濕度對管道內氫氣-空氣混合物爆炸特性影響的仿真研究

李延鈺， 郝永梅， 邢志祥， 蔣軍成， 薛 寒， 莊孫歧

（1.常州大學安全科學與工程學院，江蘇 常州 213164；2.常州港華燃氣有限公司，江蘇 常州 213003）

0 引言

氫能被認為是21 世紀最具有潛力的能源之一，作為一種優質的能源載體已被廣泛應用在石油、化工、電子、冶金及航空等多個領域［1］。氫氣的運輸也呈現出多樣化的發展趨勢，尤其是管道運輸已經成為具有發展潛力的低成本運氫方式［2］。但氫氣管道爆炸事故時有發生，引起國內外相關機構和研究人員的廣泛關注，并積極開展預防和抑制氫氣管道爆炸事故的相關研究。

濕度對預混氣體爆炸特性的影響已有一些研究。劉開沅等［3］采用Fluidyn 流體動力學軟件建立模型，對甲烷-空氣預混氣體爆燃特性進行了分析，結果表明環境濕度越大，對火焰的抑制越明顯。譚汝媚等［4］在密封容器中進行了40%和88%的環境濕度對環氧丙烷蒸氣爆炸的參數影響，發現在環氧丙烷最佳蒸氣濃度附近時，濕度對最大壓力上升速率影響最大的結論。楊龍龍等［5］利用自行設計的裝置，研究了不同濕度條件下低濃度甲烷-空氣預混氣體爆炸特性，隨著相對濕度的增大，最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率均呈下降趨勢且存在一定的線性關系。Ingram 等［6］用自行搭建的裝置研究了細水霧是否可以抑制或緩解氫爆炸的實際可行性，結果表明在平均直徑為5 mm 的細水霧可以在很大的當量比范圍內降低氫的燃燒速度［7］。Cao等［8］在密封可視容器中研究了純超細水霧和5%質量分數的堿金屬溶液對甲烷爆炸的抑制作用，得出在兩者共同作用下可以很好地抑制火焰傳播及爆炸強度。Battersby等［9］利用細水霧緩解裝置來研究水霧的添加對泄放爆燃的影響，表明在相對較高的當量比下，細水霧會對超壓產生顯著控制。Stathopoulos等［10］使用燃燒裝置研究高壓下天然氣和氫混合物預混合火焰的排放，得出高壓下水蒸氣的增加會對CO的排放產生有利的影響。

以上研究介質多為甲烷-空氣預混氣體并以環境濕度或細水霧作為濕度變量對預混氣體爆燃特性的抑制效果展開研究，但對于混合物當量比和濕度的協同作用的研究尚不完善，尤其是在濕度和預混氣體當量比共同作用下對氫氣-空氣預混氣體管道爆炸參數影響的研究更少。因此，本文以管道內氫氣-空氣預混氣體為研究對象，利用數值計算的方法，通過改變氫氣管道內的濕度摩爾體積分數和混合物當量比，研究其對氫氣-空氣預混氣體的爆炸參數的影響，得出濕度對氫氣-空氣預混氣體爆炸的抑制效果，為氫氣管道輸送火災爆炸風險預防提供理論依據。

1 仿真模型

1.1 數學模型

對于可燃氣體的擴散一般采取質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律［11］，而FLACS 在解決湍流問題時，將遵守湍流動能方程、湍流動能耗散率方程來實現標準的k-ε湍流模型的修正［12］，然后在氣體爆炸過程中采用有限體積法求解可燃氣體燃燒方程和燃燒質量輸送方程，其動態特性可以用統一的形式描述為［13］：

式中：ρ為流體密度的時均值，kg/m3；φ為通用變量的時均值；u為速度的時均值，m/s；Γ為φ的湍流輸送系數；Sφ為針對不同φ項的源項；ux為x方向的速度矢量投影，m/s；xj為在流物中第j坐標軸方向；Γfu為燃料輸運特性的湍流耗散系數；mfu、Rfu為氣體質量分數和體積燃燒速度，m3/s。

本文中濕度稀釋率（D）的計算式［14］為：

式中，D為未燃燒混合物中水的摩爾體積分數；VAir、VH2、VH2O分別為空氣、氫氣和水蒸氣的摩爾體積分數。這里D的稀釋范圍選擇10% ～40%，這個范圍涵蓋了實際應用中加濕燃燒的稀釋率［14］。

1.2 數值模型

為探究和驗證濕度對氫氣-空氣混合物的抑制效果和爆炸參數變化特征。運用FLACS v9. 0 模擬軟件，以原點為圓心，建立了一個長2 m，直徑為0.1 m的左開右閉半開口型管道，管道壁厚設置為20 mm。設置的網格尺寸為5 mm，x、y、z軸3 個方向的網格單元個數約813120 個，最終網格模型如圖1 所示。點火源設置在管道右側封閉處，設置的4 個監測點均勻分布在管道內部，監測點1#、2#、3#、4#距離點火源分別為1.3、0.9、0.5、0.1 m，具體位置如圖2 所示。

