密閉空間內不同體積分數燃氣爆炸特性研究

王麗敏，賈 虎，汪海波，陳 濤，宗 琦

（1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2. 南陽師范學院 土木建筑工程學院，河南 南陽 473061）

城市綜合管廊（Utility Tunnel）是埋設在道路下的一種可以容納電力管線、給排水設施和燃氣管道等市政管路的隧道空間。燃氣管道的設置依據國家規范單獨設置在一個艙室并安設防火門和報警系統[1]，燃氣艙內照明系統按規范布置以減少燃氣泄漏后發生爆炸事故[2]。若燃氣艙的電力系統發生老化或漏電，則會造成燃氣泄漏積聚后遇到明火發生局部爆燃。當密閉空間內大部分區域處于燃氣爆炸極限的范圍時，若氣體遇火被引燃將會造成嚴重的爆炸事故，爆炸所產生的爆生氣體和沖擊波等破壞因素會造成道路系統癱瘓，以及對居民的生命財產造成巨大損害。因此，對密閉空間內燃氣爆炸特性展開研究十分必要。

在密閉空間內氣體爆炸數值模擬研究方面，高保彬等[3]利用Fluent 軟件采用大渦模擬方法，在三維燃氣艙中擋氣板不同間距的情況下對預混甲烷體積分數為9.5%的燃氣進行爆炸模擬，說明了超壓峰值和擋氣板間距的關系，擋氣板可以減小沖擊波在燃氣艙中反射拉伸；陳勝朋等[4]采用有限元軟件模擬了甲烷在二維圓面爆炸過程中的氣流的變化情況，從而得出了在一定的條件下可用狀態方程RNG 來描述受限空間可燃氣體爆炸過程；畢明樹等[5]對圓柱形容器進行了數值模擬，結果表明甲烷體積分數在接近9.5%時，火焰最大速度最大，爆炸最大壓力最大，達到最大壓力時間最小。在氣體爆炸試驗研究方面，余明高等[6]搭建簡易氣體爆炸試驗平臺對多種不同體積分數的預混氣體的爆炸特性進行研究，得到產生的爆炸壓力的變化總是先于火焰傳播速度變化，因此減小爆炸壓力和降低升壓速率是抑制爆炸的關鍵；尉存娟等[7]利用水平管道式氣體爆炸裝置對5 種不同體積分數的甲烷進行爆炸實驗，證明了甲烷體積分數越接近化學當量濃度時升壓速率越大，甲烷體積分數偏離化學當量濃度越多，壓力峰值時間增長的越為明顯；吳建松等[8]、陳卓等[9]和鄧成云等[10]開展了燃氣爆炸傳播特性試驗研究，探究了管道內發生爆炸時爆炸沖擊波的傳播規律和火焰傳播速率。

由于綜合管廊的燃氣艙屬于密閉空間，一旦發生燃氣泄漏，燃氣會積聚形成混合氣體，在溫度適宜或遇明火時會發生爆炸。現有研究對于密閉空間不同體積分數燃氣發生爆炸時的火焰傳播特征、超壓等特征的描述并不完整。研究采用Fluent 對密閉條件下不同燃氣體積分數（8.3%、9.5%、10%、11%）的爆炸過程進行二維數值模擬研究，得到燃氣體積分數對艙內氣體爆炸火焰速度、爆炸壓力、沖擊波傳播的影響，以期應用于實際工程，為綜合管廊燃氣艙抑爆提供理論依據。

1 數值模型與設置

1.1 幾何模型及測點布置

以某綜合管廊燃氣艙一個200 m 防火分區為研究對象，建立綜合管廊燃氣艙內長度方向燃氣爆炸二維數值計算模型。鑒于燃氣管道內直徑較綜合管廊燃氣艙尺寸小得多，在建模過程中忽略綜合管廊中管道及管道架的影響，模型的上壁面為管廊上壁面，下壁面為燃氣管道上壁面，長200 m，寬2.1 m，兩側為防火墻（門），考慮采用最不利于管廊內氣體通風擴散的靜風狀態，設置測點的分布與點火位置如圖1 所示。

