公路隧道內(nèi)氫氣和丙烷爆炸數(shù)值模擬對比分析*

陳長坤，雷　鵬，史聰靈，趙小龍，劉晅亞，陳　杰

(1.中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,湖南 長沙 410075; 2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083; 3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運(yùn)安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100012；4.建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300381)

0　引言

隨著我國交通運(yùn)輸能力的提高，我國公路隧道不斷增多，貨物運(yùn)輸量也逐年增加，其中有相當(dāng)一部分貨物屬于易燃易爆物品，如氫氣、液化石油氣等。這些危險物品在通過隧道時一旦發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的巨大的壓力波往往會造成人員傷亡、隧道結(jié)構(gòu)破壞等嚴(yán)重后果[1-2]。如2014年晉濟(jì)高速公路巖后隧道內(nèi)甲醇泄漏起火引發(fā)的爆炸，共造成40人死亡、12人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失8 197萬元。隧道內(nèi)發(fā)生的爆炸一般是由可燃?xì)怏w或者可燃液體的蒸氣引發(fā)的，因此有必要對隧道內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸展開相應(yīng)的分析。

對于隧道內(nèi)可燃?xì)怏w的爆炸，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究；Bie H.Y.等[3]對海底隧道中氫氣泄露、蒸氣云的形成和燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了通風(fēng)和點(diǎn)火延遲對超壓的影響；Ma.Q.等[4-8]開展了管道內(nèi)和隧道內(nèi)甲烷-空氣的爆炸實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)燃料濃度對火焰分布和爆炸超壓等參數(shù)有重要影響；肖華華等[9-11]對管道中氫-空氣和丙烷-空氣燃燒進(jìn)行了實(shí)驗和數(shù)值模擬，研究了管道內(nèi)氣體爆炸的動力學(xué)特性；Ahmed等[12]對湍流預(yù)混氫-空氣爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氫氣的平均反應(yīng)速率至少比甲烷的平均反應(yīng)速率高2個數(shù)量級；張增亮等[13-14]研究了惰性氣體對液化石油氣爆炸的抑制機(jī)理，得出了爆炸抑制中惰性氣體需求量估算方法。

由于清潔可再生、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，氫氣的應(yīng)用越來越廣泛。氫氣燃燒范圍很寬，著火能較低，容易發(fā)生泄露和爆炸[3]。液化石油氣是一種重要的化工原料和新型燃料，其主要成分是丙烷，在運(yùn)輸和使用過程中容易發(fā)生燃燒和爆炸。本文選取氫氣和丙烷2種氣體，擬通過對其在隧道中的爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以期得到2種氣體爆炸過程中反應(yīng)速率和壓力場，并進(jìn)行對比分析，為類似事故的預(yù)防和救援提供參考。

1　隧道模型的建立

1.1　物理模型及測點(diǎn)布置

以某雙線公路隧道截面為原型建立物理模型，如圖1所示[15]。隧道截面由半徑為4 m的半圓和長8 m高2.65 m的矩形組成。用ICEM劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對模型中間區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，網(wǎng)格總數(shù)為16.7萬。

在模型中設(shè)置A～F6個監(jiān)測點(diǎn)，坐標(biāo)如圖1所示。其中測點(diǎn)A～D位于隧道壁面上以監(jiān)測爆炸對隧道壁面的影響；測點(diǎn)E和F位于距地面1.5 m高度處以監(jiān)測爆炸對人員的影響。

圖1　物理模型及測點(diǎn)Fig.1　Physical model and monitors

圖2　氫氣爆炸的初始條件設(shè)置Fig.2　Initial condition of hydrogen explosion

圖3　丙烷爆炸的初始條件設(shè)置Fig.3　Initial condition of propane explosion

1.2　初始條件設(shè)置

表1列出了2種氣體的流動參數(shù)[16]。從表1可以看出，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)約是丙烷的6倍，而密度只有丙烷的1/20，如果在隧道內(nèi)發(fā)生泄露，氫氣會迅速上升并向各個方向快速擴(kuò)散，丙烷會逐漸下降且擴(kuò)散得較慢。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，氫氣會集中于隧道上方而丙烷會集中于隧道下方。

