綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)獗_擊波傳播特征研究*

夏 微，高 魁,2，喬國棟

(1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

0 引言

城市地下綜合管廊是1種集約式的管線建造模式，其內(nèi)部綜合了給排水、電力、燃?xì)狻⒐?、通信等各種市政管線和設(shè)施[1]，并設(shè)置專門的檢修通道、監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)市政管線的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)和統(tǒng)一管理[2]，是保障城市運(yùn)行的重要“生命線”設(shè)施[3]。燃?xì)夤艿肋M(jìn)入綜合管廊避免了“馬路拉鏈”的現(xiàn)象，但與此同時(shí)也帶來管道泄漏所造成的一系列新問題。

鄧小嬌等[4]改變?nèi)細(xì)夤艿拦茌攭毫Γ瑢θ細(xì)庑孤┍ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行研究，得到爆炸極限范圍移動速度與管輸壓力成正比。萬留杰等[5]研究管廊內(nèi)燃?xì)鉂舛确植寂c泄漏位置的關(guān)系。吳建松等[6]研究通風(fēng)受限空間內(nèi)的地下綜合管廊燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散規(guī)律，結(jié)果表明氣體射流作用與浮升力作用是影響綜合管廊燃?xì)庑孤U(kuò)散濃度分布的重要因素。王玉琪等[7]通過改變泄漏孔徑、通風(fēng)速度研究不同工況對燃?xì)鈹U(kuò)散的影響。袁欣然等[8]研究泄漏口壓力、孔徑、朝向等因素對擴(kuò)散的影響。劉希亮等[9-10]研究管廊內(nèi)燃?xì)獗ㄟ^程中爆炸沖擊波對管廊結(jié)構(gòu)的影響。錢喜玲等[11]研究不同壓力條件下的燃?xì)鉂舛鹊姆植继匦?。孫加超等[12]模擬綜合管廊燃?xì)馀撛诓煌ê奢d下的情況，獲得管廊的破壞模式、燃?xì)馀搩?nèi)空氣中心線各點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線以及超壓峰值曲線。燃?xì)馀撘坏┌l(fā)生燃?xì)庑孤┮l(fā)爆炸，在演化傳播等系列交互效應(yīng)中，其傳播過程及后果必然會影響到高壓電力艙等其他地下綜合管廊設(shè)施，可能會誘發(fā)電纜火災(zāi)等次生災(zāi)害。田威等[13]通過數(shù)值模擬研究燃?xì)馀撛?，5，20，40 kg TNT藥量下的內(nèi)爆情況。張凱猛[14]通過數(shù)值模擬得出混凝土隔板對防止爆炸沖擊具有顯著效果，燃?xì)馀撌鼙_擊波影響較大，燃?xì)馀搩?nèi)壁處的超壓峰值大于頂板處的超壓峰值。劉中憲等[15]得出在燃?xì)獗ê奢d作用下，管廊襯砌的損傷破壞具有局部性和弱傳遞性。對比高建豐等[16]得出的管道油氣爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Fluent計(jì)算模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2者間的誤差小于4%。Huang等[17]通過對比管道爆炸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，表明2者的變化規(guī)律基本一致。Fluent作為1款流體計(jì)算分析軟件，其可靠性已經(jīng)被專家學(xué)者驗(yàn)證并得到認(rèn)可。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者對綜合管廊燃?xì)馀摰难芯恐饕性谌細(xì)庑孤U(kuò)散和燃?xì)獗▽芾鹊钠茐挠绊懙葐栴}，而對燃?xì)庠诠芾葍?nèi)爆炸產(chǎn)生的沖擊波的傳播規(guī)律的研究較少。因此本文采用數(shù)值模擬的方法，對不同填充長度情況下，管廊燃?xì)馀搩?nèi)燃?xì)獗ê蟮臎_擊波傳播特征進(jìn)行研究，揭示爆炸過程中的壓力和氣流速度的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型

