地下綜合管廊燃氣艙內燃燒爆炸時火焰傳播規律的尺寸效應研究

崔英潔，周卓群，李良順

（1. 北京航天萬源建筑工程有限責任公司，北京 100076；2.北京建筑大學，土木與交通工程學院，北京 100044；3.北京交通大學，土木建筑工程學院，北京 100000）

引言

綜合管廊可以有效地利用地下空間，對于綜合管廊類的建筑結構，運行過程中不可避免地會發生燃氣泄漏，一旦內部發生燃燒爆炸，會造成很大的損失。進行密閉空間內燃氣燃燒爆炸的研究對于提高管廊安全性有著重要意義[1]。近年來密閉空間內燃氣體爆炸的研究不斷增加，且受到廣泛關注。隨著計算機性能的不斷提高，流體力學軟件在工程模擬分析中得到了廣泛的應用，流體力學軟件在氣體爆炸領域的模擬可以取得很好的效果。并且數值模擬具有低成本、計算周期短、計算結果更全面等諸多優勢[2-3]。

本研究研究了燃氣在地下綜合管廊等大尺度封閉空間內燃燒和爆炸的尺度效應。借助FLUENT 軟件對綜合管廊等大尺寸空間燃燒爆炸的尺寸效應與小尺寸空間的規律是否一致，并對不同空間尺寸下燃燒和爆炸相關參數相互間的關系進行了分析。研究了空間尺寸變化對火焰傳播的影響規律，建立后續大尺寸試驗相關的理論支撐和技術支持。

1 數值分析的基本假設

1.1 模型建立

該模型用于探討空間尺寸對火焰擦混播規律產生的影響規律，基本模型的空間長度設置為1 m，內徑設置為0.1 m。在模型的長徑比為10:1 保持恒定的基礎上，同比例對空間尺寸分別放大3 倍、5 倍、10倍、15 倍、20 倍，擴大后的空間長度分別為3 m、5 m、10 m、15 m、20 m，內徑分別為0.3 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m，具體模型尺寸見表1。設定甲烷濃度為9.5%條件下采用數值模型的方法分別對上述6 個不同尺寸模型進行分析，研究不同尺寸下內部燃燒的速度、壓力及溫度等參數變化規律。

1.2 網格劃分

本研究使用ANSYS ICEM 對幾何模型網格進行生成，這里僅對流體區域進行劃分，使用結構化網絡對計算區域劃分結果見圖1。為保證分析網格的獨立性，調整網格大小范圍為4 mm～10 mm。最終分析結果顯示網格調整對計算時間影響較大，但最終模擬結果變化不大，為降低計算成本，將燃燒區域的網格加密，設置網格大小為4 mm。

圖1 網格的劃分

1.3 初始條件

對6 種工況中對應的預混可燃氣體模型初始條件進行統一設置，最終設置的初始條件見表2。初始時刻，T=300 K，P=1.01×105 Pa，u=0，v=0。根據熱點火理論，于模型最左側設置半圓形點火區，對應溫度為2 000 K、半徑為5 mm，模型于點火源處設置壓力監測點，由點火區加熱附近的預混天然氣，使其附近的可燃氣體能夠達到燃燒溫度從而被點燃，隨后通過燃燒火焰的傳播帶動整個空間內的可燃氣體燃燒。該模型中的壓力監測點設置在點火源附近位置。

表2 初始條件設置

甲烷- 空氣預混合氣體在二維封閉空間內燃燒和爆炸的基本假設如下：

（1） 天然氣在不同工況下的可以均勻混合。

（2） 氣體爆炸過程的化學反應方程式為：CH+2 （O+ 3.76N）→CO+2HO+7.52N，爆炸過程為單步不可逆反應。

（3） 在爆炸燃燒過程中，火焰傳播較快，因而壁面熱損失低，將此過程歸結于絕熱過程。

2 爆燃過程的尺度效應分析

在燃燒爆炸過程中的火焰傳播速度受到甲烷體積分數影響，理想狀態下火焰傳播速度為甲烷體積分數穩定在9.5%時，此時熱量產生最多且爆炸最劇烈[4-5]。因此為研究火焰爆炸壓力、燃燒速率、燃燒溫度受尺寸效應的影響規律，本研究將模型中6 種尺寸不同的密閉空間內甲烷- 空氣預混氣體體積分數均設置為9.5%。

2.1 爆炸火焰傳播速度

對甲烷在6 種不同尺寸密閉空間下發生爆炸后的火焰傳播速度進行分析，繪制時程曲線見圖2，對比火焰傳播速度可知：

圖2 火焰傳播速度時程曲線

（1） 大尺度空間中氣體爆燃波的發展相對較慢。6 種不同空間尺寸下火焰的傳播速度曲線具有基本相同的趨勢，即具有上升段與下降段。然而火焰傳播速度達到最大值所需的時間呈現隨空間尺寸增大而逐漸延后的特點。其主要原因為空間尺度的不同導致了邊界對火焰燃燒的推動作用也產生了差異，隨著尺寸不斷增大，火焰壓力波以及壁面邊界對火焰產生的推動作用隨之減小，從而使得火焰傳播時的湍流加速效果下降。

