廚房吊柜對天然氣泄漏擴散影響的模擬研究

徐永慧, 李興泉, 姜懿蕓, 李澤文

(1.山東建筑大學 熱能工程學院, 山東 濟南 250101;2.山東省能源建筑設計院 設計一處, 山東 濟南 250101)

1 概述

天然氣作為清潔、高效的能源,廣泛地應用于家庭、工業、交通等領域,是城鎮居民用能的主要方式,在緩解大氣污染的同時因具有易燃易爆特性,燃氣事故時有發生。室內燃氣泄漏擴散極易引發爆炸事故,造成室內人員傷亡人數遠大于室外[1-2]。

爆炸事故還會對建筑的力學結構造成破壞,是嚴重威脅城鎮居民安全的災害之一。由于室內燃氣事故爆炸原因多樣性和不可控性[3],室內天然氣安全研究依然是重中之重,確定天然氣報警器安裝位置,及時阻斷天然氣泄漏,預防天然氣事故發生。

國內外學者對天然氣泄漏做了大量研究。薛海強等人[4]模擬研究液化石油氣泄漏擴散受地面障礙物的影響,結果發現障礙物導致漏氣堆積,危險性增大。張增剛等人[5]對開放式廚房與閉式廚房燃氣泄漏情況通過Fluent軟件進行模擬對比,分析不同時期引發爆炸的可能性,發現長時間(240 min)泄漏,開放式廚房危險性更高。肖志誠等人[6]研究障礙物和泄漏口的間距與天然氣泄漏濃度場分布的關系,研究得出障礙物距離泄漏口20 cm時爆炸危險區域最大。

隨著定制櫥柜以及嵌入式家電的發展,廚房實際使用過程中承載的功能增多,空間不斷變小,在狹小受限空間中燃氣一旦泄漏,容易達到爆炸下限,燃氣爆炸事故常發生在受限空間中。有吊柜廚房報警器安裝位置不符合規范的情況多有發生,室內安全性降低[7]。

本文以居民有吊柜廚房與無吊柜廚房為研究對象,對天然氣泄漏擴散情況進行模擬研究。對比分析吊柜對天然氣泄漏擴散的影響,監測甲烷體積分數變化情況,確定有吊柜廚房報警器安裝位置。

2 計算模型

2.1 幾何模型

本文以濟南某居民廚房為研究對象,對無吊柜以及有吊柜廚房2種工況進行模擬,模擬工況見表1。通過SpaceClaim軟件構建無吊柜、有吊柜廚房三維幾何模型,見圖1。圖中坐標原點位于窗戶所在墻面左下角。廚房地柜L形布局,廚房x軸、y軸、z軸方向尺寸分別為1.6、2.4、2.5 m。窗戶位于xOy面,尺寸見圖1,距地高度為0.9 m。

圖1 廚房三維幾何模型(軟件截圖)

表1 模擬工況

泄漏口中心坐標為(90 mm,800 mm,1 050 mm),直徑為9.5 mm。地柜高度為0.8 m,寬度0.6 m。有吊柜廚房中吊柜安裝在yOz面,頂面緊貼屋頂。為方便計算,簡化廚房內其他設施。泄漏過程假定廚房門窗關閉,天然氣與空氣混合氣體通過門縫與窗縫流出。門縫寬度為5 mm,窗縫寬度為2 mm,模擬時設置為壓力出口邊界。

2.2 泄漏質量流量

根據不完全統計,我國2022年度燃氣事故中,膠管問題占已明確事故原因的29%,膠管問題一直是引起燃氣泄漏的主要原因,常見有脫落、老化、鼠咬等原因。本文主要模擬燃氣灶具膠管脫落后泄漏擴散情況。

北方居民集中供暖用戶常用燃氣表型號為G1.6,流量范圍為0.06～2.5 m3/h。GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》(2020版)規定,居民天然氣燃具額定壓力為2 kPa。模擬時,設定天然氣泄漏質量流量為0.000 55 kg/s。

