火焰传播速度对初始温度较敏感。

5 结论

1)随着初始温度的升高，甲烷-空气混合物最大爆炸压力和到达最大爆炸压力的时间降低，而初始压力的增加导致最大爆炸压力和到达最大爆炸压力的时间增大。表明初始温度和初始压力对甲烷-空气混合物爆燃特性的影响作用相反。

2)在初始温度考察范围内(253～353 K)，甲烷-空气混合物最大爆炸压力下降幅度为26.9%，到达最大爆炸压力的时间下降幅度为31.6%。在初始压力考察范围内(0.1～1 MPa)，最大爆炸压力增加9.9倍，到达最大爆炸压力时间增加25.15%。表明甲烷-空气混合物发生爆燃时，初始压力对最大爆炸压力的影响比初始温度更大，因此，应关注排污空间初始压力的急剧变化，尤其避免二次爆炸事故的发生。

3)随着初始温度和初始压力的升高，甲烷-空气混合物爆炸火焰平均传播速度增加，而初始温度对火焰传播速度的影响较大，表明火焰传播速度对初始温度的敏感程度远大于初始压力的影响。