表1　氣體的流動參數(shù)

表2列出了2種氣體的燃燒參數(shù)[16]。濃度在化學(xué)計量濃度附近的可燃?xì)怏w爆炸產(chǎn)生的超壓最大[4]，因此在初始條件中將氫氣和丙烷的濃度設(shè)置為各自的化學(xué)計量濃度。

表2　氣體的燃燒參數(shù)

綜上，在初始條件中設(shè)定氫氣位于隧道上方，高度為1 m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，溫度為300 K；點(diǎn)火點(diǎn)圓心設(shè)置在隧道最高點(diǎn)正下方，溫度為1 500 K，如圖2所示。

按照丙烷和氫氣反應(yīng)時產(chǎn)生熱量相等的原則，計算得到丙烷在隧道內(nèi)的高度為0.453 m。丙烷爆炸的初始條件設(shè)置如圖3所示，丙烷位于隧道下方，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(即丙烷的化學(xué)計量濃度)，溫度為300 K；點(diǎn)火點(diǎn)圓心置在隧道最高點(diǎn)正下方，溫度為1 500 K。空氣溫度為300 K，由氮?dú)夂脱鯕饨M成，體積分?jǐn)?shù)分別為79%和21%。模型中初始壓力均為一個大氣壓。爆炸過程中流動為可壓縮、非定常流動，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型描述湍流過程中的湍流變化，燃燒模型采用渦耗散概念模型，時間步長取0.1 ms。為簡化問題，忽略熱輻射，并假設(shè)燃燒為一步不可逆反應(yīng)，且隧道壁面絕熱。

2　結(jié)果及分析

2.1　反應(yīng)速率對比

圖4給出了爆炸發(fā)生后150 ms內(nèi)氫氣和丙烷的反應(yīng)速率隨時間變化曲線。氫氣反應(yīng)速率在6 ms時達(dá)到最大值，為2 730 kg/(m3·s)，之后由于氫氣濃度的減小而迅速降低。丙烷的反應(yīng)速率較低，隨著溫度的升高而緩慢上升，之后逐步穩(wěn)定。在前50 ms內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率是丙烷的平均反應(yīng)速率的7倍。

圖4　氣體反應(yīng)速率變化曲線Fig.4　Reaction rate variation curves of gases

圖5　氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖Fig.5　Contours of mass fraction of gases

圖5給出了爆炸發(fā)生后50 ms時氫氣和丙烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。氫氣反應(yīng)很快，如圖5(a)所示，爆炸發(fā)生后， 50 ms，氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大只有0.06%。丙烷反應(yīng)較慢，如圖5(b)所示，50 ms時只有在點(diǎn)火點(diǎn)附近的丙烷發(fā)生了反應(yīng)，最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍為6%。

2.2　壓強(qiáng)對比

圖6給出了氫氣爆炸過程中監(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)達(dá)到最大時隧道的壓強(qiáng)云圖。爆炸開始時，隧道頂部的壓強(qiáng)迅速升高，6 ms時隧道頂端(D點(diǎn))的壓強(qiáng)達(dá)到最大；12 ms時壓力波傳遞至B點(diǎn)和F點(diǎn)；16 ms時壓力波傳遞到地面，C點(diǎn)壓強(qiáng)達(dá)到最大；17 ms時向兩側(cè)擴(kuò)展并反射， A點(diǎn)壓強(qiáng)達(dá)到最大，反射之后的壓力波繼續(xù)向上傳遞，強(qiáng)度有所減弱；20 ms時壓力波傳至E點(diǎn)。30 ms時，傳播至隧道頂端的壓力波又被隧道壁面反射回來，再次向下傳播，強(qiáng)度有所減小。氫氣爆炸產(chǎn)生的壓力波在隧道內(nèi)上下來回反射，具有周期性。

圖6　氫氣爆炸時各個監(jiān)測點(diǎn)超壓達(dá)到最大時的壓強(qiáng)云圖Fig.6　Contours of pressure when overpressure of monitors maximize in hydrogen explosion

