综合管廊燃气爆炸超压及温度变化规律数值模拟

高 魁,李梦娣,夏 微

(1.安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽 淮南 232001)

城市地下综合管廊的建设对城市的发展具有重要的意义[1]。综合管廊是一种集电力、通讯、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共廊道,以实现市政管线的统一设计、统一规划、统一建设与统一管理,而市政管线的集中管理是维护城市运行的关键。管廊燃气舱燃气泄漏后爆炸产生的高温、高压冲击波会对地下综合管廊内相邻舱室以及地面构筑物造成严重破坏,带来重大经济损失,产生不良的社会影响。因此,国内外许多专家学者对可燃气体泄漏和爆炸进行了深入的研究和探索。

目前,国内外的专家学者对可燃气体泄漏和爆炸从实验和数值模拟等多层面展开研究,文献[2]采用实验研究和数值模拟相结合的方法,分析了预混可燃气体在狭长有限空间内点燃后的火焰传播阵面形态、影响因素和传播机制。文献[3]采用LS-DYNA软件对综合管廊中燃气泄漏后爆炸规律进行了模拟研究。文献[4-5]采用数值模拟的方法研究了综合管廊燃气舱燃气爆炸冲击波的传播特征和燃气舱结构对燃气爆炸超压的影响。文献[6]模拟了综合管廊燃气舱不同爆炸载荷下的冲击波的衰减规律。文献[7]通过FLACS模拟软件研究了水气舱天然气爆炸后的冲击波和火焰破坏。文献[8]基于CFD程序FLACS研究了放气条件、气云体积、点火位置等因素对综合管廊瓦斯爆炸的影响。文献[9]基于FLACS模拟研究了城市综合管廊天然气舱室的燃气爆炸特性。文献[10]提出了一种计算模型,能够推导无泄压或有泄压的刚性容器内部发生爆炸后的热力学性质。文献[11]利用数值模拟研究了城市地下综合管廊燃气舱燃气泄漏扩散的基本规律。文献[12]研究了不同泄漏孔径、通风速度对燃气泄漏扩散的影响。文献[13]建立综合管廊燃气舱的物理模型,分析了不同风速对燃气泄漏火灾的影响,通过分析总结出燃气舱内的温度分布和CO2浓度分布。文献[14]建立了200m×2m×3m的燃气舱模型,在距离排风口不同位置设立泄漏口,模拟了不同情况下燃气的泄漏规律。文献[15]对天然气管道进入综合管廊后发生泄漏扩散的危险性进行了研究。文献[16]采用数值模拟方法分析了综合管廊中天然气的泄漏和扩散特性,研究了不同压力、泄漏孔径、通风条件和泄漏位置的单因素变化和多因素变化。综上,针对综合管廊燃气舱燃气泄漏后爆炸的相关研究主要侧重于可燃气体的泄漏及爆炸,缺乏对综合管廊内燃气舱燃气泄露后爆炸的探讨。

国内外学者对综合管廊燃气舱燃气泄漏、事故通风和燃气扩散规律均作了大量研究,但是对燃气泄漏后燃气爆炸的超压及温度变化规律的研究不足,为分析综合管廊燃气爆炸冲击波传播特征的影响。本文以湍流模型为研究对象,利用Fluent19.0数值模拟软件研究时间、距离及燃气浓度对燃气爆炸超压和温度的变化规律,以期为城市综合管廊燃气舱燃气爆炸事故的安全防控提供支撑。

1 数值方法验证

为了验证数值模拟方法的可靠性,搭建实验装置进行试验,模拟试验条件进行数值计算。试验平台采用钢制圆形管道,管道内径为180mm,壁厚为20mm,管道总长为3m,如图1所示。点火端封闭,管道开口端使用PVC膜片进行密封。在管道表面轴线设有安装孔,用于安装压力传感器、阀门等设施。测点1、测点2分别距离点火端0.25m和2.75m。

图1 实验装置

建立与爆炸试验管道尺寸相同的模型,管道长为3m,直径为0.18m,在距离点火端0.25m和2.75m处设置监测点,记录爆炸中压力的变化。将管道开口端设为压力出口,回流湍流强度和粘度比分别为0.1%、1,管道壁面绝热。初始压力为1个大气压,初始温度为常温300K。空气的组成成分主要为氮气、氧气、二氧化碳、部分稀有气体和水蒸气等。由于氮气和氧气在空气中的占比分别为78%、21%,因此假设管道中仅存在甲烷、氧气以及氮气3种气体。在点火端设置1个已燃区用于点火,半径为0.05m,温度设置为2 000K。

甲烷浓度为9.5%时,试验与数值模拟所得超压峰值对比,测点1试验与模拟的超压峰值分别为45.676kPa、52.257kPa,测点2试验与模拟的超压峰值分别为38.714kPa、39.847kPa。模拟与试验相对误差绝对值分别为14.4%、2.9%。根据文献[17]可知,数值模拟与试验结果相对误差在20%以内属于工程可接受范围,说明数值模型有效。