2.3 數學模型

天然氣泄漏擴散是發生在有限空間內的湍流流動,泄漏過程為自由射流[8],泄漏時天然氣與周圍空氣發生質量及動量交換,流體控制微分方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。為使方程能夠封閉求解,補充理想氣體狀態方程、密度方程、組分守恒方程。

采用標準的k-ε模型求解流場,在反映天然氣體積分數真實變化規律的前提下,做出以下假設。

a.天然氣泄漏是質量流量為定值的連續泄漏。

b.將泄漏的天然氣簡化為不可壓縮的純甲烷氣體。

c.忽略熱量交換,天然氣只與空氣進行組分輸運,不考慮化學變化[9-10]。

3 網格劃分及邊界條件

3.1 網格劃分

使用Fluent Meshing軟件對模型進行網格劃分,網格采用具有低網格數量、高效數值計算特點的poly-hexcore方式生成非結構網格,天然氣泄漏口、門縫、窗縫部分進行網格加密。在保證網格質量精度合理的情況下,櫥柜部分為物理學抑制,只對廚房內部流體部分進行網格劃分,減少網格數量,以提高運行速度。最終確定無吊柜廚房、有吊柜廚房網格數量分別為440 379、437 685。模型網格劃分見圖2。

圖2 廚房模型網格劃分

3.2 邊界條件與參數設置

① 通用設置

本模擬將泄漏天然氣假定為不可壓縮的理想氣體,因此Fluent采用基于壓力求解器進行非穩態運算。設定y方向重力加速度g=-9.8 m/s2[11]。

② 模型設置

天然氣泄漏為自由射流,伴隨能量轉化,啟動能量方程。選擇標準k-ε模型[12]求解。

③ 材料設置

選用無化學反應組分運輸的Species模塊,簡化天然氣為純甲烷,混合材料選取methane-air。

④ 邊界條件

泄漏口設置為質量流量入口,方向為正y方向,泄漏質量流量為0.000 55 kg/s,天然氣連續泄漏。外界無風狀態下窗縫與門縫設置為壓力出口,出口壓力為0 Pa。

⑤ 初始條件

廚房內環境溫度為15 ℃,初始壓力為0 Pa,初始狀態下室內甲烷體積分數為0。

⑥ 求解設置

采用SIMPLE算法,離散格式為一階迎風格式。計算天然氣泄漏2 h內廚房內甲烷分布情況,時間步長取1 s,每步最大迭代次數設置為20次。

4 模擬結果與分析

天然氣的爆炸極限為5%～15%,云圖選取甲烷體積分數0%～20%范圍進行分析。本節只對天然氣泄漏0～60 min擴散情況進行分析研究。

4.1 無吊柜廚房天然氣分布情況

無吊柜廚房天然氣泄漏5、15、30、60 min時,z=1.05 m截面(天然氣泄漏口中心所在截面)甲烷體積分數分布云圖見圖3,廚房整體甲烷體積分數分布云圖見圖4。圖3、4中圖例數值為甲烷體積分數。

圖3 無吊柜廚房天然氣泄漏5、15、30、60 min時,z=1.05 m截面甲烷體積分數分布云圖(軟件截圖)

圖4 無吊柜廚房天然氣泄漏5、15、30、60 min時,廚房整體甲烷體積分數分布云圖(軟件截圖)

天然氣泄漏5 min時,此時廚房僅在靠近天花板處甲烷體積分數達到爆炸下限,發生爆炸的可能性較小。受邊界影響較小的區域,縱向甲烷體積分數可看作水平層狀分布。天然氣泄漏過程為孔口自由射流,同時由于天然氣密度小于空氣密度,泄漏口上方的甲烷體積分數高于同平面其他區域,天然氣泄漏后在浮升力的作用下會優先在上層空間聚集。

