孫華 唐聰 周寧

(1.上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)公共管廊有限公司 上海 201507； 2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

在氫氣儲運過程中若發(fā)生泄漏燃燒，火焰在受限空間中傳播極易由爆燃發(fā)展為爆轟，從而造成巨大破壞，威脅工業(yè)安全和人身安全。因此，為防控氫氣爆炸事故的發(fā)生，眾多學(xué)者對氫氣的燃爆機理及防控技術(shù)開展了廣泛的研究，取得了較多的研究成果。相較于其他被動火焰緩解系統(tǒng)，泄爆具有易于實施、成本低且能有效降低可燃氣體的爆炸強度等優(yōu)點，成為近年來學(xué)者們研究的重點。郭強等[1]結(jié)合實驗與模擬手段研究大空間內(nèi)預(yù)混可燃氣體爆燃泄爆過程中的壓力變化過程，小面積泄爆口壓力先下降后上升且第2峰值較大。王世茂等[2]發(fā)現(xiàn)開口率增大，超壓峰值下降，壓力波動中Helmholtz振蕩及R-T現(xiàn)象明顯，而點火源類型中高溫?zé)艚z點火會較早出現(xiàn)超壓峰值，且峰值最大。WAN S等[3]研究了障礙物通風(fēng)管道中側(cè)向泄爆口位置、大小及障礙物與通風(fēng)口相對位置關(guān)系對管道內(nèi)爆炸特性的影響，發(fā)現(xiàn)側(cè)面通風(fēng)口應(yīng)放置在易燃點附近，并設(shè)置在潛在障礙物前面，以發(fā)揮理想的安全緩解作用。RUIPENGYU L等[4]模擬驗證一個帶有可移動擋板和障礙物的小型爆炸室，結(jié)果表明最大超壓隨擋板從點火源向下游移動或按順序放置附加擋板而增大。CHAO J等[5]對帶有排氣口的小空間內(nèi)混合可燃氣體進行排氣爆炸試驗，研究發(fā)現(xiàn)壓力最大值可能是由最大燃燒面積、燃燒速度和外部爆炸產(chǎn)生的超壓相互作用控制的壓力瞬變引起的。ROCOURT X等[6]對立方密封室內(nèi)進行了小規(guī)模的氫氣爆炸，研究了排氣面積和點火位置對封閉容積內(nèi)壓力峰值振幅的影響。

本文采用大渦模擬(LES)方法，選擇大長徑比管道內(nèi)，對不同泄爆條件下的氫氣-空氣爆炸過程開展數(shù)值模擬研究，重點分析泄爆尺寸與泄爆位置對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀瑸榉乐箽錃獗ㄊ鹿始敖档褪鹿饰：μ峁├碚撝巍?/p>

1 數(shù)值方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

目前通常采用大渦模擬(LES)及RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)模型來模擬預(yù)混可燃氣體的燃爆過程。與RANS相比，LES優(yōu)化了湍流的計算方式，通過建立空間濾波函數(shù)，對湍流瞬時運動方程進行過濾分離，大尺度渦流運動通過瞬時N-S方程直接計算出來，而小尺度渦流運動的影響則通過類似于RANS中的建模方法模擬。因此大渦模擬在湍流燃燒方面能夠計算出更為準確的結(jié)果，捕捉火焰與湍流之間的微觀作用。

采用基于C方程的Zimont燃燒火焰面亞格子模型對火焰燃爆過程進行模擬，c為反應(yīng)進度變量，模擬過程中取c=0.3為火焰鋒面，表達式為：

式中，n為燃燒產(chǎn)物數(shù)；Yi為產(chǎn)物組分i的質(zhì)量分數(shù)；Yi,eq為平衡產(chǎn)物組分i的質(zhì)量分數(shù)。c=0時，表示反應(yīng)未開始，c=1時，表示完全反應(yīng)。反應(yīng)過程中，c的值為0～1。

