泄爆口參數(shù)對(duì)柱形容器泄爆過(guò)程影響的數(shù)值分析

陳中漢

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

泄爆口參數(shù)對(duì)柱形容器泄爆過(guò)程影響的數(shù)值分析

陳中漢

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

本文基于流體力學(xué)軟件Fluent，通過(guò)模擬9.5%的甲烷-空氣混合氣體在柱形容器內(nèi)的燃爆與泄爆過(guò)程，分析了不同泄爆口位置以及不同泄爆口數(shù)量等因素對(duì)泄爆過(guò)程的影響。結(jié)果表明：泄爆過(guò)程中普遍存在二次壓力峰值現(xiàn)象，泄爆口越遠(yuǎn)離點(diǎn)火位置，二次壓力峰值到達(dá)時(shí)間越長(zhǎng)，峰值壓力持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，壓力泄放越慢；等截面積條件下，增加泄爆口數(shù)量能在一定程度上加快容器內(nèi)的壓力泄放。

泄爆口參數(shù)；影響；數(shù)值分析

在石油、化工等行業(yè)中存在有大量的儲(chǔ)油儲(chǔ)氣罐，而這些儲(chǔ)罐一旦由于靜電、高溫等誘因致使內(nèi)部發(fā)生燃燒或爆炸，產(chǎn)生的高溫、高壓往往會(huì)破壞容器，造成嚴(yán)重的二次事故。泄爆是為了將容器內(nèi)的高溫高壓流體通過(guò)一定的裝置泄放到其他空間，從而降低原容器內(nèi)的溫度、壓力，進(jìn)而保證容器的安全控制。然而，由于化學(xué)燃爆泄放的復(fù)雜性，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的泄放設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于壓力容器開(kāi)口泄爆過(guò)程影響因素的分析，目前大部分學(xué)者主要從泄爆面積、泄爆破膜壓力、腔體體積等方面去研究，并得出了較好的結(jié)論，然而對(duì)于泄爆口位置以及泄爆口數(shù)量對(duì)泄爆過(guò)程的影響，卻很少人考慮。基于此，本文采用數(shù)值模擬的方式，通過(guò)設(shè)置不同的泄爆口位置、及數(shù)量來(lái)研究泄爆過(guò)程中腔體內(nèi)壓力的變化規(guī)律。

1 泄爆過(guò)程模擬的求解模型

1.1 基本假設(shè)

受模擬條件限制與問(wèn)題研究的簡(jiǎn)化，本模擬中采用以下主要基本假設(shè)：①試驗(yàn)氣體屬于理想氣體，滿足理想氣體基本狀體方程；②模擬試驗(yàn)處于絕熱狀態(tài)下，忽略管壁處的熱交換；③模擬采用一步反應(yīng)法，忽略甲烷燃爆過(guò)程中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，忽略反應(yīng)的可逆因素。

1.2 燃爆過(guò)程的求解計(jì)算模型

一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)可燃?xì)怏w的燃爆過(guò)程是一個(gè)快速的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程中滿足基本的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程以及組分平衡方程。

Fluent中提供了多種模擬化學(xué)反應(yīng)的模型，其中的通用有限速率模型是基于組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程的解，利用預(yù)先定義的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制對(duì)反應(yīng)進(jìn)行模擬，其化學(xué)反應(yīng)速率以源項(xiàng)的形式附加在組分輸運(yùn)方程中。

Fluent計(jì)算流體力學(xué)中的化學(xué)反應(yīng)速度，可以通過(guò)層流有限速率模型、渦耗散模型、渦耗散概念(EDC)模型等方面進(jìn)行計(jì)算。渦耗散模型是假定在足夠精細(xì)的渦流尺度條件下，分子級(jí)別混合的化學(xué)反應(yīng)在瞬間完成，其燃燒速度主要取決于渦流混合速度。而EDC模型是在湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu)中包含化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，其假定化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在小渦(精細(xì)渦)中，而反應(yīng)時(shí)間是有精細(xì)渦及化學(xué)反應(yīng)本身需要的時(shí)間共同決定的，該模型通過(guò)小渦空間分辨率與時(shí)間尺度兩參數(shù)對(duì)反應(yīng)進(jìn)行控制。

當(dāng)燃爆速率受化學(xué)反應(yīng)自身速率限制時(shí)，其反應(yīng)速度由修正的阿倫尼烏斯表達(dá)式計(jì)算，見(jiàn)下式。

式中：k為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；A為反應(yīng)的指前因子；T為反應(yīng)溫度/K；β為溫度指數(shù)；Ea為反應(yīng)活化能/J/(kg·mol)；R為氣體常數(shù)/J/(kg·mol·K)。