天然氣泄漏15 min時,廚房整體甲烷體積分數為2%～12%,聚集在上方空間的天然氣逐漸下沉,y>0.8 m區域達到爆炸下限,廚房燈具開關以及操作臺小家電插座通常距地高度1.3 m,電器點位甲烷體積分數已經達到爆炸下限,操作電器容易引起爆炸。

天然氣泄漏30 min時,廚房整體甲烷體積分數為6%～16%,處于爆炸極限范圍。此時若有靜電或其他形式的點火源,極易引起燃氣爆炸事故。

天然氣泄漏60 min時,廚房整體甲烷體積分數進一步增加,整體區域仍處于爆炸極限范圍內。y=0.9～1.3 m范圍甲烷體積分數梯度遠大于其他區域,天然氣與空氣的混合物在窗縫與門縫處(壓力出口)逃逸。

4.2 有吊柜廚房不同時間天然氣分布情況

有吊柜廚房天然氣泄漏5、15、30、60 min時,z=1.05 m截面(天然氣泄漏口中心所在截面)甲烷體積分數分布云圖見圖5,廚房整體甲烷體積分數分布云圖見圖6。圖5、6中圖例數值為甲烷體積分數。

圖5 有吊柜廚房天然氣泄漏5、15、30、60 min時,z=1.05 m截面甲烷體積分數分布云圖(軟件截圖)

圖6 有吊柜廚房天然氣泄漏5、15、30、60 min時,廚房整體甲烷體積分數分布云圖(軟件截圖)

天然氣泄漏5 min時,天花板附近、吊柜周圍甲烷體積分數達到爆炸下限,相比無吊柜廚房發生爆炸的可能性有所增加。吊柜對天然氣射流及自由浮升擴散起到阻擋作用,天然氣在吊柜下方與墻的陰角處聚集,甲烷體積分數不斷增加,達到一定濃度后天然氣沿著吊柜向天花板處浮升擴散,天然氣的運動路徑改變。y<1.3 m區域甲烷體積分數近乎水平層狀分布。

天然氣泄漏15 min時,廚房整體甲烷體積分數為1%～13%,y>0.8 m區域達到爆炸下限。除泄漏口附近外,天然氣體積分數最高的部分位于吊柜下部。

天然氣泄漏30 min時,廚房絕大部分區域甲烷體積分數高于5%,達到爆炸下限,天然氣繼續泄漏整體空間都會達到爆炸下限,爆炸可能性不斷增加。

天然氣泄漏60 min時,廚房區域基本達到爆炸下限,處于爆炸極限范圍。隨著廚房上方甲烷體積分數增加,浮升力對天然氣擴散的影響減小,靠近吊柜處甲烷體積分數變化率不斷減小。

4.3 對比分析

對廚房無吊柜、有吊柜2個工況,對比分析監測點A、B、C處甲烷體積分數。其中點A為廚房燈具開關點位,點B位于天花板下方,點C位于吊柜下方。點A、B、C坐標分別為(600 mm,1 300 mm,2 500 mm)、(350 mm,2 400 mm,1 050 mm)、(170 mm,1 600 mm,1 250 mm)。各監測點在廚房中具體位置見圖7。各監測點甲烷體積分數隨泄漏時間變化見圖8。圖8中,點A1、B1、C1對應表1無吊柜工況1,點A2、B2、C2對應表1有吊柜工況2。

圖7 各監測點在廚房中具體位置(軟件截圖)

圖8 各監測點甲烷體積分數隨泄漏時間變化曲線

無吊柜廚房監測點A1晚于有吊柜廚房監測點A2達到爆炸下限,約晚2 min,過一段時間后兩監測點體積分數趨于一致。

由于泄漏為自由射流以及天然氣的密度低于空氣,泄漏后點B1甲烷體積分數立即升高到3.7%,由于吊柜阻擋,點B2甲烷體積分數在天然氣泄漏后逐漸升高。

天然氣一旦開始泄漏,短時間內,有吊柜廚房下方點C2甲烷體積分數急劇升高到5%,無吊柜廚房點C1甲烷體積分數從0開始逐漸增加,點C2比點C1提前5 min達到爆炸下限。

