大尺度障礙物與泄爆面對天然氣內爆炸的協同作用規律研究*

楊 凱，呂鵬飛，胡倩然，龐 磊

(1.北京石油化工學院 安全工程學院，北京 102617；2.北京市安全生產工程技術研究院，北京 102617)

0 引言

作為一種高效、清潔能源，天然氣在城市居民生活中得到廣泛應用。近年來，由于設備設施老化、違規使用等問題誘發的天然氣爆炸事故已然成為城市居民生活中的典型事故類型之一。一般而言，民用建筑內天然氣爆炸多始發在廚房，而廚房的門窗在爆炸過程中往往會成為具有一定開啟壓力的泄爆結構。同時，廚房內的櫥柜、吊柜等物品很可能加劇爆炸瞬態流場的復雜性。氣體爆炸屬于非點源爆炸形式，爆炸過程受約束條件的影響極為顯著。在典型的室內天然氣爆炸事故中，具有一定開啟壓力的泄爆面與內置大尺度障礙物將共同作用于室內的爆炸流場[1]。

目前，關于泄爆結構對氣體爆炸的影響規律方面已經取得了較多的研究成果。Bao，Qi，Fakandu，Guo等[2-5]分別借助不同形狀、不同尺度的實驗裝置研究了開啟壓力、泄爆面積、相對位置等泄爆面屬性對氣體爆炸及泄爆的影響，但由于事故過程、工藝特點等方面的差異，并沒有進一步考查內置障礙物的爆炸效應。

近年來，部分學者采用實驗手段或數值方法對內置障礙物作用下氣體爆炸及泄爆效應開展了大量研究，但民用建筑內的家具、電氣設備等障礙物都是以大尺度為主，有關大尺度障礙物與泄爆面對受限空間內氣體爆炸協同的研究還比較缺乏。由于天然氣和液化石油氣是2種主要的居民生活用氣，因此很多文獻[6-15]中主要利用這2種氣體的主要成分甲烷或丙烷氣體作為爆源開展研究。這些文獻中泄爆面和障礙物特征是主要考察的2個參數。由于研究中爆炸腔室體積尺寸的分布范圍較廣，如Hall等[9]和Tomlin等[14]分別采用體積為0.000 625 m3和182.25 m3的爆炸腔室，研究了液化石油氣和天然氣的約束爆炸過程，使得各文獻中泄爆面積和障礙物體積的差別較大，而約束泄爆過程具有尺度效應，小尺度泄爆實驗結果不能直接用于指導民用建筑研究[1]。基于無量綱分析發現文獻[6-15]中泄壓比和障礙物面積阻塞率的分布范圍較寬，分別為0.1～1和0%～70%。雖然這些文獻考察了各種泄壓比對泄爆過程的影響，但泄爆面的開啟壓力相對較低，均在數kPa范圍內，而民用建筑房間玻璃的開啟壓力通常在數kPa到幾十kPa之間。當房間泄壓比在特定范圍時，泄爆面開啟壓力增加將加劇室內爆炸超壓強度。盡管Bao等[2]借助大尺度實驗裝置研究了泄爆面靜開啟壓力對室內爆炸超壓的影響，但并沒有考慮室內障礙物的協同作用。障礙物的存在會增加室內湍流源，從而促進火焰速度和爆炸超壓。雖然文獻 [6-15]考察了圓柱、立方體、長方體等不同形狀障礙物對約束泄爆過程的影響，但這些障礙物通常以小尺度細長形為主，并采用連續均勻方式布置，而民用建筑內的家具、電氣設備等典型物品，特別是廚房內的障礙物的幾何尺度通常較大[14]，障礙物布置較為緊湊。由此可見，目前同時涉及障礙物與泄爆面的有關研究主要針對小尺度連續障礙物，且泄爆面開啟壓力相對較低的情況，尚未關注房間內的大尺度障礙物與約束泄爆面之間的協同作用，而針對小尺度障礙物的研究對民用建筑天然氣爆炸災害研究的參考意義較為有限。

