城市地下排水管道中燃氣爆炸及氣-液兩相耦合作用規律

摘要： 為研究城市地下排水管道中燃氣爆炸傳播特性和氣-液兩相耦合作用規律，基于氣-液兩相流理論和計算流體力學方法，對不同水深率下的天然氣/空氣混合物的爆炸-加速-衰減過程進行了數值模擬。研究結果表明：當水深率小于0.7 時，隨著水深率的增加，氣相空間的長徑比增大，燃料燃燒加劇，火焰的加速現象逐漸顯著，導致峰值超壓逐漸增大，超壓峰值顯現時間逐漸縮短，且峰值超壓沿軸向的提升效果更加顯著；當水深率達到0.7 時，火焰在管道內的傳播明顯受阻，水震蕩產生的波動及細水柱迅速占據了有限的氣相空間，阻斷了火焰的自維持傳播，使得爆炸超壓僅在點火源附近顯現。不同水深率條件下，管道中相同區域內，同一時刻水面被揚起的高度和氣相區域的速度場不同，被卷揚起的低溫液體對其相鄰區域的高溫火焰形成降溫和阻斷，之后由于氣體的宏觀流動，與液面相鄰的低溫氣體流動至管道內高溫區域，進而造成管道內火焰溫度降低，同時，水的震蕩和細水柱的飛揚大大降低了爆炸超壓風險。

關鍵詞： 城市排水管道；天然氣爆炸；爆炸超壓；火焰熄滅

中圖分類號： O389 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

隨著城市化水平的提高，地下燃氣管網的規模也在大幅提升。根據住建部發布的數據，2021 年，我國城市管道總長約3.3×106 km，其中燃氣管道長約9.4×105 km。但是，由于管道自身疲勞以及第三方破壞等原因，管道發生破裂進而導致可燃氣體泄漏事故時有發生，泄漏后的可燃氣大多通過多孔介質的土壤快速擴散至相鄰地下空間[1]，例如：雨污排水管道、人防空間、地下停車場、地鐵等，其中以分布最廣泛的雨污排水管道最常見[2]；此外，雨污排水管道中積存的有機殘渣發生氧化反應釋放大量沼氣。上述2 種情況均可在排水管道中形成爆炸性混合氣體，一旦遇到足夠能量的點火源便會發生爆炸。由于地下空間管網的連通特性，爆炸一旦發生，將會造成大規模的管網傳播，往往會引起一系列的多米諾災害反應，造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響[3]。

近年來，由于可燃物質泄漏導致的相鄰地下含水空間的爆炸事故頻繁發生。例如：2013 年，山東省青島市發生的輸油管道泄漏爆炸事故是由于在輸油管道與排水暗渠交匯處，管道受到腐蝕發生破裂，導致原油泄漏至排水暗渠，泄漏原油的揮發分與空氣形成爆炸性混合物，遇電火花發生爆炸[4]。在含水的受限空間中，水的流動大大加速了可燃氣體的蔓延，同時，爆炸沖擊波所帶來的水的震蕩使得火焰傳播與熄滅更加復雜，增加了爆炸風險的同時，也為城市燃氣管網的爆炸防控設置了障礙。

含水管道可近似視為一個相對封閉的空間，針對封閉空間中的天然氣爆炸及火焰傳播規律，學者們已經開展了大量的實驗及數值模擬研究[5-8]。Zhu 等[9] 研究了甲烷濃度和橫截面對爆炸規律的影響。Wang 等[10] 研究了管道粗糙程度對爆炸傳播的影響，發現在光滑管道內，爆轟波以穩定的速度在極限范圍內傳播。Akkerman 等[11] 研究了內壁粗糙程度對氣體爆炸火焰傳播速度的影響。Kundu 等[12] 發現，天然氣在湍流場中的爆炸強度、壓力上升速率和火焰速度要比靜態時更大。Starke 等[13]、Ibrahim 等[14] 和Wang 等[15] 揭示了障礙物形狀和尺寸對氣體爆炸火焰加速傳播的影響。這些研究大多在剛性約束邊界條件下開展，而對于連續相水等柔性邊界條件的研究尚不多見。

針對水與爆炸的耦合關系研究，多集中在離散細水霧的抑爆特性方面[16-17]。Wang 等[18] 研究了細水霧的液滴尺寸對爆炸的影響，發現直徑為45 和100 μm 的細水霧液滴不僅不能抑制爆炸，反而會促進爆炸，而霧滴直徑大于160 μm 的細水霧抑制爆炸的效果較好。Jing 等[19] 研究了直徑為10 μm 的單分散超細水霧抑制甲烷爆炸的效果，得出了將甲烷爆轟衰減為爆燃的水霧臨界濃度和將甲烷爆轟完全抑制的水霧臨界濃度。Li 等[20] 研究了噴霧壓力對爆炸的影響，發現增加細水霧的壓力會降低火焰高度并增大火焰傾斜角度，且低速火焰比高速火焰受到細水霧施加的橫向剪切力的影響更大。Liang 等[21] 和Li 等[22]分析了細水霧對爆炸的抑制機理，發現加入細水霧后誘導爆炸的時間延長，原因在于，水霧一方面降低了活性H、O、OH 自由基的濃度，另一方面干擾了氣體爆炸能量的產生，并通過吸熱消耗氣體爆炸火焰。針對天然氣在雨污排水管道中的爆炸火焰傳播與熄滅特性的研究尚不多見。前期，Zhang 等[23] 研究了低水位條件下氣體爆炸與連續相水的耦合作用，分析了沖擊波作用下連續相水的運動及形態發展規律，為揭示含水管道火焰傳播與熄滅特征提供了重要科學依據。

然而，受到天氣降雨以及居民用水量等因素的影響，城市雨污排水管道中水相及氣相空間比例變化多樣，這將對管道內氣體爆炸火焰的傳播及熄滅機制產生重要影響。本文中，基于計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）方法，在不同水深率的含水管道中開展天然氣爆炸與傳播特性研究，得到含水管道中形成氣體爆炸傳播的臨界水位高度，揭示不同水位高度與爆炸超壓、火焰特征的耦合作用關系，為城市燃氣生命線爆炸防控提供科學依據。