高 魁,李夢娣,夏 微

(1.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室,安徽 淮南 232001)

城市地下綜合管廊的建設(shè)對城市的發(fā)展具有重要的意義[1]。綜合管廊是一種集電力、通訊、給水、排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共廊道,以實現(xiàn)市政管線的統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)與統(tǒng)一管理,而市政管線的集中管理是維護城市運行的關(guān)鍵。管廊燃?xì)馀撊細(xì)庑孤┖蟊óa(chǎn)生的高溫、高壓沖擊波會對地下綜合管廊內(nèi)相鄰艙室以及地面構(gòu)筑物造成嚴(yán)重破壞,帶來重大經(jīng)濟損失,產(chǎn)生不良的社會影響。因此,國內(nèi)外許多專家學(xué)者對可燃?xì)怏w泄漏和爆炸進(jìn)行了深入的研究和探索。

目前,國內(nèi)外的專家學(xué)者對可燃?xì)怏w泄漏和爆炸從實驗和數(shù)值模擬等多層面展開研究,文獻(xiàn)[2]采用實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了預(yù)混可燃?xì)怏w在狹長有限空間內(nèi)點燃后的火焰?zhèn)鞑リ嚸嫘螒B(tài)、影響因素和傳播機制。文獻(xiàn)[3]采用LS-DYNA軟件對綜合管廊中燃?xì)庑孤┖蟊ㄒ?guī)律進(jìn)行了模擬研究。文獻(xiàn)[4-5]采用數(shù)值模擬的方法研究了綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)獗_擊波的傳播特征和燃?xì)馀摻Y(jié)構(gòu)對燃?xì)獗ǔ瑝旱挠绊?。文獻(xiàn)[6]模擬了綜合管廊燃?xì)馀摬煌ㄝd荷下的沖擊波的衰減規(guī)律。文獻(xiàn)[7]通過FLACS模擬軟件研究了水氣艙天然氣爆炸后的沖擊波和火焰破壞。文獻(xiàn)[8]基于CFD程序FLACS研究了放氣條件、氣云體積、點火位置等因素對綜合管廊瓦斯爆炸的影響。文獻(xiàn)[9]基于FLACS模擬研究了城市綜合管廊天然氣艙室的燃?xì)獗ㄌ匦?。文獻(xiàn)[10]提出了一種計算模型,能夠推導(dǎo)無泄壓或有泄壓的剛性容器內(nèi)部發(fā)生爆炸后的熱力學(xué)性質(zhì)。文獻(xiàn)[11]利用數(shù)值模擬研究了城市地下綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)庑孤U散的基本規(guī)律。文獻(xiàn)[12]研究了不同泄漏孔徑、通風(fēng)速度對燃?xì)庑孤U散的影響。文獻(xiàn)[13]建立綜合管廊燃?xì)馀摰奈锢砟Ｐ?分析了不同風(fēng)速對燃?xì)庑孤┗馂?zāi)的影響,通過分析總結(jié)出燃?xì)馀搩?nèi)的溫度分布和CO2濃度分布。文獻(xiàn)[14]建立了200m×2m×3m的燃?xì)馀撃Ｐ?在距離排風(fēng)口不同位置設(shè)立泄漏口,模擬了不同情況下燃?xì)獾男孤┮?guī)律。文獻(xiàn)[15]對天然氣管道進(jìn)入綜合管廊后發(fā)生泄漏擴散的危險性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[16]采用數(shù)值模擬方法分析了綜合管廊中天然氣的泄漏和擴散特性,研究了不同壓力、泄漏孔徑、通風(fēng)條件和泄漏位置的單因素變化和多因素變化。綜上,針對綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)庑孤┖蟊ǖ南嚓P(guān)研究主要側(cè)重于可燃?xì)怏w的泄漏及爆炸,缺乏對綜合管廊內(nèi)燃?xì)馀撊細(xì)庑孤逗蟊ǖ奶接憽?/p>

