變徑管道中粉塵爆炸傳播實驗與模擬

李 剛, 張曉宇, 黃庭川, 張洋洋

(東北大學 資源與土木工程學院, 遼寧 沈陽 110819)

隨著過程工業的發展,粉塵爆炸事故一直嚴重威脅著人們的生命與財產安全[1].2014年8月2日,江蘇省昆山市中榮金屬制品有限公司發生了特別重大粉塵爆炸事故,造成 75 人死亡,185人受傷,事故調查分析確定 1號除塵器發生爆炸之后,爆炸沖擊波沿除塵管道向車間加速傳播,揚起車間聚集的鋁粉塵發生二次爆炸[2].類似的情形在爆炸事故中較為常見,因此,針對爆炸容器和管道連接的結構,研究其粉塵爆炸規律意義深遠.

國內外學者主要在實驗和數值模擬兩個方面對爆炸在管道中的傳播規律進行了研究.Zhu等[3]探究了礦井中的轉彎對氣體爆炸傳播特性的影響,發現管道中充滿甲烷氣體時,隨著轉彎數量的增加,火焰速度和爆炸壓力都在提高.Castellanos等[4]應用FLACS軟件模擬一系列粉塵爆炸實驗,研究各種防爆標準經驗的有效性,發現一些防爆標準低估了增大管道直徑對于爆炸壓力泄放的影響.Vogl[5]模擬了除塵器發生爆炸后爆炸在直徑不同的管道中的傳播規律,發現爆炸壓力隨著管徑的減小也相應地降低,并且他認為這是因為管道比表面積的增加導致熱損失和阻力的增加.Zhu等[6]研究了氣體爆炸在管徑為100～500 mm范圍內的傳播特性,數值模擬結果顯示爆炸火焰在管徑為200 mm的管道中傳播速度最快,并指出管徑變化對爆炸壓力和火焰傳播速度有較大的影響.

對于變徑管道中粉塵爆炸傳播規律的研究尚未見報道,而8.2昆山特大爆炸事故中1號除塵器連接管道破壞最為嚴重的撕裂點就位于管徑350 mm轉變為250 mm的變徑位置.管道變徑是工業除塵系統非常常見的一種結構,了解類似結構中粉塵爆炸的特性和規律是本文的研究目的,研究結果對于除塵系統的結構設計具有參考價值.

1 測試系統及實驗設計

1.1 實驗裝置

本文基于東北大學火災&爆炸防治實驗室1 m3爆炸容器搭建粉塵爆炸實驗平臺.1 m3爆炸容器依據國際標準 ISO6184設計,整體形狀為圓柱形,長徑比近似為1,壁厚12 mm,設計壓力2.5 MPa.實驗使用Dytran壓電式瞬態壓力傳感器測試爆炸超壓,上升響應時間為1 μs,最高頻率可達500 kHz,壓力采集系統使用PCI-1712L多通道高頻采集卡,最高采樣頻率1 MHz.圖1為該系統采集到的壓力波形圖.

圖1 1 m3爆炸容器內壓力曲線

1.2 實驗管道及傳感器布置

A管道由兩節直徑為200 mm,長度為2 000 mm長直管道和四節長度均為400 mm,直徑為200 mm的管道連接而成，如圖2所示,傳感器布置相對位置如圖2b所示.

圖2 A管道圖(單位：mm)

B管道由一節長度2 000 mm直徑200 mm的直管和一節長度2 000 mm直徑100 mm的直管,兩管道之間由一個直徑200 mm漸變為100 mm長度為200 mm的大小頭連接而成,現場如圖3所示;管道傳感器布置相對位置如圖4所示.

圖3 B管道實物圖

圖4 B管道的設計圖(單位：mm)

實驗材料為食用玉米淀粉,其爆炸下限接近450 g/m3,因此選擇300,500和750 g/m3三種質量濃度分別代表貧燃、臨界和富燃質量濃度.

