李延鈺， 郝永梅， 邢志祥， 蔣軍成， 薛 寒， 莊孫歧

（1.常州大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州港華燃?xì)庥邢薰?，江蘇 常州 213003）

0 引言

氫能被認(rèn)為是21 世紀(jì)最具有潛力的能源之一，作為一種優(yōu)質(zhì)的能源載體已被廣泛應(yīng)用在石油、化工、電子、冶金及航空等多個(gè)領(lǐng)域［1］。氫氣的運(yùn)輸也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是管道運(yùn)輸已經(jīng)成為具有發(fā)展?jié)摿Φ牡统杀具\(yùn)氫方式［2］。但氫氣管道爆炸事故時(shí)有發(fā)生，引起國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)和研究人員的廣泛關(guān)注，并積極開(kāi)展預(yù)防和抑制氫氣管道爆炸事故的相關(guān)研究。

濕度對(duì)預(yù)混氣體爆炸特性的影響已有一些研究。劉開(kāi)沅等［3］采用Fluidyn 流體動(dòng)力學(xué)軟件建立模型，對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆燃特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明環(huán)境濕度越大，對(duì)火焰的抑制越明顯。譚汝媚等［4］在密封容器中進(jìn)行了40%和88%的環(huán)境濕度對(duì)環(huán)氧丙烷蒸氣爆炸的參數(shù)影響，發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧丙烷最佳蒸氣濃度附近時(shí)，濕度對(duì)最大壓力上升速率影響最大的結(jié)論。楊龍龍等［5］利用自行設(shè)計(jì)的裝置，研究了不同濕度條件下低濃度甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸特性，隨著相對(duì)濕度的增大，最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率均呈下降趨勢(shì)且存在一定的線性關(guān)系。Ingram 等［6］用自行搭建的裝置研究了細(xì)水霧是否可以抑制或緩解氫爆炸的實(shí)際可行性，結(jié)果表明在平均直徑為5 mm 的細(xì)水霧可以在很大的當(dāng)量比范圍內(nèi)降低氫的燃燒速度［7］。Cao等［8］在密封可視容器中研究了純超細(xì)水霧和5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿金屬溶液對(duì)甲烷爆炸的抑制作用，得出在兩者共同作用下可以很好地抑制火焰?zhèn)鞑ゼ氨◤?qiáng)度。Battersby等［9］利用細(xì)水霧緩解裝置來(lái)研究水霧的添加對(duì)泄放爆燃的影響，表明在相對(duì)較高的當(dāng)量比下，細(xì)水霧會(huì)對(duì)超壓產(chǎn)生顯著控制。Stathopoulos等［10］使用燃燒裝置研究高壓下天然氣和氫混合物預(yù)混合火焰的排放，得出高壓下水蒸氣的增加會(huì)對(duì)CO的排放產(chǎn)生有利的影響。

以上研究介質(zhì)多為甲烷-空氣預(yù)混氣體并以環(huán)境濕度或細(xì)水霧作為濕度變量對(duì)預(yù)混氣體爆燃特性的抑制效果展開(kāi)研究，但對(duì)于混合物當(dāng)量比和濕度的協(xié)同作用的研究尚不完善，尤其是在濕度和預(yù)混氣體當(dāng)量比共同作用下對(duì)氫氣-空氣預(yù)混氣體管道爆炸參數(shù)影響的研究更少。因此，本文以管道內(nèi)氫氣-空氣預(yù)混氣體為研究對(duì)象，利用數(shù)值計(jì)算的方法，通過(guò)改變氫氣管道內(nèi)的濕度摩爾體積分?jǐn)?shù)和混合物當(dāng)量比，研究其對(duì)氫氣-空氣預(yù)混氣體的爆炸參數(shù)的影響，得出濕度對(duì)氫氣-空氣預(yù)混氣體爆炸的抑制效果，為氫氣管道輸送火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防提供理論依據(jù)。

1 仿真模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于可燃?xì)怏w的擴(kuò)散一般采取質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大定律［11］，而FLACS 在解決湍流問(wèn)題時(shí)，將遵守湍流動(dòng)能方程、湍流動(dòng)能耗散率方程來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型的修正［12］，然后在氣體爆炸過(guò)程中采用有限體積法求解可燃?xì)怏w燃燒方程和燃燒質(zhì)量輸送方程，其動(dòng)態(tài)特性可以用統(tǒng)一的形式描述為［13］：

