王 勇，周利坤，張 穎，李高揚(yáng)

(武警后勤學(xué)院 后勤保障系， 天津300309)

油氣運(yùn)輸是石油安全生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生意外，后果將不堪設(shè)想。運(yùn)油罐車運(yùn)輸石油過程中，常溫下油罐內(nèi)會出現(xiàn)石油蒸汽與空氣的混合氣體，當(dāng)混合氣體濃度達(dá)到其爆炸極限1.4%～7.6%，遇明火就易發(fā)生爆炸事故，尤其是剛卸完油后的空罐，罐內(nèi)積聚大量可燃混合蒸汽，更易爆炸。油氣爆炸實(shí)質(zhì)是石油蒸汽與空氣快速反應(yīng)，釋放大量熱量，產(chǎn)生高溫高壓的化學(xué)燃燒過程。由于封閉的運(yùn)油罐車油罐的長徑比較小，所以這種類型的爆炸屬于爆燃形式。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對可燃?xì)怏w爆炸做了大量研究。其中，國外學(xué)者Costin[1]對受限空間氣體爆炸做了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，得到爆炸后的反射超壓比入射超壓增大的值取決于受限空間的壁面形狀。Feldgun等[2]論述了受限空間氣體爆炸的殘余爆炸壓力，提出了不同的壓力預(yù)測模型并對模型的實(shí)用性進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。國內(nèi)學(xué)者毛金輝[3]、蔡運(yùn)雄[4]等對封閉管道中的油氣爆炸進(jìn)行了仿真模擬并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。杜揚(yáng)[5]、陳超[6]等研究了油氣爆炸的影響因素和爆炸超壓的分布規(guī)律。劉沖等[7]進(jìn)行了含雙側(cè)分支受限空間油氣爆炸大渦模擬，得到爆炸火焰和壓強(qiáng)在分支結(jié)構(gòu)處的變化過程。江丙友[8]、高佳麗[9]等對瓦斯爆炸沖擊波的傳播特性進(jìn)行了研究。目前，對運(yùn)油罐車這類儲運(yùn)載體的研究還十分匱乏，對油氣爆炸傳播機(jī)理的研究還不夠深入。研究運(yùn)油罐車油氣爆炸實(shí)驗(yàn)需要投入大量的人力物力，不僅危險(xiǎn)系數(shù)較高，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很難獲得。因此，本文采用目前比較成熟的流體動力學(xué)軟件Fluent，對卸完油后的運(yùn)油罐車在運(yùn)輸途中，遭遇后車追尾引發(fā)罐內(nèi)摩擦起火，進(jìn)而導(dǎo)致其爆炸的過程進(jìn)行仿真模擬，既安全高效，又能獲得準(zhǔn)確的油氣爆炸數(shù)據(jù)。

1 物理模型建立與網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型

運(yùn)油罐車油罐模型見圖1，長寬高為4 m×1.2 m×1 m，罐壁厚4 mm。油罐頂位于上表面的幾何中心，其直徑0.4 m，高0.1 m。運(yùn)油罐車在行駛途中被后方一貨車追尾，使油罐尾部內(nèi)壁發(fā)生碰撞，摩擦起火。

圖1 運(yùn)油罐車油罐模型

由于油罐模型沿長軸對稱，可以取長軸截面進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，長軸截面見圖2。

圖2 油罐長軸截面

1.2 網(wǎng)格劃分

本文利用ICEM CFD專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件對長軸截面圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖3。在保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的情況下，為加速計(jì)算時間，網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一采取10 mm，共計(jì)劃分網(wǎng)格數(shù)：40 400，網(wǎng)格質(zhì)量：1。

圖3 網(wǎng)格模型

2 數(shù)學(xué)模型選擇以及流場控制方程

運(yùn)油罐車油罐中的油氣混合物爆燃是典型的湍流爆炸，其本質(zhì)是一種帶壓力波的高湍流度、高反應(yīng)速率的油蒸汽與氧氣燃燒過程。本文采用基于總能的k-εRNG湍流模型來描述湍流流場?；究刂品匠淌綖椋?/p>

(1)

(2)

式中：i,j,k分別代表第i,j,k個；u為速度(m/s);ρ為密度(m/s)；μ為動力粘性系數(shù)(Pa·s)；l，t分別代表層流和湍流；Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動能；αk和αε分別代表k方程和ε方程的湍流Prandtl常數(shù)；C1ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別為1.42，1.68。