國內(nèi)外學(xué)者對綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)庑孤?、事故通風(fēng)和燃?xì)鈹U散規(guī)律均作了大量研究,但是對燃?xì)庑孤┖笕細(xì)獗ǖ某瑝杭皽囟茸兓?guī)律的研究不足,為分析綜合管廊燃?xì)獗_擊波傳播特征的影響。本文以湍流模型為研究對象,利用Fluent19.0數(shù)值模擬軟件研究時間、距離及燃?xì)鉂舛葘θ細(xì)獗ǔ瑝汉蜏囟鹊淖兓?guī)律,以期為城市綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)獗ㄊ鹿实陌踩揽靥峁┲巍?/p>

1 數(shù)值方法驗證

為了驗證數(shù)值模擬方法的可靠性,搭建實驗裝置進(jìn)行試驗,模擬試驗條件進(jìn)行數(shù)值計算。試驗平臺采用鋼制圓形管道,管道內(nèi)徑為180mm,壁厚為20mm,管道總長為3m,如圖1所示。點火端封閉,管道開口端使用PVC膜片進(jìn)行密封。在管道表面軸線設(shè)有安裝孔,用于安裝壓力傳感器、閥門等設(shè)施。測點1、測點2分別距離點火端0.25m和2.75m。

圖1 實驗裝置

建立與爆炸試驗管道尺寸相同的模型,管道長為3m,直徑為0.18m,在距離點火端0.25m和2.75m處設(shè)置監(jiān)測點,記錄爆炸中壓力的變化。將管道開口端設(shè)為壓力出口,回流湍流強度和粘度比分別為0.1%、1,管道壁面絕熱。初始壓力為1個大氣壓,初始溫度為常溫300K?？諝獾慕M成成分主要為氮氣、氧氣、二氧化碳、部分稀有氣體和水蒸氣等。由于氮氣和氧氣在空氣中的占比分別為78%、21%,因此假設(shè)管道中僅存在甲烷、氧氣以及氮氣3種氣體。在點火端設(shè)置1個已燃區(qū)用于點火,半徑為0.05m,溫度設(shè)置為2 000K。

甲烷濃度為9.5%時,試驗與數(shù)值模擬所得超壓峰值對比,測點1試驗與模擬的超壓峰值分別為45.676kPa、52.257kPa,測點2試驗與模擬的超壓峰值分別為38.714kPa、39.847kPa。模擬與試驗相對誤差絕對值分別為14.4%、2.9%。根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知,數(shù)值模擬與試驗結(jié)果相對誤差在20%以內(nèi)屬于工程可接受范圍,說明數(shù)值模型有效。

分析造成二者誤差的主要原因是:相比于實際條件,數(shù)值模擬進(jìn)行了一定的簡化,數(shù)值模擬假定氣體為理想氣體;模型絕熱,與外界不發(fā)生熱傳遞;燃?xì)馀搲γ鏋閯傂?不考慮流-固耦合作用;燃?xì)獗ㄟ^程為單步反應(yīng)。而實驗過程并非完全理想狀態(tài)。實際情況下,甲烷氣體的爆炸過程會更加復(fù)雜,管道與周圍環(huán)境存在熱傳遞,管道壁面的粗糙度和壓力傳感器的精度均會影響試驗結(jié)果。

