崔英潔，周卓群，李良順

（1. 北京航天萬(wàn)源建筑工程有限責(zé)任公司，北京 100076；2.北京建筑大學(xué)，土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；3.北京交通大學(xué)，土木建筑工程學(xué)院，北京 100000）

引言

綜合管廊可以有效地利用地下空間，對(duì)于綜合管廊類(lèi)的建筑結(jié)構(gòu)，運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生燃?xì)庑孤坏﹥?nèi)部發(fā)生燃燒爆炸，會(huì)造成很大的損失。進(jìn)行密閉空間內(nèi)燃?xì)馊紵ǖ难芯繉?duì)于提高管廊安全性有著重要意義[1]。近年來(lái)密閉空間內(nèi)燃?xì)怏w爆炸的研究不斷增加，且受到廣泛關(guān)注。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，流體力學(xué)軟件在工程模擬分析中得到了廣泛的應(yīng)用，流體力學(xué)軟件在氣體爆炸領(lǐng)域的模擬可以取得很好的效果。并且數(shù)值模擬具有低成本、計(jì)算周期短、計(jì)算結(jié)果更全面等諸多優(yōu)勢(shì)[2-3]。

本研究研究了燃?xì)庠诘叵戮C合管廊等大尺度封閉空間內(nèi)燃燒和爆炸的尺度效應(yīng)。借助FLUENT 軟件對(duì)綜合管廊等大尺寸空間燃燒爆炸的尺寸效應(yīng)與小尺寸空間的規(guī)律是否一致，并對(duì)不同空間尺寸下燃燒和爆炸相關(guān)參數(shù)相互間的關(guān)系進(jìn)行了分析。研究了空間尺寸變化對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律，建立后續(xù)大尺寸試驗(yàn)相關(guān)的理論支撐和技術(shù)支持。

1 數(shù)值分析的基本假設(shè)

1.1 模型建立

該模型用于探討空間尺寸對(duì)火焰擦混播規(guī)律產(chǎn)生的影響規(guī)律，基本模型的空間長(zhǎng)度設(shè)置為1 m，內(nèi)徑設(shè)置為0.1 m。在模型的長(zhǎng)徑比為10:1 保持恒定的基礎(chǔ)上，同比例對(duì)空間尺寸分別放大3 倍、5 倍、10倍、15 倍、20 倍，擴(kuò)大后的空間長(zhǎng)度分別為3 m、5 m、10 m、15 m、20 m，內(nèi)徑分別為0.3 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m，具體模型尺寸見(jiàn)表1。設(shè)定甲烷濃度為9.5%條件下采用數(shù)值模型的方法分別對(duì)上述6 個(gè)不同尺寸模型進(jìn)行分析，研究不同尺寸下內(nèi)部燃燒的速度、壓力及溫度等參數(shù)變化規(guī)律。

1.2 網(wǎng)格劃分

本研究使用ANSYS ICEM 對(duì)幾何模型網(wǎng)格進(jìn)行生成，這里僅對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行劃分，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)對(duì)計(jì)算區(qū)域劃分結(jié)果見(jiàn)圖1。為保證分析網(wǎng)格的獨(dú)立性，調(diào)整網(wǎng)格大小范圍為4 mm～10 mm。最終分析結(jié)果顯示網(wǎng)格調(diào)整對(duì)計(jì)算時(shí)間影響較大，但最終模擬結(jié)果變化不大，為降低計(jì)算成本，將燃燒區(qū)域的網(wǎng)格加密，設(shè)置網(wǎng)格大小為4 mm。

圖1 網(wǎng)格的劃分

1.3 初始條件

對(duì)6 種工況中對(duì)應(yīng)的預(yù)混可燃?xì)怏w模型初始條件進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，最終設(shè)置的初始條件見(jiàn)表2。初始時(shí)刻，T=300 K，P=1.01×105 Pa，u=0，v=0。根據(jù)熱點(diǎn)火理論，于模型最左側(cè)設(shè)置半圓形點(diǎn)火區(qū)，對(duì)應(yīng)溫度為2 000 K、半徑為5 mm，模型于點(diǎn)火源處設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由點(diǎn)火區(qū)加熱附近的預(yù)混天然氣，使其附近的可燃?xì)怏w能夠達(dá)到燃燒溫度從而被點(diǎn)燃，隨后通過(guò)燃燒火焰的傳播帶動(dòng)整個(gè)空間內(nèi)的可燃?xì)怏w燃燒。該模型中的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在點(diǎn)火源附近位置。

