初始溫度和壓力對排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性影響的模擬研究*

呂鵬飛，張家旭，馬利克·哈力木，張 瑾，龐 磊，楊 凱，呂則愷

(北京石油化工學院 安全工程學院，北京 102617)

0 引言

市政地下排污管線是城市公共基礎設施的重要組成部分，隨著我國城鎮建設步伐的加快和城市規模的逐步擴大，排污管網貫穿于城市的各個角落。由于地下排污空間相對封閉，容易產生大量有毒、有害、易燃、易爆混合性氣體，外界氣源極易泄入排污空間形成爆炸性環境，最終導致爆炸事故發生。例如2013年山東省青島市“11·22”中石化東黃地下輸油管道泄漏爆炸事故，揮發油氣在市政排水暗渠內積聚遇火花發生爆炸，造成62人死亡、136人受傷。

由于市政地下排污管線開展氣體爆炸安全防護研究具有現實意義。Jiang等[1]研究了排污管道內甲烷的生成機理及影響因素；劉仁龍等[2]根據下水道內氣體流動特點，基于層流有限速率燃燒模型建立了可燃氣體爆炸二維分析模型，研究了氣體流動速度和甲烷體積分數對爆炸過程的影響；范小花等[3]分析了污水管網發生氣體爆炸事故的主要影響因素，基于模糊綜合評價法建立了氣體爆炸風險評估模型，結合實例開展了風險評估并提出管理對策；米莉等[4]對城市下水道氣體爆炸風險評估開展了研究，基于現有的安全管理經驗建立了城市下水道氣體爆炸半定量風險評估模型，認為城市下水道氣體爆炸風險是可燃氣體積聚可能性與爆炸后果的綜合體現。此外，彭述娟[5]借助數值模擬和實驗手段，在污水管道爆炸成因與氣體爆炸極限分析基礎上，建立了基于風險矩陣的污水管道氣體爆炸風險評估模型；楊凱等[6]歸納了城市排水涵道油氣爆炸研究的現狀；張遠等[7]總結分析了城市排污管道甲烷爆炸防控措施的不足，并提出了今后應重點研究的方向；胡修穩[8]對重慶主城區污水管道氣體安全風險評估模型進行了研究，分析了影響爆炸的因素，并基于爆炸波模型計算了污水管道體系的爆炸極限。

綜合目前研究成果發現，排污空間氣體爆炸研究主要集中在氣體成分分析、氣體爆炸事故風險評估模型的建立及應用等方面，對氣體爆燃特性及災害傳播規律研究較少。本文借鑒氣體爆炸相關研究成果[9-16]，針對排污空間特殊環境條件，開展了初始溫度和壓力對排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性影響的研究，以期為排污空間氣體爆炸事故分析及預防提供指導。

1 爆炸分析模型

為研究初始溫度和壓力對排污空間甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響，借助三維計算流體動力學通用多物理場模擬軟件Fluidyn-MP建立爆炸分析模型。所建模型為20 L球形爆炸容器(見圖1)。球體半徑R為0.168 m，將球心設置為點火源，距球心0.16 m處設有監測點，用于記錄爆燃特性參數。考慮到排污空間內可燃性氣體主要成分為甲烷，模擬過程中對氣體成分進行簡化處理，將球體內充滿甲烷-空氣混合物，其中甲烷體積分數為9.5%。

圖1 爆炸分析模型Fig.1 Explosion analysis model

軟件模擬中假設可燃氣體爆炸為單步不可逆化學反應，采用有限體積法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問題，并通過k-ε模型模擬氣體爆炸中的湍流行為。

2 初始溫度對甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響

根據排污空間環境溫度的動態變化，模擬過程中設置初始溫度為253～353 K，以20 K為考察間距，保持初始壓力為0.1 MPa，得到不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線(見圖2)。

圖2 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線Fig.2 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial temperatures