由于油蒸汽與氧氣反應(yīng)十分復(fù)雜，涉及到幾十種組分和基元反應(yīng)，為簡便計(jì)算，本文采用單步不可逆化學(xué)反應(yīng)模型。

90號汽油的主要成分是庚烷，其與氧氣燃燒反應(yīng)方程式如下：

C7H16+11O2=7CO2+8H2O+Q

(3)

式中：Q為反應(yīng)釋放的熱量。

用有限速率/渦耗散(Finite-Rate/Eddy-Dissipation)燃燒模型來描述化學(xué)反應(yīng)速率，其基本控制方程如下：

(4)

(5)

Rfu=-min(|Rfu,A|,|Rfu,T|

(6)

式中：Rfu,A為Arrehnius類型燃燒速率，Rfu,T為湍流燃燒速率，Rfu為Rfu,A和Rfu,T的較小值代表化學(xué)反應(yīng)速率；CEBU為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取0.34～0.40；Y1,Y2,Y3分別表示C7H16,O2,H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 仿真模擬與結(jié)果分析

3.1 模擬環(huán)境設(shè)置

不考慮油罐的破損、變形，模擬封閉油罐中的油氣爆炸，所以不需設(shè)置進(jìn)出口邊界。假設(shè)油罐壁面絕熱，不考慮其與外界的能量傳遞與交換，邊界類型均設(shè)為剛性，絕熱，無滑移，無滲透的wall邊界。忽略壁面厚度，壁面粗糙度取0.5，由于壁面附近流場壓力梯度較大，為提高模擬精度采用非平衡壁面函數(shù)法處理壁面附近流場。利用SIMPLEC算法求解壓力與速度的耦合關(guān)系。

假設(shè)油罐內(nèi)混合氣體點(diǎn)火前處于常溫常壓靜止?fàn)顟B(tài)且均勻混合，罐內(nèi)壓強(qiáng)設(shè)為0.1 MPa，表壓為0 Pa，溫度為300 K。油蒸汽的體積分?jǐn)?shù)取2%，空氣為98%，空氣中氧氣含量可定為22%。用庚烷代替油蒸汽，換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)，庚烷占6.6%，氧氣占22.8%。

根據(jù)運(yùn)油罐車遭遇撞擊劇烈程度，可以在油罐尾部內(nèi)壁中點(diǎn)附近設(shè)一半球形點(diǎn)火源，半徑為0.1 m，用電火花方式進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為0.12 J，點(diǎn)火持續(xù)時間為0.001 s。為加快收斂，確保計(jì)算精度，時間步長設(shè)為0.001 s，每個時間步最大迭代步數(shù)設(shè)為20。最后進(jìn)行計(jì)算，每隔1 ms自動保存一次結(jié)果。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1火焰發(fā)展和傳播過程分析

選取14個時刻的混合氣體爆炸燃燒的火焰?zhèn)鞑ピ茍D進(jìn)行分析，見圖4。

圖中深色表示已燃區(qū)域，藍(lán)色表示未燃區(qū)域。已燃區(qū)混合氣體反應(yīng)釋放的熱量不斷加熱未燃區(qū)混合氣體，直到達(dá)到其著火點(diǎn)，未燃區(qū)的混合氣體被點(diǎn)燃，形成新的火焰面，火焰就是以這種方式逐漸向運(yùn)油罐車油罐右側(cè)傳播的?？梢杂脠D5簡單地表示。

從3 ms時的云圖可以看到，點(diǎn)火后油罐左側(cè)壁面附近的混合氣體首先被點(diǎn)燃，火焰呈圓弧狀。此時溫度較低，最大只有827 K，化學(xué)反應(yīng)速率較慢。而后火焰面以點(diǎn)火位置為中心，向四周擴(kuò)散。從15 ms 時的云圖可以看出，由于受到左側(cè)壁面的約束和反射作用使得火焰的軸向速度大于徑向速度，火焰呈現(xiàn)拋物線型。此時最高溫度達(dá)2 490 K，混合氣體被完全點(diǎn)燃，化學(xué)反應(yīng)速率較快，最快反應(yīng)速率達(dá)到64.2 m/s，見圖6。

