運油罐車尾部遭撞擊爆炸燃燒傳播機理分析研究

2021-05-07 07:56:30周利坤李高揚

西安理工大學學報 2021年1期

王勇，周利坤，張穎，李高揚

(武警后勤學院后勤保障系，天津300309)

油氣運輸是石油安全生產過程中的重要環節，一旦發生意外，后果將不堪設想。運油罐車運輸石油過程中，常溫下油罐內會出現石油蒸汽與空氣的混合氣體，當混合氣體濃度達到其爆炸極限1.4%～7.6%，遇明火就易發生爆炸事故，尤其是剛卸完油后的空罐，罐內積聚大量可燃混合蒸汽，更易爆炸。油氣爆炸實質是石油蒸汽與空氣快速反應，釋放大量熱量，產生高溫高壓的化學燃燒過程。由于封閉的運油罐車油罐的長徑比較小，所以這種類型的爆炸屬于爆燃形式。

近年來，國內外學者對可燃氣體爆炸做了大量研究。其中，國外學者Costin[1]對受限空間氣體爆炸做了數值模擬實驗，得到爆炸后的反射超壓比入射超壓增大的值取決于受限空間的壁面形狀。Feldgun等[2]論述了受限空間氣體爆炸的殘余爆炸壓力，提出了不同的壓力預測模型并對模型的實用性進行了實物實驗驗證。國內學者毛金輝[3]、蔡運雄[4]等對封閉管道中的油氣爆炸進行了仿真模擬并與實驗數據進行了對比。杜揚[5]、陳超[6]等研究了油氣爆炸的影響因素和爆炸超壓的分布規律。劉沖等[7]進行了含雙側分支受限空間油氣爆炸大渦模擬，得到爆炸火焰和壓強在分支結構處的變化過程。江丙友[8]、高佳麗[9]等對瓦斯爆炸沖擊波的傳播特性進行了研究。目前，對運油罐車這類儲運載體的研究還十分匱乏，對油氣爆炸傳播機理的研究還不夠深入。研究運油罐車油氣爆炸實驗需要投入大量的人力物力，不僅危險系數較高，而且實驗數據很難獲得。因此，本文采用目前比較成熟的流體動力學軟件Fluent，對卸完油后的運油罐車在運輸途中，遭遇后車追尾引發罐內摩擦起火，進而導致其爆炸的過程進行仿真模擬，既安全高效，又能獲得準確的油氣爆炸數據。

1 物理模型建立與網格劃分

1.1 物理模型

運油罐車油罐模型見圖1，長寬高為4 m×1.2 m×1 m，罐壁厚4 mm。油罐頂位于上表面的幾何中心，其直徑0.4 m，高0.1 m。運油罐車在行駛途中被后方一貨車追尾，使油罐尾部內壁發生碰撞，摩擦起火。

圖1 運油罐車油罐模型

由于油罐模型沿長軸對稱，可以取長軸截面進行模擬實驗，長軸截面見圖2。

圖2 油罐長軸截面

1.2 網格劃分

本文利用ICEM CFD專業網格劃分軟件對長軸截面圖進行網格劃分，見圖3。在保證實驗順利進行的情況下，為加速計算時間，網格尺寸統一采取10 mm，共計劃分網格數：40 400，網格質量：1。

圖3 網格模型

2 數學模型選擇以及流場控制方程

運油罐車油罐中的油氣混合物爆燃是典型的湍流爆炸，其本質是一種帶壓力波的高湍流度、高反應速率的油蒸汽與氧氣燃燒過程。本文采用基于總能的k-εRNG湍流模型來描述湍流流場。基本控制方程式為：

(1)

(2)

式中：i,j,k分別代表第i,j,k個；u為速度(m/s);ρ為密度(m/s)；μ為動力粘性系數(Pa·s)；l，t分別代表層流和湍流；Gk表示由層流速度梯度而產生的湍動能；αk和αε分別代表k方程和ε方程的湍流Prandtl常數；C1ε和C2ε為經驗常數，分別為1.42，1.68。

由于油蒸汽與氧氣反應十分復雜，涉及到幾十種組分和基元反應，為簡便計算，本文采用單步不可逆化學反應模型。

90號汽油的主要成分是庚烷，其與氧氣燃燒反應方程式如下：

C7H16+11O2=7CO2+8H2O+Q

(3)

