濃度梯度對(duì)工業(yè)可燃?xì)庠票ㄌ匦杂绊?/h1>
2024-12-31 00:00:00代書(shū)綺郭文杰屠越楊俊杰韓佳豪
遼寧化工 2024年10期 關(guān)鍵詞：研究
摘 """""要： 工業(yè)管道泄漏形成的可燃?xì)庠茲舛确植纪遣痪鶆虻?，為了模擬工業(yè)可燃?xì)怏w泄漏爆炸，并提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，以平行梯度濃度氣云爆炸為研究對(duì)象模擬工業(yè)可燃?xì)庠票ㄟ^(guò)程，分別以均勻氣云、多層具有平行梯度濃度的不均勻半球形氣云為研究對(duì)象，模擬了工業(yè)可燃?xì)怏w泄漏導(dǎo)致氣云爆炸特性。還以3層平行濃度氣云為例，研究了點(diǎn)火位置、濃度分布對(duì)氫氣氣云爆炸的影響。結(jié)果表明：與均勻分布?xì)庠葡啾?，具有梯度濃度的氣云產(chǎn)生的爆炸沖擊波明顯減弱，且氫氣濃度分布越不均勻、點(diǎn)火位置處氫氣濃度越低，產(chǎn)生的爆炸超壓越小。研究結(jié)果為氫氣氣云爆炸后果預(yù)測(cè)及事故預(yù)防提供數(shù)據(jù)參考。
關(guān) "鍵 "詞：工業(yè)可燃?xì)庠疲槐ǔ瑝?；?shù)值模擬；平行濃度梯度
中圖分類(lèi)號(hào)：TE48""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A """""文章編號(hào)： 1004-0935（2024）10-1577-04
工業(yè)可燃?xì)怏w泄漏事故的發(fā)生往往導(dǎo)致嚴(yán)重后果，針對(duì)此類(lèi)事故規(guī)律已有大量研究[1-3]。實(shí)驗(yàn)研究通常采用薄膜或者肥皂泡等方式束縛預(yù)混氣云模擬泄漏形成的氣云爆炸。丁信偉[4]同樣運(yùn)用聚乙烯薄膜進(jìn)行了半球形氣云研究，研究發(fā)現(xiàn)，由于湍流的作用，火焰在傳播過(guò)程中其表面逐漸由光滑變得不規(guī)則。KIM等[5]利用肥皂泡法研究了氫氣、甲烷、丙烷3種氣體分別與空氣均勻混合后的爆炸沖擊波過(guò)程與火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，但是這種方法獲得的壓力較小。PFORTNER等[6]利用聚乙烯薄膜對(duì)半球形氫氣預(yù)混氣云進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明了氣云體積對(duì)爆炸的影響主要是由于湍流的作用。國(guó)內(nèi)學(xué)者還通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等多種方式對(duì)濃度、點(diǎn)火形式、尺寸等因素對(duì)氣云爆炸影響進(jìn)行了研究[7-9]，研究結(jié)果對(duì)安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。
然而，氣云在實(shí)際泄漏過(guò)程中很難達(dá)到均勻混合狀態(tài)，鑒于此，利用CFD軟件，通過(guò)設(shè)置平行濃度梯度對(duì)開(kāi)敞空間不均勻濃度氫氣氣云進(jìn)行模擬，得到不同條件下的爆炸壓力，研究氣云的不均勻性、點(diǎn)火位置、濃度分布對(duì)氫氣爆炸的影響。
1 "數(shù)值模型及驗(yàn)證
1.1 "研究方案
建立開(kāi)敞空間氫氣預(yù)混氣云爆炸的物理模型，并對(duì)其進(jìn)行精確的網(wǎng)格劃分。設(shè)定網(wǎng)格的計(jì)算區(qū)域?yàn)?2"m×10"m，在半徑為1"m的半球形內(nèi)部劃分網(wǎng)格大小為0.05"mm，其余開(kāi)敞空間網(wǎng)格大小設(shè)定為0.1"mm。選取體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣與空氣的混合氣體進(jìn)行二維數(shù)值模擬，建立計(jì)算區(qū)域。長(zhǎng)方形區(qū)域底邊代表地面，其余3邊設(shè)置為壓力出口。在氫氣預(yù)混氣云分布區(qū)域劃分更加精細(xì)的網(wǎng)格。在坐標(biāo)中心位置建立一個(gè)邊長(zhǎng)為1"m的正方形區(qū)域，模擬1"m3的立方體聚乙烯薄膜，并向正方形區(qū)域中局部初始化體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣。設(shè)置初始溫度為300"K，初始速度為0"m·s-1，初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓力0.1"MPa，密度為1.27"kg·m-3?？紤]重力因素的影響，重力加速度設(shè)置為-9.8"m·s-2，方向垂直向下。
1.2 "數(shù)學(xué)模型
根據(jù)有關(guān)流體力學(xué)的控制方程組、k-epsilon"（2eqn）黏性模型、湍流模型、Species Transport組分模型等建立氫氣預(yù)混氣云爆炸的數(shù)學(xué)模型，并采用壓力基耦合求解器進(jìn)行求解。根據(jù)氫氣爆炸的特征，氫氣、空氣在發(fā)生爆炸時(shí)均可視為理想氣體，因此組分方程、能量方程、動(dòng)量方程等可以如下表示。
