楊石剛 方秦 張亞棟 陳力 鮑麒 李展

中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院

可燃?xì)怏w或低沸點(diǎn)可燃液體，由于事故性泄漏形成可燃?xì)庠?，遇到合適的點(diǎn)火源容易引發(fā)蒸氣云爆炸事故，可導(dǎo)致嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，是現(xiàn)代工業(yè)的主要災(zāi)害形式之一。對(duì)蒸氣云爆炸后果的研究，開始于20世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校都從事這方面的研究工作［1－2］。

近年來，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究者采用數(shù)值模擬方法對(duì)氣體爆炸進(jìn)行了大量的研究。Janovsky等［3］和 Hansen等［4］介紹了利用簡(jiǎn)單的物理模型（如TNO多能法、Baker－Strhlow和阻塞評(píng)估模型等）預(yù)測(cè)氣體爆炸后果的不足，并用Stramberk礦道甲烷—空氣混合物爆炸實(shí)驗(yàn)和經(jīng)典的天然氣爆燃實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（MERGE、EMERGE、BFETS、HSE、NIOSH實(shí)驗(yàn)）分別對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件AutoRea－Gas和FLACS進(jìn)行了驗(yàn)證；Popat等［5］應(yīng)用自己開發(fā)的CFD 軟件（EXSIM、FLACS、REAGAS、COBRA、GEISHA）模擬了歐共體資助的氣體爆炸模型和實(shí)驗(yàn)研究工程（MERGE），對(duì)各個(gè)軟件模擬氣體爆炸的能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Makarov等［6］和 Garcia等［7］總結(jié)了7家單 位 用 不 同 CFD 程 序 （CAST3M，COM3D，F(xiàn)LACS，REACFLOW，AutoReaGas，bob和 Fluent）對(duì)實(shí)驗(yàn)的模擬，并對(duì)各個(gè)程序數(shù)值計(jì)算的火焰速度、最大超壓、特征壓力上升速率以及最大沖量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，討論了各個(gè)程序的應(yīng)用范圍和局限性。國(guó)內(nèi)羅艾民等［8］運(yùn)用AutoReaGas軟件對(duì)受限空間泄漏天然氣爆燃過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了影響爆炸場(chǎng)沖擊波超壓的主要影響因素，并將結(jié)論應(yīng)用于事故調(diào)查中；曲志明等［9］應(yīng)用AutoReaGas軟件對(duì)掘進(jìn)巷道置障條件下瓦斯與空氣混合氣體的燃燒爆炸進(jìn)行了分析和研究；陳文瑛等［10］利用AutoReaGas定量研究障礙物、障礙物阻塞比對(duì)開敞空間可燃?xì)庠票ǔ瑝簣?chǎng)的影響以及爆燃超壓隨測(cè)點(diǎn)距離變化的分布規(guī)律；李小東等［11］利用AutoReaGas軟件，模擬了巷道中瓦斯?jié)舛群突鹪磳?duì)瓦斯爆炸傳播的影響。

總的來看，這些基于AutoReaGas軟件的數(shù)值模擬，僅限于氣云濃度均勻分布的蒸氣云爆炸，對(duì)非均勻混合的高斯氣云爆炸未見公開報(bào)道。

AutoReaGas軟件對(duì)可燃?xì)怏w爆炸后果的研究是基于理想化的均勻混合氣云模型，即保守地將氣體的濃度分布假定為均勻的化學(xué)計(jì)量濃度場(chǎng)，而生產(chǎn)、生活以及工業(yè)實(shí)際中不太容易形成均勻氣云，而是形成非均勻混合的高斯氣云，導(dǎo)致軟件預(yù)測(cè)結(jié)果（如超壓）比實(shí)際測(cè)量或事故現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值偏大［3－7］。