式中：Q為反應釋放的熱量。

用有限速率/渦耗散(Finite-Rate/Eddy-Dissipation)燃燒模型來描述化學反應速率，其基本控制方程如下：

(4)

(5)

Rfu=-min(|Rfu,A|,|Rfu,T|

(6)

式中：Rfu,A為Arrehnius類型燃燒速率，Rfu,T為湍流燃燒速率，Rfu為Rfu,A和Rfu,T的較小值代表化學反應速率；CEBU為經驗常數，通常取0.34～0.40；Y1,Y2,Y3分別表示C7H16,O2,H2O的質量分數。

3 仿真模擬與結果分析

3.1 模擬環境設置

不考慮油罐的破損、變形，模擬封閉油罐中的油氣爆炸，所以不需設置進出口邊界。假設油罐壁面絕熱，不考慮其與外界的能量傳遞與交換，邊界類型均設為剛性，絕熱，無滑移，無滲透的wall邊界。忽略壁面厚度，壁面粗糙度取0.5，由于壁面附近流場壓力梯度較大，為提高模擬精度采用非平衡壁面函數法處理壁面附近流場。利用SIMPLEC算法求解壓力與速度的耦合關系。

假設油罐內混合氣體點火前處于常溫常壓靜止狀態且均勻混合，罐內壓強設為0.1 MPa，表壓為0 Pa，溫度為300 K。油蒸汽的體積分數取2%，空氣為98%，空氣中氧氣含量可定為22%。用庚烷代替油蒸汽，換算成質量分數，庚烷占6.6%，氧氣占22.8%。

根據運油罐車遭遇撞擊劇烈程度，可以在油罐尾部內壁中點附近設一半球形點火源，半徑為0.1 m，用電火花方式進行點火，點火能量為0.12 J，點火持續時間為0.001 s。為加快收斂，確保計算精度，時間步長設為0.001 s，每個時間步最大迭代步數設為20。最后進行計算，每隔1 ms自動保存一次結果。

3.2 模擬結果分析

3.2.1火焰發展和傳播過程分析

選取14個時刻的混合氣體爆炸燃燒的火焰傳播云圖進行分析，見圖4。

圖中深色表示已燃區域，藍色表示未燃區域。已燃區混合氣體反應釋放的熱量不斷加熱未燃區混合氣體，直到達到其著火點，未燃區的混合氣體被點燃，形成新的火焰面，火焰就是以這種方式逐漸向運油罐車油罐右側傳播的。可以用圖5簡單地表示。

從3 ms時的云圖可以看到，點火后油罐左側壁面附近的混合氣體首先被點燃，火焰呈圓弧狀。此時溫度較低，最大只有827 K，化學反應速率較慢。而后火焰面以點火位置為中心，向四周擴散。從15 ms 時的云圖可以看出，由于受到左側壁面的約束和反射作用使得火焰的軸向速度大于徑向速度，火焰呈現拋物線型。此時最高溫度達2 490 K，混合氣體被完全點燃，化學反應速率較快，最快反應速率達到64.2 m/s，見圖6。

圖6 15 ms的化學反應速率云圖

當火焰傳播到上下壁面附近時，由于壁面湍流作用使得壁面附近火焰速度大于軸向速度，于是火焰形狀逐漸由拋物線型向平面型再到凹型的轉變，從第20 ms到第230 ms云圖可以清楚的看到這個變化過程。隨著火焰面積的增大，上下壁面附近的氣體反應速率不斷加快，使得火焰逐漸向軸線靠攏，火焰面開始呈現倒V型。365 ms時，火焰傳播至油罐頂附近，被分成兩部分分別向灌頂和罐右側傳播，由于受到油罐頂的約束和擾動作用，灌頂區域火焰開始變形。785 ms后灌頂區的混合氣體完全反應，火焰繼續向油罐右側傳播。同樣由于上下壁面的湍流作用，油罐右側部分火焰面呈現不規則的凹形。計算進行到2 000 ms時混合氣體完全反應，火焰布滿油罐。

