初始溫度和壓力對排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性影響的模擬研究*

呂鵬飛，張家旭，馬利克·哈力木，張 瑾，龐 磊，楊 凱，呂則愷

(北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 102617)

0 引言

市政地下排污管線是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快和城市規(guī)模的逐步擴大，排污管網(wǎng)貫穿于城市的各個角落。由于地下排污空間相對封閉，容易產(chǎn)生大量有毒、有害、易燃、易爆混合性氣體，外界氣源極易泄入排污空間形成爆炸性環(huán)境，最終導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生。例如2013年山東省青島市“11·22”中石化東黃地下輸油管道泄漏爆炸事故，揮發(fā)油氣在市政排水暗渠內(nèi)積聚遇火花發(fā)生爆炸，造成62人死亡、136人受傷。

由于市政地下排污管線開展氣體爆炸安全防護研究具有現(xiàn)實意義。Jiang等[1]研究了排污管道內(nèi)甲烷的生成機理及影響因素；劉仁龍等[2]根據(jù)下水道內(nèi)氣體流動特點，基于層流有限速率燃燒模型建立了可燃?xì)怏w爆炸二維分析模型，研究了氣體流動速度和甲烷體積分?jǐn)?shù)對爆炸過程的影響；范小花等[3]分析了污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸事故的主要影響因素，基于模糊綜合評價法建立了氣體爆炸風(fēng)險評估模型，結(jié)合實例開展了風(fēng)險評估并提出管理對策；米莉等[4]對城市下水道氣體爆炸風(fēng)險評估開展了研究，基于現(xiàn)有的安全管理經(jīng)驗建立了城市下水道氣體爆炸半定量風(fēng)險評估模型，認(rèn)為城市下水道氣體爆炸風(fēng)險是可燃?xì)怏w積聚可能性與爆炸后果的綜合體現(xiàn)。此外，彭述娟[5]借助數(shù)值模擬和實驗手段，在污水管道爆炸成因與氣體爆炸極限分析基礎(chǔ)上，建立了基于風(fēng)險矩陣的污水管道氣體爆炸風(fēng)險評估模型；楊凱等[6]歸納了城市排水涵道油氣爆炸研究的現(xiàn)狀；張遠(yuǎn)等[7]總結(jié)分析了城市排污管道甲烷爆炸防控措施的不足，并提出了今后應(yīng)重點研究的方向；胡修穩(wěn)[8]對重慶主城區(qū)污水管道氣體安全風(fēng)險評估模型進行了研究，分析了影響爆炸的因素，并基于爆炸波模型計算了污水管道體系的爆炸極限。

綜合目前研究成果發(fā)現(xiàn)，排污空間氣體爆炸研究主要集中在氣體成分分析、氣體爆炸事故風(fēng)險評估模型的建立及應(yīng)用等方面，對氣體爆燃特性及災(zāi)害傳播規(guī)律研究較少。本文借鑒氣體爆炸相關(guān)研究成果[9-16]，針對排污空間特殊環(huán)境條件，開展了初始溫度和壓力對排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性影響的研究，以期為排污空間氣體爆炸事故分析及預(yù)防提供指導(dǎo)。

1 爆炸分析模型

為研究初始溫度和壓力對排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響，借助三維計算流體動力學(xué)通用多物理場模擬軟件Fluidyn-MP建立爆炸分析模型。所建模型為20 L球形爆炸容器(見圖1)。球體半徑R為0.168 m，將球心設(shè)置為點火源，距球心0.16 m處設(shè)有監(jiān)測點，用于記錄爆燃特性參數(shù)。考慮到排污空間內(nèi)可燃性氣體主要成分為甲烷，模擬過程中對氣體成分進行簡化處理，將球體內(nèi)充滿甲烷-空氣混合物，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%。

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

軟件模擬中假設(shè)可燃?xì)怏w爆炸為單步不可逆化學(xué)反應(yīng)，采用有限體積法對包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進行求解來解決氣體爆炸過程中的氣體動力學(xué)問題，并通過k-ε模型模擬氣體爆炸中的湍流行為。

2 初始溫度對甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響

根據(jù)排污空間環(huán)境溫度的動態(tài)變化，模擬過程中設(shè)置初始溫度為253～353 K，以20 K為考察間距，保持初始壓力為0.1 MPa，得到不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線(見圖2)。

