汪 濤, 李小東
(中北大學化工與環(huán)境學院,山西 太原 030051)
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,越來越多的農(nóng)村地區(qū)發(fā)展成為城鎮(zhèn)和小型城市,燃氣的消耗量也隨之急劇增加。城市居民早已習慣使用天然氣代替煤作為家庭燃料,與此同時,在工業(yè)領域氣體燃料的應用范圍也在不斷擴大。氣體燃料的特點是易泄漏和易燃、易爆,當這些可燃氣體在室內發(fā)生泄漏后,就會增加火災發(fā)生的危險性。天然氣普及后,爆炸事故的數(shù)量在迅速增加,尤其是室內煤氣爆炸事故頻繁發(fā)生,造成大量的財產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。這些都引起人們對氣體爆炸研究的日益重視,采取何種措施更能積極有效地把爆炸范圍和可能造成的破壞控制在最小程度,成為安全工作者關注的焦點。
國內寧建國教授所領導的課題組[2]采用基于人為燃燒函數(shù)法的多流體網(wǎng)格程序,對管道內和球形容器內的煤氣爆炸進行了二維數(shù)值模擬,并對這一過程開創(chuàng)性地進行了可視化研究。陳林順[2]運用AutoReaGas軟件對煤礦井下獨頭巷道中的瓦斯爆炸以及室內煤氣泄露后的爆炸進行了數(shù)值模擬。林柏泉[3]采用描述火災傳播過程的Pheonix計算程序,建立常壓下火焰?zhèn)鞑ミ^程的數(shù)學模型,雖然對瓦斯爆炸傳播路線上障礙物前、后沖擊波變化進行了數(shù)值模擬,但在障礙物存在的條件下,沖擊波波陣面前、后的強間斷情況無法處理,模擬結果存在較大的失真。周凱元等[4]設置加速環(huán)對爆燃火焰在直管中加速運動的規(guī)律及影響因素進行了實驗研究,得出結論,閉端點火比開端點火火焰加速增大5倍以上,且管徑較大,加速也較大;點火能量的影響僅限于火焰的傳播初期,而障礙物對爆燃火焰的加速影響很大;對當前的工業(yè)阻火及防爆安全提出了更新的要求。
一般來說,對爆炸過程進行仿真模擬的基本方法是,先建立物理模型和數(shù)學模型,根據(jù)研究問題的特征建立數(shù)值模型,然后編制程序進行數(shù)值模擬,最后對數(shù)值模擬結果進行分析,得出結論。甲烷是煤氣的重要成分,為了方便參數(shù)設置,本文以甲烷為主采用AutoReaGas軟件對煤氣爆炸過程進行模擬。
本文建立的是一套80m2的兩室一廳的模型,用來模擬煤氣泄漏后發(fā)生爆炸所造成的損害。選取甲烷作為研究對象,空氣為助燃性物質。因為絕大部分氣體爆炸是在空氣環(huán)境下發(fā)生的,為了使本文的研究工作與實際更接近,所以選擇空氣作為氧化性氣體。
考慮到模擬真實的房間構造較復雜,本文將房間簡化為長9.25m、寬8.15m、高2.60m 的長方體,忽略外墻厚度,對體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體爆炸進行模擬。建立模型如圖1。
圖1 室內氣體(甲烷)爆炸模擬模型的平面圖
2.1.1 測點、障礙物和通風區(qū)設置
模型中1~25的測點是均勻分布,高度均為1.3m。第1個測點的坐標為(1.6,1.4,1.3),以(1.8,1.6,0)的步長增加測點,然后在各通風口增加1個測點,共29個測點。第1、6、26個測點所在位置是廚房。房間中障礙物主要有內墻、家具、灶臺等。內墻如圖1所示,統(tǒng)一厚度為0.25m,共6堵。
2.1.2 點火初始條件