表2 初始條件設(shè)置

甲烷- 空氣預(yù)混合氣體在二維封閉空間內(nèi)燃燒和爆炸的基本假設(shè)如下：

（1） 天然氣在不同工況下的可以均勻混合。

（2） 氣體爆炸過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)方程式為：CH+2 （O+ 3.76N）→CO+2HO+7.52N，爆炸過(guò)程為單步不可逆反應(yīng)。

（3） 在爆炸燃燒過(guò)程中，火焰?zhèn)鞑ポ^快，因而壁面熱損失低，將此過(guò)程歸結(jié)于絕熱過(guò)程。

2 爆燃過(guò)程的尺度效應(yīng)分析

在燃燒爆炸過(guò)程中的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁艿郊淄轶w積分?jǐn)?shù)影響，理想狀態(tài)下火焰?zhèn)鞑ニ俣葹榧淄轶w積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在9.5%時(shí)，此時(shí)熱量產(chǎn)生最多且爆炸最劇烈[4-5]。因此為研究火焰爆炸壓力、燃燒速率、燃燒溫度受尺寸效應(yīng)的影響規(guī)律，本研究將模型中6 種尺寸不同的密閉空間內(nèi)甲烷- 空氣預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)均設(shè)置為9.5%。

2.1 爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

對(duì)甲烷在6 種不同尺寸密閉空間下發(fā)生爆炸后的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行分析，繪制時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，對(duì)比火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤芍?/p>

圖2 火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)程曲線(xiàn)

（1） 大尺度空間中氣體爆燃波的發(fā)展相對(duì)較慢。6 種不同空間尺寸下火焰的傳播速度曲線(xiàn)具有基本相同的趨勢(shì)，即具有上升段與下降段。然而火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值所需的時(shí)間呈現(xiàn)隨空間尺寸增大而逐漸延后的特點(diǎn)。其主要原因?yàn)榭臻g尺度的不同導(dǎo)致了邊界對(duì)火焰燃燒的推動(dòng)作用也產(chǎn)生了差異，隨著尺寸不斷增大，火焰壓力波以及壁面邊界對(duì)火焰產(chǎn)生的推動(dòng)作用隨之減小，從而使得火焰?zhèn)鞑r(shí)的湍流加速效果下降。

氣體爆燃波在大尺度空間中的發(fā)展相對(duì)緩慢。不同空間尺寸下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€(xiàn)趨勢(shì)均具備上升段與下降段，趨勢(shì)一致。但隨著空間尺寸的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€(xiàn)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間發(fā)生右移，即峰值出現(xiàn)點(diǎn)發(fā)生延遲，這是由于不同空間尺度其邊界對(duì)火焰燃燒具備不同的促進(jìn)程度。隨著時(shí)間推移尺寸增大，火焰壓力波以及壁面能夠產(chǎn)生的對(duì)火焰的推動(dòng)作用不斷減小，使得火焰蔓延，最終湍流加速效應(yīng)也降低。

（2） 火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯惦S著空間尺寸增大而降低，隨著空間尺寸增大傳播速度峰值由14.07 m/s 降低至8.78 m/s。空間尺寸為20 m，內(nèi)徑為2 m 對(duì)應(yīng)的傳播速度峰值最低。這是由于空間尺寸增大導(dǎo)致密閉空間內(nèi)熱輻射作用降低，氣體燃燒所能夠釋放出的熱量不斷降低，后續(xù)的能量供給不足，最終導(dǎo)致了火焰的傳播速度減小。

2.2 爆炸壓力

圖3 為6 種不同空間尺寸下壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖3 可知：

圖3 爆炸壓力時(shí)程曲線(xiàn)

（1） 不同尺寸空間對(duì)應(yīng)的壓力曲線(xiàn)隨著燃燒的進(jìn)行均表現(xiàn)出相似的發(fā)展趨勢(shì)，即短時(shí)間內(nèi)壓力上升至最大值，隨后趨于穩(wěn)定。設(shè)想燃燒過(guò)程為絕熱過(guò)程，模型將壁面的邊界條件對(duì)應(yīng)設(shè)置為絕熱，在整個(gè)燃燒過(guò)程中無(wú)法將產(chǎn)生的熱量耗散，進(jìn)而溫度升高，由于無(wú)法與外界進(jìn)行熱量交換，壓力將趨于穩(wěn)定。