圖1 簡化計算模型示意圖

設置點火位置為直徑0.1 m 的圓形，圓心坐標為X=0 m，Y=0 m 處。按照位置不同設置2 組監測點：

1）燃氣艙中部：每間隔20 m 布設1 個測點、共5 個監測點，監測燃氣艙中部燃氣爆炸變化規律，其坐標分別為：X=-20 m，Y=0 m；X=-40 m，Y=0 m；X=-60 m，Y=0 m；X=-80 m，Y=0 m；X=-100 m，Y=0 m。

2）燃氣艙頂部：每間隔20 m 布設1 個測點、共6 個監測點，分別為：X=-0 m，Y=1.05 m；X=-20 m，Y=1.05 m；X=-40 m，Y=1.05 m；X=-60 m，Y=1.05 m；X=-80 m，Y=1.05 m；X=-100 m，Y=1.05 m。

1.2 數學模型的建立

燃氣爆炸的過程是一種甲烷的單步燃燒反應，流體的流動需要遵守的物理規律有質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，取其相對應的守恒方程。同時研究的問題中還涉及到不同的組分（空氣和甲烷） ，因此也要遵守組分守恒定律，并取其相對應的組分運輸方程。

組分方程如公式（1）所示：

氣體狀態方程如公式（2）所示：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t 為時間，s;θa表示組分的體積濃度；Da表示組分的擴散系數；Sa表示組分的源項；R 表示燃氣常數，J/（kg·k）；m 表示氣體質量，kg；V 表示氣體體積，m3。

1.3 模擬設置

（1）網格劃分。利用ICEM 軟件建立一個長200 m、寬2.1 m 的矩形模型，忽略管壁厚度，將模型中心網格劃分長度為10 mm，剩余部分的網格大小采用呈梯度變化的結構化網格，在接近頂部壁面的網格進行加密，網格總數量為789 921 個，局部網格劃分示意圖如圖2所示，最終經檢驗網格質量為0.9 以上，符合計算要求。

圖2 局部網格劃分示意圖

（2）求解器設置。采用基于壓力（Pressure-Based Solver）的求解方式，非穩態，RNG k-ε湍流模型，標準壁面函數。使用結合Arrhenius 公式和渦耗散方程的Finite-Rate/Eddy-Dissipation（有限速率/渦耗散模型）模型進行數值模擬。采用SIMPLE 算法進行迭代求解。步長0.001 s，步數1 400，迭代數30，計算1.4 s 內燃氣艙爆炸過程。

（3）邊界條件及初始條件。邊界條件：模型的四周邊界均采用無滑移絕熱壁面，壁面粗糙度設為0.002 m，粗糙常數設為0.5。初始條件：分別對綜合管廊燃氣艙內甲烷體積分數為8.3%、9.5%、10%、11%的甲烷-空氣預混氣體進行數值模擬。空氣中的氣體包括氧氣、氮氣、二氧化碳和其他稀有氣體，其中氧氣和氮氣占比較大，氮氣的體積分數約為78%，氧氣的體積分數約為21%，因此這里忽略其他氣體假設管廊中僅含有甲烷、氧氣、氮氣三種，各氣體的成分比例見表1。

表1 不同CH4 體積分數預混氣體的成分比例

假定初始氣體混合均勻并均處于靜止狀態，初始壓力為大氣壓力，初始溫度為300 K。在燃氣艙的中心坐標為（0，0）位置處設置直徑為0.1 m 的圓形高溫區，初始壓力P=1 000 KPa，初始溫度T=2 000 K，根據CH4體積分數不同分別設置CO2質量分數為0.148、0.152、0.159、0.165，H2O 質量分數為0.119、0.12、0.13、0.14。

（4）計算假設。在CFD 模擬軟件中，物質的性質是根據模擬環境來設定其相應的條件后輸入的。但在實際情況下，管廊內燃氣發生爆炸后，艙內環境是持續變化的過程。研究重點關注艙室內發生爆炸后火焰擴散情況及超壓影響。同時避免問題的復雜化，在滿足工程精度的條件下，對數值模擬作出如下假設：

