劉開(kāi)沅，呂鵬飛，琚明華，梁濤

(北京石油化工學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 102617)

市政排污管線、煤礦井下巷道等典型約束空間內(nèi)往往積聚可燃?xì)怏w，極易發(fā)生氣體爆炸事故。如2013年11月22日山東青島中石化東黃輸油管道泄漏事故，由于泄漏原油進(jìn)入市政排水暗渠，揮發(fā)油氣在暗渠內(nèi)積聚遇火花引發(fā)爆炸，造成62人死亡、136人受傷；2016年11月29日黑龍江省七臺(tái)河市景有煤礦重大瓦斯爆炸事故，因采煤工作面瓦斯積聚，工人違章放炮引發(fā)爆炸，造成22人死亡。由于排污管線、煤礦巷道等約束空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地域差異、氣候影響、天氣變化等因素將改變其內(nèi)部環(huán)境濕度，進(jìn)而對(duì)其內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸特性及災(zāi)害傳播產(chǎn)生影響，因此開(kāi)展?jié)穸葘?duì)約束空間可燃?xì)怏w爆炸特性的影響研究尤為必要。

目前學(xué)者們圍繞濕度對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性的影響開(kāi)展了相關(guān)研究。譚汝媚等[1]采用地下室天然濕度環(huán)境，其相對(duì)濕度可隨季節(jié)更替發(fā)生變化，在5 L的圓柱形爆炸容器中進(jìn)行環(huán)境濕度(40%、88%)對(duì)環(huán)氧丙烷蒸氣爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著濕度的增加，最大爆炸壓力和最大壓力上升速率在7%的環(huán)氧丙烷附近下降明顯；Zhang等[2]研究了濕度對(duì)環(huán)氧丙烷/空氣混合物最小點(diǎn)火能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)氧丙烷體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，濕度對(duì)最小點(diǎn)火能影響顯著，而在較低的體積分?jǐn)?shù)下，濕度對(duì)最小點(diǎn)火能的影響不明顯；楊龍龍等[3]實(shí)驗(yàn)研究了不同相對(duì)濕度條件下甲烷-空氣混合物的爆炸特征，自主設(shè)計(jì)飽和濕空氣發(fā)生及儲(chǔ)存裝置來(lái)改變混合氣體濕度(27.7%～80.1%)，發(fā)現(xiàn)隨著相對(duì)濕度增加，爆炸下限上升而最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率、層流燃燒速度均逐漸下降；朱丕凱[4]、劉丹等[5]利用濕度發(fā)生器控制環(huán)境濕度，基于實(shí)驗(yàn)分別研究了環(huán)境濕度20%～80%、15%～92%對(duì)甲烷爆炸極限的影響，結(jié)果表明，隨著環(huán)境濕度增加，甲烷爆炸極限濃度范圍變窄，具體表現(xiàn)為爆炸下限上升、上限下降；Boushaki等[6]、Mazas等[7]研究了水蒸氣對(duì)甲烷火焰層流燃燒速度的影響，結(jié)果表明，加入水蒸氣后火焰燃燒速度和溫度明顯降低；單天翔等[8]通過(guò)模擬研究了水蒸氣對(duì)甲烷燃燒微觀反應(yīng)進(jìn)程的影響；羅振敏[9]借助自主設(shè)計(jì)的瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)裝置研究了活化水蒸氣的抑爆作用，將由活化水蒸氣發(fā)生系統(tǒng)處理生成的活化水分別取不同量(0、2、4、8 mL)通入實(shí)驗(yàn)管道中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，活化水蒸氣能顯著延長(zhǎng)火焰?zhèn)鞑r(shí)間，同時(shí)降低火焰平均傳播速率。此外，相關(guān)學(xué)者研究了水霧對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性的影響。裴蓓等[10]實(shí)驗(yàn)研究了CO2-超細(xì)水霧對(duì)9.5%瓦斯/煤塵復(fù)合體系的抑制特性，利用超聲霧化裝置產(chǎn)生不同質(zhì)量濃度的超細(xì)水霧(115.7、231.4、347.2、694.4、1 041.7 g/m3)，發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧質(zhì)量濃度增加造成爆炸火焰最大傳播速度和超壓峰值降低，火焰到達(dá)泄爆口的時(shí)間延遲；楊克等[11-13]進(jìn)行了含不同添加劑的超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸、酒精火的實(shí)驗(yàn)；劉暄亞等[14]對(duì)不同水霧條件下的氣體爆炸、火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；畢明樹(shù)等[15]在密閉管道內(nèi)進(jìn)行了細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著噴霧量的增加，最大爆炸壓力及最大壓力上升速率下降，并延長(zhǎng)了到達(dá)最大爆炸壓力的時(shí)間；曹興巖等[16]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了超細(xì)水霧增強(qiáng)與抑制甲烷爆炸的作用機(jī)理；余明高等[17]在小尺寸的細(xì)水霧發(fā)生裝置中進(jìn)行了荷電細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)；張培紅等[18]搭建了受限空間實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用?xì)水霧噴頭向模型內(nèi)部噴灑水霧來(lái)調(diào)整濕度，并用空氣質(zhì)量檢測(cè)儀測(cè)試濕度值，研究了池火在不同濕度(30%～90%)下的發(fā)展規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到90%左右時(shí)，火焰對(duì)環(huán)境的熱輻射和溫度均明顯下降。