基于此，以典型民用廚房內天然氣爆炸為例，研究了約束泄爆面與內置大尺度障礙物對爆炸動力學演化過程的協同作用機制，分析了泄爆面靜開啟壓力和大尺度障礙物體積阻塞率對約束泄爆效應的影響，力求為此類事故的致因機理及事故防治提供科學依據。

1 數值方法

1.1 數值模型

基于計算流體動力學技術的氣體爆炸動力學仿真軟件AutoReaGas適用于氣體爆炸及沖擊動力學問題，且該軟件的PRESSURFS邊界條件可以根據實際情況對特定面結構設置特定的靜開啟壓力，從而實現受限空間約束泄爆瞬態流場的求解，且該軟件在求解氣體爆炸泄壓流場的可靠性已經在文獻[16-17]中得到了驗證。因此，本文采用該軟件開展受限空間內預混氣體約束爆炸研究。軟件中假設可燃氣體爆炸為單步不可逆化學反應，并采用有限體積法數值對包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進行求解來解決氣體爆炸過程中的氣體動力學行為[18]；通過k-ε模型來模擬氣體爆炸中的湍流行為。

層流燃燒時的氣體燃燒率Rfu=C1ρRmin，其中，C1為層流燃燒率模型常數，取系統默認值；ρ為密度，kg/m3；Rmin為燃料質量分數、氧氣質量分數以及產物質量分數的最小值。

層流燃燒速度Sb可表示為：

Sb=Sl(1+FSRf)

(1)

式中：Sl為特定層流燃燒速度，m/s；Rf為球形火焰半徑，m；FS為層流火焰加速系數，取值為0.15。

湍流燃燒時的氣體燃燒率Rfu=Ctρ(St2/Γfu)Rmin；Ct為火焰速度常數，取值為40；ρ為密度，kg/m3；Γfu為湍流耗散系數；Rmin為燃料質量分數、氧氣質量分數以及產物質量分數的最小值。

湍流燃燒速度St可以表示為：

St=1.8ut0.412·Lt0.196·Sl0.784·ν-0.196

(2)

式中：ut為湍流強度；Lt為特征長度尺寸，m；Sl為特定層流燃燒速度，m/s；v為未燃混合物的運動粘度，m2/s。

1.2 網格獨立性驗證

AutoReaGas采用8節點結構網格對空間離散，采用子網格技術描述小尺度實體對流場的作用[19]。為了考察網格尺寸對爆炸流場的精確捕捉的影響。選取尺寸為5 m×2 m×2.5 m房間作為研究對象。房間內無障礙物。在房間較小的一面豎直墻體上設有1個尺寸為0.5 m×0.5 m的泄爆面，其開啟壓力為60 kPa。在房間內充滿濃度為9.5%且處于靜止狀態的甲烷/空氣預混氣體。點火源位于房間后壁中心處。針對該物理模型，分別采用0.1 m×0.1 m×0.1 m(M1)和0.05 m×0.05 m×0.05 m(M2)的2套尺寸對其進行網格劃分，并對比分析了各算例的峰值超壓。表1給出了2套網格的峰值超壓對比數據。從表1中可以看出峰值超壓的相對誤差在10%以內，表明2種網格尺寸對本計算的影響較小，均可應用本計算，為了節約計算時間，采用尺寸為0.1 m的網格開展研究。

表1 峰值超壓對比Table 1 Comparison of peak overpressure

1.3 數值模型的有效性驗證

為了驗證本文中數值模型的有效性，借助該數值模型對與本研究工況相類似的Bao等[2]開展的大尺度天然氣爆炸實驗過程進行數值模擬和對比分析。Bao等[2]采用2 m×2 m×3 m的大尺度實驗裝置開展了天然氣爆炸與泄爆實驗，并分析了6組不同靜開啟壓力的泄爆面以及9組不同體積濃度的甲烷氣體的泄爆效應，泄爆面面積為0.64 m2，點火源位于爆室中心位置，超壓曲線取自爆室后壁幾何中心位置的測點，爆室簡化模型如圖1所示。