氣體爆燃波在大尺度空間中的發展相對緩慢。不同空間尺寸下的火焰傳播速度曲線趨勢均具備上升段與下降段，趨勢一致。但隨著空間尺寸的增大，火焰傳播速度曲線峰值所對應的時間發生右移，即峰值出現點發生延遲，這是由于不同空間尺度其邊界對火焰燃燒具備不同的促進程度。隨著時間推移尺寸增大，火焰壓力波以及壁面能夠產生的對火焰的推動作用不斷減小，使得火焰蔓延，最終湍流加速效應也降低。

（2） 火焰傳播速度峰值隨著空間尺寸增大而降低，隨著空間尺寸增大傳播速度峰值由14.07 m/s 降低至8.78 m/s。空間尺寸為20 m，內徑為2 m 對應的傳播速度峰值最低。這是由于空間尺寸增大導致密閉空間內熱輻射作用降低，氣體燃燒所能夠釋放出的熱量不斷降低，后續的能量供給不足，最終導致了火焰的傳播速度減小。

2.2 爆炸壓力

圖3 為6 種不同空間尺寸下壓力隨時間的變化曲線。由圖3 可知：

圖3 爆炸壓力時程曲線

（1） 不同尺寸空間對應的壓力曲線隨著燃燒的進行均表現出相似的發展趨勢，即短時間內壓力上升至最大值，隨后趨于穩定。設想燃燒過程為絕熱過程，模型將壁面的邊界條件對應設置為絕熱，在整個燃燒過程中無法將產生的熱量耗散，進而溫度升高，由于無法與外界進行熱量交換，壓力將趨于穩定。

（2） 工況為空間長度3 m，內徑0.3 m 的模型可得702.6 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長度5 m，內徑0.5 m 的模型可得744.3 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長度10 m，內徑1 m 的模型可得714.5 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長度15 m，內徑1.5 m 的模型可得720.9 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長度20 m，內徑2 m 的模型可得735.5 kPa 的最大爆炸壓力，對比不同空間尺寸下的爆炸壓力可知，不同工況下所對應的最大爆炸壓力無較大波動，因此空間尺寸的改變對密閉空間中發生燃燒爆炸所產生的最大爆炸壓力沒有明顯影響。

2.3 爆炸溫度

繪制不同工況下的爆炸溫度時程曲線見圖4。

圖4 爆炸溫度時程曲線

（1） 不同空間尺寸對應的工況下爆炸溫度變化趨勢大致均為先增大后趨于穩定。其過程可以細分為三個階段：點火階段、火焰傳播階段和穩定階段。對于點火階段，氣體剛點燃，火焰所燃燒的范圍很小，監測點尚不能對火焰檢測，此時監測點處火焰爆炸壓力對應的監測值為0，該監測點處此時溫度為300 K，即預設值對應的初始溫度；隨后燃燒進入火焰傳播階段，此階段隨著火焰傳播，不斷有氣體被點燃，開始發展為劇烈燃燒，此時火焰也被監測點捕獲，監測點對應的溫度驟升至2 000 K 以上，該溫度開始急速上升的期間，此階段氣體發生爆燃，由于甲烷在發生高溫氧化反應時持續時間短且迅速，因此計算結果上升段迅速且短暫，由于設置邊界條件為絕熱，管道不能發生對外的能量交換，在該階段爆炸溫度到達峰值后將會穩定在最大值處。

（2） 甲烷在不同空間尺寸下燃燒爆炸全過程溫度變化曲線趨勢相同，但迅速升溫以及區域穩定對應的時間不同。整體趨勢表現為快速升溫以及區域穩定對應的時間點均會隨著空間尺寸的增大而逐漸延后。

（3） 由于對6 種工況下點火區對應的相關參數進行了統一設置，燃燒爆炸在不同空間尺寸下最終能達到的溫度峰值基本相同。密閉空間內氣體燃燒產生熱能的能力不因空間尺寸改變而發生變化，最終表現為燃燒所能達到平穩階段所對應的峰值溫度基本相同。

3 結論

本研究利用Fluent 軟件對6 種不同密閉空間尺寸下甲烷的燃燒爆炸進行了模擬，探究了爆炸初期對應的火焰傳播規律，分析模擬結果得到尺寸效應對爆炸火焰傳播速度、爆炸壓力以及爆炸溫度的影響規律如下：

（1） 大空間尺寸下氣體爆炸燃燒時火焰傳播速度比小尺寸空間中對應傳播速度慢，當在壓力水平較低的爆炸初始階段時，氣體爆燃波發展在大尺寸空間中相較于小尺度空間對應爆燃波發展會更慢。

（2） 對不同空間尺寸下對應爆炸壓力的變化規律進行分析可知，當空間尺寸的長徑比保持10:1 不變時，僅將空間尺寸擴大至基本模型的3 倍、5 倍、10倍、15 倍和20 倍時，爆炸壓力對應的上升速率減小，不同空間尺寸下最大爆炸壓力基本恒定，爆炸壓力峰值對應的時間逐漸后延。

（3） 對不同空間尺寸下爆炸溫度變化曲線進行分析可知，當空間尺寸擴大至基本模型的3 倍、5 倍、10 倍、15 倍和20 倍時，爆炸溫度的上升速率不斷減小，峰值溫度的后延出現，最終可以達到的溫度峰值基本相同。