泄爆口參數對柱形容器泄爆過程影響的數值分析

陳中漢

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

泄爆口參數對柱形容器泄爆過程影響的數值分析

陳中漢

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

本文基于流體力學軟件Fluent，通過模擬9.5%的甲烷-空氣混合氣體在柱形容器內的燃爆與泄爆過程，分析了不同泄爆口位置以及不同泄爆口數量等因素對泄爆過程的影響。結果表明：泄爆過程中普遍存在二次壓力峰值現象，泄爆口越遠離點火位置，二次壓力峰值到達時間越長，峰值壓力持續時間越長，壓力泄放越慢；等截面積條件下，增加泄爆口數量能在一定程度上加快容器內的壓力泄放。

泄爆口參數；影響；數值分析

在石油、化工等行業中存在有大量的儲油儲氣罐，而這些儲罐一旦由于靜電、高溫等誘因致使內部發生燃燒或爆炸，產生的高溫、高壓往往會破壞容器，造成嚴重的二次事故。泄爆是為了將容器內的高溫高壓流體通過一定的裝置泄放到其他空間，從而降低原容器內的溫度、壓力，進而保證容器的安全控制。然而，由于化學燃爆泄放的復雜性，目前尚沒有統一的泄放設計標準。

對于壓力容器開口泄爆過程影響因素的分析，目前大部分學者主要從泄爆面積、泄爆破膜壓力、腔體體積等方面去研究，并得出了較好的結論，然而對于泄爆口位置以及泄爆口數量對泄爆過程的影響，卻很少人考慮。基于此，本文采用數值模擬的方式，通過設置不同的泄爆口位置、及數量來研究泄爆過程中腔體內壓力的變化規律。

1 泄爆過程模擬的求解模型

1.1 基本假設

受模擬條件限制與問題研究的簡化，本模擬中采用以下主要基本假設：①試驗氣體屬于理想氣體，滿足理想氣體基本狀體方程；②模擬試驗處于絕熱狀態下，忽略管壁處的熱交換；③模擬采用一步反應法，忽略甲烷燃爆過程中的鏈式反應機理，忽略反應的可逆因素。

1.2 燃爆過程的求解計算模型

一定質量分數可燃氣體的燃爆過程是一個快速的化學反應過程，反應過程中滿足基本的質量守恒、動量守恒、能量守恒方程以及組分平衡方程。

Fluent中提供了多種模擬化學反應的模型，其中的通用有限速率模型是基于組分質量分數的輸運方程的解，利用預先定義的化學反應機制對反應進行模擬，其化學反應速率以源項的形式附加在組分輸運方程中。

Fluent計算流體力學中的化學反應速度，可以通過層流有限速率模型、渦耗散模型、渦耗散概念(EDC)模型等方面進行計算。渦耗散模型是假定在足夠精細的渦流尺度條件下，分子級別混合的化學反應在瞬間完成，其燃燒速度主要取決于渦流混合速度。而EDC模型是在湍流流動結構中包含化學反應機理，其假定化學反應都發生在小渦(精細渦)中，而反應時間是有精細渦及化學反應本身需要的時間共同決定的，該模型通過小渦空間分辨率與時間尺度兩參數對反應進行控制。

當燃爆速率受化學反應自身速率限制時，其反應速度由修正的阿倫尼烏斯表達式計算，見下式。

式中：k為化學反應速率常數；A為反應的指前因子；T為反應溫度/K；β為溫度指數；Ea為反應活化能/J/(kg·mol)；R為氣體常數/J/(kg·mol·K)。

基于瓦斯燃爆過程和泄爆過程的特點，以及各模型的適用范圍，本模擬采用EDC模型模擬甲烷燃爆過程中的化學反應過程，用渦耗散模型模擬泄爆過程中的化學反應過程。

2 構建模型及模型參數設置

模擬采用柱形壓力容器進行試驗，其二維簡化模型如圖1所示。其中柱形壓力容器直徑0.2m，高度1m，長徑比為1∶5，充入氣體為9.5%的甲烷-空氣混合氣體，點火區域位于容器底面中心，點火溫度2000K，點火區域為半圓形，半徑0.004m。

圖1 柱形泄爆容器二維簡化計算模型

流場初始壓力為一個標準大氣壓，表壓力為零，流場靜止。容器內氣體初始質量組分為甲烷0.053，氧氣0.21，氮氣0.737。點火區域初始質量組分為：甲烷0；氧氣0；二氧化碳0.145；水蒸氣0.118。單口泄壓時，泄壓口長度0.05m，分別位于頂端中央、右側面中央、右側面底端。雙口泄壓時，泄壓口單個長度為0.025m，分別位于兩側面底端。泄爆采用開口泄爆方式，泄爆壓力設定為40.703kPa。

3 結果分析

3.1 燃爆過程

通過初始化點火區域內的溫度與組分，以實現對甲烷預混氣體的點火，點火后容器內的溫度壓力變化情況見圖2、圖3。

圖2 混合氣體點燃后柱形容器內溫度隨時間變化等值線圖

圖3 混合氣體點燃后至泄爆前，柱形容器內壓力隨時間變化曲線

由圖2可以看出，柱形容器內一定濃度的甲烷-空氣預混氣體在底端被點燃后，燃燒反應隨時間增長而逐漸向四周蔓延，反應速度逐漸加快，火焰區域逐漸增大。由于反應生成大量熱并在局部積累，致使該區域溫度、壓力快速升高，而壓力波的傳播要顯著快于溫度的傳播，因此采用壓力來反映容器內的反應情況是較為準確的。從圖3的壓力變化圖中我們也可以看出，隨著時間的增長，反應由燃燒向燃爆快速轉換，容器內壓力快速上升，在30ms左右時，容器內壓力達到泄爆設定值。

