濃度梯度對工業可燃氣云爆炸特性影響

摘 """""要： 工業管道泄漏形成的可燃氣云濃度分布往往是不均勻的，為了模擬工業可燃氣體泄漏爆炸，并提高計算的準確性，以平行梯度濃度氣云爆炸為研究對象模擬工業可燃氣云爆炸過程，分別以均勻氣云、多層具有平行梯度濃度的不均勻半球形氣云為研究對象，模擬了工業可燃氣體泄漏導致氣云爆炸特性。還以3層平行濃度氣云為例，研究了點火位置、濃度分布對氫氣氣云爆炸的影響。結果表明：與均勻分布氣云相比，具有梯度濃度的氣云產生的爆炸沖擊波明顯減弱，且氫氣濃度分布越不均勻、點火位置處氫氣濃度越低，產生的爆炸超壓越小。研究結果為氫氣氣云爆炸后果預測及事故預防提供數據參考。

關 "鍵 "詞：工業可燃氣云；爆炸超壓；數值模擬；平行濃度梯度

中圖分類號：TE48""""""文獻標志碼： A """""文章編號： 1004-0935（2024）10-1577-04

工業可燃氣體泄漏事故的發生往往導致嚴重后果，針對此類事故規律已有大量研究^[1-3]。實驗研究通常采用薄膜或者肥皂泡等方式束縛預混氣云模擬泄漏形成的氣云爆炸。丁信偉^[4]同樣運用聚乙烯薄膜進行了半球形氣云研究，研究發現，由于湍流的作用，火焰在傳播過程中其表面逐漸由光滑變得不規則。KIM等^[5]利用肥皂泡法研究了氫氣、甲烷、丙烷3種氣體分別與空氣均勻混合后的爆炸沖擊波過程與火焰傳播過程，但是這種方法獲得的壓力較小。PFORTNER等^[6]利用聚乙烯薄膜對半球形氫氣預混氣云進行了實驗研究，證明了氣云體積對爆炸的影響主要是由于湍流的作用。國內學者還通過實驗、數值模擬等多種方式對濃度、點火形式、尺寸等因素對氣云爆炸影響進行了研究^[7-9]，研究結果對安全生產具有一定的指導意義。

然而，氣云在實際泄漏過程中很難達到均勻混合狀態，鑒于此，利用CFD軟件，通過設置平行濃度梯度對開敞空間不均勻濃度氫氣氣云進行模擬，得到不同條件下的爆炸壓力，研究氣云的不均勻性、點火位置、濃度分布對氫氣爆炸的影響。

1 "數值模型及驗證

1.1 "研究方案

建立開敞空間氫氣預混氣云爆炸的物理模型，并對其進行精確的網格劃分。設定網格的計算區域為22"m×10"m，在半徑為1"m的半球形內部劃分網格大小為0.05"mm，其余開敞空間網格大小設定為0.1"mm。選取體積分數為30%的氫氣與空氣的混合氣體進行二維數值模擬，建立計算區域。長方形區域底邊代表地面，其余3邊設置為壓力出口。在氫氣預混氣云分布區域劃分更加精細的網格。在坐標中心位置建立一個邊長為1"m的正方形區域，模擬1"m³的立方體聚乙烯薄膜，并向正方形區域中局部初始化體積分數為30%的氫氣。設置初始溫度為300"K，初始速度為0"m·s^-1，初始壓力為標準大氣壓力0.1"MPa，密度為1.27"kg·m^-3。考慮重力因素的影響，重力加速度設置為-9.8"m·s^-2，方向垂直向下。

1.2 "數學模型

根據有關流體力學的控制方程組、k-epsilon"（2eqn）黏性模型、湍流模型、Species Transport組分模型等建立氫氣預混氣云爆炸的數學模型，并采用壓力基耦合求解器進行求解。根據氫氣爆炸的特征，氫氣、空氣在發生爆炸時均可視為理想氣體，因此組分方程、能量方程、動量方程等可以如下表示。

