非均勻混合可燃氣云爆炸的數值計算方法

楊石剛 方秦 張亞棟 陳力 鮑麒 李展

中國人民解放軍理工大學國防工程學院

可燃氣體或低沸點可燃液體，由于事故性泄漏形成可燃氣云，遇到合適的點火源容易引發蒸氣云爆炸事故，可導致嚴重的財產損失和人員傷亡，是現代工業的主要災害形式之一。對蒸氣云爆炸后果的研究，開始于20世紀70年代，國內外很多研究機構和高校都從事這方面的研究工作［1－2］。

近年來，隨著計算流體動力學的快速發展，國內外研究者采用數值模擬方法對氣體爆炸進行了大量的研究。Janovsky等［3］和 Hansen等［4］介紹了利用簡單的物理模型（如TNO多能法、Baker－Strhlow和阻塞評估模型等）預測氣體爆炸后果的不足，并用Stramberk礦道甲烷—空氣混合物爆炸實驗和經典的天然氣爆燃實驗數據（MERGE、EMERGE、BFETS、HSE、NIOSH實驗）分別對計算流體動力學（CFD）軟件AutoRea－Gas和FLACS進行了驗證；Popat等［5］應用自己開發的CFD 軟件（EXSIM、FLACS、REAGAS、COBRA、GEISHA）模擬了歐共體資助的氣體爆炸模型和實驗研究工程（MERGE），對各個軟件模擬氣體爆炸的能力進行了評價；Makarov等［6］和 Garcia等［7］總結了7家單 位 用 不 同 CFD 程 序 （CAST3M，COM3D，FLACS，REACFLOW，AutoReaGas，bob和 Fluent）對實驗的模擬，并對各個程序數值計算的火焰速度、最大超壓、特征壓力上升速率以及最大沖量與實驗結果進行了比較，討論了各個程序的應用范圍和局限性。國內羅艾民等［8］運用AutoReaGas軟件對受限空間泄漏天然氣爆燃過程進行了數值模擬，分析了影響爆炸場沖擊波超壓的主要影響因素，并將結論應用于事故調查中；曲志明等［9］應用AutoReaGas軟件對掘進巷道置障條件下瓦斯與空氣混合氣體的燃燒爆炸進行了分析和研究；陳文瑛等［10］利用AutoReaGas定量研究障礙物、障礙物阻塞比對開敞空間可燃氣云爆炸超壓場的影響以及爆燃超壓隨測點距離變化的分布規律；李小東等［11］利用AutoReaGas軟件，模擬了巷道中瓦斯濃度和火源對瓦斯爆炸傳播的影響。

總的來看，這些基于AutoReaGas軟件的數值模擬，僅限于氣云濃度均勻分布的蒸氣云爆炸，對非均勻混合的高斯氣云爆炸未見公開報道。

AutoReaGas軟件對可燃氣體爆炸后果的研究是基于理想化的均勻混合氣云模型，即保守地將氣體的濃度分布假定為均勻的化學計量濃度場，而生產、生活以及工業實際中不太容易形成均勻氣云，而是形成非均勻混合的高斯氣云，導致軟件預測結果（如超壓）比實際測量或事故現場觀測值偏大［3－7］。

鑒于此，本文對AutoReaGas程序進行了如下改進：先利用Fluent軟件計算出非均勻濃度場，并開發了AutoReaGas軟件接口，將原來均勻分布的濃度場替換成非均勻分布濃度場；與自然擴散型氣云爆炸實驗的對比表明，非均勻混合氣云爆炸的數值計算更加符合實驗結果。

1 非均勻混合可燃氣云爆炸的AutoReaGas計算方法

AutoReaGas的標準計算步驟為［12］：建立幾何模型并劃分網格，設定相應的邊界條件和參數，選擇氣體爆炸或爆炸波求解器進行求解。

筆者提出的非均勻混合可燃氣云爆炸的改進數值計算方法框架（圖1），包括以下程序：通用的流體計算軟件Fluent；模擬氣體燃燒、爆炸的程序AutoRea－Gas；幾何圖形模擬以及網格生成的前處理程序ICEM CFD。

圖1 程序框架結構圖

改進計算方法步驟：①首先用ICEM CFD產生所需的幾何結構以及網格，也可以從其他CAD／CAE軟件導入所需要的幾何模型或網格，如Gambit，True－Grid等，在ICEM CFD中生成2D／3D的非結構化網格（得到＊＊.msh文件），并將生成的非結構化網格轉化為結構化網格（得到＊＊.geo文件）。②然后將得到的＊＊.msh文件導入Fluent軟件中，設定相應的邊界條件和流體物性，求解計算域的濃度場分布（得到＊＊.rst文件）。③將得到的＊＊.geo文件和＊＊.rst文件導入AutoReaGas中，替換掉之前的均勻濃度場，然后執4行求解器運算，就得到非均勻混合氣云爆炸的溫度、壓力等變量（圖2）。