鑒于此，本文對(duì)AutoReaGas程序進(jìn)行了如下改進(jìn)：先利用Fluent軟件計(jì)算出非均勻濃度場(chǎng)，并開發(fā)了AutoReaGas軟件接口，將原來均勻分布的濃度場(chǎng)替換成非均勻分布濃度場(chǎng)；與自然擴(kuò)散型氣云爆炸實(shí)驗(yàn)的對(duì)比表明，非均勻混合氣云爆炸的數(shù)值計(jì)算更加符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 非均勻混合可燃?xì)庠票ǖ腁utoReaGas計(jì)算方法

AutoReaGas的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算步驟為［12］：建立幾何模型并劃分網(wǎng)格，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件和參數(shù)，選擇氣體爆炸或爆炸波求解器進(jìn)行求解。

筆者提出的非均勻混合可燃?xì)庠票ǖ母倪M(jìn)數(shù)值計(jì)算方法框架（圖1），包括以下程序：通用的流體計(jì)算軟件Fluent；模擬氣體燃燒、爆炸的程序AutoRea－Gas；幾何圖形模擬以及網(wǎng)格生成的前處理程序ICEM CFD。

圖1 程序框架結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)計(jì)算方法步驟：①首先用ICEM CFD產(chǎn)生所需的幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格，也可以從其他CAD／CAE軟件導(dǎo)入所需要的幾何模型或網(wǎng)格，如Gambit，True－Grid等，在ICEM CFD中生成2D／3D的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（得到＊＊.msh文件），并將生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（得到＊＊.geo文件）。②然后將得到的＊＊.msh文件導(dǎo)入Fluent軟件中，設(shè)定相應(yīng)的邊界條件和流體物性，求解計(jì)算域的濃度場(chǎng)分布（得到＊＊.rst文件）。③將得到的＊＊.geo文件和＊＊.rst文件導(dǎo)入AutoReaGas中，替換掉之前的均勻濃度場(chǎng)，然后執(zhí)4行求解器運(yùn)算，就得到非均勻混合氣云爆炸的溫度、壓力等變量（圖2）。

2 計(jì)算方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖2 AutoReaGas接口示意圖

1999年羅正鴻等以乙炔與空氣混合形成的非理想爆源為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在大連理工大學(xué)的開敞空間氣相爆炸野外實(shí)驗(yàn)基地對(duì)自然擴(kuò)散所形成的氣云點(diǎn)火后的爆炸規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［13］，考察最大超壓隨氣云大小和點(diǎn)火位置的變化情況。實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火點(diǎn)和傳感器位置如圖3、4所示，其中一組自然擴(kuò)散型預(yù)混氣云爆炸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

從Fluent數(shù)值模型和計(jì)算結(jié)果（圖5）可以看出，自然擴(kuò)散型氣云的濃度在空間為非均勻的高斯分布，從氣源中心往外，濃度依次減小，對(duì)于這種情況的氣云爆炸模擬，未經(jīng)改進(jìn)的AutoReaGas軟件將不再適用。

圖3 實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火位置圖

圖4 傳感器位置布置圖

表1 自然擴(kuò)散型預(yù)混氣云爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表［13］

圖5 Fluent數(shù)值模型及計(jì)算結(jié)果圖

AutoReaGas數(shù)值模型如圖6所示。AutoRea－Gas、修正后的AutoReaGas計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況見圖7。

從圖7可以看出：利用Fluent軟件計(jì)算的非均勻濃度場(chǎng)替換原來均勻分布的濃度場(chǎng)后，模擬的氣云爆炸超壓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，特別是沖擊波最大負(fù)超壓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。另外，模擬達(dá)到最大超壓的時(shí)間也與實(shí)驗(yàn)比較接近。由此可見，筆者所提出的改進(jìn)計(jì)算方法是有效的、可靠的。