分析造成二者误差的主要原因是:相比于实际条件,数值模拟进行了一定的简化,数值模拟假定气体为理想气体;模型绝热,与外界不发生热传递;燃气舱墙面为刚性,不考虑流-固耦合作用;燃气爆炸过程为单步反应。而实验过程并非完全理想状态。实际情况下,甲烷气体的爆炸过程会更加复杂,管道与周围环境存在热传递,管道壁面的粗糙度和压力传感器的精度均会影响试验结果。

2 建立数值模型和参数设置

2.1 建立数值模型

选取燃气舱的一个通风分区进行研究,通风分区长为200m,一个通风分区内设置两个通风口,面积为1m×1m,分别距两端防火门10m。对该模型进行网格划分,为简化计算过程,采用甲烷代替燃气。由于甲烷气体的密度小于空气,因此泄漏后会积聚在燃气舱顶部,为了便于计算将其假设为浓度均匀的方形。综合管廊燃气舱几何模型简化示意图如图2所示,从点火端开始每隔2m设置1个测点,共设置100个测点。假设预混气体混合均匀,且处于静止状态,初始压力为101.325kPa,初始温度为300K。选择RNGk-ε模型和涡耗散模型进行计算,采用压力求解器,使用PISO算法求解。时间步长设置为5×10-5s,步数为10 000,计算时长为0.5s。每隔20m设置压力和温度传感器记录爆炸超压及温度的变化。试验采用体积分数为9.5%的甲烷气体,气体积聚长度为14m。

图2 综合管廊燃气舱模型

2.2 湍流模型

湍流是一种具有旋转的、不规则的、较强的三维非稳定状态。现有的模拟技术主要有直接模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺时均模拟(RANS)。DNS采用N-S的三维非稳定方程,进行湍流的数值模拟。要求对高度复杂的源流进行直接计算,必须采用很小的时间和空间步长,所以计算量很大,对计算机要求也很高。湍流的形成机制、湍流脉动和混杂的原因是大尺度的旋涡。LES采用N-S非稳定方程式进行大涡的数值模拟,不是对小涡进行直接求解,而是用金斯模式进行求解。LES需要较高的计算机,但是远远低于 DNS。RANS采用N-S非稳定状态下的N-S方程,将湍流视为两种流的相加,分别为时均流和瞬间脉冲流,得到的时间平均N-S方程包括时平均和脉冲动量乘积时平均等未知变量。k-ε模型是两方程模型形式的雷诺时均模拟,因其模型较为简单并且精度较高,应用范围广。CFD软件中的k-ε模型包括Standard、RNG和Realize。

在综合管廊燃气舱内,由于燃气在管道内泄漏时容易形成回路,选择Realizek-ε模型可以有效避免该问题,其湍流方程为:

(1)

(2)

式中,k表示湍动能,J;μ表示流体黏度,Pa·s;μt表示流体湍动能黏度,Pa·s;Prk表示k方程普朗特数;Prε表示ε方程普朗特数;Gk表示由平均速度梯度产生的湍流动能产生项;C1ε、C2ε表示经验常数。

2.3 组分运输模型

Fluent软件提供的组分运输模型可以模拟分子级别的组分输送现象和具有化学反应的组分交换现象。因此,可以用来描述综合管廊燃气舱的燃气泄漏过程,以及它后续可能发生的天然气燃烧爆炸过程。其方程表达式为

(3)

式中,mi表示不同物质组分的质量分数; Γi表示湍流扩散系数。

3 结果及分析

3.1 超压及温度时空演化规律

在甲烷浓度为10%、预混气体积聚长度为20m、高度为2m的情况下,燃气舱内甲烷-空气预混气体爆炸后不同时刻的超压变化云图如图3所示。由图3可知,甲烷-空气预混气体在燃气舱内经历如下历程:预混气体被点燃后,形成了冲击波,冲击波从左侧点火端向外传播,10ms时前驱冲击波传播到通风口处,形成局部超压,超压值可达1MPa以上。由于管廊燃气舱壁面的约束,前驱冲击波越过通风口,继续沿管廊轴向传播。随着燃烧反应的结束,冲击波在燃气舱内不断衰减直至传播到右侧防火门处。300ms时冲击波传播到右侧防火门位置时与其碰撞,产生反向的反射波,在反射波和后方压缩波的叠加作用下,靠近右侧防火门位置的超压出现明显跃升。

图3 预混气体爆炸后不同时刻的超压变化云图

燃气舱内各位置的超压变化曲线如图4所示。由图4可知,超压随时间的变化总体呈现出反复波动的趋势。前驱冲击波到达,超压上升,冲击波通过后,超压下降。当冲击波到达防火门时,产生了反射波,距离防火门处的测点超压值突然增大是冲击波和反射波叠加作用。由于该模型假设绝热,产生的能量消耗较少,并且通风口的泄压作用较小,因此冲击波会在燃气舱内多次反射,最终能量耗尽,爆炸超压趋于稳定。