2 數值模擬模型的建立

FLACS-DustEx2是用于模擬計算粉塵爆炸的軟件,本文主要應用DESC粉塵爆炸模塊對除塵器管道系統爆炸進行模擬,研究管道內火焰傳播速度、爆炸超壓峰值、火焰傳播距離和爆炸腔內超壓變化.Skjold等[8-10]從20 L爆炸容器中測量的壓力和爆炸曲線中提取燃燒參數,并總結了垂直管道中的火焰傳播以及封閉系統中的粉塵爆炸的規律,進而建立了粉塵爆炸燃燒模型,并且利用該模型模擬了玉米淀粉爆炸,分析了玉米淀粉的壓力隨時間變化曲線,證明了FLACS軟件的有效性.

2.1 粉塵爆炸數學方程

FLACS-DustEx2應用三維笛卡爾坐標系網格對粉塵爆炸連續性方程、動量方程、化學組分平衡方程進行求解.FLACS計算方程如下.

1) 連續性方程:

(1)

2) 動量方程:

(2)

3) 化學組分平衡方程:

(3)

其中:ui是xi坐標方向上的速度分量;P是壓力;ρ是密度;gi是xi方向的重力加速度;Ri是網格引起的摩擦阻力;h是總焓;μeff是有效黏性;m是粉塵的質量.

4) FLACS模擬爆炸選用的是κ-ε湍流模型,基本方程為

(4)

2.2 幾何模型建立及網格劃分

本文在實驗的基礎上利用FLACS軟件DESC模塊建立了與爆炸實驗設備相同比例1∶1的幾何模型.

FLACS自帶粉塵數據庫包含5種不同的玉米淀粉MAIZE2_100～MAIZE2_200.為了模擬所選的玉米淀粉與實驗中的實驗淀粉相匹配,在進行模擬之前,利用20 L球對實驗所使用的玉米淀粉進行爆炸壓力測試,測得其最大爆炸壓力Pmax值為0.6 MPa.利用FLACS軟件對不同特性的玉米淀粉MAIZE2_100～MAIZE2_200進行模擬,模擬結果顯示最大爆炸壓力值分別為0.66,0.78,0.83,0.86,0.88 MPa.對比發現實驗所用玉米淀粉最大爆炸壓力值與MAIZE2_100擬合度最高,因此數值模擬選擇該屬性的玉米淀粉.

根據Tascón等[11]研究發現利用FLACS進行模擬時,選用MAIZE2_100這種屬性的玉米淀粉時,網格選擇0.05 m×0.05 m大小的網格模擬效果與實際情況擬合度最好,計算精度最高.因此本文數值模擬選擇網格大小為0.05 m×0.05 m.

2.3 初始條件和邊界條件設定

對于粉塵爆炸數值模擬計算,其邊界條件選擇為EULER邊界.輸出選擇壓力P、火焰傳播速度v、火焰傳播PROD動態圖.環境溫度設置為20 ℃,環境壓力設為1×105Pa.點火能量為10 kJ.平均空氣速度和 RMS 湍流速度的確定依據 Hauert等[12]利用激光多普勒風速測量技術(laser-doppler-anemometry technique)測量的結果.在 FLACS 中不能模擬實際的粉塵分布以 及重力對粉塵云作用的沉降過程和顆粒間的聚集作用,因此假設一定濃度的粉塵云均勻地填充爆炸腔中.

3 實驗與模擬結果分析

3.1 管道內爆炸火焰傳播速度變化規律

火焰傳播速度是研究爆炸傳播規律的重要參數,為了研究火焰在管道中的傳播規律,本實驗選取三種質量濃度，分別為300,500和750 g/m3,把相同質量濃度條件下A管道和B管道火焰傳播速度實驗曲線進行對比分析,相應管道數值模擬與實驗結果進行對應分析.

如圖5a所示,在實驗粉塵質量濃度為300 g/m3時,在變徑點之前A管道的火焰傳播速度大于B管道.在變徑點之后,B管道中火焰傳播速度上升了414.1%.A管道中火焰傳播速度僅上升了108%.變徑管道火焰上升幅度明顯大于直管道.在臨近管道出口處,A管道中火焰傳播速度達到306 m/s,B管道中火焰傳播速度達到480 m/s,接近A管道中火焰傳播速度的1.6倍.