圖6 15 ms的化學(xué)反應(yīng)速率云圖

當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ缴舷卤诿娓浇鼤r，由于壁面湍流作用使得壁面附近火焰速度大于軸向速度，于是火焰形狀逐漸由拋物線型向平面型再到凹型的轉(zhuǎn)變，從第20 ms到第230 ms云圖可以清楚的看到這個變化過程。隨著火焰面積的增大，上下壁面附近的氣體反應(yīng)速率不斷加快，使得火焰逐漸向軸線靠攏，火焰面開始呈現(xiàn)倒V型。365 ms時，火焰?zhèn)鞑ブ劣凸揄敻浇?，被分成兩部分分別向灌頂和罐右側(cè)傳播，由于受到油罐頂?shù)募s束和擾動作用，灌頂區(qū)域火焰開始變形。785 ms后灌頂區(qū)的混合氣體完全反應(yīng)，火焰繼續(xù)向油罐右側(cè)傳播。同樣由于上下壁面的湍流作用，油罐右側(cè)部分火焰面呈現(xiàn)不規(guī)則的凹形。計(jì)算進(jìn)行到2 000 ms時混合氣體完全反應(yīng)，火焰布滿油罐。

因此可得到，運(yùn)油罐車油罐內(nèi)油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)歷弧形-拋物線形-凹形-倒V形-凹形的變化過程。

3.2.2溫度變化過程分析

選取a(0.5，0.5)、b(2.0，1.1)、c(3.5，0.5)三個點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)，得到其溫度-時間變化曲線，見圖7，分析油罐中油氣爆炸的溫度變規(guī)律。

圖7 溫度-時間曲線

點(diǎn)火后，已燃區(qū)混合氣體反應(yīng)釋放的熱量加熱附近的混合氣體，點(diǎn)a距離點(diǎn)火區(qū)域最近，首先被加熱，溫度緩慢上升。當(dāng)火焰峰面?zhèn)鞑ブ咙c(diǎn)a，其溫度迅速上升達(dá)到2 600 K，而后隨著爆炸的進(jìn)行緩慢增加至最大值。同理點(diǎn)b、點(diǎn)c變化趨勢也和點(diǎn)a一樣，但各點(diǎn)溫度上升速率有所不同，點(diǎn)a、點(diǎn)b溫度上升速率要大于點(diǎn)c，因?yàn)楸ê笃诨瘜W(xué)反應(yīng)速率很低，釋放熱量緩慢。各點(diǎn)最大值在3 000 K附近，這比實(shí)際值略高，因?yàn)楸疚乃x模型是封閉的油罐，不考慮與外界的能量傳遞與交換。此外可以通過圖7估算出火焰水平方向的平均傳播速度。點(diǎn)a到點(diǎn)b、點(diǎn)b到點(diǎn)c水平距離均為1.5m，前者所需時間約為400 ms，后者時間約為1 200 ms，利用平均速度公式算出火焰水平傳播速度分別為3.75 m/s、1.25 m/s?？梢缘玫交鹧婧笃谔幱跍p速傳播階段,這是因?yàn)橛凸抻覀?cè)壓力越來越高，火焰所能傳播的空間越來越小，造成油罐右側(cè)未燃混合氣體反向流動，增加火焰向油罐右端傳播的阻力。

由以上分析，油罐內(nèi)各點(diǎn)溫度均呈上升趨勢，而開始上升時間和上升速率分別由火焰峰面和氣體反應(yīng)速率決定，氣體反應(yīng)速率越快，溫度上升速率越快

3.2.3壓力波發(fā)展和傳播過程分析

見圖8，選取8個時刻的壓力分布云圖進(jìn)行運(yùn)油罐車油氣爆炸壓力波的傳播規(guī)律分析。

圖8 壓力波傳播云圖

從圖8可以看出，點(diǎn)火后點(diǎn)火區(qū)域的壓力驟增，壓力波以球形波的形式向四周傳播，當(dāng)傳播至上下壁面時發(fā)生反射。隨著爆炸的進(jìn)行，上下壁面的反射波相互接觸，使得壓力波以平面波的形式向油罐右側(cè)傳播。在油罐頂左側(cè)的直罐區(qū)域內(nèi)，壓力波均以平面波的形式傳播，從第1 ms到第7 ms的壓力分布云圖可以看出這一變化過程。當(dāng)壓力波傳播至罐頂附近時，受到油罐頂?shù)臄_動作用發(fā)生輕微的傾斜，形成凹面狀，到灌頂右側(cè)區(qū)域后繼續(xù)以平面波的形式傳播。當(dāng)壓力波傳至右側(cè)壁面時，發(fā)生反射向油罐左側(cè)傳播，如10 ms至22 ms云圖所示，傳至左側(cè)后再次發(fā)生反射向右傳播，以此往復(fù)循環(huán)直至混合氣體完全反應(yīng)。

