乙醚蒸氣爆炸特性數值研究

韋富喜， 張樹海， 茍瑞君， 馮睿智

(中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051)

引 言

作為染料、樹脂、硝化纖維、碳氫化合物、石油樹脂、非硫化橡膠等的優良溶劑，乙醚在工業生產中有著廣泛的使用價值。國內發射藥的生產中常使用醇醚混合溶劑對硝化棉進行膨潤和塑形［1］。乙醚是一種極易揮發和極易燃燒的液體，在生產過程中其蒸氣遇明火或電火花可發生劇烈的爆炸，從而給生產和人身造成巨大的災害。目前，國內外有關可燃液體蒸氣燃燒爆炸方面的研究還不多見，而在可燃氣體爆炸方面的研究則基本上集中在氣體或粉塵爆炸以及二者的混合爆炸［2］方面。本文采用CFD數值模擬技術，以乙醚為主，從理論分析和數據模擬2個方面研究了可燃液體蒸氣的爆炸過程。

1 數學模型

1.1 基本方程

乙醚蒸氣的爆炸屬于可燃液體蒸氣爆炸，是氣體爆炸的一種形式，故在研究中常以氣體爆炸來研究其爆炸特性。由于氣體爆炸的影響因素眾多，且氣體爆炸過程為一種非定常的快速反應過程，使得通過實驗測量爆炸流場的壓力波形和載荷分布變得極其困難［3-4］，因此，以CFD為基礎的數值模擬成為了對可燃氣體爆炸特性研究的理想途徑。通過CFD模擬技術研究可燃液體蒸氣爆炸過程，需以如下守恒方程組作為模擬理論的重要部分［5］。

質量守恒方程，見式(1)。

動量守恒方程，見式(2)。

能量守恒方程，見式(3)。

化學組分平衡方程，見式(4)。

k-ε模型的湍動能 k和耗散率 ε方程［6］，見式(5)和式(6)。

式中:ρ為流體密度;u為流體流速;μe為有效黏性系數;h為比焓;p為壓力;t為時間;Sh為能量源項;Yfu為可燃組分質量分數;Rfu為待測定體積燃燒率;G為廣義擴散系數;k為湍動能;ε為湍流耗散率;C1、C2、σh、σfu、σk、σε分別為給定值。

對乙醚蒸氣的燃燒爆炸過程選用k-ε湍流模型和EBU-Arrhenius燃燒模型［7-8］。EBU 模型認為，化學反應的平均速率與化學動力學無關，而只取決于低溫的反應物和高溫的燃燒產物之間的湍流混合作用，對時均反應速率取wt和wA兩者中較小的一個，如式(7)。

其中，wt為基于k-ε湍流模型計算的湍流化學反應速率，決定于已燃和未燃氣體微團破碎速率中的較小值，見式(8)和式(9)。

wA為基于Arrehnim公式計算的平均化學反應速率，如式(10)。

1.2 模型建立

以反應釜進料口處出現明火引起乙醚蒸氣在反應釜中的燃燒爆炸為例，建立容積為50 L的反應釜(二維模型如圖1所示)，反應釜高度H=0.6 m，釜內直徑D=0.5 m，進料口直徑d=0.1 m。數值計算中，釜內其他區域氣體的初始溫度為T0=300 K。

圖1 反應釜模型

對乙醚蒸氣燃燒爆炸的化學反應采用單步不可逆反應模型，乙醚-空氣預混氣體的燃燒爆炸反應可表示為反應式(Ⅰ):

為了便于計算，本研究做了以下基本假設:

1)計算中所涉及的氣體全部為理想氣體，且完全穩定;

2)在計算區域內預混可燃性氣體均勻分布，并處于靜止狀態;

3)忽略壁面厚度，且壁面為絕熱壁面;

4)壁面處的速度為零;

5)計算過程中，氣體的比熱容隨溫度變化。

對湍流燃燒采用EBU-Arrhenius模型，壓力與速度的耦合采用SIMPLCE算法，激波的捕捉采用二階迎風格式，近壁面處理采用標準壁面函數，密度、黏度和各組分項的迭代采用亞松弛處理，對流項的處理也采用二階迎風格式，控制方程的離散采用有限體積法。

對于容器內均勻混合氣體爆炸，初始時刻為t0，流場初始化條件為:T(t0)=305 K，p(t0)=101.325 kPa(1 atm)，u(t0)=0，v(t0)=0，wC4H10O(t0)=0.082，wO2(t0)=0.210，wN2(t0)=0.708，wCO2(t0)=0，wH2O(t0)=0。