針對管廊燃?xì)馀摰?個(gè)防火分區(qū)，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent18.0研究燃?xì)庠诓煌畛溟L度情況下產(chǎn)生爆炸沖擊波的傳播特征。簡化的物理模型如圖1所示，燃?xì)馀摂嗝鏋?.6 m×2.8 m，防火分區(qū)長200 m，兩端封閉。沿高為1.4 m的截面中心每隔2 m布置1個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)100個(gè)測點(diǎn)，用來監(jiān)測燃?xì)獗ㄟ^程中產(chǎn)生的超壓及氣體的水平流速。點(diǎn)火位置位于燃?xì)馀撟蠖?。爆炸氣體為甲烷-空氣混合氣體，從燃?xì)馀撟蠖碎_始填充，填充長度依次為20，50，100，150 m，甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%。初始溫度為300 K，初始壓力為101.325 kPa。

圖1 管廊燃?xì)馀撐锢砟Ｐ虵ig.1 Physical model of gas cabin in utility tunnel

為簡化計(jì)算，對模型做出如下假設(shè)：

氣體滿足理想氣體狀態(tài)；燃?xì)馀搲γ鏋閯傂?，不考慮流-固耦合作用；系統(tǒng)絕熱，與外界無熱交換；燃?xì)獗ㄟ^程為單步反應(yīng)。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同填充長度下超壓隨時(shí)間的變化規(guī)律

填充長度為20 m時(shí)的超壓變化如圖2所示，由圖2可知，隨著時(shí)間的增加，超壓先增大后減小再增大。由于模型封閉端的影響，沖擊波傳播到右側(cè)時(shí)會再次反向傳播。

圖2 填充長度20 m時(shí)超壓變化云圖Fig.2 Cloud chart of overpressure change when filling length is 20 m

填充長度分別為20，50，100，150 m時(shí)，燃?xì)馀搩?nèi)部分測點(diǎn)的超壓變化曲線如圖3所示。由圖3可知，超壓隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)出鋸齒形狀的反復(fù)波動，各個(gè)測點(diǎn)存在多個(gè)超壓峰值且2個(gè)峰值之間存在明顯的時(shí)間差。以圖3(b)為例說明，甲烷填充長度為50 m，點(diǎn)火之后，燃?xì)馀搩?nèi)形成燃燒波，燃燒波壓縮未燃?xì)怏w形成壓縮波，多道壓縮波追趕疊加最終形成沖擊波。沖擊波從點(diǎn)火端開始向外傳播，各個(gè)測點(diǎn)的超壓從左到右依次上升到達(dá)第1個(gè)峰值；前驅(qū)沖擊波通過后，超壓值下降；隨后前驅(qū)沖擊波后的壓縮波到達(dá)測點(diǎn)，使得測點(diǎn)的超壓值再次小幅上升，之后下降。由于燃?xì)馀摲阑鸱謪^(qū)兩端封閉，因此當(dāng)前驅(qū)沖擊波傳播到右側(cè)封閉端時(shí)會被反射形成反射波，距離封閉端較近的測點(diǎn)會因沖擊波與反射波的疊加作用從而使超壓值突躍達(dá)到峰值，如圖3(b)測點(diǎn)#90。沖擊波的反向傳播使得各測點(diǎn)超壓再次上升，依次到達(dá)第2個(gè)超壓峰值。反射波與火焰壓縮波在燃?xì)馀摵蟀攵蜗嘤鲋率钩瑝褐低卉S到較高的水平，此后壓縮波、反射波沿著各自的方向繼續(xù)傳播。壓縮波遇到封閉端產(chǎn)生反射，開始向點(diǎn)火端傳播。測點(diǎn)#70之后的第2個(gè)超壓峰值均大于第1個(gè)超壓峰值。這與沖擊波與反射波的疊加作用有關(guān)，距離封閉端越近，疊加作用越明顯。由于計(jì)算模型為封閉絕熱系統(tǒng)，產(chǎn)生的能量耗散較少，因此沖擊波會在燃?xì)馀搩?nèi)多次反射，出現(xiàn)多個(gè)超壓峰值。

圖3 不同填充長度測點(diǎn)超壓變化曲線Fig.3 Change curves of overpressure at measuring points under different filling lengths