圖1 數值計算網格劃分示意圖

圖2 計算域示意圖

初始溫度設置為20 ℃。整個反應過程時長設置為0.2 s，可以完全監測到從爆炸開始到結束的全過程。管道氣體介質為99%的氫氣。

本次實驗一共模擬了20 組工況：通過摻入D分別為10%、20%、30%和40%，改變φ分別為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 時，觀察其對氫氣管道爆炸特性的影響。

1.3 模型驗證

參考文獻［15］中實驗，其燃燒管道為方形直管，管長為500 mm，管道截面為100 mm ×10 mm，點火裝置、壓力傳感器和進氣口均安裝于管道底部，氫氣的當量比為1.0。環境溫度設置為常溫常壓。利用FLACS建立了與文獻實驗相對應的計算區域。氫氣/空氣在計算域內充分混合，形成穩定的常溫常壓預混氣體。模擬實驗工況1，管道內沒有任何障礙物的情況下對預混氣體進行數值計算。如圖3 所示，數值計算中的火焰結構的演變與文獻［15］中實驗結果基本一致，火焰前端形態與實驗的結果有一些差距，原因與氣體填充區域的大小及點火能有關。

圖3 文獻中火焰結構與數值計算火焰結構對比（ms）

表1 所示為文獻［15］實驗與數值計算的壓力峰值及到達壓力峰值時間對比。以文獻中實驗數據為準，由表1 可知，其中壓力峰值的實驗與數值計算相差9.22%，到達壓力峰值時間的實驗與數值計算相差3.57%。導致這些差別的原因與數值計算的設置條件、管道的壁面粗糙度、測量儀器的靈敏度等多種因素有關。通過數值計算與文獻［15］中實驗對比驗證，數值計算網格和模型的精度及可靠性較好，能夠反映實際氫氣預混氣體爆燃變化的趨勢。

表1 壓力峰值及到達壓力峰值時間對比

2 數值計算結果及分析

2.1 不同D下爆炸壓力變化

設計φ為1.0，D分別為10%、20%、30%、40%情境下研究爆炸壓力（p）的變化，分別獲得4 個監測點的爆炸壓力變化趨勢，如圖4 所示。由圖4 可知，4 個監測點在D為10% ～40%環境下的爆炸壓力總體都呈現出剛開始緩慢上升，隨后到達1 個峰值，峰值過后迅速下降，經歷震蕩并逐漸趨于一個恒定數值的趨勢。在10 ms左右達到爆炸壓力的最高峰，只有監測點4#到達壓力峰值的時間較其他監測點早5 ms，原因是點火點的設置離監測點4#最接近。當D=10%時，各監測點測得的爆炸壓力最大值的平均值都處于40 kPa附近，隨著D的不斷增加，爆炸壓力最大值也相應減少，當D增加到40%時，爆炸壓力最大值的平均值已經下降到16 kPa，相比于D為10%的情況，下降了60%?？梢姡S著D的增加，其稀釋效應不斷增大，導致參與爆炸的反應物濃度有所降低，稀釋了管道內的氫氣。同時隨著濕度的增加，消耗了管道內的部分氧氣，減少了爆炸過程中氧氣的參與，水蒸氣的化學效應還能有效隔絕還未參與爆炸的反應物質，所以最大爆炸壓力得以有效降低。由此，濕度的增加對于氫-空氣預混氣體爆炸確起到抑制的效果。

圖4 4個監測點下D變化對爆炸壓力的影響

2.2 不同D下絕熱最大火焰溫度

設計φ為1.0，D分別為10%、20%、30%、40%情境下，觀察絕熱最大火焰溫度的變化情況。圖5 顯示了在4 個監測點下，爆炸過程中所產生的最高火焰溫度。監測點從1#到4#，距離點火源越來越近，監測點1#距離點火源最遠，在爆炸過程中所接收到的溫度反應也最遲，所以在火焰溫度變化上表現的不是很明顯，平均溫度在312 K。而在監測點2#、3#、4#處，溫度明顯有了很大的變化，在D為10%和40%時，對應3 個監測點的溫度分別為436、1603、2300 K 和307、1200、2150 K，兩者相比分別下降了30%、25%和7%。

圖5 加入不同D時4個監測點的絕熱最大火焰溫度對比

爆炸溫度表征為爆炸產物的溫度［4］。在半開口的管道中，內部的溫度變化主要由2 個部分決定：①氣體在爆炸過程中燃燒所釋放的熱量；②燃燒所生成產物的比熱變化。在D為10%的時候，水蒸氣的釋放量較少，在監測點2#、3#相對監測點4#距離點火源較遠時，水蒸氣的水霧分散在管道內部，減少了氧氣的含量，從而減少了爆炸燃燒生成產物的比熱，有效降低了管內的爆炸溫度。然而在監測點4#，由于距離點火源最近，在爆炸的一瞬間所產生的溫度高達2300 K，隨著D的不斷增加，溫度并未降低很多，此時濕度所起到的作用并不明顯，因為在爆炸高溫的環境下，水蒸氣會瞬間被氣化，無法阻止預混氣體燃燒過程中的熱量釋放，所以在監測點4#溫度下降的幅度僅有7%。