（2） 工況為空間長(zhǎng)度3 m，內(nèi)徑0.3 m 的模型可得702.6 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長(zhǎng)度5 m，內(nèi)徑0.5 m 的模型可得744.3 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長(zhǎng)度10 m，內(nèi)徑1 m 的模型可得714.5 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長(zhǎng)度15 m，內(nèi)徑1.5 m 的模型可得720.9 kPa 的最大爆炸壓力；工況為空間長(zhǎng)度20 m，內(nèi)徑2 m 的模型可得735.5 kPa 的最大爆炸壓力，對(duì)比不同空間尺寸下的爆炸壓力可知，不同工況下所對(duì)應(yīng)的最大爆炸壓力無(wú)較大波動(dòng)，因此空間尺寸的改變對(duì)密閉空間中發(fā)生燃燒爆炸所產(chǎn)生的最大爆炸壓力沒(méi)有明顯影響。

2.3 爆炸溫度

繪制不同工況下的爆炸溫度時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 爆炸溫度時(shí)程曲線(xiàn)

（1） 不同空間尺寸對(duì)應(yīng)的工況下爆炸溫度變化趨勢(shì)大致均為先增大后趨于穩(wěn)定。其過(guò)程可以細(xì)分為三個(gè)階段：點(diǎn)火階段、火焰?zhèn)鞑ルA段和穩(wěn)定階段。對(duì)于點(diǎn)火階段，氣體剛點(diǎn)燃，火焰所燃燒的范圍很小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)尚不能對(duì)火焰檢測(cè)，此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處火焰爆炸壓力對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)值為0，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處此時(shí)溫度為300 K，即預(yù)設(shè)值對(duì)應(yīng)的初始溫度；隨后燃燒進(jìn)入火焰?zhèn)鞑ルA段，此階段隨著火焰?zhèn)鞑ィ粩嘤袣怏w被點(diǎn)燃，開(kāi)始發(fā)展為劇烈燃燒，此時(shí)火焰也被監(jiān)測(cè)點(diǎn)捕獲，監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度驟升至2 000 K 以上，該溫度開(kāi)始急速上升的期間，此階段氣體發(fā)生爆燃，由于甲烷在發(fā)生高溫氧化反應(yīng)時(shí)持續(xù)時(shí)間短且迅速，因此計(jì)算結(jié)果上升段迅速且短暫，由于設(shè)置邊界條件為絕熱，管道不能發(fā)生對(duì)外的能量交換，在該階段爆炸溫度到達(dá)峰值后將會(huì)穩(wěn)定在最大值處。

（2） 甲烷在不同空間尺寸下燃燒爆炸全過(guò)程溫度變化曲線(xiàn)趨勢(shì)相同，但迅速升溫以及區(qū)域穩(wěn)定對(duì)應(yīng)的時(shí)間不同。整體趨勢(shì)表現(xiàn)為快速升溫以及區(qū)域穩(wěn)定對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)均會(huì)隨著空間尺寸的增大而逐漸延后。

（3） 由于對(duì)6 種工況下點(diǎn)火區(qū)對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)置，燃燒爆炸在不同空間尺寸下最終能達(dá)到的溫度峰值基本相同。密閉空間內(nèi)氣體燃燒產(chǎn)生熱能的能力不因空間尺寸改變而發(fā)生變化，最終表現(xiàn)為燃燒所能達(dá)到平穩(wěn)階段所對(duì)應(yīng)的峰值溫度基本相同。

3 結(jié)論

本研究利用Fluent 軟件對(duì)6 種不同密閉空間尺寸下甲烷的燃燒爆炸進(jìn)行了模擬，探究了爆炸初期對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，分析模擬結(jié)果得到尺寸效應(yīng)對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸壓力以及爆炸溫度的影響?guī)律如下：

（1） 大空間尺寸下氣體爆炸燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣缺刃〕叽缈臻g中對(duì)應(yīng)傳播速度慢，當(dāng)在壓力水平較低的爆炸初始階段時(shí)，氣體爆燃波發(fā)展在大尺寸空間中相較于小尺度空間對(duì)應(yīng)爆燃波發(fā)展會(huì)更慢。

（2） 對(duì)不同空間尺寸下對(duì)應(yīng)爆炸壓力的變化規(guī)律進(jìn)行分析可知，當(dāng)空間尺寸的長(zhǎng)徑比保持10:1 不變時(shí)，僅將空間尺寸擴(kuò)大至基本模型的3 倍、5 倍、10倍、15 倍和20 倍時(shí)，爆炸壓力對(duì)應(yīng)的上升速率減小，不同空間尺寸下最大爆炸壓力基本恒定，爆炸壓力峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間逐漸后延。

（3） 對(duì)不同空間尺寸下爆炸溫度變化曲線(xiàn)進(jìn)行分析可知，當(dāng)空間尺寸擴(kuò)大至基本模型的3 倍、5 倍、10 倍、15 倍和20 倍時(shí)，爆炸溫度的上升速率不斷減小，峰值溫度的后延出現(xiàn)，最終可以達(dá)到的溫度峰值基本相同。