式中：ρ為流體密度的時(shí)均值，kg/m3；φ為通用變量的時(shí)均值；u為速度的時(shí)均值，m/s；Γ為φ的湍流輸送系數(shù)；Sφ為針對(duì)不同φ項(xiàng)的源項(xiàng)；ux為x方向的速度矢量投影，m/s；xj為在流物中第j坐標(biāo)軸方向；Γfu為燃料輸運(yùn)特性的湍流耗散系數(shù)；mfu、Rfu為氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積燃燒速度，m3/s。

本文中濕度稀釋率（D）的計(jì)算式［14］為：

式中，D為未燃燒混合物中水的摩爾體積分?jǐn)?shù)；VAir、VH2、VH2O分別為空氣、氫氣和水蒸氣的摩爾體積分?jǐn)?shù)。這里D的稀釋范圍選擇10% ～40%，這個(gè)范圍涵蓋了實(shí)際應(yīng)用中加濕燃燒的稀釋率［14］。

1.2 數(shù)值模型

為探究和驗(yàn)證濕度對(duì)氫氣-空氣混合物的抑制效果和爆炸參數(shù)變化特征。運(yùn)用FLACS v9. 0 模擬軟件，以原點(diǎn)為圓心，建立了一個(gè)長(zhǎng)2 m，直徑為0.1 m的左開(kāi)右閉半開(kāi)口型管道，管道壁厚設(shè)置為20 mm。設(shè)置的網(wǎng)格尺寸為5 mm，x、y、z軸3 個(gè)方向的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)約813120 個(gè)，最終網(wǎng)格模型如圖1 所示。點(diǎn)火源設(shè)置在管道右側(cè)封閉處，設(shè)置的4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻分布在管道內(nèi)部，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#、4#距離點(diǎn)火源分別為1.3、0.9、0.5、0.1 m，具體位置如圖2 所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分示意圖

圖2 計(jì)算域示意圖

初始溫度設(shè)置為20 ℃。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為0.2 s，可以完全監(jiān)測(cè)到從爆炸開(kāi)始到結(jié)束的全過(guò)程。管道氣體介質(zhì)為99%的氫氣。

本次實(shí)驗(yàn)一共模擬了20 組工況：通過(guò)摻入D分別為10%、20%、30%和40%，改變?chǔ)辗謩e為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 時(shí)，觀察其對(duì)氫氣管道爆炸特性的影響。

1.3 模型驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)［15］中實(shí)驗(yàn)，其燃燒管道為方形直管，管長(zhǎng)為500 mm，管道截面為100 mm ×10 mm，點(diǎn)火裝置、壓力傳感器和進(jìn)氣口均安裝于管道底部，氫氣的當(dāng)量比為1.0。環(huán)境溫度設(shè)置為常溫常壓。利用FLACS建立了與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的計(jì)算區(qū)域。氫氣/空氣在計(jì)算域內(nèi)充分混合，形成穩(wěn)定的常溫常壓預(yù)混氣體。模擬實(shí)驗(yàn)工況1，管道內(nèi)沒(méi)有任何障礙物的情況下對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。如圖3 所示，數(shù)值計(jì)算中的火焰結(jié)構(gòu)的演變與文獻(xiàn)［15］中實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，火焰前端形態(tài)與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有一些差距，原因與氣體填充區(qū)域的大小及點(diǎn)火能有關(guān)。

圖3 文獻(xiàn)中火焰結(jié)構(gòu)與數(shù)值計(jì)算火焰結(jié)構(gòu)對(duì)比（ms）

表1 所示為文獻(xiàn)［15］實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的壓力峰值及到達(dá)壓力峰值時(shí)間對(duì)比。以文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，由表1 可知，其中壓力峰值的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相差9.22%，到達(dá)壓力峰值時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相差3.57%。導(dǎo)致這些差別的原因與數(shù)值計(jì)算的設(shè)置條件、管道的壁面粗糙度、測(cè)量?jī)x器的靈敏度等多種因素有關(guān)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算與文獻(xiàn)［15］中實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格和模型的精度及可靠性較好，能夠反映實(shí)際氫氣預(yù)混氣體爆燃變化的趨勢(shì)。