2 計算方法的實驗驗證

圖2 AutoReaGas接口示意圖

1999年羅正鴻等以乙炔與空氣混合形成的非理想爆源為實驗對象，在大連理工大學的開敞空間氣相爆炸野外實驗基地對自然擴散所形成的氣云點火后的爆炸規律進行了實驗研究［13］，考察最大超壓隨氣云大小和點火位置的變化情況。實驗的點火點和傳感器位置如圖3、4所示，其中一組自然擴散型預混氣云爆炸的實驗結果見表1。

從Fluent數值模型和計算結果（圖5）可以看出，自然擴散型氣云的濃度在空間為非均勻的高斯分布，從氣源中心往外，濃度依次減小，對于這種情況的氣云爆炸模擬，未經改進的AutoReaGas軟件將不再適用。

圖3 實驗的點火位置圖

圖4 傳感器位置布置圖

表1 自然擴散型預混氣云爆炸實驗數據表［13］

圖5 Fluent數值模型及計算結果圖

AutoReaGas數值模型如圖6所示。AutoRea－Gas、修正后的AutoReaGas計算結果及實驗結果對比情況見圖7。

從圖7可以看出：利用Fluent軟件計算的非均勻濃度場替換原來均勻分布的濃度場后，模擬的氣云爆炸超壓與實驗結果吻合較好，特別是沖擊波最大負超壓與實驗結果比較接近。另外，模擬達到最大超壓的時間也與實驗比較接近。由此可見，筆者所提出的改進計算方法是有效的、可靠的。

圖6 AutoReaGas模型圖

3 工程實例

選定某鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站，事故場景設定為注采站套管因運營壓力失控、地震、恐怖襲擊等原因出現泄漏，考慮對泄漏點周邊區域的影響。泄漏點中心位于地面，坐標（67，62，0），泄漏孔徑為216 mm，泄漏方向垂直于地面，依據推導的鹽巖儲庫氣體泄漏計算方法［14］，計算出天然氣（甲烷）泄漏源強為173kg／s。注采站長80m、寬60m，為減小邊界條件對模擬的影響，計算區域的長×寬×高定為150m×100m×30m，x軸正向為正東方向，y軸正向為正北方向，z為垂直方向。

圖7 自然擴散型預混氣云爆炸所產生的超壓（p）—時間（t）曲線對比圖

濃度采用Fluent軟件計算，湍流模型選用標準的k－ε模型，模擬的流速為亞音速，選用不可壓縮理想氣體模型，用基于壓力的隱式求解器求解。模擬過程分3個階段：構建不同風向的基本風場；以構建的基本風場為泄漏初始條件模擬5min的連續泄漏；模擬停止泄漏后3min甲烷隨風場的自由擴散。具體的模擬過程及計算結果見本文參考文獻［15］。

假定氣體泄漏發生在某個注采井單元（圖8），泄漏區域為10m×10m×5m。將Fluent計算的濃度場通過開發的子程序導入到AutoReaGas中，初步模擬儲氣庫燃燒爆炸產生的爆炸壓力場，計算結果見圖9、10。

由圖9的計算結果可以看出，利用改進的Auto－ReaGas軟件可以得到非均勻混合的高斯氣云爆炸時，鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站不同位置的超壓時程曲線。由圖10可以看出，從點火點（即氣體泄漏源）往外爆炸峰值超壓依次減弱，不管是橫向還是縱向布置的測點計算的峰值超壓（正壓或負壓）均有這樣的規律。由此可見，改進的AutoReaGas軟件能較好地模擬鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站非均勻混合的高斯氣云爆炸，擴大了軟件的適用范圍。

圖8 注采站（儲氣庫）計算模型圖

圖9 部分測點超壓時程曲線圖

4 結論

針對AutoReaGas軟件中假定氣體濃度均勻分布導致預測結果比較保守的不足，開發了濃度接口進行改進，通過與自然擴散型氣云爆炸實驗的對比，驗證了本文改進計算方法的有效性，具體結論如下。

圖10 部分測點峰值超壓圖

1）開發了AutoReaGas軟件濃度接口，可以將Fluent軟件計算的非均勻濃度場耦合進AutoReaGas軟件，將原來均勻分布的濃度場替換成實際的濃度場，與實驗結果對比分析表明，本文的改進計算方法有效地提高了計算精度。

2）改進的AutoReaGas軟件能較好地模擬鹽巖天然氣地下儲氣庫注采站非均勻混合的高斯氣云爆炸，擴大了軟件的適用范圍。

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