綜上，油罐內(nèi)油氣爆炸壓力波在罐內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動，大部分時間是以平面波形式傳播，經(jīng)過灌頂區(qū)域時會發(fā)生輕微的傾斜。

3.2.4壓力變化過程分析

圖9為油氣爆炸過程中a(0.5，0.5)、b(2.0，1.1)、c (3.5，0.5)三個監(jiān)測點(diǎn)壓力隨時間變化曲線，依圖分析油罐中油氣爆炸的壓力變化過程。

圖9 壓強(qiáng)-時間變化曲線

從圖9可以看出，隨著爆炸的進(jìn)行罐內(nèi)壓力逐漸增大，直至混合氣體反應(yīng)完全，最大壓力達(dá)到0.8 MPa，對油罐損害很大，容易引起油罐破裂使得混合氣體迅速擴(kuò)散到空氣中遇到明火引發(fā)二次爆炸，帶來更大的損失。由于本文所選模型是封閉油罐，所以最終結(jié)果要比實(shí)際值稍大。各監(jiān)測點(diǎn)的壓力曲線到110 ms時幾乎完全重合，說明封閉空間內(nèi)的氣體爆炸是個瞬間過程，罐內(nèi)壓力很快達(dá)到平衡。從爆炸全程來看，壓力上升過程分為兩段，第一段曲線較陡壓力上升速率大，第二段上升曲線較平緩壓力上升速率小。因?yàn)榍捌诨瘜W(xué)反應(yīng)速率快，快速放熱使氣體迅速膨脹，所以壓力上升的快。相反，爆炸后期化學(xué)反應(yīng)速率很慢，釋放熱量慢，因此壓力上升也較慢。選取第12 ms和第1 800 ms兩個時刻的化學(xué)反應(yīng)速率云圖進(jìn)行對比，見圖10和11。第12 ms時最快反應(yīng)速率可達(dá)56.5 m/s;而第1 800 ms時最快反應(yīng)速率僅有0.19m/s。

圖10 12 ms的化學(xué)反應(yīng)速率

圖11 1 800 ms的化學(xué)反應(yīng)速率

由以上分析可知，油罐內(nèi)壓力隨著爆炸進(jìn)行很快達(dá)到平衡，并一直增大直至混合氣體完全反應(yīng)，壓力上升過程分為兩段，表現(xiàn)為前快后慢。

4 結(jié) 語

本文選取k-εRNG湍流模型，單步化學(xué)反應(yīng)和有限速率/渦耗散燃燒模型，采用SIMPLEC算法，利用Fluent軟件模擬對卸完油后的運(yùn)油罐車在油罐初始油氣濃度為2%時，遭遇尾部撞擊引起油罐內(nèi)油氣爆炸的過程，得到如下結(jié)論。

1) 運(yùn)油罐車油罐內(nèi)油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)歷弧形-拋物線形-凹形-倒V形-凹形的變化過程。油罐內(nèi)各點(diǎn)溫度均呈上升趨勢，而開始上升時間和上升速率分別由火焰峰面和氣體反應(yīng)速率決定，氣體反應(yīng)速率越快，溫度上升速率越快。

2) 運(yùn)油罐車油罐內(nèi)油氣爆炸壓力波在罐內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動，大部分時間是以平面波形式傳播，經(jīng)過灌頂區(qū)域時會發(fā)生輕微的傾斜。油罐內(nèi)壓力隨著爆炸進(jìn)行很快達(dá)到平衡，并一直增大直至混合氣體完全反應(yīng)，壓力上升過程分為兩段，表現(xiàn)為前快后慢。

3) 油氣爆炸時油罐內(nèi)最高溫度在3 000 K，最大壓強(qiáng)在0.8 MPa，對油罐損害很大，易引發(fā)二次爆炸。

模擬結(jié)果對運(yùn)油罐車構(gòu)造設(shè)計(jì)以及石油的運(yùn)輸安全研究具有借鑒意義。