2 建立數(shù)值模型和參數(shù)設(shè)置

2.1 建立數(shù)值模型

選取燃?xì)馀摰囊粋€通風(fēng)分區(qū)進(jìn)行研究,通風(fēng)分區(qū)長為200m,一個通風(fēng)分區(qū)內(nèi)設(shè)置兩個通風(fēng)口,面積為1m×1m,分別距兩端防火門10m。對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為簡化計算過程,采用甲烷代替燃?xì)?。由于甲烷氣體的密度小于空氣,因此泄漏后會積聚在燃?xì)馀擁敳?為了便于計算將其假設(shè)為濃度均勻的方形。綜合管廊燃?xì)馀搸缀文Ｐ秃喕疽鈭D如圖2所示,從點火端開始每隔2m設(shè)置1個測點,共設(shè)置100個測點。假設(shè)預(yù)混氣體混合均勻,且處于靜止?fàn)顟B(tài),初始壓力為101.325kPa,初始溫度為300K。選擇RNGk-ε模型和渦耗散模型進(jìn)行計算,采用壓力求解器,使用PISO算法求解。時間步長設(shè)置為5×10-5s,步數(shù)為10 000,計算時長為0.5s。每隔20m設(shè)置壓力和溫度傳感器記錄爆炸超壓及溫度的變化。試驗采用體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷氣體,氣體積聚長度為14m。

圖2 綜合管廊燃?xì)馀撃Ｐ?/p>

2.2 湍流模型

湍流是一種具有旋轉(zhuǎn)的、不規(guī)則的、較強的三維非穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)有的模擬技術(shù)主要有直接模擬(DNS)、大渦模擬(LES)和雷諾時均模擬(RANS)。DNS采用N-S的三維非穩(wěn)定方程,進(jìn)行湍流的數(shù)值模擬。要求對高度復(fù)雜的源流進(jìn)行直接計算,必須采用很小的時間和空間步長,所以計算量很大,對計算機要求也很高。湍流的形成機制、湍流脈動和混雜的原因是大尺度的旋渦。LES采用N-S非穩(wěn)定方程式進(jìn)行大渦的數(shù)值模擬,不是對小渦進(jìn)行直接求解,而是用金斯模式進(jìn)行求解。LES需要較高的計算機,但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 DNS。RANS采用N-S非穩(wěn)定狀態(tài)下的N-S方程,將湍流視為兩種流的相加,分別為時均流和瞬間脈沖流,得到的時間平均N-S方程包括時平均和脈沖動量乘積時平均等未知變量。k-ε模型是兩方程模型形式的雷諾時均模擬,因其模型較為簡單并且精度較高,應(yīng)用范圍廣。CFD軟件中的k-ε模型包括Standard、RNG和Realize。

在綜合管廊燃?xì)馀搩?nèi),由于燃?xì)庠诠艿纼?nèi)泄漏時容易形成回路,選擇Realizek-ε模型可以有效避免該問題,其湍流方程為:

(1)

(2)

式中,k表示湍動能,J;μ表示流體黏度,Pa·s;μt表示流體湍動能黏度,Pa·s;Prk表示k方程普朗特數(shù);Prε表示ε方程普朗特數(shù);Gk表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能產(chǎn)生項;C1ε、C2ε表示經(jīng)驗常數(shù)。

2.3 組分運輸模型

Fluent軟件提供的組分運輸模型可以模擬分子級別的組分輸送現(xiàn)象和具有化學(xué)反應(yīng)的組分交換現(xiàn)象。因此,可以用來描述綜合管廊燃?xì)馀摰娜細(xì)庑孤┻^程,以及它后續(xù)可能發(fā)生的天然氣燃燒爆炸過程。其方程表達(dá)式為

(3)

式中,mi表示不同物質(zhì)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù); Γi表示湍流擴散系數(shù)。

3 結(jié)果及分析

3.1 超壓及溫度時空演化規(guī)律

在甲烷濃度為10%、預(yù)混氣體積聚長度為20m、高度為2m的情況下,燃?xì)馀搩?nèi)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸后不同時刻的超壓變化云圖如圖3所示。由圖3可知,甲烷-空氣預(yù)混氣體在燃?xì)馀搩?nèi)經(jīng)歷如下歷程:預(yù)混氣體被點燃后,形成了沖擊波,沖擊波從左側(cè)點火端向外傳播,10ms時前驅(qū)沖擊波傳播到通風(fēng)口處,形成局部超壓,超壓值可達(dá)1MPa以上。由于管廊燃?xì)馀摫诿娴募s束,前驅(qū)沖擊波越過通風(fēng)口,繼續(xù)沿管廊軸向傳播。隨著燃燒反應(yīng)的結(jié)束,沖擊波在燃?xì)馀搩?nèi)不斷衰減直至傳播到右側(cè)防火門處。300ms時沖擊波傳播到右側(cè)防火門位置時與其碰撞,產(chǎn)生反向的反射波,在反射波和后方壓縮波的疊加作用下,靠近右側(cè)防火門位置的超壓出現(xiàn)明顯躍升。