图4 燃气舱内各位置超压变化曲线

图5为燃气舱内各位置超压峰值-距离变化曲线图。由图5可知,随着冲击波传播距离的增加超压峰值总体表现为先增大后减小再增大。刚开始产生的反射压力波会对最开始的爆炸强度产生抑制作用,超压峰值在较小距离时有一个减小的趋势。爆炸初期可燃气体燃烧,放出大量热量,随着反应的进行,可燃气体不断被压缩,大量气体参与反应,燃烧加速,爆炸强度不断增加,超压值随着距离的增加而上升。随着冲击波传播的进行,爆炸生成的热量与传播过程中的损耗趋于平衡,超压值峰值达到最大。随后气体燃烧反应强度逐渐降低,冲击波传播过程中不断耗费能量,超压峰值下降。当测点与右侧防火门越来越近时,反射叠加作用愈加明显,超压峰值再次上升。随着距离的增加,超压峰值的衰减趋于平缓。

图5 超压峰值-距离变化曲线图

不同时刻燃气舱温度变化云图如图6所示。由图6可知,初始条件下,综合管廊燃气舱内的温度设置为300K。预混气体被点燃后,火焰以球面的形式向燃气舱右侧传播,如图6(a)所示。当t=5ms时,火焰传播距离约为8m,最高温度为2 560K,已燃区域和未燃区域之间存在明显火焰层。当t=12.5ms时,火焰传播距离至14m,火焰进入通风口,此时最高温度为2 710K,如图6(c)所示。

图6 不同时刻燃气舱温度变化云图

图7、图8分别为燃气舱内各位置温度随时间变化的曲线图、温度峰值随距离变化曲线图。由图7可知,温度随时间的变化呈现波动趋势,随着时间的增加温度先增加再减小后维持稳定。由图8可知,50m之前受压缩波的影响,温度波动较为明显;最高温度位于20m处约为2 680K,60m之后的温度变化较小,这是由于火焰并不会传播到此,温度变化主要受热传递的影响。甲烷-空气预混气体积聚长度为20m,由图6、图9得出火焰传播距离到50m后变化较小,火焰传播距离约为甲烷-空气预混气体积聚长度的2.5倍。

图7 燃气舱各位置温度变化曲线图

图8 温度峰值-距离变化曲线图

图9 不同浓度时超压峰值-距离变化曲线

3.2 燃气浓度对超压及温度影响

通过改变甲烷体积分数对不同甲烷浓度的预混可燃气体的爆炸进行数值模拟。甲烷体积分数分别设置为6%、8%、10%、12%、14%,甲烷-空气预混气体积聚长度为40m,积聚高度为2m。假设舱内的气体只有氮气、氧气和甲烷。

绘制不同浓度时超压峰值随距离变化的曲线,如图9所示。由图9可知,甲烷浓度的变化不会改变超压峰值-距离曲线的变化趋势。当浓度分别为6%、8%、10%、12%、14%时,爆炸过程产生的最大超压分别为965.849 6kPa、2 199.569kPa、2 287.292kPa、2 219.584kPa、2 152.235kPa。当甲烷浓度为6%时,超压在4m处上升至最大值随后下降,这是由于甲烷的爆炸极限为5%～16%,爆炸产生的气流扰动未燃气体,同时卷吸空气,导致甲烷浓度降低直至爆炸下限,无法继续反应。当甲烷浓度分别为10%、12%和14%时,爆炸初期发展相似,这是因为计算模型假设甲烷-空气预混气体积聚在燃气舱顶部,下方仍有空气,爆炸形成冲击波,冲击波扰动预混气体下方空气,同时燃气舱通风口的存在也为贫氧燃烧提供了氧气,一定程度上促进了燃烧。当甲烷浓度超过最佳浓度时,同一位置处的超压峰值相差不大。40m之后,甲烷浓度为8%、10%、12%、14%工况的超压峰值开始下降。

图10为不同甲烷浓度时温度峰值的变化。由图10可知,随着距离的增加,温度峰值先增加后减小。42m之前,温度峰值随着浓度的增加先增大后减小;42m之后,温度峰值随着浓度的增加而增大。由于爆炸冲击波扰动未燃气体,促进未燃气体与空气混合,为燃烧提供了氧气,延长了反应持续的时间,因此温度峰值下降较慢。浓度越高,火焰传播距离越远。

图10 不同浓度时温度峰值-距离变化曲线

四、结论与展望

本文运用数值模拟的方法研究综合管廊燃气舱燃气爆炸超压及温度的变化规律,发现超压随时间的变化上下波动,随距离的增加先增大后减小在增大,随甲烷浓度的增加先增大后减小;温度峰值随距离的增加先增大后减小、随后保持相对稳定,随甲烷浓度增加先增大后减小。因此,根据实际工况,当燃气舱燃气发生泄漏后,应及时采取事故通风,减轻爆炸产生的后果。

本文研究了综合管廊燃气爆炸超压及温度的变化规律,而针对障碍物对综合管廊燃气舱燃气爆炸的研究还应考虑实际空间障碍物,包括管线支撑、消防设施、预留框架等,建立综合管廊的爆炸模型,分析障碍物对燃气爆炸的影响规律。考虑实际场景,还可进一步考虑浓度非均匀分布的爆炸研究。