圖1 對比實驗中[2]爆炸室簡化模型Fig.1 Simplified model of explosion chamber in contrastive experiment[2]

在對應的數值模擬中，參照實驗參數設置泄爆結構的開啟壓力和泄爆面積，其他墻壁均設置為剛性固壁邊界。采用甲烷/空氣預混氣體作為爆源，其中甲烷體積濃度為9.5%。參照實驗中的測試布置，將數值模擬中的測點布置在房間后壁幾何中心，距離后壁0.1 m。點火源位于房間中心位置，點火時環境初始壓力和初始溫度分別設定為1.013 25×105Pa和300 K。基于實驗工況，對泄爆面開啟壓力為1.5 ,12.1, 20.6, 31.4和62.7 kPa的5組泄爆工況分別進行了數值模擬。不同開啟壓力下數值模擬與實驗所得的室內峰值超壓如圖2所示。

圖2 實驗與數值模擬結果中爆炸超壓的對比Fig.2 Comparison of peak overpressure between numerical and experimental results

對比發現，實驗和數值模擬的最大絕對誤差為3.4 kPa，最大相對誤差為4.2%。由于實驗裝置自身、傳感器精度以及實驗過程存在一定程度的不確定性，因此，其中的誤差可能由實驗測試誤差與計算域離散等多方面原因綜合所致。實驗與數值模擬的對比證實，借助以上數值方法求解室內天然氣爆炸與泄爆瞬態流場是可行的。

2 研究方案

由于民用建筑內天然氣爆炸通常始發于廚房內，因此基于中國民用建筑廚房典型幾何尺寸以及內部裝修布置特征，選擇房間模型尺寸為5 m(長)×2 m(寬)×2.5 m(高)。模型四周及屋頂和地板均為剛性壁面，其中較小面積的一面墻體上設置1個尺寸為0.5 m×0.5 m的具有一定開啟壓力的泄爆面。為準確描述泄爆口外部二次爆炸對室內爆炸災害的影響，將計算域延泄爆口方向向外延伸1倍房間長度，并將延伸的該部分計算域設置為自由出流邊界。采用尺寸為0.1 m的正方體結構網格對計算域進行離散。點火源位于房間后壁墻體的幾何中心位置。由于天然氣的主要成分為甲烷，在房間內均勻填充9.5%濃度且靜止狀態的甲烷/空氣預混氣體，計算域內的環境初始壓力和初始溫度分別設定為1.013 25×105Pa和300 K。

根據民用建筑窗體玻璃類型的不同，其靜開啟壓力在7～60 kPa[2]，為研究房間內窗體不同靜開啟壓力對室內天然氣約束泄爆效應的影響，在研究中改變泄爆面的靜開啟壓力，分別設為20，40和60 kPa。同時為研究房間內大尺度障礙物對天然氣約束泄爆的影響，在房間內分別設置了體積阻塞率為0，0.15和0.30的障礙物。民用建筑廚房內的障礙物通常布置在房間四周，根據中國民用廚房結構特征，可以分為“I型”、“Ⅱ型”、“U型”、“L型”4類，本文采用“Ⅱ型”的廚房布置形式，即沿著房間底部和頂部兩側長度方向設置障礙物。房間內障礙物尺寸參照中國典型廚房中的櫥柜、吊柜的尺寸和形式，位于下部的櫥柜和位于上部的吊柜橫截面尺寸分別為0.85 m(高)×0.5 m(寬)和0.65 m(高)×0.5 m(寬)，櫥柜和吊柜的長度均與房間長度一致，此時房間體積阻塞率為0.3，而采用將櫥柜和吊柜的高度降低一半的方法來實現阻塞率為0.15的實驗條件。根據房間長度，在模型中設置了8個測點，所有測點均位于房間中心軸線上，除了點火源附近和泄爆面兩側的測點外，其余測點均按照1 m等間距布置。廚房結構以及測點布置如圖3所示。