圖5 三種質量濃度下火焰傳播速度隨傳播距離變化

如圖5b和圖5c所示,當粉塵質量濃度為500和750 g/m3時,從管道各點火焰傳播速度變化曲線中可以看出,變徑點前A管道的火焰傳播速度仍大于B管道.在變徑點之后B管道火焰傳播速度上升了660%和606%,而A管道火焰傳播速度僅上升了81.8%和64.8%,顯然,縮小管徑使得火焰傳播速度變快.在接近管道出口的位置,A管道中火焰傳播速度分別為300和 303 m/s,B管道中火焰傳播速度分別為550和 554 m/s.

綜上實驗數據分析,火焰在管道中傳播速度不斷加快.火焰傳播速度在變徑點之后的增幅顯著變大.漸縮管徑對火焰傳播起到加速的作用.因為B管道直徑由200 mm縮小為100 mm時,氣流經過變徑點產生渦流,而且管壁接觸面積逐漸變小對火焰產生阻礙,在渦流和障礙物的共同作用下,火焰在管道中被拉伸,產生皺褶,火焰前沿表面積的增加使得反應速率加快;另一方面管道直徑縮小后,釋放的熱量散失較慢,更加有利于反應物的燃燒[13].在變徑位置火焰擾動增加,縮小管道面積致使湍流度增大,玉米淀粉與氧氣接觸更加充分,熱量擴散更加均勻,導致火焰傳播速度加快.高的燃燒速度導致燃燒產物擴散加速,產生的壓縮波強度變大,這種壓縮波推動了火焰燃燒面與未燃燒的混合物充分接觸并且產生了更大的擾動,使湍流度持續增加,如此下去氣體流動與燃燒速度形成正反饋耦合關系,火焰速度持續增加[14].

火焰傳播速度實驗結果與數值模擬結果對比發現,數值模擬結果略高于實驗結果.A管道在質量濃度為300,500和750 g/m3下火焰傳播速度數值模擬與實驗結果的相對誤差分別為7.75%,10.4%,10.1%.B管道焰傳播速度模擬與實驗相對誤差分別為8.46%，8.67%，16.7%,計算誤差在可接受范圍內.

誤差產生原因可能有以下幾點:①在數值模擬軟件沒有考慮實際實驗中設備與環境的熱交換;②數值模擬設置的初始條件中玉米淀粉均勻分布在爆炸腔內與實驗噴粉后實際情況存在差異;③實際實驗中管道中有殘留粉塵影響實驗結果.

3.2 系統爆炸超壓峰值變化規律

3.2.1 管道內超壓峰值

研究爆炸在管道中傳播的規律,爆炸超壓峰值是一項重要參數.本實驗和數值模擬選取三種實驗質量濃度，分別為300,500和750 g/m3,現把相同濃度條件下A管道和B管道爆炸超壓峰值實驗曲線進行對比分析.并且通過數值模擬拓展實驗工況,增加模擬了DN200～DN150和DN200～DN120兩種工況,并且與 A管道和B管道模擬結果相結合,建立數學模型,研究改變管道變徑比對爆炸腔內超壓峰值的變化規律.

當實驗質量濃度為300 g/m3時,A管道和B管道上各點的爆炸超壓峰值隨著傳播距離的增加不斷下降,如圖6a所示.A管道和B管道爆炸腔內最大爆炸超壓分別為0.057和0.153 MPa.經過變徑點以后,B管道在距點火源3.1 m處最大爆炸超壓為0.128 MPa,在距點火源5.3 m處最大爆炸超壓為0.047 MPa,爆炸超壓峰值衰減了63.3%.在相同位置A管道爆炸超壓峰值僅衰減了34.6%.實驗總體壓力衰減速度0.007和0.022 MPa/m.

如圖6b和圖6c所示,當實驗質量濃度為500和750 g/m3時,A管道爆炸腔內最大爆炸超壓分別為 0.087 和 0.137 MPa. B管道爆炸腔內最大爆炸超壓分別為0.218和0.351 MPa.在A管道距點火源3.1～5.3 m之間爆炸超壓峰值衰減了53.1%和29.4%.在B管道發生變徑之后的相應位置爆炸超壓峰值衰減了62.5%和34.9%.A管道超壓衰減速度0.013和0.019 MPa/m,B管道超壓衰減速度0.033和0.052 MPa/m.