盡管研究者針對(duì)環(huán)境濕度對(duì)約束空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃特性的影響開(kāi)展了相關(guān)研究，但僅有少數(shù)研究明確了環(huán)境濕度數(shù)值，大多借助水蒸氣或噴霧手段產(chǎn)生的液珠進(jìn)行研究，其存在形式及作用方式與真實(shí)的潮濕環(huán)境具有顯著差異，而且缺乏環(huán)境濕度精確可控的氣體爆炸實(shí)驗(yàn)設(shè)備。鑒于此，筆者借助數(shù)值模擬手段，初步建立20 L球形爆炸容器模型，選定不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷-空氣混合物，研究其內(nèi)環(huán)境濕度變化對(duì)甲烷爆燃?jí)毫Α⒒鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，為后續(xù)開(kāi)展其他種類(lèi)可燃?xì)怏w和滿足工程實(shí)際的大尺寸模擬研究奠定基礎(chǔ)，并為特殊環(huán)境條件下可燃?xì)怏w爆炸參數(shù)的預(yù)測(cè)、評(píng)估及開(kāi)展有效事故防治提供借鑒。

1 數(shù)值分析模型

借助三維流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件Fluidyn-MP進(jìn)行環(huán)境濕度對(duì)甲烷爆燃特性的影響的模擬，所建模型為20 L球形爆炸容器，結(jié)果如圖1所示，其中球體半徑R為0.168 m，將球心設(shè)置為點(diǎn)火源，距球心0～0.16 m處每隔0.02 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于記錄爆燃特性參數(shù)。模擬過(guò)程中將球體設(shè)置為等溫壁面，初始?jí)毫?.101 MPa，初始溫度為300 K，將球體內(nèi)充滿不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷-空氣混合物，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為6.5%、7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%，每種體積分?jǐn)?shù)條件下通過(guò)調(diào)節(jié)水蒸氣含量分別設(shè)置初始相對(duì)濕度為10%、30%、50%、70%、90%。

圖1 分析模型Fig.1 Analysis model

軟件模擬中假設(shè)可燃?xì)怏w爆炸為單步不可逆化學(xué)反應(yīng)，采用有限體積法對(duì)包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進(jìn)行求解，以解決氣體爆炸過(guò)程中的氣體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并通過(guò)k-ε模型模擬氣體爆炸中的湍流行為，具體方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

-?·q+[?p/?t+U·?p] +τ:?U+ST

(3)

式中：ρ為密度；U為速度矢量；SP為連續(xù)性方程的源項(xiàng)；τ為黏性應(yīng)力張量；p為壓力；SU為動(dòng)量方程的源項(xiàng)；CP為恒定壓力下的比熱；T為溫度；q為熱通量矢量；ST為溫度方程的源項(xiàng)。