① 燃氣爆炸為甲烷氣體單步不可逆反應；

② 將燃氣視為可壓縮理想氣體；

③ 燃氣體積分數按照8.3%、9.5%、10%、11%四種工況混合均勻充滿艙內。

2 模擬結果與討論

2.1 燃氣艙火焰燃燒速度變化規律

計算得到不同條件下火焰傳播特征，對比火焰形態，給出燃氣體積分數為9.5%不同時刻火焰傳播范圍如圖3 所示。

圖3 燃氣體積分數為9.5%時不同時刻火焰傳播范圍

每個測點的火焰燃燒速度變化規律大致相同：在點火區域溫度上升周圍燃氣被點燃，初期階段火焰以光滑球形陣面向四周傳播，燃燒速度緩慢上升；火焰加速階段火焰陣面發生褶皺，形狀由球形拉伸為錐形，燃燒速度急速增大如圖3中0.42 s 所示，這是由于管廊內溫度升高氣體體積膨脹，使得壓強增大，此時火焰傳播速度由燃燒波速度和膨脹氣體推進速度共同疊加作用；火焰峰值階段的火焰形狀如圖3 中0.61 s 所示呈現郁金香形，燃燒速度達到最大；火焰減速階段由于前期沖擊波傳播至管廊防火門端產生反射沖擊波，此時已燃區的壓強減小，點火源附近氣體收縮，氣體推進速度變為負值，導致燃燒速度下降直至燃氣被完全耗盡。

由于點火點位于燃氣艙中心點且模型具有對稱性，火焰燃燒通過點火中心部位向兩側傳播，得到兩側數據高度吻合，因此取點火點左側中部測點來描述火焰燃燒速度的變化規律，得到在測點3 處火焰燃燒速度最大，圖4 為測點3 處不同燃氣濃度火焰燃燒速度時程曲線。

圖4 不同燃氣體積分數火焰燃燒速度時程曲線

由圖4，火焰燃燒速度隨時間增加呈先增大后減小的趨勢，在燃燒初期（0～0.14 s）燃氣體積分數10%和11%的火焰燃燒速度相似，燃氣體積分數為11%的火焰燃燒速度在0.1 s 處與9.5%相差最大為17.6 m/s，與8.3%相差最大為23.2 m/s；在0.14 s 之后燃氣體積分數為9.5%的燃燒速度加速增大，以最大的速率最先到達峰值，9.5%的燃氣體積分數火焰燃燒速度在t = 0.44 s 時能達到最大為V峰（9.5%）=275 m/s，10% 的燃氣體積分數火焰燃燒速度在t=0.451 s 時達到最大為V峰（10%）=256.5 m/s， 比9.5% 小18.5 m/s，11%的燃氣體積分數火焰燃燒速度在t=0.458 s 時能達到最大為V峰（11%）=249 m/s，比9.5%小26 m/s，8.3%的燃氣體積分數火焰燃燒速度在t=0.47 s 時能達到最大為V峰（8.3%）=219 m/s，比9.5% 小56 m/s。4 個體積分數相比達到峰值所用時間順序：t（9.5%）< t（10%）< t（11%）< t（8.3%）。燃氣體積分數為9.5%時率先在t=0.91 s 完成燃燒反應，其次分別為10% 在t=0.98 s、11% 在t=1.01 s、8.3%在t=1.15 s 時各自完成燃燒反應，9.5%達到時間比10%早0.07 s，比11%早0.1 s，比8.3%早0.24 s。

進一步得到不同燃氣體積分數最大火焰燃燒速度曲線，如圖5 所示。可見，最大燃燒速度隨燃氣體積分數增大呈先增大后減小的趨勢即V(9.5%) > V(10%) > V(11%) > V (8.3%)。 這是因為燃氣體積分數為9.5%時發生燃燒爆炸反應，氣體分子碰撞率和燃燒反應速率達到最大，即單位時間內所產生的熱量達到最大，在劇烈的燃燒反應和高產的熱量加持下使得火焰向前推進的速度增長迅速，最終導致燃氣體積分數為9.5%時燃燒速度最大。