圖7給出了丙烷爆炸過程中5個時刻的壓強(qiáng)云圖。如圖7(a)所示，爆炸初期產(chǎn)生了以點(diǎn)火點(diǎn)為中心的球形壓力波，6 ms時的最大壓強(qiáng)為10 kPa，遠(yuǎn)小于同一時刻氫氣爆炸產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)(225 kPa)；16 ms時一部分壓力波在遇到隧道壁面后被反射回來，另一部分繼續(xù)向上傳播；30 ms時被隧道頂部壁面反射回來的壓力波與爆炸產(chǎn)生的壓力波相遇，由于強(qiáng)度大小相當(dāng)二者在抵消一部分之后繼續(xù)傳播。隨著爆炸的發(fā)展，反應(yīng)速率逐漸加快，爆炸產(chǎn)生的壓強(qiáng)逐漸增大，頂部反射回來的壓力波僅傳播一小段距離。60 ms之后，頂部反射回來的壓力波總是被爆炸產(chǎn)生的壓力波抵消，隧道內(nèi)壓力波整體表現(xiàn)為向上傳播，強(qiáng)度逐漸增大。

圖7　丙烷爆炸過程中的壓強(qiáng)云圖Fig.7　Contours of pressure in propane explosion

圖8(a)和(b)分別給出了E點(diǎn)和F點(diǎn)壓強(qiáng)隨時間變化曲線。氫氣爆炸時，E，F(xiàn)2點(diǎn)的壓強(qiáng)曲線上下震蕩。氫氣爆炸產(chǎn)生的壓力波在隧道內(nèi)上下來回反射，兩測點(diǎn)的壓強(qiáng)隨著壓力波的經(jīng)過而上升，離開而下降。丙烷爆炸時，E，F(xiàn)2點(diǎn)的壓強(qiáng)曲線緩慢上升。丙烷爆炸產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度逐漸增大，在隧道內(nèi)整體表現(xiàn)為向上傳播。

地面上爆炸壓力波對人體作用的安全界限為20 kPa，當(dāng)超壓值為75 kPa時，壓力波對人體臟器的損傷會導(dǎo)致人的直接死亡[2]。由圖8可以看出，氫氣爆炸產(chǎn)生的超壓多次超過75 kPa，丙烷爆炸產(chǎn)生的超壓在61 ms時達(dá)到20 kPa，在145 ms時超過75 kPa，因此在此種情況下，2種氣體的爆炸均能夠?qū)λ淼纼?nèi)人員造成嚴(yán)重傷害。

圖8　爆炸過程中壓強(qiáng)變化曲線 (監(jiān)測點(diǎn)位置參照圖1)Fig.8　Pressure variation curves in explosions (Refer to Fig.1 for location of monitors)

3　結(jié)論

1)隧道內(nèi)爆炸過程中，氫氣的反應(yīng)速率比丙烷的快，最大可達(dá)2 730kg/(m3·s)，達(dá)到最大值之后因氫氣濃度的減小而迅速降低。丙烷的反應(yīng)速率隨著溫度的升高而緩慢上升，之后逐步穩(wěn)定。在前50 ms內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率是丙烷平均反應(yīng)速率的7倍。

2)隧道內(nèi)爆炸過程中，氫氣爆炸產(chǎn)生的超壓較大，最大值為451 kPa；爆炸產(chǎn)生的壓力波傳播迅速，在隧道內(nèi)上下來回反射，強(qiáng)度隨著氫氣的消耗而逐漸減弱。丙烷爆炸產(chǎn)生的壓力波在遇到隧道頂端壁面時反射，與下一時刻爆炸產(chǎn)生的壓力波相遇，因強(qiáng)度較小而被抵消，隧道內(nèi)壓力波整體表現(xiàn)為向上傳播，在150 ms內(nèi)強(qiáng)度逐漸增大。

3) 在隧道爆炸過程中，氫氣和丙烷爆炸產(chǎn)生的超壓均超過會導(dǎo)致人死亡的臨界值(75 kPa)，因此在此種情況下，2種氣體的爆炸均能夠?qū)λ淼纼?nèi)人員造成嚴(yán)重傷害。

[1]陳長坤, 朱從祥, 康恒. 不同斷面形狀隧道火災(zāi)下通風(fēng)因子及中性層高度分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2014(6):79-84.