模擬采用k-ε湍流模型，湍流動(dòng)能k、湍流動(dòng)能耗散率ε滿足：

(4)

(5)

采用改進(jìn)的BML燃燒模型，反應(yīng)速率ω滿足：

(6)

各組分的守恒方程為：

(7)

式中：ym為組分m的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Dm為組分m的有效擴(kuò)散系數(shù)；Sm為組分m守恒方程源項(xiàng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值方法的有效性，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究成果[5]，首先建立與實(shí)驗(yàn)條件相近的20 L球形爆炸容器模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，保持環(huán)境濕度分別為15%、63%、92%，并將爆燃?jí)毫Ψ逯的M結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境濕度條件下的甲烷爆燃?jí)毫Ψ逯祵?duì)比Fig.2 Comparison of the peak value of methane deflagration pressure under different ambient humidity conditions

由圖2可知，不同環(huán)境濕度條件下甲烷爆燃?jí)毫Ψ逯的M值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，爆燃?jí)毫Ψ逯稻尸F(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，并在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)達(dá)到最大值。與實(shí)驗(yàn)值相比，當(dāng)環(huán)境濕度為15%時(shí)，爆燃?jí)毫Ψ寰到^對(duì)誤差為0.061 MPa，相對(duì)誤差為8.6%；當(dāng)環(huán)境濕度為63%時(shí)，爆燃?jí)毫Ψ寰到^對(duì)誤差為0.087 MPa，相對(duì)誤差為12.8%；當(dāng)環(huán)境濕度為92%時(shí)，爆燃?jí)毫Ψ逯稻^對(duì)誤差為0.097 MPa，相對(duì)誤差為14.6%。整體來(lái)看，3種環(huán)境濕度下爆燃?jí)毫Ψ寰的M值和實(shí)驗(yàn)值絕對(duì)誤差均值為0.082 MPa，相對(duì)誤差均值為12%，模擬值整體比實(shí)驗(yàn)值偏大，其原因與數(shù)值模擬的理想化條件、實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)部粗糙度、壁面散熱、濕度計(jì)量設(shè)備的精確度、壓力傳感器的精度和靈敏度等因素有關(guān)。通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，該數(shù)值模擬結(jié)果能夠反映實(shí)際甲烷爆燃?jí)毫ψ兓厔?shì)，模擬數(shù)據(jù)對(duì)真實(shí)條件下的爆燃特性具有一定的參考價(jià)值，采用的數(shù)值方法較為可行。

2.2 爆燃?jí)毫τ绊懛治?/h3>

以體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷為例，模擬過(guò)程中改變爆炸容器內(nèi)的環(huán)境濕度，設(shè)置初始濕度范圍為10%～90%，以20%為間距，考察不同環(huán)境濕度條件下距點(diǎn)火源0.16 m處的爆燃?jí)毫?，得到壓力時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 不同環(huán)境濕度條件下的壓力時(shí)程曲線Fig.3 Pressure vs. time curve under different ambient humidity conditions

由圖3可知，在不同環(huán)境濕度條件下，甲烷-空氣混合物壓力曲線變化趨勢(shì)一致，隨著時(shí)間的增加，爆燃?jí)毫χ饾u增大，在0.2 s左右達(dá)到峰值后逐漸衰減。這主要是由于甲烷被點(diǎn)燃后加速燃燒膨脹，釋放出巨大能量使爆燃?jí)毫ρ杆偕仙⑦_(dá)到峰值，由于建立的20 L球形爆炸容器模型為等溫壁面，罐體與外界進(jìn)行熱交換造成能量的損失，因此爆燃?jí)毫_(dá)到峰值后逐漸下降。此外，隨著環(huán)境濕度的增加，到達(dá)最大爆燃?jí)毫Φ臅r(shí)間逐漸增大。當(dāng)環(huán)境濕度由10%增加到90%時(shí)，到達(dá)最大爆燃?jí)毫r(shí)間由0.197 s增大到0.202 s。