圖5 不同燃氣體積分數最大火焰燃燒速度

2.2 燃氣艙超壓隨時間的變化規律

綜合管廊燃氣艙內燃氣被點燃后會產生前驅沖擊波及火焰壓縮波，火焰壓縮波在點火點以球形波向外擴展傳播，前期火焰陣面燃燒速度較小由此釋放的能量也相應較小，因此所產生的前驅沖擊波前期相對較小，但是在繼前驅沖擊波之后所伴隨的稀疏波及壓縮波的作用下，燃氣爆炸超壓數值在初期會以小幅波動但接近平滑的狀態逐漸增大。由于燃氣艙兩側設置防火門位置，沖擊波率先到達兩側會因壁面反射疊加作用產生一個與其反向的反射波，反射波與前驅沖擊波后的火焰壓縮波相互疊加，致使燃氣爆炸出現第一個峰值，隨著壓縮波及反射波傳播的繼續，超壓時程曲線發生震蕩。圖6 為9.5% 燃氣體積分數在燃氣艙內發生爆炸0.42 s 至0.48 s 時超壓的變化云圖。

圖6 9.5%燃氣體積分數燃氣艙超壓變化云圖

圖6 表明燃氣艙內的超壓隨著時間呈現先增大后減小再增大的趨勢，在0.48 s 時沖擊波達到兩側壁面，在兩側壁面時沖擊波傳播速度達到最大。由于不斷地反射疊加，會逐漸降低其自身能量，最終燃氣爆炸超壓值趨于一個穩定值。

不同燃氣體積分數燃氣艙中部、頂部各測點超壓隨時間變化曲線如圖7、圖8 所示。不同燃氣體積分數燃氣艙中部與頂部各測點超壓隨時間變化的規律相似，初期接近平滑狀態增大隨后出現鋸齒狀波動最終趨于穩定。但是圖中能看出每種燃氣體積分數在燃氣艙頂部測點的超壓略較中部的大，這是由于火焰壓縮波最先到達燃氣艙上下壁面并反射疊加，最終導致頂部超壓大于中部超壓：燃氣體積分數 為8.3% 時在 測 點1、2、3、4、5 處頂 部 超壓比中部超壓分別大0.084 MPa、0.111 MPa、0.099 MPa、0.089 MPa、0.092 MPa；燃氣體積分數為9.5%時在測點1、2、3、4、5 處頂部超壓比中部超壓分別大0.114 MPa、0.131 MPa、0.122 MPa、0.107 MPa、0.095 MPa；燃氣體積分數為10%時在測點1、2、3、4、5 處頂部超壓比中部超壓分別大0.082 MPa、0.103 MPa、0.104 MPa、0.106 MPa、0.099 MPa；燃氣體積分數為11%時在測點1、2、3、4、5 處頂部超壓比中部超壓分別大0.082 MPa、0.099 MPa、0.093 MPa、0.083 MPa、0.094 MPa。可知，在測點2 位置頂部超壓與中部超壓相差最大，但相差不超過0.131 MPa。

圖7 燃氣艙中部各測點超壓-時間變化曲線

圖8 燃氣艙頂部各測點超壓-時間變化曲線

不同燃氣體積分數在測點11 處最大超壓分布曲線如圖9 所示。

圖9 不同燃氣體積分數在測點11 處最大超壓分布曲線

由圖9 所得最大壓強隨燃氣體積分數增加呈先增大后減小的趨勢，其中Pmax（9.5%）>Pmax（10%）>Pmax（11%）>Pmax（8.3%）。當燃氣體積分數為9.5%時，沖擊波和壓縮波在相同的時間內反射疊加的次數最多，超壓時程曲線發生震蕩相隔時間最短，爆炸壓強峰值最大可達1.37 MPa，其他測點也遵循這一規律，說明了當燃氣體積分數為9.5%時燃燒爆炸反應發生最為完全，能量釋放達到最高，所產生的爆炸超壓值最大。得到各測點最大超壓分布曲線如圖10 所示。