對比不同填充長度情況下，發(fā)現(xiàn)隨著填充長度的增加，沖擊波到達(dá)各個(gè)測點(diǎn)的時(shí)間越來越短，超壓峰值的下降趨勢越來越快。這是由于填充長度越大，燃燒持續(xù)的時(shí)間越長，燃燒波的存在不斷為沖擊波的傳播提供能量，使得沖擊波的傳播速度加快。

2.2 不同填充長度下水平流速隨時(shí)間的變化規(guī)律

填充長度為150 m時(shí)燃?xì)馀搩?nèi)的水平流速變化如圖4所示。由圖4可知，燃?xì)獗ǔ跏茧A段，氣流水平流速較小，燃?xì)馀撉岸纬霈F(xiàn)回流現(xiàn)象。160 ms時(shí)，在反射波的作用下水平流速開始反向增大。

圖4 填充長度150 m時(shí)水平流速變化云圖Fig.4 Cloud chart of flat velocity change when filling length is 150 m

不同填充長度情況下部分測點(diǎn)的水平流速變化曲線如圖5所示。由圖5可知，水平流速以0為基點(diǎn)在正負(fù)區(qū)間內(nèi)上下波動，這是由于模型是封閉空間，氣流在封閉端反射波的影響下改變運(yùn)動方向。以圖5(c)為例說明，初始階段測點(diǎn)處的氣流速度會因前驅(qū)沖擊波的到達(dá)上升到第1個(gè)流速峰值即首次流速峰值。沖擊波過后流速下降，燃?xì)馀撉岸螠y點(diǎn)的流速會降到負(fù)值，說明前段流場出現(xiàn)了回流。隨后火焰壓縮波到達(dá)測點(diǎn)，流速再次上升。前驅(qū)沖擊波傳播到封閉端發(fā)生反射，反射波到達(dá)測點(diǎn)處使得流速快速下降，此時(shí)流速達(dá)到反向峰值。反射波過后，流速減小，反向傳播的沖擊波傳播到點(diǎn)火端繼續(xù)發(fā)生反射，會使測點(diǎn)流速再次上升到正向峰值。由于沖擊波會在燃?xì)馀搩?nèi)多次反射，因此測點(diǎn)流速曲線會隨著時(shí)間的變化上下振蕩且正向峰值和反向峰值之間存在明顯的時(shí)間差。

對比不同填充長度下的流速曲線圖，發(fā)現(xiàn)隨著填充長度的增加，流速正向峰值和反向峰值的時(shí)間間隔越來越短。流速峰值的下降趨勢也隨著填充長度的增加而變快。這與超壓的變化趨勢是一致的。隨著填充長度的增加，燃?xì)馀撉岸蔚幕亓鳜F(xiàn)象越來越明顯。

圖5 不同填充長度測點(diǎn)水平流速變化曲線Fig.5 Change curves of horizontal flow velocity at measuring points under different filling lengths

2.3 超壓峰值和流速峰值變化規(guī)律及耦合關(guān)系

不同填充長度下的首次超壓峰值變化曲線如圖6所示。由圖6可知，超壓峰值隨著傳播距離的增加總體呈現(xiàn)出先增大再減小再增大的規(guī)律。填充長度為100 m和150 m時(shí)，超壓峰值在第1次增大后不會立刻降低而是保持一段平穩(wěn)狀態(tài)。這是由于此時(shí)燃?xì)獾娜紵俾室堰_(dá)到最大，并保持相對穩(wěn)定，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量與沖擊波傳播過程中損耗的能量趨于平衡。當(dāng)燃燒反應(yīng)結(jié)束，平衡被打破，因此超壓峰值開始衰減。填充長度越大，最大超壓峰值越大，對比圖中填充長度為20 m和50 m時(shí)的曲線能明顯看出，填充長度為50 m時(shí)的最大超壓峰值約為填充長度為20 m時(shí)的2倍。圖6中50，100，150 m的曲線表明最大超壓峰值不會隨著填充長度的增加而無限增大，超過某個(gè)臨界長度后，爆炸超壓受填充長度的影響將會變小。由于點(diǎn)火端產(chǎn)生反射波的影響，使得超壓峰值在燃?xì)馀撉?0 m有減小趨勢。超壓峰值在200 m處發(fā)生突躍，是由沖擊波和反射波疊加引起的，當(dāng)填充長度為100 m和150 m時(shí)，超壓峰值在此處達(dá)到最大值，即隨著填充長度的增加，產(chǎn)生最大超壓峰值的位置由接近填充長度結(jié)束的位置轉(zhuǎn)移到燃?xì)馀摰姆忾]端。填充長度為150 m時(shí)，封閉端產(chǎn)生的超壓約為填充長度結(jié)束位置的2.3倍。