因此可得到，運油罐車油罐內油氣爆炸火焰傳播經歷弧形-拋物線形-凹形-倒V形-凹形的變化過程。

3.2.2溫度變化過程分析

選取a(0.5，0.5)、b(2.0，1.1)、c(3.5，0.5)三個點作為監測點，得到其溫度-時間變化曲線，見圖7，分析油罐中油氣爆炸的溫度變規律。

圖7 溫度-時間曲線

點火后，已燃區混合氣體反應釋放的熱量加熱附近的混合氣體，點a距離點火區域最近，首先被加熱，溫度緩慢上升。當火焰峰面傳播至點a，其溫度迅速上升達到2 600 K，而后隨著爆炸的進行緩慢增加至最大值。同理點b、點c變化趨勢也和點a一樣，但各點溫度上升速率有所不同，點a、點b溫度上升速率要大于點c，因為爆炸后期化學反應速率很低，釋放熱量緩慢。各點最大值在3 000 K附近，這比實際值略高，因為本文所選模型是封閉的油罐，不考慮與外界的能量傳遞與交換。此外可以通過圖7估算出火焰水平方向的平均傳播速度。點a到點b、點b到點c水平距離均為1.5m，前者所需時間約為400 ms，后者時間約為1 200 ms，利用平均速度公式算出火焰水平傳播速度分別為3.75 m/s、1.25 m/s。可以得到火焰后期處于減速傳播階段,這是因為油罐右側壓力越來越高，火焰所能傳播的空間越來越小，造成油罐右側未燃混合氣體反向流動，增加火焰向油罐右端傳播的阻力。

由以上分析，油罐內各點溫度均呈上升趨勢，而開始上升時間和上升速率分別由火焰峰面和氣體反應速率決定，氣體反應速率越快，溫度上升速率越快

3.2.3壓力波發展和傳播過程分析

見圖8，選取8個時刻的壓力分布云圖進行運油罐車油氣爆炸壓力波的傳播規律分析。

圖8 壓力波傳播云圖

從圖8可以看出，點火后點火區域的壓力驟增，壓力波以球形波的形式向四周傳播，當傳播至上下壁面時發生反射。隨著爆炸的進行，上下壁面的反射波相互接觸，使得壓力波以平面波的形式向油罐右側傳播。在油罐頂左側的直罐區域內，壓力波均以平面波的形式傳播，從第1 ms到第7 ms的壓力分布云圖可以看出這一變化過程。當壓力波傳播至罐頂附近時，受到油罐頂的擾動作用發生輕微的傾斜，形成凹面狀，到灌頂右側區域后繼續以平面波的形式傳播。當壓力波傳至右側壁面時，發生反射向油罐左側傳播，如10 ms至22 ms云圖所示，傳至左側后再次發生反射向右傳播，以此往復循環直至混合氣體完全反應。

綜上，油罐內油氣爆炸壓力波在罐內做往復運動，大部分時間是以平面波形式傳播，經過灌頂區域時會發生輕微的傾斜。

3.2.4壓力變化過程分析

圖9為油氣爆炸過程中a(0.5，0.5)、b(2.0，1.1)、c (3.5，0.5)三個監測點壓力隨時間變化曲線，依圖分析油罐中油氣爆炸的壓力變化過程。

圖9 壓強-時間變化曲線

從圖9可以看出，隨著爆炸的進行罐內壓力逐漸增大，直至混合氣體反應完全，最大壓力達到0.8 MPa，對油罐損害很大，容易引起油罐破裂使得混合氣體迅速擴散到空氣中遇到明火引發二次爆炸，帶來更大的損失。由于本文所選模型是封閉油罐，所以最終結果要比實際值稍大。各監測點的壓力曲線到110 ms時幾乎完全重合，說明封閉空間內的氣體爆炸是個瞬間過程，罐內壓力很快達到平衡。從爆炸全程來看，壓力上升過程分為兩段，第一段曲線較陡壓力上升速率大，第二段上升曲線較平緩壓力上升速率小。因為前期化學反應速率快，快速放熱使氣體迅速膨脹，所以壓力上升的快。相反，爆炸后期化學反應速率很慢，釋放熱量慢，因此壓力上升也較慢。選取第12 ms和第1 800 ms兩個時刻的化學反應速率云圖進行對比，見圖10和11。第12 ms時最快反應速率可達56.5 m/s;而第1 800 ms時最快反應速率僅有0.19m/s。