基于瓦斯燃爆過(guò)程和泄爆過(guò)程的特點(diǎn)，以及各模型的適用范圍，本模擬采用EDC模型模擬甲烷燃爆過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，用渦耗散模型模擬泄爆過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

2 構(gòu)建模型及模型參數(shù)設(shè)置

模擬采用柱形壓力容器進(jìn)行試驗(yàn)，其二維簡(jiǎn)化模型如圖1所示。其中柱形壓力容器直徑0.2m，高度1m，長(zhǎng)徑比為1∶5，充入氣體為9.5%的甲烷-空氣混合氣體，點(diǎn)火區(qū)域位于容器底面中心，點(diǎn)火溫度2000K，點(diǎn)火區(qū)域?yàn)榘雸A形，半徑0.004m。

圖1 柱形泄爆容器二維簡(jiǎn)化計(jì)算模型

流場(chǎng)初始?jí)毫橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，表壓力為零，流場(chǎng)靜止。容器內(nèi)氣體初始質(zhì)量組分為甲烷0.053，氧氣0.21，氮?dú)?.737。點(diǎn)火區(qū)域初始質(zhì)量組分為：甲烷0；氧氣0；二氧化碳0.145；水蒸氣0.118。單口泄壓時(shí)，泄壓口長(zhǎng)度0.05m，分別位于頂端中央、右側(cè)面中央、右側(cè)面底端。雙口泄壓時(shí)，泄壓口單個(gè)長(zhǎng)度為0.025m，分別位于兩側(cè)面底端。泄爆采用開(kāi)口泄爆方式，泄爆壓力設(shè)定為40.703kPa。

3 結(jié)果分析

3.1 燃爆過(guò)程

通過(guò)初始化點(diǎn)火區(qū)域內(nèi)的溫度與組分，以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷預(yù)混氣體的點(diǎn)火，點(diǎn)火后容器內(nèi)的溫度壓力變化情況見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 混合氣體點(diǎn)燃后柱形容器內(nèi)溫度隨時(shí)間變化等值線圖

圖3 混合氣體點(diǎn)燃后至泄爆前，柱形容器內(nèi)壓力隨時(shí)間變化曲線

由圖2可以看出，柱形容器內(nèi)一定濃度的甲烷-空氣預(yù)混氣體在底端被點(diǎn)燃后，燃燒反應(yīng)隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸向四周蔓延，反應(yīng)速度逐漸加快，火焰區(qū)域逐漸增大。由于反應(yīng)生成大量熱并在局部積累，致使該區(qū)域溫度、壓力快速升高，而壓力波的傳播要顯著快于溫度的傳播，因此采用壓力來(lái)反映容器內(nèi)的反應(yīng)情況是較為準(zhǔn)確的。從圖3的壓力變化圖中我們也可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，反應(yīng)由燃燒向燃爆快速轉(zhuǎn)換，容器內(nèi)壓力快速上升，在30ms左右時(shí)，容器內(nèi)壓力達(dá)到泄爆設(shè)定值。

3.2 泄爆過(guò)程

當(dāng)達(dá)到泄爆壓力時(shí)，模型通過(guò)調(diào)整出口邊界條件實(shí)現(xiàn)泄爆過(guò)程的控制，通過(guò)調(diào)節(jié)不同位置、數(shù)量的泄爆口開(kāi)閉來(lái)模擬泄爆位置對(duì)泄爆過(guò)程的影響。

3.2.1 不同泄爆位置對(duì)泄爆過(guò)程的影響

圖4顯示了泄爆口分別位于頂面、右側(cè)面中央、右側(cè)面底端時(shí)柱形壓力容器內(nèi)壓力隨泄爆時(shí)間的變化關(guān)系。由此可以得出如下結(jié)論。

圖4 不同開(kāi)口位置泄爆，容器內(nèi)壓力隨時(shí)間變化曲線

1)無(wú)論在何處開(kāi)口泄爆，泄爆過(guò)程都是一個(gè)較為短暫的過(guò)程，當(dāng)泄爆口打開(kāi)后，約30ms時(shí)腔內(nèi)壓力均已基本降低至了較小值。