圖3 典型廚房及內置大尺度障礙物的物理模型Fig.3 Physical model oftypical kitchen with built-in large scale obstacles

3 結果與討論

3.1 無障礙物時不同開啟壓力對應的室內爆炸過程分析

圖4給出了空房間內不同開啟壓力對應的室內軸線上的火焰速度。顯然，各組火焰速度整體呈增長趨勢，但火焰速度增長相對較慢，且漲幅較小。同時，最大火焰速度隨著泄爆面開啟壓力的增加而不斷增大，表明開啟壓力對火焰速度存在影響。這是由于開啟壓力越大，泄爆時刻房間內和房間外的壓差也越大，泄爆引發的氣體出流速度更快，進而沿泄爆口的火焰速度增加最為顯著。

圖4 無障礙物房間內不同開啟壓力對應的火焰速度-距離Fig.4 Flame speed-distance in unobstructed rooms with different activation overpressures

圖5給出了空房間內不同開啟壓力對應的房間中心位置的爆炸超壓隨時間的分布，可見，每條曲線均呈現2個明顯的超壓峰值，超壓峰值p1是由房間泄爆面開啟造成的，而超壓峰值p2則是由室內外壓力平衡以及外泄氣體二次爆炸等綜合作用所致。2個峰值均隨開啟壓力的增加而顯著增大。隨著泄爆面開啟壓力增加，室內氣體的出流速度和湍流強度進一步增加，火焰速度進一步加快，進而氣體燃燒速度和燃燒產物也隨之增加，泄爆面開啟后房間內外壓力平衡需求和外部二次爆炸對室內流場的作用也更為強烈，最終導致室內更大的超壓峰值p2。

圖5 無障礙物房間內不同開啟壓力對應的超壓-時間Fig.5 Overpressure-time at centric position in unobstructed rooms with different activation overpressures

3.2 有障礙物時不同開啟壓力對應的室內爆炸過程分析

圖6(a)和圖6(b)分別為體積阻塞率為0.15和0.3對應的室內火焰速度分布。顯然，各組火焰速度總體上呈現增長趨勢，且沿傳播距離均可以分為3個類似階段。第1階段是火焰緩慢增長階段，出現在距房間后壁2 m范圍內，該范圍內火焰速度小于10 m/s。第2階段是火焰快速增長階段，出現在距房間后壁2 m至4 m范圍內，該范圍內火焰速度介于10 m/s與70 m/s之間。第3階段是火焰波動階段，該范圍內火焰速度產生波動，但總體上處于較大的速度值。出現波動是由于該區域靠近泄爆口，泄爆面開啟作用于氣體流動，造成了火焰速度的不穩定性。

對比圖4和圖6發現，相對于開啟壓力，障礙物對促進火焰速度增長的影響更為顯著。由于障礙物是普通房間內的主要湍流源，對爆炸災害的傳播過程主要表現為剪切作用，誘發火焰鋒面前端的未燃氣體形成湍流，從而進入火焰速度增加的正反饋機制。當廚房內的大尺度障礙物采用“Ⅱ型”布置時，由于障礙物沿房間長度方向布置，并沒有改變火焰傳播的總長度。因此，障礙物體積阻塞率的增加雖然導致房間內可燃氣體的體積減小，但同時也促使實際爆炸有效空間的長徑比增加，造成氣體流速相對增加，最終導致火焰速度更早地進入快速增長階段。

圖6 有障礙物時不同開啟壓力對應的火焰速度-距離Fig.6 Flame speed-distance in obstructed rooms with different activation overpressures

圖7(a)和圖7(b)分別為體積阻塞率0.15和0.3時不同開啟壓力對應的超壓時間曲線。當阻塞率為0.15時，超壓峰值p1和p2均隨開啟壓力的增加而增大，峰值到達時間也隨之增加。當阻塞率為0.3時，峰值p1越發不明顯。阻塞率的增加導致火焰速度增加更為迅速，促使氣體生成速率明顯大于氣體泄放速率，房間內壓力在極短時間內到達峰值，而泄爆面開啟對室內超壓的影響隨著測點遠離泄爆口而發生延遲，進而p1還未及時形成便進入火焰快速增長階段。總體而言，隨著體積阻塞率增加，泄爆面開啟壓力對峰值超壓p1的影響逐漸降低。