由圖2可知，在不同初始溫度條件下，甲烷-空氣混合物爆燃壓力變化曲線具有一定的相似性：隨著爆炸反應的進行，爆燃壓力急劇上升，在反應進行到0.2 s左右時，爆燃壓力達到峰值。由于建立的20 L球形爆炸罐模型將壁面設置為等溫條件，混合物爆炸反應后，壁面與外界進行熱交換，造成一定的能量損失，因此隨著時間的延長爆燃壓力逐漸下降。由圖2分別提取不同初始溫度下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達最大爆炸壓力的時間，得到變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，隨著初始溫度的升高，甲烷-空氣混合物爆炸反應的最大爆炸壓力逐漸下降。其中初始溫度為253 K時，最大爆炸壓力為0.924 MPa，初始溫度為353 K時，最大爆炸壓力為0.675 MPa，與253 K時相比，壓力值下降0.249 MPa，下降幅度為26.9%。分析認為，隨著初始溫度的升高，由于反應容器內外溫差變大，加速了罐體與外界的熱交換，同時也減少了罐體內單位體積甲烷-空氣物質的量，造成放出的熱量減少。因此，最大爆炸壓力呈現下降趨勢。同時，由圖3可知，到達最大爆炸壓力的時間與初始溫度的倒數近似呈線性變化規律，即隨著初始溫度的升高，到達最大爆炸壓力時間逐漸縮短。其中初始溫度為253 K時，到達最大爆炸壓力時間為0.209 s，初始溫度為353 K時，到達最大爆炸壓力時間為0.143 s，與253 K時相比縮短0.066 s，下降幅度為31.6%。分析認為，隨著初始溫度的升高，可燃氣體分子內能增加，加快了分子的運動速率，使分子間的碰撞幾率有所增加，表現為化學反應更加劇烈，造成到達最大爆炸壓力的時間縮短。考慮到氣體爆炸必須經過一段時間才能完全反應，因此，到達最大爆炸壓力的時間不會無限縮短。

圖3 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力及到達時間變化曲線Fig.3 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial temperatures

此外，將圖3中不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力模擬值與實驗值[17]進行對比(見圖4)，兩者曲線變化趨勢相近，而且在初始溫度為253～353 K時曲線基本重合，表明數值模擬結果具有較高的可信度。

圖4 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力對比曲線Fig.4 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane air mixture under different initial temperatures

3 初始壓力對甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響

通常情況下排污空間環境壓力的動態變化幅度較小，基本維持在0.1 MPa左右，但在極端條件下(初次爆炸后)，排污空間發生二次爆炸，二次爆炸前混合氣體極有可能處于異常高壓環境，氣體爆燃特性將呈現更為復雜的變化。因此數值模擬過程中，設置初始壓力為0.1～1 MPa，以0.1 MPa為考察間距，保持初始溫度為300 K，得到不同初始壓力條件下監測點處甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力隨時間的變化曲線Fig.5 Change curves of deflagration pressure of methane-air mixture with time under different initial pressures

由圖5可知，不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力變化曲線具有相似性，隨著時間的延長爆燃壓力先急劇上升再緩慢下降，在0.19 s左右爆燃壓力達到峰值。此外，與不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆燃壓力曲線(圖2)相比，壓力數值明顯增大，整體提高一個數量級，表明甲烷-空氣混合物爆燃壓力對初始壓力的敏感程度遠大于初始溫度的影響。由圖5分別提取不同初始壓力下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達最大爆炸壓力的時間，得到變化曲線如圖6所示。

圖6 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力及到達時間變化曲線Fig.6 Change curves of maximum explosion pressure and arrival time of methane-air mixture under different initial