連續性方程為：

（1）

組分方程為：

（2）

動量方程為：

（3）

能量方程為：

=

（4）

其中，

（5）

式中：p—壓力；

T—絕對溫度；

u—速度；

ρ—密度；

R_i，r—反應速率；

μ_eff—總有效流動黏度；

Sc_eff—有效施密特數；

Pr_eff—有效特朗普數。

1.3 "模型驗證

參考李艷超^[10]對均勻氫氣預混氣云爆炸過程進行的實驗研究，通過聚乙烯薄膜來封閉邊長1"m的立方體框架，并向立方體框架中充入氫氣，使氫氣與空氣預先混合好，然后在氣云中心位置點火。分別在距離點火位置3、6、9"m處放置聲壓傳感器，實時監測該點壓力。為了驗證所建數值模型的正確性，對該實驗過程進行了數值模擬，所選數值參數、點火位置以及壓力監測點均與實驗測試相同。均勻濃度氣云的爆炸超壓-時間曲線如圖1所示。

通過對比2條曲線，從圖像走勢來看，相對吻合性較好，都是先經歷了最大正超壓，又經歷了最大負超壓，最后經歷一次很小的二次正超壓。為了更好地驗證模型的有效性，對數值模擬數據與實驗數據進行對比，氫氣爆炸超壓的實驗值與模擬值如表1所示。

由表1可知，壓力監測點距離點火位置越遠，最大超壓的絕對值越小。從對比結果來看，二者正超壓的相對誤差較小，負超壓較之偏大。數值模擬的最大相對誤差為14.96%，總平均誤差為9.94%。以此可知，利用該模型能夠較為準確地預測氫氣預混氣云的爆炸威力。

2 "結果與分析

2.1 "濃度的不均勻性對爆炸壓力的影響

為研究開敞空間條件下具有濃度梯度的氫氣氣云爆炸過程，分別設置三層、五層以及七層不同平行濃度梯度的氫氣濃度分布。對于三層濃度氣云，由內到外分別充入40%、30%、20%的氫氣，氣云半徑分別為0.20、0.40、0.65 m；五層濃度氣云，由內到外分別充入50%、40%、30%、20%、10%的氫氣，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.30、0.48、0.65 m；七層濃度氣云，由內到外分別初始化70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的氫氣，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.28、0.37、0.45、0.54、0.65 m。不同氣云層數均設置10"J點火能量，選擇氣云中心位置點火。不同均勻度氣云爆炸壓力-時間變化曲線圖如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著氣云層數的增加，最大爆炸超壓逐漸降低，這說明氣云濃度分布越不均勻，產生的爆炸壓力越小。在氫氣爆炸的早期階段，爆炸壓力急劇升高，三層濃度梯度氣云在17"ms達到最大爆炸壓力1.8"kPa，之后壓力出現急劇的下降，減小到負壓，在42"ms時達到-1.85"kPa。隨著爆炸的結束，出現較小的第二次正超壓，最后爆炸壓力回到爆炸前狀態。三層氣云出現最大速度峰值的時間最早，層數越多峰值出現得越晚。這說明氫氣濃度分布越不均勻，爆炸壓力上升速度越慢，達到最大爆炸超壓所需的時間越長。

2.2 "不同濃度分布的爆炸超壓

研究氣云濃度分布的不均勻性對氫氣爆炸的影響時，所設置的三層、五層及七層氣云均為由內到外濃度越來越低的情況，現針對由內到外濃度逐次增加這種情況進行研究。對于三層濃度氣云，由內及外分別充入20%、30%、40%的氫氣，氣云半徑分別為0.20、0.44、0.65 m；五層氣云，由內及外充入氫氣的量分別為10%、20%、30%、40%、50%，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.34、0.50、0.65 m。七層氣云由內及外分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% ，氣云半徑分別為0.25、0.40、0.46、0.52、0.57、0.61、0.65 m。選取氣云中心位置點火，點火能量為10"J，保證氫氣總量和氣云大小一定。不同濃度分布氣云的爆炸超壓與時間關系曲線如圖3所示。