CHEN Changkun, ZHU Congxiang, KANG Heng. Anlysis of ventilation factor and neutral layer height for tunnel fire under different section shapes [J]. Journal of Railway Science and Engineering， 2014(6):79-84.

[2]王海賓. 甲烷爆炸沖擊波對動物損傷研究[D]. 中北大學(xué)軍事化學(xué)與煙火技術(shù), 2015.

[3]Bie H Y, Hao Z R. Simulation analysis on the risk of hydrogen releases and combustion in subsea tunnels [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016.

[4]Ma Q, Zhang Q, Li D, et al. Effects of premixed methane concentration on distribution of flame region and hazard effects in a tube and a tunnel gas explosion [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015(34):30-38.

[5]Pang L, Wang T, Zhang Q, et al. Nonlinear distribution characteristics of flame regions from methane-air explosions in coal tunnels [J]. Process Safety and Environmental Protection, 2014, 92(3):193-198.

[6]王華, 葛嶺梅, 鄧軍, 等. 受限空間可燃性氣體爆炸特性的對比[J]. 煤炭學(xué)報, 2009, 34(2):218-223.

WANG Hua, GE Lingmei, DENG Jun, et al. Comparison of explosion characteristics of ignitable gases in confined space [J]. Journal of coal society， 2009, 34(2):218-223.

[7]程浩力, 李睿, 劉德俊. 管道燃?xì)獗ㄌ匦詫?shí)驗研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2010, 6(4):23-27.

CHENG Haoli, LI Rui, LIU DeJun. Experimental study on the explosion characteristic of combustion gas in pipelines [J]. Journal of Safety Science and Technology， 2010, 6(4):23-27.

[8]宋小雷, 陳先鋒, 陳明, 等. 瓦斯爆炸過程中火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗與數(shù)值模擬研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2011, 7(11):5-8.

SONG Xiaolei, CHEN Xianfeng, CHEN Ming, et al. Experimental and numerical study on the flame propagation in gas explosion [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2011, 7(11):5-8.

[9]肖華華. 管道中氫—空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)實(shí)驗與數(shù)值模擬研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2013.

[10]梁春利. 內(nèi)置障礙物受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸數(shù)值模擬[D]. 大連理工大學(xué), 2005.

[11]王志榮, 蔣軍成, 鄭楊艷. 連通容器氣體爆炸流場的CFD模擬[J]. 化工學(xué)報, 2007,58(4):854-861.

WANG Zhirong, JIANG Juncheng, ZHENG Yangyan. CFD simulation of gas explosion field in linked vessels [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2007, 58(4):854-861.

[12]Ahmed I, Swaminathan N. Simulation of turbulent explosion of hydrogen-air mixtures [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(17):9562-9572.

[13]張增亮, 林柏泉, 李賢忠, 等. 液化石油氣爆炸抑制研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2013(4):317-322.

ZHANG Zengliang, LIN Boquan, LI Zhongxian, et al. Liquefied petroleum gas explosion suppression [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2013(4):317-322.

[14]Du Y, Zhang P, Zhou Y, et al. Suppressions of gasoline-air mixture explosion by non-premixed nitrogen in a closed tunnel [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 31:113-120.

[15]關(guān)寶樹. 隧道工程施工要點(diǎn)集[M]. 北京：人民交通出版社，2003.

[16]馮文, 王淑娟, 倪維斗, 等. 氫能的安全性和燃料電池汽車的氫安全問題[J]. 太陽能學(xué)報, 2003,24(5):677-682.

FENG Wen, WANG Shujuan, NI Weidou, et al. The safety of hydrogen energy and fuel cell vehicles [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2003, 24(5): 677-682.