點火初始條件為:明火位置位于進料口，明火火源是半徑R=0.02 m的半圓形高溫氣團，高溫氣團初始溫度T'0=2 000 K。

2 結果與分析

乙醚-空氣混合氣體在高溫氣團作用下，其點火、燃燒和爆炸過程如圖2所示。

圖2 乙醚-空氣在反應釜中的燃燒爆炸過程

圖2 是以溫度變化情況(溫度等值線圖)來表征混合氣體點火、燃燒和爆炸過程的。經過一定延遲時間的準備，初始高溫氣團內部首先發生反應并放熱，使高溫氣團的溫度不斷上升。同時，反應放出的熱量傳遞給靠近高溫氣團的可燃性氣體。該層可燃性氣體被加熱后，也開始發生反應并放熱。隨著可燃性氣體溫度的升高，反應速率不斷加快，最終達到點火燃燒狀態。乙醚-空氣混合氣體的點火延遲時間大約為0.004 s。點火完成后，燃燒火焰陣面逐漸向外擴展，上一層反應放出的熱量依次傳遞給下一層可燃氣體。如此延續下去，使得乙醚-空氣混合氣體發生連續燃燒和爆炸。隨著燃燒的進行，火焰陣面不斷向未燃區域移動。

圖3為乙醚在反應釜中反應物質的速度場和速度矢量圖。從圖3可以看出，波的傳播方向和反應物的傳輸方向相反，可說明乙醚在反應釜中的爆炸方式為爆燃，這與實際情況相吻合［9-10］。一般認為，可燃氣云爆炸絕大多數為爆燃，發生爆轟的可能性極小?？扇細庠票际且环N極快、非定常、帶化學反應且受眾多物理因素影響的流體力學過程，因此，它比穩態的燃燒或爆轟更復雜。

圖3 t=0.05 s時的速度場和速度矢量圖

圖4為0.15 s時反應釜一段區域內的溫度和壓力分布曲線。從圖4可以看出，前驅壓力波曲線明顯超前于溫度曲線，即前驅沖擊波陣面與燃燒火焰陣面是分離的。這是因為，氣體爆燃的傳播機制并不是依靠先導沖擊波的壓縮加熱，而是主要依靠熱傳導、熱輻射及活化中心向未燃氣體中擴散等輸運過程，因此，必然導致燃燒波陣面滯后于前驅壓力波陣面，從而形成典型的“兩波三區”(兩波是指前驅壓力波和燃燒波)的氣體燃燒、爆炸流場結構，此流場結構完全不同于爆轟波流場結構。

圖4 t=0.15 s時的壓力和溫度分布曲線

圖5 為反應釜一區域內溫度隨時間的變化曲線。由圖5可知，爆炸溫度在2 500 K～3 000 K。在對爆炸溫度進行理論計算中，其反應式為式(Ⅱ)。

圖5 時間-溫度曲線

反式(Ⅱ)式中的氮氣量是按空氣中V(N2)∶V(O2)=70.8∶21.0的比例確定的。由反應方程式(Ⅱ)可見，爆炸前的分子數m1為29.6，爆炸后的分子數m2為31.6，燃燒產物的總熱容為(688.4+0.096 7t)×103J/(kmol·℃)。這里的熱容是定體積熱容，符合密閉容器中的爆炸情況。

因為爆炸速度極快，是在近乎絕熱情況下進行的，所以，全部燃燒熱可近似地看作是用于提高燃燒產物的溫度，可得爆炸溫度為2 826 K。模擬所得爆炸溫度與理論計算相近。

圖6為乙醚在反應釜中的爆炸壓力分布圖。當可燃物質的濃度等于或稍高于化學當量濃度時，爆炸產生的壓力最大。所以，計算時應采用反應當量濃度。先按乙醚的燃燒反應式計算爆炸前、后的氣體摩爾數，由m1=29.6、m2=31.6 可得p=0.86 MPa。

以上計算所得爆炸溫度與壓力都沒有考慮熱損失，是按理論的空氣量計算的，故所得的數值都是最大值。

圖6 t=0.01 s壓力場圖

從結果可以看出，理論和模擬結果存在著一定的差距，但相差并不是很大。模擬結果比較接近真實情況，驗證了CFD數值模擬與理論分析之間的合理性。

3 結論

乙醚是工業生產中的常用溶劑。本文從理論分析和數據模擬2個方面研究了可燃液體蒸氣的爆炸過程，對可燃液體蒸氣爆炸進行了研究。

1)研究了可燃液體蒸氣爆炸的化學反應過程，并根據理論總結出了可燃液體蒸氣爆炸的變化規律。

2)以乙醚蒸氣燃燒爆炸模擬展現可燃液體蒸氣爆炸傳播過程，并以圖形輸出了模擬結果，展現了爆炸過程中的變化情況，驗證了模擬的合理性。

3)所做工作可為可燃蒸氣爆炸強度的評價提供思路，為進一步使用CFD數值模擬手段分析工業災害中的問題提供一些幫助。

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