為系統(tǒng)對(duì)比分析，選取不同環(huán)境濕度和甲烷體積分?jǐn)?shù)條件下的最大爆燃?jí)毫榭疾鞂?duì)象，根據(jù)模擬結(jié)果，得到距點(diǎn)火源0.16 m處最大爆燃?jí)毫ψ兓闆r如圖4所示。

圖4 不同環(huán)境濕度條件下最大爆燃?jí)毫ψ兓疐ig.4 The change of maximum deflagration pressure under different ambient humidity conditions

由圖4可知，在同一環(huán)境濕度條件下，甲烷最大爆燃?jí)毫η€具有明顯的分段性，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，整體呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，并在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)達(dá)到最大值。分析認(rèn)為，在同一濕度下，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)小于9.5%時(shí)為貧燃反應(yīng)，此時(shí)氧氣充足而甲烷不足，化學(xué)反應(yīng)不完全，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的升高，參與反應(yīng)的甲烷量增多，爆炸反應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，能量釋放增多，爆燃?jí)毫Τ掷m(xù)升高；當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)接近當(dāng)量濃度，甲烷與氧氣較充分反應(yīng)，達(dá)到最大爆炸強(qiáng)度，爆燃?jí)毫η€出現(xiàn)最大值；當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)大于9.5%時(shí)為富燃反應(yīng)，此時(shí)甲烷充足而氧氣不足，化學(xué)反應(yīng)不完全，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，參與反應(yīng)的氧氣量減少，爆炸強(qiáng)度逐漸降低，能量釋放減弱，爆燃?jí)毫Τ霈F(xiàn)下降。

此外，對(duì)于同一甲烷體積分?jǐn)?shù)，最大爆燃?jí)毫﹄S著環(huán)境濕度的增加呈現(xiàn)遞減的變化趨勢(shì)。以體積分?jǐn)?shù)9.5%的甲烷為例，當(dāng)環(huán)境濕度從10%增加到90%時(shí)，最大爆燃?jí)毫τ?.842 MPa下降到0.818 MPa。這是由于隨著環(huán)境濕度的增加，爆炸容器內(nèi)水蒸氣含量不斷上升，使得混合氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)下降，降低了甲烷與氧氣結(jié)合的機(jī)率，減緩了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；同時(shí)由于水蒸氣比熱容較大，可通過(guò)吸收爆炸反應(yīng)區(qū)放出的熱量降低反應(yīng)區(qū)溫度，隨著環(huán)境濕度的增加，爆炸反應(yīng)區(qū)溫度降低，甲烷爆炸強(qiáng)度削弱；此外，爆炸容器內(nèi)水蒸氣能包裹燃燒火焰隔絕未參與反應(yīng)的氣體，進(jìn)一步減弱了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，造成最大爆燃?jí)毫档汀？梢?jiàn)水蒸氣對(duì)甲烷氣體爆炸具有抑制作用，可為水蒸氣在實(shí)際巷道瓦斯爆炸災(zāi)害治理、天然氣管道安全輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。

2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懛治?/h3>

以體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷為例，在距爆炸容器點(diǎn)火源0.16 m范圍內(nèi)，以0.02 m為間距共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，考察不同環(huán)境濕度條件下火焰?zhèn)鞑サ礁鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同環(huán)境濕度條件下火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)時(shí)間變化曲線Fig.5 Variation curve of the arrival time of flame propagation under different ambient humidity conditions

由圖5可知，在同一環(huán)境濕度條件下，隨著與點(diǎn)火源距離的增加，火焰到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間逐漸增大。同一測(cè)點(diǎn)下，火焰到達(dá)時(shí)間隨著濕度的增加呈遞增趨勢(shì)。以0.16 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，當(dāng)環(huán)境濕度從10%增加到90%時(shí)，火焰到達(dá)時(shí)間由0.069 s增大到0.072 s。這是由于當(dāng)環(huán)境濕度增大時(shí)，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增加對(duì)甲烷-空氣混合物爆燃起到一定的惰化作用，造成火焰陣面燃燒反應(yīng)速度降低，放熱量減少，反應(yīng)區(qū)溫度和爆炸強(qiáng)度隨之降低，同時(shí)對(duì)燃燒火焰的包裹作用得到加強(qiáng)，阻止了火焰的蔓延，使得火焰到達(dá)時(shí)間延長(zhǎng)。

