韓永華，季學(xué)偉，陳 濤，賀 丁，吳愛枝，周 軼，馬克祥

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041； 2.北京市安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究院，北京101100；3.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084； 4.中國寰球工程有限公司，北京100012)

0 引言

天然氣作為優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，可與核能及可再生能源形成良性互補(bǔ)，是建設(shè)生態(tài)文明強(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)清潔化的現(xiàn)實(shí)選擇。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局報(bào)道，截止2016年城市燃?xì)馄占奥室堰_(dá)95.8%，2017年城市天然氣用氣人口33 933.87萬人。天然氣的使用給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大便利，但天然氣泄漏、爆炸事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。依據(jù)文獻(xiàn)[1]報(bào)道數(shù)據(jù)室內(nèi)燃?xì)馐鹿始s占燃?xì)馐鹿拾顺勺笥?。因此，室?nèi)燃?xì)馐鹿是樾螒?yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注。

室內(nèi)燃?xì)馐鹿拾l(fā)生主要是燃?xì)獍l(fā)生泄漏后形成可燃蒸汽云遇到點(diǎn)火源引發(fā)燃?xì)獗ǎ舯óa(chǎn)生的火焰及高溫引發(fā)爆燃或次生火災(zāi)則將造成更嚴(yán)重后果。對室內(nèi)燃?xì)馐鹿实难芯恐饕杏谛孤?、爆炸、火?zāi)及其對建構(gòu)筑物的影響方面。室內(nèi)燃?xì)庑孤┭芯恐饕P(guān)注燃?xì)庑孤┖笤诳臻g擴(kuò)散及是否形成可燃蒸汽云[2-3]。室內(nèi)燃?xì)獗ㄑ芯筷P(guān)注重點(diǎn)是爆炸產(chǎn)生的沖擊波、火焰以及對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞性[4-5]。燃?xì)獗ㄍ瑫r(shí)可能引發(fā)火災(zāi)，吳晉湘等[6]、張培紅等[7]對燃?xì)庑孤┗馂?zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬。天然氣作為易燃易爆氣體通過實(shí)驗(yàn)的方法研究具有高度危險(xiǎn)性，且爆炸瞬間發(fā)生，在數(shù)據(jù)采集方面具有一定的局限性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)和燃燒性等理論的不斷完善，數(shù)值模擬精度不斷提高，計(jì)算耗時(shí)不斷下降，數(shù)值仿真方法逐漸成為氣體泄漏爆炸過程研究的重要方法，同時(shí)能為事故調(diào)查及鑒定提供有效的輔助決策[8-9]。

空間阻塞以及障礙物對燃?xì)庑孤┬纬傻臐舛葓鲆约氨_擊波和火焰的傳播具有重要影響。薛海強(qiáng)等[10]研究了障礙物位置、高度等對可燃?xì)怏w擴(kuò)散的影響，障礙物的存在有助于形成爆炸區(qū)域；楊凡等[11]研究認(rèn)為障礙物的個(gè)數(shù)和阻塞比對管道氣體爆炸峰值超壓有顯著影響；周寧等[12]研究認(rèn)為障礙物阻塞率、間距、空間位置對丙烷-空氣爆炸過程及火焰加速效應(yīng)具有明顯影響。居民及餐飲企業(yè)的用氣安全影響范圍非常廣，熟食操作間的阻塞程度主要表現(xiàn)為熟食操作間的門窗開啟和閉合程度，但文獻(xiàn)中有關(guān)熟食操作間空間阻塞程度對燃?xì)庑孤┍ㄇ樾窝芯枯^少。本文將采用數(shù)值模擬方法，進(jìn)行熟食操作間泄漏和爆炸模擬，考慮門窗開啟程度對泄漏和爆炸后果的影響，分析熟食操作間可燃蒸汽云和爆炸沖擊波的空間分布，為居民及餐飲企業(yè)安全用氣提供理論參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

在氣體泄漏擴(kuò)散和爆炸過程中，氣體的流動遵循機(jī)械運(yùn)動普遍適用地守恒定律：質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒。用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型表示氣體動力學(xué)過程為[13]：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；μ為X方向的速度分量，m/s；Tφ為通量φ的交換系數(shù)；Sφ為能量源項(xiàng)；μeff為有效黏性，Pa·s；?為prandtl數(shù)；φ為通用變量，分別代表速度分量u，v，w(m/s)，湍流動能k(kJ)、湍流動能耗散率ε、焓h(kJ/kg)、可燃性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yfu等；①為非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，②為對流項(xiàng)，③為擴(kuò)散項(xiàng)，④為源項(xiàng)。