1.2 模型工況

如圖1所示，為研究管道側(cè)方位泄爆口對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，本文針對泄爆尺寸與泄爆位置設(shè)計了9種計算域，并增加1組無泄爆工況作為對照，模擬工況的詳細信息見表1中，根據(jù)燃料名字、泄爆口位置與孔徑定義工況標(biāo)識符。為了詳細求解在泄爆口對火焰鋒面結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響，針對泄爆口進行了網(wǎng)格加密處理，處理后的網(wǎng)格尺寸為2 mm×2 mm×2 mm。泄爆口處邊界條件設(shè)置為壓力出口，其他管壁采用非滑移絕熱壁面邊界條件。點火源集中在計算域的左端中心點，點火能量為1 J。用當(dāng)量比為1(即氫氣質(zhì)量分數(shù)為29.6%)的氫氣-空氣混合物進行了模擬，將氫氣-空氣混合物的層流火焰速度設(shè)置為2.1 m/s,初始溫度和絕對壓力分別設(shè)置為300 K和101 325 Pa。采用PISO算法對壓力場和速度場進行耦合。對流項離散采用二階逆風(fēng)格式，擴散項采用二階中心差分格式。

表1 模擬工況信息

圖1 計算域示意

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 泄爆口對火焰結(jié)構(gòu)的影響

圖2為不同泄爆條件下火焰通過泄爆口時(泄爆口中心前后0.05 m管段)火焰鋒面與對應(yīng)的壓力流場的變化。從圖中可以看出，當(dāng)火焰通過泄爆口時，火焰前鋒會出現(xiàn)不同程度的畸變(左側(cè)虛線矩形框所示)。對于圖2(a)—2(c)中的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖(即h-1-40、h-1-60、h-1-80)，當(dāng)泄爆口距離相同時，火焰鋒面通過大孔徑泄爆口會發(fā)生更為嚴重的畸變，且火焰也需要更長時間通過該管段。在圖2(a)中，當(dāng)泄爆口孔徑為40 mm時，火焰鋒面通過泄爆口時僅發(fā)生輕微皺縮現(xiàn)象，通過所需的時間約為3 ms。而在圖2(c)中，火焰鋒面在通過尺寸為80 mm的泄爆口時出現(xiàn)較為嚴重的畸變，通過所需的時間約為6 ms。管內(nèi)火焰結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要受燃燒產(chǎn)物膨脹的影響，因此火焰發(fā)展有4個階段。然而，當(dāng)存在側(cè)向泄爆口時，管內(nèi)外壓差引起的排放效應(yīng)對火焰結(jié)構(gòu)的發(fā)展有一定的影響，火焰前緣由于排放氣流的影響而起皺，進而發(fā)生扭曲畸變。壓力流場的變化是火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的內(nèi)在驅(qū)動力，如圖2(a)—圖2(c)中的壓力流場所示，泄爆口附近(黑色矩形實線框所示)，壓力波由高到低分布，形成較大的壓差，流線垂直于壓力波，指向側(cè)面排氣口位置，這一現(xiàn)象導(dǎo)致了火焰結(jié)構(gòu)變化。此外，對于泄爆尺寸大的管道，泄爆口附近形成的壓力梯度范圍更大，使得泄爆口具有更好的排放作用，最終導(dǎo)致火焰前緣更嚴重的畸變。