不同環(huán)境濕度條件下距點(diǎn)火源0.16 m處火焰平均傳播速度如圖6所示。

圖6 不同環(huán)境濕度條件下火焰平均傳播速度變化曲線Fig.6 Variation curve of average flame propagation velocity under different ambient humidity conditions

由圖6可知，在同一環(huán)境濕度條件下，火焰平均傳播速度隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)達(dá)到峰值。這是由于在同一濕度下，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)小于9.5%時(shí)，由于過(guò)量的空氣消耗一部分反應(yīng)熱，起到冷卻作用，反應(yīng)區(qū)溫度較低，降低了化學(xué)反應(yīng)速度。隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，參與反應(yīng)的氧氣量增加，減弱了過(guò)量空氣的冷卻作用，加劇了化學(xué)反應(yīng)，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大；當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，甲烷與氧氣較充分反應(yīng)，爆炸反應(yīng)最為劇烈，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)最大值；當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)大于9.5%時(shí)，化學(xué)反應(yīng)不完全，此時(shí)隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，化學(xué)反應(yīng)劇烈程度減弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_(kāi)始下降。

此外，在同一甲烷體積分?jǐn)?shù)條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著環(huán)境濕度的增加呈現(xiàn)遞減的變化趨勢(shì)。以體積分?jǐn)?shù)9.5%的甲烷為例，當(dāng)環(huán)境濕度從10%增加到90%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?.32 m/s降低到2.22 m/s，降幅為4.3%，與細(xì)水霧對(duì)典型受限空間內(nèi)9.5%體積分?jǐn)?shù)的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔孟啾萚11，17，19]，降幅整體偏低，這是由于水蒸氣和細(xì)水霧對(duì)爆炸火焰的抑制機(jī)理存在本質(zhì)區(qū)別。在不同環(huán)境濕度條件下，甲烷-空氣混合物和水蒸氣共處于氣相環(huán)境，水蒸氣對(duì)甲烷爆炸的惰化效應(yīng)以及對(duì)火焰的包裹作用造成火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟町?，而在?xì)水霧作用下，屬于典型的氣液共存體系，涉及到液滴的破碎吸能、液滴汽化吸能以及惰性組分抑制反應(yīng)進(jìn)行等過(guò)程[5]，對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔酶鼮轱@著。在后續(xù)研究中可開(kāi)展符合工程實(shí)際的大尺度可燃?xì)怏w爆炸模擬，進(jìn)一步探討環(huán)境濕度對(duì)爆炸火焰的抑制作用。

3 結(jié)論

(1)相同環(huán)境濕度條件下，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，最大爆燃?jí)毫突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣染尸F(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，而環(huán)境濕度的差異影響甲烷-空氣混合物爆燃過(guò)程，整體表現(xiàn)為環(huán)境濕度越大，對(duì)爆燃抑制作用越顯著。

(2)環(huán)境濕度影響甲烷-空氣混合物爆炸強(qiáng)度，具體表現(xiàn)為隨著環(huán)境濕度的增加，化學(xué)反應(yīng)劇烈程度減緩，造成爆燃?jí)毫Ψ逯迪陆?，而且到達(dá)最大爆燃?jí)毫Φ臅r(shí)間增大，爆炸強(qiáng)度減弱。

(3)隨著環(huán)境濕度的增加，水蒸氣對(duì)甲烷-空氣混合物爆燃的惰化效應(yīng)以及對(duì)火焰的包裹作用增強(qiáng)，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，在一定程度上阻止了火焰蔓延。在生產(chǎn)實(shí)際中可將水蒸氣應(yīng)用于煤礦巷道防爆抑爆、天然氣管道輸送保護(hù)等領(lǐng)域，為氣體爆炸事故的預(yù)防與控制提供借鑒。