連續(xù)性方程為：
（1）
組分方程為：
（2）
動(dòng)量方程為：
（3）
能量方程為：
=
（4）
其中，
（5）
式中：p—壓力；
T—絕對(duì)溫度；
u—速度；
ρ—密度；
Ri，r—反應(yīng)速率；
μeff—總有效流動(dòng)黏度；
Sceff—有效施密特?cái)?shù)；
Preff—有效特朗普數(shù)。
1.3 "模型驗(yàn)證
參考李艷超[10]對(duì)均勻氫氣預(yù)混氣云爆炸過(guò)程進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)聚乙烯薄膜來(lái)封閉邊長(zhǎng)1"m的立方體框架，并向立方體框架中充入氫氣，使氫氣與空氣預(yù)先混合好，然后在氣云中心位置點(diǎn)火。分別在距離點(diǎn)火位置3、6、9"m處放置聲壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該點(diǎn)壓力。為了驗(yàn)證所建數(shù)值模型的正確性，對(duì)該實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，所選數(shù)值參數(shù)、點(diǎn)火位置以及壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)均與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相同。均勻濃度氣云的爆炸超壓-時(shí)間曲線如圖1所示。
通過(guò)對(duì)比2條曲線，從圖像走勢(shì)來(lái)看，相對(duì)吻合性較好，都是先經(jīng)歷了最大正超壓，又經(jīng)歷了最大負(fù)超壓，最后經(jīng)歷一次很小的二次正超壓。為了更好地驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，氫氣爆炸超壓的實(shí)驗(yàn)值與模擬值如表1所示。
由表1可知，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離點(diǎn)火位置越遠(yuǎn)，最大超壓的絕對(duì)值越小。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，二者正超壓的相對(duì)誤差較小，負(fù)超壓較之偏大。數(shù)值模擬的最大相對(duì)誤差為14.96%，總平均誤差為9.94%。以此可知，利用該模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氫氣預(yù)混氣云的爆炸威力。
2 "結(jié)果與分析
2.1 "濃度的不均勻性對(duì)爆炸壓力的影響
為研究開(kāi)敞空間條件下具有濃度梯度的氫氣氣云爆炸過(guò)程，分別設(shè)置三層、五層以及七層不同平行濃度梯度的氫氣濃度分布。對(duì)于三層濃度氣云，由內(nèi)到外分別充入40%、30%、20%的氫氣，氣云半徑分別為0.20、0.40、0.65 m；五層濃度氣云，由內(nèi)到外分別充入50%、40%、30%、20%、10%的氫氣，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.30、0.48、0.65 m；七層濃度氣云，由內(nèi)到外分別初始化70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的氫氣，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.28、0.37、0.45、0.54、0.65 m。不同氣云層數(shù)均設(shè)置10"J點(diǎn)火能量，選擇氣云中心位置點(diǎn)火。不同均勻度氣云爆炸壓力-時(shí)間變化曲線圖如圖2所示。
由圖2可以看出，隨著氣云層數(shù)的增加，最大爆炸超壓逐漸降低，這說(shuō)明氣云濃度分布越不均勻，產(chǎn)生的爆炸壓力越小。在氫氣爆炸的早期階段，爆炸壓力急劇升高，三層濃度梯度氣云在17"ms達(dá)到最大爆炸壓力1.8"kPa，之后壓力出現(xiàn)急劇的下降，減小到負(fù)壓，在42"ms時(shí)達(dá)到-1.85"kPa。隨著爆炸的結(jié)束，出現(xiàn)較小的第二次正超壓，最后爆炸壓力回到爆炸前狀態(tài)。三層氣云出現(xiàn)最大速度峰值的時(shí)間最早，層數(shù)越多峰值出現(xiàn)得越晚。這說(shuō)明氫氣濃度分布越不均勻，爆炸壓力上升速度越慢，達(dá)到最大爆炸超壓所需的時(shí)間越長(zhǎng)。
2.2 "不同濃度分布的爆炸超壓