表1 壓力峰值及到達(dá)壓力峰值時(shí)間對(duì)比

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同D下爆炸壓力變化

設(shè)計(jì)φ為1.0，D分別為10%、20%、30%、40%情境下研究爆炸壓力（p）的變化，分別獲得4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的爆炸壓力變化趨勢(shì)，如圖4 所示。由圖4 可知，4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在D為10% ～40%環(huán)境下的爆炸壓力總體都呈現(xiàn)出剛開(kāi)始緩慢上升，隨后到達(dá)1 個(gè)峰值，峰值過(guò)后迅速下降，經(jīng)歷震蕩并逐漸趨于一個(gè)恒定數(shù)值的趨勢(shì)。在10 ms左右達(dá)到爆炸壓力的最高峰，只有監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#到達(dá)壓力峰值的時(shí)間較其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)早5 ms，原因是點(diǎn)火點(diǎn)的設(shè)置離監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#最接近。當(dāng)D=10%時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的爆炸壓力最大值的平均值都處于40 kPa附近，隨著D的不斷增加，爆炸壓力最大值也相應(yīng)減少，當(dāng)D增加到40%時(shí)，爆炸壓力最大值的平均值已經(jīng)下降到16 kPa，相比于D為10%的情況，下降了60%?？梢?jiàn)，隨著D的增加，其稀釋效應(yīng)不斷增大，導(dǎo)致參與爆炸的反應(yīng)物濃度有所降低，稀釋了管道內(nèi)的氫氣。同時(shí)隨著濕度的增加，消耗了管道內(nèi)的部分氧氣，減少了爆炸過(guò)程中氧氣的參與，水蒸氣的化學(xué)效應(yīng)還能有效隔絕還未參與爆炸的反應(yīng)物質(zhì)，所以最大爆炸壓力得以有效降低。由此，濕度的增加對(duì)于氫-空氣預(yù)混氣體爆炸確起到抑制的效果。

圖4 4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下D變化對(duì)爆炸壓力的影響

2.2 不同D下絕熱最大火焰溫度

設(shè)計(jì)φ為1.0，D分別為10%、20%、30%、40%情境下，觀察絕熱最大火焰溫度的變化情況。圖5 顯示了在4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下，爆炸過(guò)程中所產(chǎn)生的最高火焰溫度。監(jiān)測(cè)點(diǎn)從1#到4#，距離點(diǎn)火源越來(lái)越近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#距離點(diǎn)火源最遠(yuǎn)，在爆炸過(guò)程中所接收到的溫度反應(yīng)也最遲，所以在火焰溫度變化上表現(xiàn)的不是很明顯，平均溫度在312 K。而在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#、3#、4#處，溫度明顯有了很大的變化，在D為10%和40%時(shí)，對(duì)應(yīng)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度分別為436、1603、2300 K 和307、1200、2150 K，兩者相比分別下降了30%、25%和7%。

圖5 加入不同D時(shí)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕熱最大火焰溫度對(duì)比

爆炸溫度表征為爆炸產(chǎn)物的溫度［4］。在半開(kāi)口的管道中，內(nèi)部的溫度變化主要由2 個(gè)部分決定：①氣體在爆炸過(guò)程中燃燒所釋放的熱量；②燃燒所生成產(chǎn)物的比熱變化。在D為10%的時(shí)候，水蒸氣的釋放量較少，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#、3#相對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#距離點(diǎn)火源較遠(yuǎn)時(shí)，水蒸氣的水霧分散在管道內(nèi)部，減少了氧氣的含量，從而減少了爆炸燃燒生成產(chǎn)物的比熱，有效降低了管內(nèi)的爆炸溫度。然而在監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#，由于距離點(diǎn)火源最近，在爆炸的一瞬間所產(chǎn)生的溫度高達(dá)2300 K，隨著D的不斷增加，溫度并未降低很多，此時(shí)濕度所起到的作用并不明顯，因?yàn)樵诒ǜ邷氐沫h(huán)境下，水蒸氣會(huì)瞬間被氣化，無(wú)法阻止預(yù)混氣體燃燒過(guò)程中的熱量釋放，所以在監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#溫度下降的幅度僅有7%。

2.3 不同D下火焰?zhèn)鞑顟B(tài)研究

在管道內(nèi)加入4 種不同的D來(lái)觀察其對(duì)火焰?zhèn)鞑サ囊种菩ЧＴ讦諡?.0 的情境下，分別加入D為10%、20%、30%和40%，選取5、10、15、20 ms 的4 個(gè)時(shí)刻下火焰圖像如圖6 所示。

圖6 不同D下，4個(gè)時(shí)間點(diǎn)火焰的傳播狀態(tài)

由圖6 可見(jiàn)，管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)。5 ms時(shí)刻即點(diǎn)火的剎那間，火源接觸到預(yù)混氣體發(fā)生爆炸，隨著D從10%增加到40%，火焰削減的幅度相當(dāng)直觀，見(jiàn)圖6（a）。15 ms時(shí)刻，火焰從燃燒的湍流狀態(tài)衰減為指狀的形態(tài)，傳播速度也隨之降低，見(jiàn)圖6（c）。20 ms時(shí)刻，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种票憩F(xiàn)得尤為明顯，見(jiàn)圖6（d）。濕度的加入對(duì)管道內(nèi)預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑テ鸬搅艘种频淖饔谩?/p>