2)同時(shí)，無(wú)論采用哪種開(kāi)口方式，泄爆過(guò)程中容器內(nèi)壓力都存在較為明顯二次回升現(xiàn)象。其中，側(cè)面中部開(kāi)口的二次波峰最先出現(xiàn)，約在33ms處，且二次波峰壓力值較高，可達(dá)35kPa左右，不過(guò)，其二次波峰持續(xù)時(shí)間較短，約為1～2ms。對(duì)于側(cè)面底端開(kāi)口，其二次波峰出現(xiàn)在約38ms處，二期二次波峰壓力值最小，約為5kPa，且持續(xù)時(shí)間也較短，約4ms。而頂端開(kāi)口的壓力二次波峰約在46ms處出現(xiàn)，峰值約為25kPa，不過(guò)其持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，超過(guò)10ms。之所以會(huì)出現(xiàn)壓力的二次波峰，這主要是由于泄爆時(shí)未燃的混合氣體泄放時(shí)的二次燃爆對(duì)泄爆過(guò)程起到了一定的阻滯作用。由于點(diǎn)火源位于底端，高溫區(qū)域也主要集中在了底端部位，當(dāng)?shù)锥烁邷叵蛐贡谝苿?dòng)的過(guò)程中，加上距離的因素，二次混合燃爆發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度就產(chǎn)生了差別。

3)不同的泄爆位置影響泄爆速度與泄爆效果。從圖4(d)可以明顯看出，側(cè)面底端泄爆過(guò)程中壓力降低的最快，壓力降低到較低值所用的時(shí)間最短，且二次燃爆較不明顯，二次燃爆峰值較小，因此二次燃爆對(duì)泄爆裝置的二次擾動(dòng)較小，較有利于器械的維護(hù)。而頂端開(kāi)口泄爆，泄壓速度相對(duì)較慢，降低至壓力較低值所用時(shí)間較長(zhǎng)，且二次燃爆十分明顯，不利于泄爆裝置的維護(hù)保養(yǎng)。

3.2.2 不同泄爆口數(shù)量對(duì)泄爆過(guò)程的影響

為研究相同的泄爆面積，而泄爆口數(shù)量不同對(duì)泄爆效果的影響，本模擬在頂端中央設(shè)單個(gè)長(zhǎng)0.05m的泄爆口，同時(shí)在其兩側(cè)緊鄰位置各設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)為0.025m的泄爆口，分別泄爆容器內(nèi)的壓力。變化情況見(jiàn)圖5。

圖5 等泄爆面積、不同數(shù)量泄爆口對(duì)泄爆壓力影響曲線

從圖5中我們可以明顯看出，等泄爆面積條件下，雙孔泄爆的二次壓力峰值首先到達(dá)，且峰值大小小于單泄爆口壓力峰值大小。圖中我們也可以看出，二次壓力峰值過(guò)后，雙孔泄爆的壓降速度也相對(duì)快與單孔泄爆過(guò)程。這主要是由于雙孔泄爆時(shí)流場(chǎng)被拆分成兩束，減小了泄爆口壓力集中涌出的局部阻力從而更有利于壓力的泄放。

4 結(jié) 論

通過(guò)模擬9.5%的甲烷空氣預(yù)混氣體的燃爆、泄爆過(guò)程，本文研究了不同開(kāi)口位置及等泄爆面積不同泄爆口數(shù)量對(duì)于泄爆過(guò)程中柱形容器內(nèi)壓力變化的影響，得出如下結(jié)論。

1)泄爆過(guò)程是一個(gè)迅速的過(guò)程，且普遍存在二次壓力波峰現(xiàn)象。開(kāi)口位置離點(diǎn)火位置越遠(yuǎn)，壓力二次波峰到達(dá)時(shí)間越靠后，波峰持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，腔內(nèi)壓力降低越慢，越不利于泄爆。

2)相同的泄爆面積條件下，泄爆口數(shù)量增加在一定程度上能分散泄爆氣流，減小泄爆阻力，從而加快泄爆過(guò)程，因此將泄爆口分散布置在一定程度上有利于柱形容器內(nèi)的壓力泄放。

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[6] 朱紅鈞.流體分析及仿真使用教程[M].北京：人民郵電出版社，2010.

Numericalanalysis on influencing of explosion vent parameters to the cylindrical container venting progress

CHEN Zhong-han

(Faculty of Resources & Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Based on FLUENT-the fluid dynamics software，a simulated experiment about the explosion and explosion venting of 9.5 Ch4-air mixture in a cylindrical container is set to analyze the influence of different locations and numbers of venting ports to the pressure decreasing of the container during the venting progress.The results show that：the “two pressure peaks” phenomenon is common in the venting progress.The further the vent is away from the ignition position，the longer of the arrival time of the twice pressure peak and the last time of the peak and thus the slower of the pressure venting progress.Additionally，at the condition of equal venting square，the increasing of the number of vents can be helpful for the pressure venting progress to a certain extent.

explosion venting parameters；influence；numerical analysis

2014-10-27

X936

A

1004-4051(2015)08-0138-03