圖3 預(yù)混氣體爆炸后不同時刻的超壓變化云圖

燃?xì)馀搩?nèi)各位置的超壓變化曲線如圖4所示。由圖4可知,超壓隨時間的變化總體呈現(xiàn)出反復(fù)波動的趨勢。前驅(qū)沖擊波到達(dá),超壓上升,沖擊波通過后,超壓下降。當(dāng)沖擊波到達(dá)防火門時,產(chǎn)生了反射波,距離防火門處的測點超壓值突然增大是沖擊波和反射波疊加作用。由于該模型假設(shè)絕熱,產(chǎn)生的能量消耗較少,并且通風(fēng)口的泄壓作用較小,因此沖擊波會在燃?xì)馀搩?nèi)多次反射,最終能量耗盡,爆炸超壓趨于穩(wěn)定。

圖4 燃?xì)馀搩?nèi)各位置超壓變化曲線

圖5為燃?xì)馀搩?nèi)各位置超壓峰值-距離變化曲線圖。由圖5可知,隨著沖擊波傳播距離的增加超壓峰值總體表現(xiàn)為先增大后減小再增大。剛開始產(chǎn)生的反射壓力波會對最開始的爆炸強度產(chǎn)生抑制作用,超壓峰值在較小距離時有一個減小的趨勢。爆炸初期可燃?xì)怏w燃燒,放出大量熱量,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,可燃?xì)怏w不斷被壓縮,大量氣體參與反應(yīng),燃燒加速,爆炸強度不斷增加,超壓值隨著距離的增加而上升。隨著沖擊波傳播的進(jìn)行,爆炸生成的熱量與傳播過程中的損耗趨于平衡,超壓值峰值達(dá)到最大。隨后氣體燃燒反應(yīng)強度逐漸降低,沖擊波傳播過程中不斷耗費能量,超壓峰值下降。當(dāng)測點與右側(cè)防火門越來越近時,反射疊加作用愈加明顯,超壓峰值再次上升。隨著距離的增加,超壓峰值的衰減趨于平緩。

圖5 超壓峰值-距離變化曲線圖

不同時刻燃?xì)馀摐囟茸兓茍D如圖6所示。由圖6可知,初始條件下,綜合管廊燃?xì)馀搩?nèi)的溫度設(shè)置為300K。預(yù)混氣體被點燃后,火焰以球面的形式向燃?xì)馀撚覀?cè)傳播,如圖6(a)所示。當(dāng)t=5ms時,火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x約為8m,最高溫度為2 560K,已燃區(qū)域和未燃區(qū)域之間存在明顯火焰層。當(dāng)t=12.5ms時,火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x至14m,火焰進(jìn)入通風(fēng)口,此時最高溫度為2 710K,如圖6(c)所示。

圖6 不同時刻燃?xì)馀摐囟茸兓茍D

圖7、圖8分別為燃?xì)馀搩?nèi)各位置溫度隨時間變化的曲線圖、溫度峰值隨距離變化曲線圖。由圖7可知,溫度隨時間的變化呈現(xiàn)波動趨勢,隨著時間的增加溫度先增加再減小后維持穩(wěn)定。由圖8可知,50m之前受壓縮波的影響,溫度波動較為明顯;最高溫度位于20m處約為2 680K,60m之后的溫度變化較小,這是由于火焰并不會傳播到此,溫度變化主要受熱傳遞的影響。甲烷-空氣預(yù)混氣體積聚長度為20m,由圖6、圖9得出火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x到50m后變化較小,火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x約為甲烷-空氣預(yù)混氣體積聚長度的2.5倍。