(a)h-1-40

(b)h-1-60

(c)h-1-80

(d)h-3-80

(e)h-5-80

對于圖2(d)、2(e)的火焰鋒面結(jié)構(gòu)圖(即h-3-60、h-5-80)，火焰前鋒通過泄爆口時仍發(fā)生明顯的畸變現(xiàn)象，通過泄爆口的過程較h-1-80分別延長了1.5 ms、4 ms。結(jié)合對應(yīng)的壓力流場變化分析可知，當(dāng)泄爆口與點火端距離增大時，火焰鋒面畸變不再僅由泄爆口的排放作用造成，且受管道末端反射波擾動作用影響很大。在圖2(d)的壓力流場變化圖中，由于泄爆口位于管道中部，火焰鋒面在抵達泄爆口前擁有較長的發(fā)展空間，因此在通過泄爆口時氣體爆炸強度較高，泄爆口附近產(chǎn)生較大的壓差對管內(nèi)爆炸進行有效的釋放，從而影響火焰鋒面結(jié)構(gòu)的發(fā)展?？偟膩碚f，對于火焰鋒面畸變，泄爆口的排放作用仍占據(jù)主導(dǎo)地位。而在圖2(e)的壓力流場變化圖中，由于泄爆口靠近管道末端，在火焰前鋒到達側(cè)排氣口之前，管內(nèi)超壓已通過管道末端進行有效的釋放，因此泄爆口的排放作用被削弱，反射波的擾動作用成為火焰鋒面畸變的主要原因?？傮w而言，在反射波及泄爆口的協(xié)同作用下，火焰?zhèn)鞑⒌玫礁行У囊种疲鹧嫘枰L的時間通過泄爆口。

2.2 泄爆口對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

由圖3知泄爆口對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兄匾挠绊?，且在火焰發(fā)展的不同階段，泄爆口對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懢哂休^大的差異。在圖3(a)中(即h-1-40、h-1-60、h-1-80)，當(dāng)火焰前鋒位于泄爆口的前端時，泄爆口對火焰?zhèn)鞑ゾ哂屑钭饔?，且加速效果隨泄爆口尺寸的增大而增強(左側(cè)矩形實線框所示)。如在h-1-80中，當(dāng)火焰前鋒位于排氣口前端時，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_到150.2 m/s，比h-1-40提升42.5%。該規(guī)律同樣出現(xiàn)在圖3(b)、3(c)中。分析認為，當(dāng)火焰前鋒位于泄爆口前端時，泄爆口的排放效應(yīng)將對火焰鋒面產(chǎn)生牽引作用，從而增大火焰與未燃氣體的接觸面積，加速火焰的傳播。另外，較大尺寸的泄爆口具有更好的排氣效果，因此氣流的牽引作用也更強，火焰獲得的加速效果也更好。壓力流場的相應(yīng)變化為火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律變化提供了依據(jù)。本文將與火焰?zhèn)鞑シ较蛳嗤牧鲌龇Q為正流場，反之稱為反向流場，垂直方向稱為垂直流場。

當(dāng)火焰通過泄爆口時，各工況管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣冉猿霈F(xiàn)大幅度下降，這是因為此時泄爆口與火焰鋒面之間形成垂直流場能有效隔離火焰前鋒與未燃氣體的接觸，并使得部分火焰向外排出發(fā)生淬滅，從而降低燃燒反應(yīng)速率，抑制了火焰?zhèn)鞑?。另外管道末端反射波的擾動也會對火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生一定的抑制作用。兩者的協(xié)同作用使得管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)大幅下降。在通過泄爆口后的管段內(nèi)，圖3(a)與圖3(b)、3(c)中的速度變化規(guī)律并不完全相同。在3(b)、3(c)中，火焰在通過泄爆口后保持較低的傳播速度燃燒至管道末端(右側(cè)矩形虛線框所示)，即火焰?zhèn)鞑ミM入泄爆口減速區(qū)。而在圖3(a)中，在通過泄爆口后的一定長度的管段內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⑽戳⒓淳S持在低速水平，而是出現(xiàn)較大幅度的上下震蕩現(xiàn)象。