在0～60 min時間內,有吊柜廚房監測點甲烷體積分數高于無吊柜廚房,吊柜的存在占據一定的流體域體積,相同的天然氣泄漏量及泄漏時間下,流體域體積減小,甲烷體積分數升高,有吊柜廚房會早于無吊柜廚房達到爆炸下限,有吊柜廚房危險性有所增加。隨著泄漏時間增加,兩個工況各監測點甲烷體積分數差值不斷減小,90 min左右兩個工況各監測點體積分數基本相等。

5 報警器安裝位置分析

GB/T 34004—2017《家用和小型餐飲廚房用燃氣報警器及傳感器》規定,對家用天然氣報警器,天然氣體積分數達到1%時報警器有所響應。圓形家用報警器的外形一般近似圓柱體,按外直徑為80 mm、高(厚)為30 mm考慮。安裝時,考慮報警器中心所在位置,中心距離所在墻面15 mm。

針對有吊柜工況,在天花板及未安裝吊柜的3個壁面上分別設置報警器監測點,對各個監測點的甲烷體積分數進行監測。監測點具體位置見圖9,監測點坐標見表2。

圖9 報警器監測點(軟件截圖)

表2 監測點坐標

① 距離天花板30 cm位置

天然氣報警器通常安裝在距離天花板約30 cm位置,距天花板30 cm各監測點達到報警體積分數(1%)所需時間見表3。由于泄漏口更加靠近點D、點F所在壁面,并且點D靠近位吊柜與壁面夾角陰角處,因此點D達到報警體積分數所需時間最短,為20.6 s,其次為點F,為21.6 s。點N與吊柜不相鄰,達到報警體積分數所需時間最久,為36.8 s。

表3 距天花板30 cm各監測點達到報警體積分數所需時間

② 距離天花板50 cm位置

在實際安裝過程中,天然氣報警器距天花板距離存在爭議[13],部分天然氣報警器允許在天花板下方30～60 cm處安裝。距天花板50 cm各監測點達到報警體積分數所需時間見表4。

表4 距天花板50 cm各監測點達到報警體積分數所需時間

達到報警體積分數所需時間最短的為點D正下方的點E,為17.8 s,其次為點F正下方的點G,為19.2 s。天然氣泄漏后,吊柜下聚集的天然氣沿吊柜底部擴散,部分達到吊柜兩側時會沿著吊柜側邊的陰角向上浮升擴散,點E、點G、點I、點K達到報警體積分數所需時間分別比位于其正上的監測點短。

③ 天花板位置

部分型號報警器允許吸頂安裝。天花板處各監測點達到報警體積分數所需時間見表5。可以看出,達到報警體積分數所需時間最短的為點Q,為27.7 s,其次為點T,為29.1 s。

表5 天花板處各監測點達到報警體積分數所需時間

綜上所述,有吊柜廚房天然氣報警器優先安裝在離燃氣設施較近的吊柜側面位置,在符合安裝要求的情況下,盡量將報警器下移靠近軟管接頭等易泄漏位置。吸頂安裝報警器選擇在灶具前方與吊柜水平距離25 cm處。

6 結論

① 吊柜的存在改變了天然氣擴散的路徑,天然氣在吊柜下方聚集并沿吊柜向天花板擴散。

② 在泄漏前60 min,有吊柜廚房整體甲烷體積分數高于無吊柜廚房,吊柜使危險性有所增加。

③ 有吊柜廚房天然氣報警器優先安裝在離燃氣設施較近的吊柜側面位置,在符合安裝要求的情況下,盡量將報警器下移靠近軟管接頭等易泄漏位置。吸頂安裝報警器選擇在灶具前方與吊柜水平距離25 cm處。