圖7 燃?xì)馀摳魑恢脺囟茸兓€圖

圖8 溫度峰值-距離變化曲線圖

圖9 不同濃度時超壓峰值-距離變化曲線

3.2 燃?xì)鉂舛葘Τ瑝杭皽囟扔绊?/h3>

通過改變甲烷體積分?jǐn)?shù)對不同甲烷濃度的預(yù)混可燃?xì)怏w的爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬。甲烷體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)置為6%、8%、10%、12%、14%,甲烷-空氣預(yù)混氣體積聚長度為40m,積聚高度為2m。假設(shè)艙內(nèi)的氣體只有氮氣、氧氣和甲烷。

繪制不同濃度時超壓峰值隨距離變化的曲線,如圖9所示。由圖9可知,甲烷濃度的變化不會改變超壓峰值-距離曲線的變化趨勢。當(dāng)濃度分別為6%、8%、10%、12%、14%時,爆炸過程產(chǎn)生的最大超壓分別為965.849 6kPa、2 199.569kPa、2 287.292kPa、2 219.584kPa、2 152.235kPa。當(dāng)甲烷濃度為6%時,超壓在4m處上升至最大值隨后下降,這是由于甲烷的爆炸極限為5%～16%,爆炸產(chǎn)生的氣流擾動未燃?xì)怏w,同時卷吸空氣,導(dǎo)致甲烷濃度降低直至爆炸下限,無法繼續(xù)反應(yīng)。當(dāng)甲烷濃度分別為10%、12%和14%時,爆炸初期發(fā)展相似,這是因為計算模型假設(shè)甲烷-空氣預(yù)混氣體積聚在燃?xì)馀擁敳?下方仍有空氣,爆炸形成沖擊波,沖擊波擾動預(yù)混氣體下方空氣,同時燃?xì)馀撏L(fēng)口的存在也為貧氧燃燒提供了氧氣,一定程度上促進(jìn)了燃燒。當(dāng)甲烷濃度超過最佳濃度時,同一位置處的超壓峰值相差不大。40m之后,甲烷濃度為8%、10%、12%、14%工況的超壓峰值開始下降。

圖10為不同甲烷濃度時溫度峰值的變化。由圖10可知,隨著距離的增加,溫度峰值先增加后減小。42m之前,溫度峰值隨著濃度的增加先增大后減小;42m之后,溫度峰值隨著濃度的增加而增大。由于爆炸沖擊波擾動未燃?xì)怏w,促進(jìn)未燃?xì)怏w與空氣混合,為燃燒提供了氧氣,延長了反應(yīng)持續(xù)的時間,因此溫度峰值下降較慢。濃度越高,火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x越遠(yuǎn)。

圖10 不同濃度時溫度峰值-距離變化曲線

四、結(jié)論與展望

本文運用數(shù)值模擬的方法研究綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)獗ǔ瑝杭皽囟鹊淖兓?guī)律,發(fā)現(xiàn)超壓隨時間的變化上下波動,隨距離的增加先增大后減小在增大,隨甲烷濃度的增加先增大后減小;溫度峰值隨距離的增加先增大后減小、隨后保持相對穩(wěn)定,隨甲烷濃度增加先增大后減小。因此,根據(jù)實際工況,當(dāng)燃?xì)馀撊細(xì)獍l(fā)生泄漏后,應(yīng)及時采取事故通風(fēng),減輕爆炸產(chǎn)生的后果。

本文研究了綜合管廊燃?xì)獗ǔ瑝杭皽囟鹊淖兓?guī)律,而針對障礙物對綜合管廊燃?xì)馀撊細(xì)獗ǖ难芯窟€應(yīng)考慮實際空間障礙物,包括管線支撐、消防設(shè)施、預(yù)留框架等,建立綜合管廊的爆炸模型,分析障礙物對燃?xì)獗ǖ挠绊懸?guī)律。考慮實際場景,還可進(jìn)一步考慮濃度非均勻分布的爆炸研究。