圖7 有障礙物時不同開啟壓力對應的超壓-時間Fig.7 Overpressure-time at centric position in obstructed rooms with different activation overpressures

3.3 泄爆面與大尺度障礙物的協同效應分析

圖8為房間內不同阻塞率時最大火焰速度隨泄爆面開啟壓力的變化。顯然，最大火焰速度出現于最大開啟壓力和最大體積阻塞率同時存在時，但相比于泄爆面開啟壓力，障礙物體積阻塞率對火焰速度的影響更為顯著。從圖中可見，當室內阻塞率為0.15時最大火焰速度增長最快。可能是由于當房間內阻塞率為0時，室內湍流源較少，火焰速度相對較低，隨開啟壓力的增長也較緩慢；而當阻塞率超過0.3時，大體積障礙物的存在一方面會導致室內可燃氣體量減少，另一方面也會對火焰加速傳播產生一定的阻礙作用。

圖8 不同體積阻塞率對應的最大火焰速度-開啟壓力曲線Fig.8 Peak flame speed-activation overpressure with different volume blockages

圖9 不同體積阻塞率對應的峰值超壓-開啟壓力曲線Fig.9 Peak overpressure-activation overpressure with different volume blockages

圖9為房間內不同阻塞率時峰值超壓隨泄爆面開啟壓力的變化趨勢。可見，峰值超壓出現于最大開啟壓力和最大體積阻塞率同時存在時，即阻塞率與開啟壓力對室內峰值超壓的增長產生了協同作用，共同促進其增長，但相比于泄爆面開啟壓力，障礙物體積阻塞率對超壓發展的影響更為顯著。

圖10為不同體積阻塞率時室內峰值超壓到達時間隨開啟壓力的變化曲線。

圖10 不同體積阻塞率對應的峰值超壓到達時間-開啟壓力曲線Fig.10 Arrival time of peak overpressure-activation overpressure with different volume blockages

由圖10可見，峰值超壓到達時間現于最大開啟壓力和最大體積阻塞率同時存在時，這表明大尺度障礙物與開啟壓力對峰值超壓到達時間也具有協同作用，共同促進超壓快速發展，縮短峰值超壓到達時間，最短的峰值超壓到達時間出現于最大開啟壓力和最大體積阻塞率同時存在時。同時，相比開啟壓力，障礙物體積阻塞率對峰值超壓到達時間的影響也更顯著。

4 結論

1)大尺度障礙物與泄爆面對室內天然氣爆炸過程具有顯著的協同作用，共同促進火焰速度與爆炸超壓的顯著增長，并縮短峰值超壓到達時間。在室內天然氣爆炸事故調查分析過程中，應對這一協同作用給予足夠重視，孤立分析單一因素容易低估爆炸強度。

2)相比泄爆面開啟壓力，大尺度障礙物體積阻塞率對泄爆效應的影響更為明顯。盡管障礙物的存在顯著減少了參與爆炸的天然氣量，但從增加房間內湍流源和房間相對長徑比的角度來衡量，大尺度障礙物對爆炸過程具有加劇作用。而隨著開啟壓力的增加，障礙物對泄爆效應的影響更為強烈。在民用住宅天然氣爆炸事故調查時，應對室內家具、電器等大尺度物品所形成的體積阻塞給予更多關注。

3)火焰峰面是天然氣爆炸事故的主要致災因素之一。大尺度障礙物與泄爆面協同作用下，室內火焰速度沿泄爆方向呈現出緩慢增長、快速增長、波動3個階段。這一特征加劇了室內人員燒傷的復雜性和嚴重性，在災害后果評估中應予以考慮。