對于室內均勻甲烷預混氣體或局部氣體爆炸和障礙物條件下氣體爆炸,假設某一處預混氣體遇到點火源發(fā)生爆炸。點火源產(chǎn)生能量加熱火焰附近的局部甲烷預混氣體,使其溫度迅速升高達到著火溫度而點燃;然后,甲烷氣體借助火焰?zhèn)鞑ナ拐麄€甲烷-空氣預混氣體著火燃燒。點火類型均為球面火源,點火能分別是0.031 299kJ。選取廚房的灶臺為點火位置。
圖2為點火后不同時刻室內的火焰溫度場分布。從圖2中可以較為直觀地看到氣體爆炸后溫度的發(fā)展變化過程。
圖2 不同時刻室內的火焰溫度場分布圖
點火后,點火位置附近的溫度開始迅速上升,火焰以緩慢的速度向四周傳播,火焰面呈半球形,且表面光滑,表明此時的火焰以層流方式傳播。當火焰逐漸接近壁面后,由于受到墻壁阻礙和約束作用,火焰改變方向,與已燃區(qū)內的已燃氣體相作用,使已燃區(qū)內發(fā)生湍流。墻壁的約束加劇了湍流的產(chǎn)生,在湍流的作用下,火焰開始發(fā)生變形、拉伸,火焰進入加速傳播階段。
圖3為點火后不同時刻室內的火焰超壓場分布。從圖3可以較為直觀地看到氣體爆炸后壓力的發(fā)展變化過程。
圖3 不同時刻室內的火焰超壓場分布圖
點火后,點火位置附近的壓力迅速增大,并且向周圍蔓延,圖3分別截取了第1001、2001、3001次和循環(huán)最后一次的云圖來形象地表示室內超壓場隨時間的變化狀況。
第34頁圖4是選取各房間典型測點和通風區(qū)測點的溫度隨時間變化曲線。
第34頁圖5是選取各房間典型測點和通風區(qū)測點的超壓變化曲線。由圖5中看出,點火后,房間各處的溫度迅速上升到最大值,且當超壓快速升到最大值后,就一直在小范圍內波動。
圖4 溫度-時間曲線
圖5 超壓-時間曲線
本文通過AutoReaGas軟件對室內可燃氣體爆炸進行數(shù)值模擬,建立典型的室內物理模型及數(shù)值模型,模擬室內可燃氣體泄漏后與空氣預混爆炸場的特性,得出如下結論:
1)室內可燃氣體泄漏后與空氣預混爆炸過程中,點火位置、泄爆壓力的改變對爆炸場內超溫、超壓會產(chǎn)生影響。通過建模、模擬得出的曲線圖可知,泄爆壓力的大小對爆炸產(chǎn)生的超壓有巨大的影響,泄爆壓力越大,產(chǎn)生的超壓就越大;對溫度無明顯影響。點火位置的改變對溫度有一點影響,點火位置改變后,同一測點的溫度會發(fā)生波動;對壓力影響與測點到點火位置的距離有關,同一測點,不同點火位置,距離越近,測點的最大超壓越大。
2)爆炸靜態(tài)超壓不會對人或建筑物結構造成嚴重傷害或損壞,因此,高溫燒傷是在室內氣體爆炸事故發(fā)生后對人造成傷害的最主要因素。由此可見,在實際爆炸發(fā)生后怎樣減少對人身體的灼燒應該成為研究的重點。
[1]Chen Linshun.The analysis and simulation of BLEVE and VCE accidents[D].Beijing:School of Mechatronics Engineering,Beijing Institute of Technology,2001.
[2]陳林順.沸騰液體膨脹蒸氣爆炸和蒸氣云爆炸事故的分析和模擬[D].北京:北京理工大學,2001.
[3]Lin Baiquan.The influence of barriers on flame and explosion wave in gas explosion[J].Journal of Coal Science and Engineering,2008,4(2):53-57.
[4]周凱元,李宗芬.丙烷-空氣爆燃波的火焰面在直管道中的加速運動[J].爆炸與沖擊,2000,20(2):137-142.