3.2 泄爆過程

當達到泄爆壓力時，模型通過調整出口邊界條件實現泄爆過程的控制，通過調節不同位置、數量的泄爆口開閉來模擬泄爆位置對泄爆過程的影響。

3.2.1 不同泄爆位置對泄爆過程的影響

圖4顯示了泄爆口分別位于頂面、右側面中央、右側面底端時柱形壓力容器內壓力隨泄爆時間的變化關系。由此可以得出如下結論。

圖4 不同開口位置泄爆，容器內壓力隨時間變化曲線

1)無論在何處開口泄爆，泄爆過程都是一個較為短暫的過程，當泄爆口打開后，約30ms時腔內壓力均已基本降低至了較小值。

2)同時，無論采用哪種開口方式，泄爆過程中容器內壓力都存在較為明顯二次回升現象。其中，側面中部開口的二次波峰最先出現，約在33ms處，且二次波峰壓力值較高，可達35kPa左右，不過，其二次波峰持續時間較短，約為1～2ms。對于側面底端開口，其二次波峰出現在約38ms處，二期二次波峰壓力值最小，約為5kPa，且持續時間也較短，約4ms。而頂端開口的壓力二次波峰約在46ms處出現，峰值約為25kPa，不過其持續時間最長，超過10ms。之所以會出現壓力的二次波峰，這主要是由于泄爆時未燃的混合氣體泄放時的二次燃爆對泄爆過程起到了一定的阻滯作用。由于點火源位于底端，高溫區域也主要集中在了底端部位，當底端高溫向泄爆口移動的過程中，加上距離的因素，二次混合燃爆發生的時間、強度就產生了差別。

3)不同的泄爆位置影響泄爆速度與泄爆效果。從圖4(d)可以明顯看出，側面底端泄爆過程中壓力降低的最快，壓力降低到較低值所用的時間最短，且二次燃爆較不明顯，二次燃爆峰值較小，因此二次燃爆對泄爆裝置的二次擾動較小，較有利于器械的維護。而頂端開口泄爆，泄壓速度相對較慢，降低至壓力較低值所用時間較長，且二次燃爆十分明顯，不利于泄爆裝置的維護保養。

3.2.2 不同泄爆口數量對泄爆過程的影響

為研究相同的泄爆面積，而泄爆口數量不同對泄爆效果的影響，本模擬在頂端中央設單個長0.05m的泄爆口，同時在其兩側緊鄰位置各設置一個長為0.025m的泄爆口，分別泄爆容器內的壓力。變化情況見圖5。

圖5 等泄爆面積、不同數量泄爆口對泄爆壓力影響曲線

從圖5中我們可以明顯看出，等泄爆面積條件下，雙孔泄爆的二次壓力峰值首先到達，且峰值大小小于單泄爆口壓力峰值大小。圖中我們也可以看出，二次壓力峰值過后，雙孔泄爆的壓降速度也相對快與單孔泄爆過程。這主要是由于雙孔泄爆時流場被拆分成兩束，減小了泄爆口壓力集中涌出的局部阻力從而更有利于壓力的泄放。

4 結 論

通過模擬9.5%的甲烷空氣預混氣體的燃爆、泄爆過程，本文研究了不同開口位置及等泄爆面積不同泄爆口數量對于泄爆過程中柱形容器內壓力變化的影響，得出如下結論。

1)泄爆過程是一個迅速的過程，且普遍存在二次壓力波峰現象。開口位置離點火位置越遠，壓力二次波峰到達時間越靠后，波峰持續時間越長，腔內壓力降低越慢，越不利于泄爆。

2)相同的泄爆面積條件下，泄爆口數量增加在一定程度上能分散泄爆氣流，減小泄爆阻力，從而加快泄爆過程，因此將泄爆口分散布置在一定程度上有利于柱形容器內的壓力泄放。

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[6] 朱紅鈞.流體分析及仿真使用教程[M].北京：人民郵電出版社，2010.

Numericalanalysis on influencing of explosion vent parameters to the cylindrical container venting progress

CHEN Zhong-han

(Faculty of Resources & Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Based on FLUENT-the fluid dynamics software，a simulated experiment about the explosion and explosion venting of 9.5 Ch4-air mixture in a cylindrical container is set to analyze the influence of different locations and numbers of venting ports to the pressure decreasing of the container during the venting progress.The results show that：the “two pressure peaks” phenomenon is common in the venting progress.The further the vent is away from the ignition position，the longer of the arrival time of the twice pressure peak and the last time of the peak and thus the slower of the pressure venting progress.Additionally，at the condition of equal venting square，the increasing of the number of vents can be helpful for the pressure venting progress to a certain extent.

explosion venting parameters；influence；numerical analysis

2014-10-27

X936

A

1004-4051(2015)08-0138-03