(a) 泄壓口距離點火端1 m

(b) 泄壓口距離點火端3 m

(c) 泄壓口距離點火端5 m

2.3 泄爆口對管道內(nèi)壓力的影響

圖4為當(dāng)泄爆口直徑為40、60、80 mm時，不同泄爆口位置條件下的超壓曲線(泄爆口位置分別為1 m和5 m)。對于無泄爆條件管道，管內(nèi)峰值壓力達到623.03 kPa，泄爆口的泄壓效果明顯，但不同泄爆條件下，泄爆口發(fā)揮的泄壓效果并不相同。在圖4(a)中，峰值壓力隨泄爆口直徑的增大而減小，在h-1-40中，管道內(nèi)的峰值壓力為306.6 kPa，較無泄爆管道下降了49.21%；當(dāng)泄爆口直徑增大至60 mm時，即h-1-60，管道內(nèi)的峰值壓力降至122.88 kPa，較無泄爆管道下降了80.28%；當(dāng)泄爆口直徑進一步增大至80 mm，即h-1-80，管道內(nèi)的峰值壓力降至更低，為61.23 kPa，較無泄爆管道下降了90.17%。在圖4(b)中，管內(nèi)的峰值壓力也顯示相同的變化規(guī)律。分析認為，在密閉管道中，氣體燃爆所產(chǎn)生的高壓迫使管內(nèi)氣流通過泄爆口外排，從而有效釋放爆炸，而大孔徑泄爆口具有更大的排放面積，因此產(chǎn)生更好的泄壓效果。

對比圖4(a)與4(b)可知，當(dāng)泄爆口位置發(fā)生變化時，相同尺寸泄爆口的泄壓效果亦出現(xiàn)較大的差異。當(dāng)直徑為60 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點火端1 m、3 m、5 m時，管內(nèi)超壓峰值較無泄爆管道分別下降了49.21%、83.89%、78.03%。分析認為，對于密閉管道，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿乐胁繒r，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到速度峰值，因此產(chǎn)生的爆炸強度也最高。若此時泄爆口設(shè)置于管道中部時，其附近將形成較大的壓力梯度，從而產(chǎn)生較好的泄壓效果。當(dāng)泄爆口尺寸高于40 mm時，不同位置泄爆口皆能保持較好的泄壓效果，管內(nèi)壓降達80%以上。由此可認為，對于閉口管道，泄爆口尺寸對不同位置泄爆口泄壓效果有重要影響。當(dāng)泄爆口尺寸較小時，泄爆口的泄壓效果受其位置影響很大。當(dāng)直徑為40 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點火端1 m、3 m、5 m時，管內(nèi)超壓峰值較無泄爆管道分別下降了49.21%、83.89%、78.03%。而隨著泄爆口尺寸的增大，側(cè)孔的泄壓效果幾乎不受其尺寸的影響。而當(dāng)直徑為80 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點火端1 m、3 m、5 m時，管內(nèi)超壓峰值較無泄爆管道分別下降了90.17%、94.99%、92.78%。

(a) 泄壓口距離點火端 1 m

(b) 泄壓口距離點火端 5 m

3 結(jié)論

(1)在火焰通過泄爆口的過程中，泄爆口對其前鋒結(jié)構(gòu)發(fā)展影響很大。當(dāng)泄爆口距點火端較近時，火焰鋒面僅受泄爆口排放作用影響，發(fā)生畸變。而當(dāng)泄爆口與點火端距離增大，火焰鋒面在通過泄爆口時，受末端反射波及泄爆口排放作用共同影響，仍能發(fā)生嚴重的畸變。

(2)當(dāng)火焰前鋒位于泄爆口前方時，火焰受正流場的牽引加速傳播，加速效果出現(xiàn)在泄爆口前的整個管段內(nèi)。當(dāng)火焰鋒面通過泄爆口時，受反射波及垂直流場的共同作用，各工況火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)大幅下降。

(3)泄爆口的泄壓效果與泄爆口尺寸呈正相關(guān)；當(dāng)泄爆口位于管道中部時，泄壓效果最佳。當(dāng)泄爆口尺寸較小時，泄爆口的泄壓效果受其位置影響很大。當(dāng)直徑為40 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點火端1 m、3 m、5 m時，管內(nèi)超壓峰值較無泄爆管道分別下降了49.21%、83.89%、78.03%。而隨著泄爆口尺寸的增大，側(cè)孔的泄壓效果幾乎不受其位置的影響。而當(dāng)直徑為80 mm的泄爆口分別設(shè)置于側(cè)方距點火端1 m、3 m、5 m時，管內(nèi)超壓峰值較無泄爆管道分別下降了90.17%、94.99%、92.78%。