圖6 首次超壓峰值變化曲線Fig.6 Change curves of first peak overpressure

不同填充長度下首次流速峰值的變化曲線如圖7所示。由于0 m和200 m處流速為0，所以圖7中并未顯示。首次流速峰值隨著距離的增加總體呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢。填充長度為100 m和150 m時(shí)，流速峰值會在增加后保持一段平穩(wěn)狀態(tài)，流速峰值衰減位置接近填充長度結(jié)束的位置。隨著填充長度的增大，最大流速峰值先增大后維持穩(wěn)定。由此可判斷燃?xì)馀搩?nèi)存在1個(gè)臨界填充長度，最大流速峰值達(dá)到最大，超過此臨界長度，峰值不會再有較大的變化直至衰減。

圖7 首次流速峰值變化曲線Fig.7 Change curves of first peak flow velocity

根據(jù)上述分析可知首次超壓峰值和流速峰值存在一定的耦合關(guān)系。不同填充長度下的首次超壓峰值與流速峰值的擬合曲線如圖8所示。由圖8可知，超壓峰值與流速峰值呈現(xiàn)為正比關(guān)系，即隨著首次超壓峰值的增大，首次流速峰值相應(yīng)增大。對比圖8中4組方程發(fā)現(xiàn)，隨著填充長度的增加，方程的斜率減小，截距增大。

圖8 首次流速峰值與首次超壓峰值的擬合Fig.8 Fitting of first peak flow velocity and first peak overpressure

流速峰值與超壓峰值的關(guān)系可表示為u=Ap+B。斜率A和截距B分別與填充長度L擬合所得公式如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：A為斜率；B為截距；L為填充長度，m。

將式(1)～(2)代入u=Ap+B可得首次流速峰值與填充長度和首次超壓峰值的關(guān)系式，如式(3)所示：

(3)

式中：u為首次流速峰值，m/s；p為首次超壓峰值，kPa。

通過數(shù)據(jù)擬合，建立首次流速峰值與填充長度和首次超壓峰值的耦合關(guān)系。

3 結(jié)論

1)燃?xì)獗ê?，燃?xì)馀搩?nèi)存在多個(gè)超壓峰值。沖擊波到達(dá)各測點(diǎn)的時(shí)間與燃?xì)馓畛溟L度成反比。測點(diǎn)流速曲線隨時(shí)間的變化以0為基點(diǎn)上下振蕩，流速的下降趨勢隨著填充長度的增加而變快。

2)超壓峰值隨著傳播距離的增加先增大后減小再增大。隨著填充長度的增加，產(chǎn)生最大超壓峰值的位置由接近填充長度結(jié)束的位置轉(zhuǎn)移到燃?xì)馀摲忾]端，填充長度為150 m時(shí)，封閉端產(chǎn)生的超壓約為填充長度結(jié)束位置的2.3倍。表明在此情況下爆炸產(chǎn)生的超壓會對封閉端產(chǎn)生極大破壞，建議在實(shí)際設(shè)計(jì)中對燃?xì)馀摲阑鸱謪^(qū)的封閉端進(jìn)行強(qiáng)化處理。

3)首次流速峰值與首次超壓峰值呈現(xiàn)正比關(guān)系，流速峰值隨著超壓峰值的增加而增加。通過擬合得到流速峰值與超壓峰值及填充長度的耦合關(guān)系，為燃?xì)馀撊細(xì)獗ê蟮牧魉俜植佳芯刻峁﹨⒖肌?/p>