由圖6可知，隨著初始壓力的升高，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力近似呈線性關系遞增，到達最大爆炸壓力的時間也逐漸增大，與不同初始溫度條件下的變化趨勢(見圖3)截然相反。其中，當初始壓力為0.1 MPa時，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力為0.775 MPa，到達最大爆炸壓力時間為0.171 s；當初始壓力為1.0 MPa時，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力為8.455 MPa，到達最大爆炸壓力時間為0.214 s，與初始壓力為0.1 MPa相比，最大爆炸壓力急劇增大，提高了9.9倍，到達最大爆炸壓力時間增加了25.15%。分析認為，隨著初始壓力的增加，甲烷-空氣混合物分子間距縮短，使得分子濃度升高，增加了分子間的碰撞幾率，加快了化學反應速率，造成最大爆炸壓力逐漸增大。此外，根據分子碰撞理論，爆炸反應過程中并不是所有的分子碰撞都能產生化學反應，只有發生碰撞的分子舊鍵破裂再進行原子間的重新結合，分子動能轉化為內能才能產生有效碰撞。初始壓力的增大造成可燃氣體分子間距減小，在增加分子間碰撞幾率的同時，也加快了碰撞中自由基銷毀速率，降低了自由基濃度，導致初期燃燒速度減小，因此延長了到達最大爆炸壓力的時間。

此外，將圖6中不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力模擬值與實驗值[18]進行對比(見圖7)，初始壓力為0.1～0.5 MPa，模擬值與實驗值相比整體偏小，但兩者曲線變化趨勢相近，這與數值模擬時設置的初始溫度偏高有一定關系(實驗時初始溫度為281～291 K，模擬時初始溫度為300 K)，根據模擬結果可實現非常壓情況下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力的定量預測。

圖7 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力對比曲線Fig.7 Contrast curves of maximum explosion pressure of methane-air mixture under different initial

4 初始壓力和初始溫度對火焰傳播速度的影響

考察不同初始壓力和初始溫度條件下爆炸火焰傳播速度，得到火焰由20 L球形爆炸容器中心點火點傳播到壁面附近監測點的平均傳播速度變化曲線(見圖8和圖9)。

圖8 不同初始溫度條件下甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度變化曲線Fig.8 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial temperatures

圖9 不同初始壓力條件下甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度變化曲線Fig.9 Change curves of average propagation velocity of explosive flame of methane-air mixture under different initial

由圖8可知，隨著初始溫度的增加，甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度呈線性增加，其中初始溫度為253 K時，火焰傳播速度為1.292 m/s，初始溫度增加到353 K時，火焰傳播速度為1.9 m/s，與初始溫度為253 K相比較，增幅為47%，火焰傳播速度增速明顯。

由圖9可知，隨著初始壓力的增加，甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度整體呈增加趨勢，其中初始壓力為0.1 MPa時，火焰傳播速度為1.585 m/s，當初始壓力增加到1 MPa時，火焰傳播速度為1.615 m/s，與初始壓力為0.1 MPa時相比，增幅為1.9%，火焰傳播速度增幅不明顯。此外，當初始壓力為0.3～0.8 MPa時，火焰傳播速度穩定在1.6 m/s，根據劉易斯等[19]提出的火焰傳播速度與壓力變化關系，以0.5和1 m/s為分界點，將火焰傳播速度分為3個不同階段，初始壓力為0.3～0.8 MPa時，3個階段的綜合作用造成火焰平均傳播速度保持相等，形成平臺現象。由此可見，初始溫度對火焰傳播速度的影響遠大于初始壓力的影響，表明火焰傳播速度對初始溫度較敏感。

5 結論

1)隨著初始溫度的升高，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力和到達最大爆炸壓力的時間降低，而初始壓力的增加導致最大爆炸壓力和到達最大爆炸壓力的時間增大。表明初始溫度和初始壓力對甲烷-空氣混合物爆燃特性的影響作用相反。

2)在初始溫度考察范圍內(253～353 K)，甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力下降幅度為26.9%，到達最大爆炸壓力的時間下降幅度為31.6%。在初始壓力考察范圍內(0.1～1 MPa)，最大爆炸壓力增加9.9倍，到達最大爆炸壓力時間增加25.15%。表明甲烷-空氣混合物發生爆燃時，初始壓力對最大爆炸壓力的影響比初始溫度更大，因此，應關注排污空間初始壓力的急劇變化，尤其避免二次爆炸事故的發生。

3)隨著初始溫度和初始壓力的升高，甲烷-空氣混合物爆炸火焰平均傳播速度增加，而初始溫度對火焰傳播速度的影響較大，表明火焰傳播速度對初始溫度的敏感程度遠大于初始壓力的影響。