圖10 不同燃氣濃度各測點最大超壓分布曲線

由圖10 可得各燃氣體積分數爆炸最大超壓隨著與點火點位置距離的增加出現先減小后增大的趨勢，在距離點火點100 m 處的防火門處超壓值最大。9.5%燃氣體積分數不同測點的最大超壓在1.20～1.35 MPa 之間，10%燃氣體積分數不同測點的最大超壓在1.10～1.25 MPa 之間，11%燃氣體積分數不同測點的最大超壓在1.02～1.16 MPa之間，8.3%燃氣體積分數不同測點的最大超壓在1.00～1.15 MPa 之間，各體積分數不同測點最大超壓的變化在0.15 MPa 左右，11%和8.3%燃氣體積分數最大超壓變化最為接近。

圖11 為不同燃氣體積分數最大升壓速率分布曲線，圖中最大升壓速率在燃氣體積分數為9.5%時最大可達到3.49 MPa/s，在一定范圍內向兩側遞減即：△p9.5%＞△p10%＞△p11%＞△p8.3%。這表明在燃氣體積分數小于9.5%時燃氣爆炸升壓速率受燃氣體積分數影響較大，當燃氣體積分數大于9.5%時影響較小。在9.5%兩側最大升壓速率隨燃氣體積分數的變化近似呈線性關系，因此以爆炸升壓速率可直接反映爆炸強度。

圖11 不同燃氣體積分數最大升壓速率分布曲線

圖12 為不同燃氣體積分數達到最大壓強、最大燃燒速度出現的時間分布曲線，可得到以下規律：

圖12 最大爆炸壓強和燃燒速度出現的時間

（1）不同體積分數燃氣在密閉定容爆炸模擬中最大壓強及最大燃燒速度所出現的時間不同，均在體積分數為9.5%時出現最早，以9.5%為中心各曲線均在9.5%之前變化梯度比較大，接近直線上升，而在9.5%之后變化梯度較小，呈緩慢下降，這表明各峰值出現的時間在9.5%前受體積分數影響較大，在9.5%后影響較小。

（2）不同體積分數的燃氣在發生定容爆炸時最大燃燒速度出現時間滯后于最大壓強出現時間，其原因為當發生燃氣爆炸時火焰從模型的點火點處向兩端傳播從而產生大量熱，從而使氣體膨脹導致測點的壓強增大，已燃區與未燃區的壓強差使得火焰鋒面向前，因此最大壓強和最大燃燒速度出現時間分布曲線形狀類似，但出現的時間有先后順序且不同燃氣體積分數各參數滯后時間相差不大，所以兩曲線走向近似平行。可知，在充滿燃氣的密閉空間中點火點條件相同的情況下燃氣體積分數直接影響著爆炸壓強和燃燒速度，且各濃度燃氣爆炸壓強對火焰的燃燒速度有促進作用。

3 結論

采用Fluent 有限元軟件對綜合管廊燃氣艙密閉空間內充入不同體積分數的燃氣后點火爆炸進行了數值模擬，得到了如下結論：

（1）在燃氣體積分數為8.3%～11%的范圍內的燃燒速度近似成二次函數關系，在燃氣體積分數為9.5%時火焰燃燒速度最大可達到267 m/s，燃燒用時最短為0.91 s，燃燒反應最劇烈。

（2）各測點爆炸超壓存在不同峰值，隨著距點火點距離的增加呈先降低后增大，在防火門處超壓峰值達到最大。火焰的沖擊波最先到達計算模型的上下壁面并發生反射疊加導致頂部測點壓強值略大于中部測點，在測點2 位置頂部超壓與中部超壓相差最大，但相差不超過0.131 MPa。隨著燃氣體積分數的增加爆炸產生的最大升壓速率、爆炸壓強和燃燒速度呈先增大后減小的趨勢，在9.5%兩側最大升壓速率隨燃氣體積分數的變化近似呈線性關系，因此以爆炸升壓速率可直接反映爆炸強度。

（3）不同燃氣體積分數最大燃燒速度出現的時間總是略滯后于最大壓強出現的時間，充滿燃氣的密閉空間中點火點條件相同的情況下，燃氣體積分數直接影響,爆炸壓強和燃燒速度，爆炸壓強對燃燒速度也有一定的影響，可以通過減小爆炸壓強限制爆炸火焰燃燒的傳播速度從而達到抑爆的效果。