1.2 物理模型

本文物理模型以小餐館空間布局為參考建立，分為內(nèi)外2間，內(nèi)間為熟食操作間，熟食操作間內(nèi)部尺寸為長×寬×高=5 m×4 m×3 m，外部為經(jīng)營場所，經(jīng)營場所內(nèi)部尺寸為長×寬×高=5 m×8 m×3 m。熟食操作間內(nèi)墻上有門和傳菜窗，尺寸(寬×高)分別為1 m×2 m和1 m×0.5 m，外部有(寬×高)2 m×2.5 m的外門與外界相通。整個(gè)物理模型平面圖、熟食操作間內(nèi)墻剖面圖以及幾何模型如圖1所示。燃?xì)庠钗挥谑焓巢僮鏖g，高度設(shè)為0.8 m。

圖1 物理模型平面圖與幾何模型Fig.1 Physical model plane and geometric model

1.3 模擬參數(shù)

本文數(shù)值模擬采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLACS完成，F(xiàn)LACS采用k-ε湍流模型，在非均勻笛卡爾網(wǎng)絡(luò)上求解三維Reynolds-averaged Navier-Stokes方程，計(jì)算蒸汽云的擴(kuò)散行為[14]。通過輸入泄漏源模型泄漏速率、泄漏方向等參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散模擬可獲得可燃?xì)庠拼笮〖皾舛确植肌?/p>

室內(nèi)燃?xì)庑孤┛赡芮樾斡泄艿佬孤?、燃?xì)饩咝孤?、燃?xì)獗硇孤?、膠管泄漏等，上述各泄漏情形造成后果相似，本研究中設(shè)定為燃?xì)饩咝孤?，泄漏孔設(shè)為10 mm圓孔，假設(shè)環(huán)境溫度20 ℃，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》[15]入戶低壓燃?xì)鈮毫? 000 Pa。假設(shè)燃?xì)庑孤樾】壮掷m(xù)泄漏情形，根據(jù)式(2)臨界壓力比判斷可知本文氣體流動屬于亞音速流動。此時(shí)，燃?xì)庑孤┑馁|(zhì)量流量計(jì)算公式見式(3)。

(2)

(3)

式中：Cdg為氣體泄漏系數(shù)，與泄漏口形狀有關(guān)，本文情景為圓形，取1.00；k為氣體絕熱指數(shù)(也稱比熱比)，對于天然氣取1.29；M為燃?xì)獾哪栙|(zhì)量，本文采用甲烷摩爾質(zhì)量計(jì)算，為0.016 kg/mol；R為氣體常數(shù)，8.3145 J/(mol·K)；T為氣體溫度，設(shè)定為20 ℃，對應(yīng)293 K；p0為大氣壓，101 325 Pa；p為管道內(nèi)燃?xì)獾慕^對壓力，103 325 Pa；A為泄漏孔徑尺寸，直徑10 mm，面積7.854×10-5m2。

計(jì)算得到燃?xì)庑孤┧俾蕿?.249×10-3kg/s。燃?xì)庑孤┌l(fā)生在燃?xì)庠钐?，泄漏點(diǎn)坐標(biāo)為(4.15,12.02,0.85)，向上泄漏。天然氣組分一般為甲烷91%、乙烷7%、丙烷2%，本研究中用100%甲烷代替實(shí)際天然氣成分。

對于燃?xì)獗M情景，設(shè)定為熟食操作間內(nèi)充滿燃?xì)?，甲烷的化學(xué)計(jì)量比為ER=1.0，燃?xì)獗〞r(shí)設(shè)置點(diǎn)火源為燃?xì)庠畲蚧穑c(diǎn)火點(diǎn)坐標(biāo)為(4.15,12.02,0.95)。

1.4 計(jì)算情景設(shè)計(jì)

阻塞是指因障礙物等存在，水流、交通等不能通過。在本文中定義空間阻塞為關(guān)注的空間內(nèi)、外氣體因空間邊界的存在而不能互通。用空間阻塞率表示空間阻塞程度，將某一空間視為研究對象，空間阻塞率為空間的表面積與完全封閉時(shí)的表面積之比，空間開敞率與空間阻塞率之和為100%。在本文研究中，決定熟食操作間空間閉塞率的主要是門和窗的開啟程度。門、窗位置如圖1所示，共設(shè)置10種門窗的開敞面積組合，見表1。在計(jì)算分析中，將泄漏的10種情形分別用L1～L10表示，對爆炸的10種情形分別用E1～E10表示。本文共設(shè)置19個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其空間分布如圖2所示。

表1 空間阻塞情景設(shè)計(jì)Table 1 Scenario design of space blocking

圖2 空間監(jiān)測點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of spatial monitoring points