圖3中A為氫氣氣云濃度由內到外逐層降低的情況，B為氫氣氣云濃度由內到外逐層增加的情況，1、2、3分別代表三層氣云、五層氣云和七層氣云。氣云由內到外濃度逐次遞減時產生的最大爆炸超壓遠高于逐次遞增的情況，超壓值約為其2倍。內部濃度高時壓力上升速度快，達到最大超壓的時間明顯縮短。五層和七層由內到外濃度逐次遞增的氣云，最內部氫氣體積分數僅有10%，所以產生的最大爆炸壓力很小，僅有不到0.5 kPa。

2.3 "點火位置對氫氣爆炸的影響

以坐標原點為圓心，在單元寄存器中設置3個半圓，半徑分別為0.20、0.40、0.65"m，然后從小到大分別局部初始化40%、30%、20%的氫氣。內部點火選取點火位置為坐標（0，"5），中間點火位置坐標為（0，"30），外部點火位置坐標為（0，"60），坐標單位為厘米。距點火位置3"m處爆炸超壓-時間關系曲線如圖4所示。

圖4中測試1為氣云內部點火，測試2為氣云中間位置點火，測試3為氣云外部點火。內部點火產生的爆炸超壓最大，且遠高于其他2個點火位置。中間點火和外部點火產生的最大爆炸壓力雖相差很小，但是外部點火產生的最大負壓要遠低于中間點火，這是因為外部氣云周圍都是空氣，氧氣充足。隨著監測距離的增大，3個點火位置的爆炸超壓均逐漸減小。內部點火產生的最大超壓最大，主要是因為火焰對稱傳播，所在點火區域氫氣濃度高，預混氫氣氣云燃燒的速度快，火焰傳播到泄放口所用時間快。外部點火時，出現了3次正壓、2次負壓，而其他2個點火位置均是先后出現正壓-負壓-正壓的曲線，這是由于隨著時間的推移，氫氣向四周擴散，氣云邊緣處氫氣濃度不穩定。

3 "結 論

通過CFD軟件對氫氣預混氣云爆炸過程進行數值模擬，研究了在無約束條件下均勻氣云與不均勻氣云的爆炸規律，并將均勻氣云的模擬結果與實驗值進行對比，驗證了所用氣云模型的正確性。結論如下：不均勻氣云產生的爆炸壓力要遠小于均勻氣云。氫氣濃度分布越不均勻，產生的爆炸壓力越小，且達到最大爆炸超壓的時間越長；點火中心區域分布的氣云濃度越高，產生的爆炸超壓越大。所以在儲存有大量氫氣的區域及其周邊安全間距范圍內，禁止明火，做好防靜電處理；在不同點火位置產生的爆炸超壓不同，氣云中心位置點火產生的爆炸超壓最大，而外部點火時，由于氣云邊緣處氫氣濃度受到周圍大氣影響，導致爆炸壓力出現多處波動。

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Effect of Concentration Gradient on Explosion

Characteristics of Industrial Combustible Gas Cloud

DAI Shuqi， GUO Wenjie， TU Yue， YANG Junjie， HAN Jiahao

（School of Chemical Engineering and Safety， Binzhou University， Binzhou Shandong 256600，"China）

Abstract："The concentration distribution of combustible gas cloud formed by industrial pipeline leakage is often uneven. In order to simulate the explosion of industrial combustible gas leakage and improve the accuracy of calculation， the explosion process of industrial combustible gas cloud was"simulated with parallel gradient concentration gas cloud explosion as the research object， and the characteristics of gas cloud explosion caused by industrial combustible gas leakage were"simulated with uniform gas cloud and multi-layer heterogeneous hemispherical gas cloud with parallel gradient concentration as the research object. The effects of ignition position， concentration distribution on the explosion of hydrogen gas cloud were studied by taking three parallel concentration gas clouds as examples. The results"showed"that compared with the uniformly distributed gas cloud， the explosion shock wave generated by the gas cloud with gradient concentration was"significantly weakened， and the more uneven the hydrogen concentration distribution and the lower the hydrogen concentration at the ignition position， the smaller the explosion overpressure generated. The results of this paper provide"data reference for the prediction of the consequences of hydrogen gas cloud explosion and accident prevention.

Key words：""Industrial combustible gas cloud; Explosion overpressure; Numerical simulation; Parallel concentration gradient