圖2 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線Fig.2 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial temperatures

由圖2可知，在不同初始溫度條件下，甲烷-空氣混合物爆燃壓力變化曲線具有一定的相似性：隨著爆炸反應(yīng)的進行，爆燃壓力急劇上升，在反應(yīng)進行到0.2 s左右時，爆燃壓力達(dá)到峰值。由于建立的20 L球形爆炸罐模型將壁面設(shè)置為等溫條件，混合物爆炸反應(yīng)后，壁面與外界進行熱交換，造成一定的能量損失，因此隨著時間的延長爆燃壓力逐漸下降。由圖2分別提取不同初始溫度下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時間，得到變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著初始溫度的升高，甲烷-空氣混合物爆炸反應(yīng)的最大爆炸壓力逐漸下降。其中初始溫度為253 K時，最大爆炸壓力為0.924 MPa，初始溫度為353 K時，最大爆炸壓力為0.675 MPa，與253 K時相比，壓力值下降0.249 MPa，下降幅度為26.9%。分析認(rèn)為，隨著初始溫度的升高，由于反應(yīng)容器內(nèi)外溫差變大，加速了罐體與外界的熱交換，同時也減少了罐體內(nèi)單位體積甲烷-空氣物質(zhì)的量，造成放出的熱量減少。因此，最大爆炸壓力呈現(xiàn)下降趨勢。同時，由圖3可知，到達(dá)最大爆炸壓力的時間與初始溫度的倒數(shù)近似呈線性變化規(guī)律，即隨著初始溫度的升高，到達(dá)最大爆炸壓力時間逐漸縮短。其中初始溫度為253 K時，到達(dá)最大爆炸壓力時間為0.209 s，初始溫度為353 K時，到達(dá)最大爆炸壓力時間為0.143 s，與253 K時相比縮短0.066 s，下降幅度為31.6%。分析認(rèn)為，隨著初始溫度的升高，可燃?xì)怏w分子內(nèi)能增加，加快了分子的運動速率，使分子間的碰撞幾率有所增加，表現(xiàn)為化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，造成到達(dá)最大爆炸壓力的時間縮短。考慮到氣體爆炸必須經(jīng)過一段時間才能完全反應(yīng)，因此，到達(dá)最大爆炸壓力的時間不會無限縮短。

圖3 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力及到達(dá)時間變化曲線Fig.3 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial temperatures

此外，將圖3中不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力模擬值與實驗值[17]進行對比(見圖4)，兩者曲線變化趨勢相近，而且在初始溫度為253～353 K時曲線基本重合，表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可信度。

圖4 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力對比曲線Fig.4 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane air mixture under different initial temperatures

3 初始壓力對甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響

通常情況下排污空間環(huán)境壓力的動態(tài)變化幅度較小，基本維持在0.1 MPa左右，但在極端條件下(初次爆炸后)，排污空間發(fā)生二次爆炸，二次爆炸前混合氣體極有可能處于異常高壓環(huán)境，氣體爆燃特性將呈現(xiàn)更為復(fù)雜的變化。因此數(shù)值模擬過程中，設(shè)置初始壓力為0.1～1 MPa，以0.1 MPa為考察間距，保持初始溫度為300 K，得到不同初始壓力條件下監(jiān)測點處甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線Fig.5 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial pressures

由圖5可知，不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力變化曲線具有相似性，隨著時間的延長爆燃壓力先急劇上升再緩慢下降，在0.19 s左右爆燃壓力達(dá)到峰值。此外，與不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力曲線(圖2)相比，壓力數(shù)值明顯增大，整體提高一個數(shù)量級，表明甲烷-空氣混合物爆燃壓力對初始壓力的敏感程度遠(yuǎn)大于初始溫度的影響。由圖5分別提取不同初始壓力下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時間，得到變化曲線如圖6所示。

圖6 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力及到達(dá)時間變化曲線Fig.6 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial

由圖6可知，隨著初始壓力的升高，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力近似呈線性關(guān)系遞增，到達(dá)最大爆炸壓力的時間也逐漸增大，與不同初始溫度條件下的變化趨勢(見圖3)截然相反。其中，當(dāng)初始壓力為0.1 MPa時，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力為0.775 MPa，到達(dá)最大爆炸壓力時間為0.171 s；當(dāng)初始壓力為1.0 MPa時，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力為8.455 MPa，到達(dá)最大爆炸壓力時間為0.214 s，與初始壓力為0.1 MPa相比，最大爆炸壓力急劇增大，提高了9.9倍，到達(dá)最大爆炸壓力時間增加了25.15%。分析認(rèn)為，隨著初始壓力的增加，甲烷-空氣混合物分子間距縮短，使得分子濃度升高，增加了分子間的碰撞幾率，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，造成最大爆炸壓力逐漸增大。此外，根據(jù)分子碰撞理論，爆炸反應(yīng)過程中并不是所有的分子碰撞都能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，只有發(fā)生碰撞的分子舊鍵破裂再進行原子間的重新結(jié)合，分子動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能才能產(chǎn)生有效碰撞。初始壓力的增大造成可燃?xì)怏w分子間距減小，在增加分子間碰撞幾率的同時，也加快了碰撞中自由基銷毀速率，降低了自由基濃度，導(dǎo)致初期燃燒速度減小，因此延長了到達(dá)最大爆炸壓力的時間。

此外，將圖6中不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力模擬值與實驗值[18]進行對比(見圖7)，初始壓力為0.1～0.5 MPa，模擬值與實驗值相比整體偏小，但兩者曲線變化趨勢相近，這與數(shù)值模擬時設(shè)置的初始溫度偏高有一定關(guān)系(實驗時初始溫度為281～291 K，模擬時初始溫度為300 K)，根據(jù)模擬結(jié)果可實現(xiàn)非常壓情況下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的定量預(yù)測。

圖7 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力對比曲線Fig.7 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane-air mixture under different initial

4 初始壓力和初始溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h2>

考察不同初始壓力和初始溫度條件下爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣龋玫交鹧嬗?0 L球形爆炸容器中心點火點傳播到壁面附近監(jiān)測點的平均傳播速度變化曲線(見圖8和圖9)。

圖8 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度變化曲線Fig.8 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial temperatures

圖9 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度變化曲線Fig.9 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial

由圖8可知，隨著初始溫度的增加，甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度呈線性增加，其中初始溫度為253 K時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.292 m/s，初始溫度增加到353 K時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.9 m/s，與初始溫度為253 K相比較，增幅為47%，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍鏊倜黠@。

由圖9可知，隨著初始壓力的增加，甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度整體呈增加趨勢，其中初始壓力為0.1 MPa時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.585 m/s，當(dāng)初始壓力增加到1 MPa時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.615 m/s，與初始壓力為0.1 MPa時相比，增幅為1.9%，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇幻黠@。此外，當(dāng)初始壓力為0.3～0.8 MPa時，火焰?zhèn)鞑ニ俣确€(wěn)定在1.6 m/s，根據(jù)劉易斯等[19]提出的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力變化關(guān)系，以0.5和1 m/s為分界點，將火焰?zhèn)鞑ニ俣确譃?個不同階段，初始壓力為0.3～0.8 MPa時，3個階段的綜合作用造成火焰平均傳播速度保持相等，形成平臺現(xiàn)象。由此可見，初始溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇h(yuǎn)大于初始壓力的影響，表明火焰?zhèn)鞑ニ俣葘Τ跏紲囟容^敏感。

5 結(jié)論

1)隨著初始溫度的升高，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時間降低，而初始壓力的增加導(dǎo)致最大爆炸壓力和到達(dá)最大爆炸壓力的時間增大。表明初始溫度和初始壓力對甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響作用相反。

2)在初始溫度考察范圍內(nèi)(253～353 K)，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力下降幅度為26.9%，到達(dá)最大爆炸壓力的時間下降幅度為31.6%。在初始壓力考察范圍內(nèi)(0.1～1 MPa)，最大爆炸壓力增加9.9倍，到達(dá)最大爆炸壓力時間增加25.15%。表明甲烷-空氣混合物發(fā)生爆燃時，初始壓力對最大爆炸壓力的影響比初始溫度更大，因此，應(yīng)關(guān)注排污空間初始壓力的急劇變化，尤其避免二次爆炸事故的發(fā)生。

3)隨著初始溫度和初始壓力的升高，甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度增加，而初始溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^大，表明火焰?zhèn)鞑ニ俣葘Τ跏紲囟鹊拿舾谐潭冗h(yuǎn)大于初始壓力的影響。