圖6 三種濃度下超壓峰值隨傳播距離變化

3.2.2 腔內爆炸超壓峰值變化規律

在實驗質量濃度為750 g/m3條件下,改變管道變徑比分別為1∶1,1.33∶1,1.67∶1和2∶1,通過數值模擬,得到爆炸腔內超壓變化關系如圖7所示.

圖7 爆炸腔內超壓峰值擬合曲線

利用Origin數據分析軟件,采用Levenberg-Marquardt 優化算法對離散數據點進行擬合,得到爆炸腔內超壓峰值隨變徑比的變化規律近似為對數關系,通過計算得出爆炸腔內超壓峰值P與變徑比D1/D2的數學關系式為

(6)

其中:P為爆炸腔內爆炸超壓峰值,MPa;D1為變徑前管道直徑(大頭);D2為變徑后管道直徑(小頭).

根據在三種質量濃度下A管道數值模擬超壓曲線與實驗測得爆炸超壓曲線擬合程度較高,相對誤差分別為8.95%,9.41%,10.4%.B管道數值模擬在三種質量濃度下的相對誤差分別為8.5%,20.6%,13.3%.

綜上分析,粉塵爆炸超壓峰值隨著距點火源距離的增加而不斷下降,這是因為管道末端開口泄壓所造成的.變徑管道爆炸腔內超壓峰值以及變徑點后管道上的爆炸超壓峰值的下降幅度均大于直管道.爆炸在整個管道傳播過程中B管道壓力衰減速率大于A管道.這是由于管徑的縮小使得壓力向前傳播時受到的管壁阻力越來越大,能量損失增加所造成的.隨著變徑比的不斷增加,爆炸腔內超壓峰值不斷升高.因為變徑比增加,管道末端出口面積變小,泄壓面積減小對爆炸腔內壓力的泄放起阻礙作用,所以爆炸腔內超壓峰值升高.

3.3 爆炸火焰傳播距離變化規律

火焰傳播距離對于粉塵爆炸的預防、安全距離的確定有著重要的指導意義.實驗精準地測量火焰傳播距離難度較大,因此通過數值模擬研究了A管道和B管道口外的火焰傳播距離.

當實驗質量濃度分別為300,500和750 g/m3時,A管道和B管道口中火焰傳播情況如圖8和圖9所示.A管道口中火焰傳播距離分別為9.5,10.6 和13.7 m.B管道中火焰傳播距離分別為10.1,11.5和16.8 m.可以看出火焰傳播距離隨著質量濃度的增加而增長.相同質量濃度下,火焰傳播距離均隨管徑變小而變長,以750 g/m3為例,從13.7到16.8 m增加了22.6%.產生這種結果的原因可能有兩個:一是當管徑縮小時,爆炸腔內超壓增大,加快了管道內粉塵顆粒及燃燒產物的運動速度,從而增加了傳播距離;另一方面在變徑位置火焰與管壁接觸發生激波反射,增大湍流度加快了火焰燃燒速度并且拉伸了火焰長度.

圖8 A管道中三種粉塵質量濃度下火焰傳播距離的變化

圖9 B管道中三種粉塵質量濃度下火焰傳播距離的變化

4 結 論

1) 火焰在管道中傳播時,速度不斷加快;火焰傳播速度在變徑點之后的增幅明顯變大,縮小管徑對于火焰傳播有加速的作用.

2) 粉塵爆炸在管道中傳播時,超壓峰值在管道內呈下降趨勢;在變徑點之后爆炸超壓峰值的下降幅度大于直管;爆炸在整個管道傳播過程中變徑B管道壓力衰減速率大于A管道.

3) 隨著變徑比的增加,爆炸腔內超壓峰值升高.通過數據擬合確定了爆炸腔內超壓峰值P與變徑管道直徑變化比D1/D2(D1>D2)之間的變化規律.

4) 管道口外火焰傳播距離隨濃度增加而變長,同種爆炸濃度下變徑管道B的口外火焰噴射距離比直管道A增加了22.6%.