圖6 AutoReaGas模型圖

3 工程實(shí)例

選定某鹽巖天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采站，事故場(chǎng)景設(shè)定為注采站套管因運(yùn)營(yíng)壓力失控、地震、恐怖襲擊等原因出現(xiàn)泄漏，考慮對(duì)泄漏點(diǎn)周邊區(qū)域的影響。泄漏點(diǎn)中心位于地面，坐標(biāo)（67，62，0），泄漏孔徑為216 mm，泄漏方向垂直于地面，依據(jù)推導(dǎo)的鹽巖儲(chǔ)庫(kù)氣體泄漏計(jì)算方法［14］，計(jì)算出天然氣（甲烷）泄漏源強(qiáng)為173kg／s。注采站長(zhǎng)80m、寬60m，為減小邊界條件對(duì)模擬的影響，計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)×寬×高定為150m×100m×30m，x軸正向?yàn)檎龞|方向，y軸正向?yàn)檎狈较?，z為垂直方向。

圖7 自然擴(kuò)散型預(yù)混氣云爆炸所產(chǎn)生的超壓（p）—時(shí)間（t）曲線對(duì)比圖

濃度采用Fluent軟件計(jì)算，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型，模擬的流速為亞音速，選用不可壓縮理想氣體模型，用基于壓力的隱式求解器求解。模擬過程分3個(gè)階段：構(gòu)建不同風(fēng)向的基本風(fēng)場(chǎng)；以構(gòu)建的基本風(fēng)場(chǎng)為泄漏初始條件模擬5min的連續(xù)泄漏；模擬停止泄漏后3min甲烷隨風(fēng)場(chǎng)的自由擴(kuò)散。具體的模擬過程及計(jì)算結(jié)果見本文參考文獻(xiàn)［15］。

假定氣體泄漏發(fā)生在某個(gè)注采井單元（圖8），泄漏區(qū)域?yàn)?0m×10m×5m。將Fluent計(jì)算的濃度場(chǎng)通過開發(fā)的子程序?qū)氲紸utoReaGas中，初步模擬儲(chǔ)氣庫(kù)燃燒爆炸產(chǎn)生的爆炸壓力場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果見圖9、10。

由圖9的計(jì)算結(jié)果可以看出，利用改進(jìn)的Auto－ReaGas軟件可以得到非均勻混合的高斯氣云爆炸時(shí)，鹽巖天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采站不同位置的超壓時(shí)程曲線。由圖10可以看出，從點(diǎn)火點(diǎn)（即氣體泄漏源）往外爆炸峰值超壓依次減弱，不管是橫向還是縱向布置的測(cè)點(diǎn)計(jì)算的峰值超壓（正壓或負(fù)壓）均有這樣的規(guī)律。由此可見，改進(jìn)的AutoReaGas軟件能較好地模擬鹽巖天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采站非均勻混合的高斯氣云爆炸，擴(kuò)大了軟件的適用范圍。

圖8 注采站（儲(chǔ)氣庫(kù)）計(jì)算模型圖

圖9 部分測(cè)點(diǎn)超壓時(shí)程曲線圖

4 結(jié)論

針對(duì)AutoReaGas軟件中假定氣體濃度均勻分布導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果比較保守的不足，開發(fā)了濃度接口進(jìn)行改進(jìn)，通過與自然擴(kuò)散型氣云爆炸實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了本文改進(jìn)計(jì)算方法的有效性，具體結(jié)論如下。

圖10 部分測(cè)點(diǎn)峰值超壓圖

1）開發(fā)了AutoReaGas軟件濃度接口，可以將Fluent軟件計(jì)算的非均勻濃度場(chǎng)耦合進(jìn)AutoReaGas軟件，將原來均勻分布的濃度場(chǎng)替換成實(shí)際的濃度場(chǎng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，本文的改進(jìn)計(jì)算方法有效地提高了計(jì)算精度。

2）改進(jìn)的AutoReaGas軟件能較好地模擬鹽巖天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采站非均勻混合的高斯氣云爆炸，擴(kuò)大了軟件的適用范圍。

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