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 空間阻塞對燃?xì)庑孤U(kuò)散影響分析

根據(jù)文獻(xiàn)[16]統(tǒng)計(jì)結(jié)果，燃?xì)獗ㄊ鹿识喟l(fā)生在上午9點(diǎn)至10點(diǎn)期間，這段時(shí)間正是餐飲企業(yè)員工開始工作時(shí)間，之前閉餐時(shí)段，空間閉塞，若發(fā)生燃?xì)庑孤?，燃?xì)庠诳臻g積聚，形成可燃蒸汽云，開始工作后使用電器設(shè)備、明火等極有可能引燃蒸汽云。以L9情形(門關(guān)閉，窗開啟1/4)為例，不同監(jiān)測點(diǎn)燃?xì)鉂舛茸兓鐖D3所示。由圖3可知，熟食操作間內(nèi)的P1～P5和P10～P13隨泄漏時(shí)間增長，燃?xì)鉂舛瘸手本€上升，在泄漏約600 s時(shí)，熟食操作間燃?xì)鉂舛瘸^爆炸下限5%，而P14～P19點(diǎn)燃?xì)鉂舛任催_(dá)到可燃濃度下限，據(jù)此可知燃?xì)庑孤┖笾饕谑焓巢僮鏖g內(nèi)形成可燃蒸汽云。在不同時(shí)刻可燃蒸汽云的空間分布如圖4所示，圖4中截面為熟食操作間內(nèi)燃?xì)庠钏谄拭?。由圖4可知，在600 s時(shí)，可燃蒸汽云范圍在燃?xì)庠钌戏讲糠謪^(qū)域，燃?xì)鉂舛燃s為5%，在800 s時(shí)，在整個(gè)剖面形成可燃蒸汽云濃度約為6%，在1 000 s時(shí)，可燃蒸汽云濃度約為8%，在1 200 s時(shí)，可燃蒸汽云濃度約為10%。結(jié)合圖3和圖4可知，整個(gè)熟食操作間處于可燃蒸汽云氛圍內(nèi)，且燃?xì)夥植驾^為均勻。

選擇熟食操作間內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)M12，其坐標(biāo)為2.4,12.4,1.9，對比分析不同空間阻塞狀態(tài)下燃?xì)鉂舛入S時(shí)間變化趨勢。圖5表示工況L1～L9共9種空間狀態(tài)下，1200 s內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)M12的燃?xì)鉂舛茸兓?。由圖5中曲線可知，L1,L2,L3情形下M12處在1 200 s未達(dá)到爆炸下限，但隨泄漏時(shí)間增加，M12處燃?xì)鉂舛葮O有可能達(dá)到并超過爆炸下限。將L1～L10情形的空間阻塞率與1 200 s時(shí)監(jiān)測點(diǎn)M12處燃?xì)鉂舛茸鲌D，如圖6所示。并在圖6中對散點(diǎn)進(jìn)行擬合。結(jié)果表明隨空間阻塞率增加，燃?xì)鉂舛仍龃?，? 200 s，L3情形下(門開啟1/2，窗戶關(guān)閉)M12處燃?xì)鉂舛冉咏ㄏ孪?%，當(dāng)門關(guān)閉時(shí)，窗不同開啟程度下，1 200 s時(shí)燃?xì)鉂舛然驹?%左右，擬合曲線公式成二項(xiàng)式樣式，在阻塞率99.95%至100%區(qū)間，燃?xì)鉂舛瘸尸F(xiàn)反拋物線式上升。上述結(jié)果表明，L9是非完全封閉狀態(tài)下較為危險(xiǎn)的空間狀態(tài)，為避免形成可燃蒸汽云，應(yīng)在泄漏600 s內(nèi)采取有效措施。一方面應(yīng)避免空間過于封閉，在沒有有效通風(fēng)措施條件下延長空間達(dá)到爆炸下限的時(shí)間，另一方面在家庭和餐飲店鋪應(yīng)盡可能的安裝燃?xì)獗O(jiān)測報(bào)警設(shè)施，并聯(lián)動排風(fēng)設(shè)施，及時(shí)將泄漏燃?xì)馀懦龇忾]的內(nèi)部空間。

圖5 L1～L9不同空間阻塞下監(jiān)測點(diǎn)M12燃?xì)鉂舛茸兓疐ig.5 Change of gas concentrations at M12 monitoring point under different space blocking of L1～L9

圖6 1 200 s時(shí)空間阻塞率與M12處燃?xì)庾畲鬂舛汝P(guān)系曲線Fig.6 Relationship between space blocking rate and maximum gas concentration at M12 on 1 200 s