2.4 同時(shí)改變D和φ對(duì)爆炸超壓的影響

通過(guò)改變?chǔ)辗謩e為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5，D從10%增加到40%，研究其對(duì)爆炸超壓（PS）的影響。如圖7 所示，圖中所有的參數(shù)均取4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每一時(shí)刻的平均值。圖中所反應(yīng)的趨勢(shì)均是在點(diǎn)火的下一瞬間，爆炸超壓就到達(dá)了正壓峰值，峰值過(guò)后便快速下降達(dá)到負(fù)壓峰值，隨后在0 kPa附近來(lái)回震蕩最后歸于0 kPa。其中在φ為1.5 時(shí)，爆炸超壓的峰值最高，依次是44、33、13 和12 kPa；而在φ=0.5 時(shí)，無(wú)論D增加與否，都在0 kPa 附近呈現(xiàn)往復(fù)小頻率的震蕩。負(fù)壓的產(chǎn)生是因?yàn)楣艿纼?nèi)氫氣-空氣混合物發(fā)生爆炸時(shí)，反應(yīng)物燃燒所釋放的大量熱和燃燒產(chǎn)物在管道內(nèi)瞬間充滿氣體，壓力沿正壓方向驟增，但由于管道是半開(kāi)口式，壓力會(huì)朝著開(kāi)口方向傳播，在高壓力傳播過(guò)后會(huì)在一部分空間內(nèi)形成短暫的真空，因而產(chǎn)生了負(fù)壓。

圖7 不同D及φ下爆炸超壓變化曲線

2.5 同時(shí)改變D和φ對(duì)最大升壓速率的影響

通過(guò)改變D，同時(shí)改變?chǔ)?，研究在不同D下，φ的改變對(duì)最大升壓速率（dp/dtmax）的影響。如表2 所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的最大升壓速率隨D的增大而逐漸降低。當(dāng)φ從0.5 逐漸增加到1.5，對(duì)比D為10%和40%，最大升壓速率值分別下降了72.8%、72.4%、74.7%、68.7%、65.9%。即在φ=1.0 時(shí)，濕度的改變對(duì)其產(chǎn)生的影響最大。而濕度的增加，會(huì)減少反應(yīng)過(guò)程中熱量，2.2 節(jié)中也驗(yàn)證了溫度會(huì)隨D的增加而降低，所以對(duì)于φ=1.0 的情況下最大升壓速率抑制效果最為顯著。爆炸壓力上升速率表征爆炸強(qiáng)度的大小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#的升壓速率都小于監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#，說(shuō)明距點(diǎn)火源越近，升壓速率越大，相應(yīng)爆炸強(qiáng)度就越大，D的增加不能完全抑制爆炸的發(fā)生，卻能在很大程度上減緩爆炸的強(qiáng)度。

表2 不同D下，改變?chǔ)諏?duì)最大升壓速率dp/dtmax的影響MPa/s

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了濕度對(duì)氫氣-空氣預(yù)混氣體爆炸特性的影響。運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)管道內(nèi)的D分別為10%、20%、30%和40%，并改變?chǔ)諡?.5、0.8、1.0、1.2、1.5 時(shí)，觀察對(duì)爆炸參數(shù)的變化，結(jié)果表明：

（1）當(dāng)φ為1.0 時(shí)，最大爆炸壓力先上升后降低，最后逐漸歸零，并隨著D的增加而減少。最大爆炸壓力最高下降了60%。

（2）D的增加對(duì)最大絕熱火焰溫度的降低和火焰的傳播都起到了抑制效果，其抑制效果取決于距點(diǎn)火源的距離，距離太遠(yuǎn)或太近抑制效果都不明顯?；鹧?zhèn)鞑バ螒B(tài)隨D的增加呈現(xiàn)明顯的衰減。

（3）當(dāng)φ=1.5 時(shí)，爆炸強(qiáng)度最大。改變D，對(duì)φ=1.0 時(shí)的抑制效果最好，其中最大升壓速率降低了74.7%。

在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，包括一些應(yīng)用科技領(lǐng)域，要尊重科學(xué)研究靈感瞬間性、方式隨意性、路徑不確定性的特點(diǎn)，允許科學(xué)家自由暢想、大膽假設(shè)、認(rèn)真求證。不要以出成果的名義干涉科學(xué)家的研究，不要用死板的制度約束科學(xué)家的研究活動(dòng)。很多科學(xué)研究要著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，不能急功近利，欲速則不達(dá)。

——習(xí)近平在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)、兩院院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第九次全國(guó)代表大會(huì)上的講話