2.3 不同D下火焰傳播狀態研究

在管道內加入4 種不同的D來觀察其對火焰傳播的抑制效果。在φ為1.0 的情境下，分別加入D為10%、20%、30%和40%，選取5、10、15、20 ms 的4 個時刻下火焰圖像如圖6 所示。

圖6 不同D下，4個時間點火焰的傳播狀態

由圖6 可見，管道內火焰傳播呈現明顯的衰減趨勢。5 ms時刻即點火的剎那間，火源接觸到預混氣體發生爆炸，隨著D從10%增加到40%，火焰削減的幅度相當直觀，見圖6（a）。15 ms時刻，火焰從燃燒的湍流狀態衰減為指狀的形態，傳播速度也隨之降低，見圖6（c）。20 ms時刻，火焰傳播速度的抑制表現得尤為明顯，見圖6（d）。濕度的加入對管道內預混氣體火焰傳播起到了抑制的作用。

2.4 同時改變D和φ對爆炸超壓的影響

通過改變φ分別為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5，D從10%增加到40%，研究其對爆炸超壓（PS）的影響。如圖7 所示，圖中所有的參數均取4 個監測點每一時刻的平均值。圖中所反應的趨勢均是在點火的下一瞬間，爆炸超壓就到達了正壓峰值，峰值過后便快速下降達到負壓峰值，隨后在0 kPa附近來回震蕩最后歸于0 kPa。其中在φ為1.5 時，爆炸超壓的峰值最高，依次是44、33、13 和12 kPa；而在φ=0.5 時，無論D增加與否，都在0 kPa 附近呈現往復小頻率的震蕩。負壓的產生是因為管道內氫氣-空氣混合物發生爆炸時，反應物燃燒所釋放的大量熱和燃燒產物在管道內瞬間充滿氣體，壓力沿正壓方向驟增，但由于管道是半開口式，壓力會朝著開口方向傳播，在高壓力傳播過后會在一部分空間內形成短暫的真空，因而產生了負壓。

圖7 不同D及φ下爆炸超壓變化曲線

2.5 同時改變D和φ對最大升壓速率的影響

通過改變D，同時改變φ，研究在不同D下，φ的改變對最大升壓速率（dp/dtmax）的影響。如表2 所示，各監測點處的最大升壓速率隨D的增大而逐漸降低。當φ從0.5 逐漸增加到1.5，對比D為10%和40%，最大升壓速率值分別下降了72.8%、72.4%、74.7%、68.7%、65.9%。即在φ=1.0 時，濕度的改變對其產生的影響最大。而濕度的增加，會減少反應過程中熱量，2.2 節中也驗證了溫度會隨D的增加而降低，所以對于φ=1.0 的情況下最大升壓速率抑制效果最為顯著。爆炸壓力上升速率表征爆炸強度的大小，監測點1#的升壓速率都小于監測點4#，說明距點火源越近，升壓速率越大，相應爆炸強度就越大，D的增加不能完全抑制爆炸的發生，卻能在很大程度上減緩爆炸的強度。

表2 不同D下，改變φ對最大升壓速率dp/dtmax的影響MPa/s

3 結語

本文研究了濕度對氫氣-空氣預混氣體爆炸特性的影響。運用數值計算的方法，通過調節管道內的D分別為10%、20%、30%和40%，并改變φ為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 時，觀察對爆炸參數的變化，結果表明：

（1）當φ為1.0 時，最大爆炸壓力先上升后降低，最后逐漸歸零，并隨著D的增加而減少。最大爆炸壓力最高下降了60%。

（2）D的增加對最大絕熱火焰溫度的降低和火焰的傳播都起到了抑制效果，其抑制效果取決于距點火源的距離，距離太遠或太近抑制效果都不明顯?；鹧鎮鞑バ螒B隨D的增加呈現明顯的衰減。

（3）當φ=1.5 時，爆炸強度最大。改變D，對φ=1.0 時的抑制效果最好，其中最大升壓速率降低了74.7%。

在基礎研究領域，包括一些應用科技領域，要尊重科學研究靈感瞬間性、方式隨意性、路徑不確定性的特點，允許科學家自由暢想、大膽假設、認真求證。不要以出成果的名義干涉科學家的研究，不要用死板的制度約束科學家的研究活動。很多科學研究要著眼長遠，不能急功近利，欲速則不達。

——習近平在全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上的講話