2.2 空間阻塞對燃?xì)獗ㄓ绊懛治?/h3>

對門開啟、窗開啟的情形E1爆炸情形分析，高度1.4 m平面超壓分布如圖7所示。從圖7可以看出，燃?xì)獗ê笤谑焓巢僮鏖g內(nèi)產(chǎn)生超壓，沖擊波從熟食操作間門口沖出，再從大廳門口沖出到房間外部，其中熟食間內(nèi)超壓值在35 kPa以上。參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)導(dǎo)則》[17]中超壓對建筑物的影響，超壓在34.5～48.2 kPa房屋幾乎完全破壞，在本情形下熟食操作間將會受到爆炸超壓的嚴(yán)重破壞。

圖7 E1情形下燃?xì)獗ǔ瑝嚎臻g分布(H=1.4 m，單位：kPa)Fig.7 Spatial distribution of gas explosion overpressure in case of E1 (H=1.4 m, Unit:kPa)

熟食操作間內(nèi)超壓分布幾乎均勻，選擇位于房間居中偏上的監(jiān)測點(diǎn)M12進(jìn)行不同空間情形下沖擊波超壓的分析，E1～E10情形下M12點(diǎn)爆炸超壓變化如圖8所示。由圖8可以看出，不同空間情形下燃?xì)獗ê蟪瑝褐档淖兓?guī)律，其中E10空間完全封閉，燃?xì)獗灰?，超壓無處釋放，M12點(diǎn)超壓值持續(xù)增高，理想狀態(tài)下可以達(dá)到786.6 kPa；空間阻塞度高時(shí)，超壓泄壓時(shí)間長，表現(xiàn)為空間超壓值在較高值維持較長時(shí)間(如E5～E9情形)；當(dāng)空間阻塞度較低時(shí)，超壓降低較快(如E1～E4情形)，升到最高超壓值后迅速降低。對10種情形下作M12點(diǎn)超壓最大值與空間阻塞率關(guān)系曲線，如圖9所示，并對圖中取值進(jìn)行擬合。從圖9可知，隨空間阻塞率增大，爆炸產(chǎn)生超壓隨之增大，從曲線趨勢看，在阻塞率99.99%～100%之間，爆炸超壓成指數(shù)式增長。由以上分析結(jié)果可知，在本文設(shè)定情形中，燃?xì)獗óa(chǎn)生最大超壓值均在30 kPa以上，對空間能夠造成毀壞性傷害，且隨空間阻塞率增大，破壞力成倍數(shù)增大。若燃?xì)庑孤┖笮纬煽扇颊羝?，則在熟食操作間內(nèi)遇到點(diǎn)火源可能性極大，降低爆炸沖擊波、火焰等對空間的影響是保障空間安全的最后防線。為避免燃?xì)獗赡茉斐傻暮蠊?，一方面?yīng)降低空間阻塞率以降低發(fā)生爆炸后形成的沖擊波超壓，另一方面在有燃?xì)馐褂每臻g盡可能靠近外部，同時(shí)增設(shè)泄壓孔，從而將產(chǎn)生的壓力及時(shí)泄掉。

圖8 10種空間狀態(tài)下燃?xì)獗ê驧12處超壓變化Fig.8 Overpressure change at M12 after gas explosion under 10 space states

圖9 空間阻塞率與爆炸超壓關(guān)系Fig.9 Relation between space blocking rate and explosion overpressure

3 結(jié)論

1)空間阻塞率越高，燃?xì)庑孤┰揭仔纬煽扇颊羝?，在阻塞?9.95%至100%區(qū)間，燃?xì)鉂舛瘸尸F(xiàn)反拋物線式上升，在空間阻塞率99.982%時(shí)(開敞面積1 m2)，泄漏1 200 s時(shí)，熟食操作間燃?xì)鉂舛戎悼蛇_(dá)6%，超出燃?xì)獗ㄏ孪?%。

2)在空間阻塞率99.955%(開敞面積2.5 m2)至100%時(shí)，燃?xì)獗ê笫焓巢僮鏖g內(nèi)產(chǎn)生的超壓最大值均大于30 kPa，對應(yīng)爆炸超壓準(zhǔn)則，超壓將對建筑物造成嚴(yán)重?fù)p壞。

3)當(dāng)空間阻塞率在99.991%(開敞面積0.5 m2)至100%時(shí)，設(shè)定工況下爆炸超壓隨空間阻塞率呈指數(shù)式增加。

4)為避免燃?xì)馐鹿拾l(fā)生，對于有燃?xì)馐褂玫目臻g，應(yīng)降低空間阻塞率，延長泄漏后空間達(dá)到爆炸下限時(shí)間，同時(shí)增設(shè)燃?xì)庑孤﹫?bào)警設(shè)施并聯(lián)動排風(fēng)，最后空間設(shè)計(jì)上應(yīng)增設(shè)泄壓孔，且用氣空間盡可能接近外部，避免可能發(fā)生的爆炸對建筑物結(jié)構(gòu)的損毀。