研究氣云濃度分布的不均勻性對(duì)氫氣爆炸的影響時(shí)，所設(shè)置的三層、五層及七層氣云均為由內(nèi)到外濃度越來(lái)越低的情況，現(xiàn)針對(duì)由內(nèi)到外濃度逐次增加這種情況進(jìn)行研究。對(duì)于三層濃度氣云，由內(nèi)及外分別充入20%、30%、40%的氫氣，氣云半徑分別為0.20、0.44、0.65 m；五層氣云，由內(nèi)及外充入氫氣的量分別為10%、20%、30%、40%、50%，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.34、0.50、0.65 m。七層氣云由內(nèi)及外分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% ，氣云半徑分別為0.25、0.40、0.46、0.52、0.57、0.61、0.65 m。選取氣云中心位置點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為10"J，保證氫氣總量和氣云大小一定。不同濃度分布?xì)庠频谋ǔ瑝号c時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示。
圖3中A為氫氣氣云濃度由內(nèi)到外逐層降低的情況，B為氫氣氣云濃度由內(nèi)到外逐層增加的情況，1、2、3分別代表三層氣云、五層氣云和七層氣云。氣云由內(nèi)到外濃度逐次遞減時(shí)產(chǎn)生的最大爆炸超壓遠(yuǎn)高于逐次遞增的情況，超壓值約為其2倍。內(nèi)部濃度高時(shí)壓力上升速度快，達(dá)到最大超壓的時(shí)間明顯縮短。五層和七層由內(nèi)到外濃度逐次遞增的氣云，最內(nèi)部氫氣體積分?jǐn)?shù)僅有10%，所以產(chǎn)生的最大爆炸壓力很小，僅有不到0.5 kPa。
2.3 "點(diǎn)火位置對(duì)氫氣爆炸的影響
以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，在單元寄存器中設(shè)置3個(gè)半圓，半徑分別為0.20、0.40、0.65"m，然后從小到大分別局部初始化40%、30%、20%的氫氣。內(nèi)部點(diǎn)火選取點(diǎn)火位置為坐標(biāo)（0，"5），中間點(diǎn)火位置坐標(biāo)為（0，"30），外部點(diǎn)火位置坐標(biāo)為（0，"60），坐標(biāo)單位為厘米。距點(diǎn)火位置3"m處爆炸超壓-時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示。
圖4中測(cè)試1為氣云內(nèi)部點(diǎn)火，測(cè)試2為氣云中間位置點(diǎn)火，測(cè)試3為氣云外部點(diǎn)火。內(nèi)部點(diǎn)火產(chǎn)生的爆炸超壓最大，且遠(yuǎn)高于其他2個(gè)點(diǎn)火位置。中間點(diǎn)火和外部點(diǎn)火產(chǎn)生的最大爆炸壓力雖相差很小，但是外部點(diǎn)火產(chǎn)生的最大負(fù)壓要遠(yuǎn)低于中間點(diǎn)火，這是因?yàn)橥獠繗庠浦車(chē)际强諝?，氧氣充足。隨著監(jiān)測(cè)距離的增大，3個(gè)點(diǎn)火位置的爆炸超壓均逐漸減小。內(nèi)部點(diǎn)火產(chǎn)生的最大超壓最大，主要是因?yàn)榛鹧鎸?duì)稱(chēng)傳播，所在點(diǎn)火區(qū)域氫氣濃度高，預(yù)混氫氣氣云燃燒的速度快，火焰?zhèn)鞑サ叫狗趴谒脮r(shí)間快。外部點(diǎn)火時(shí)，出現(xiàn)了3次正壓、2次負(fù)壓，而其他2個(gè)點(diǎn)火位置均是先后出現(xiàn)正壓-負(fù)壓-正壓的曲線，這是由于隨著時(shí)間的推移，氫氣向四周擴(kuò)散，氣云邊緣處氫氣濃度不穩(wěn)定。
3 "結(jié) 論
通過(guò)CFD軟件對(duì)氫氣預(yù)混氣云爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了在無(wú)約束條件下均勻氣云與不均勻氣云的爆炸規(guī)律，并將均勻氣云的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所用氣云模型的正確性。結(jié)論如下：不均勻氣云產(chǎn)生的爆炸壓力要遠(yuǎn)小于均勻氣云。氫氣濃度分布越不均勻，產(chǎn)生的爆炸壓力越小，且達(dá)到最大爆炸超壓的時(shí)間越長(zhǎng)；點(diǎn)火中心區(qū)域分布的氣云濃度越高，產(chǎn)生的爆炸超壓越大。所以在儲(chǔ)存有大量氫氣的區(qū)域及其周邊安全間距范圍內(nèi)，禁止明火，做好防靜電處理；在不同點(diǎn)火位置產(chǎn)生的爆炸超壓不同，氣云中心位置點(diǎn)火產(chǎn)生的爆炸超壓最大，而外部點(diǎn)火時(shí)，由于氣云邊緣處氫氣濃度受到周?chē)髿庥绊?，?dǎo)致爆炸壓力出現(xiàn)多處波動(dòng)。
參考文獻(xiàn)：
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Effect of Concentration Gradient on Explosion
Characteristics of Industrial Combustible Gas Cloud
DAI Shuqi， GUO Wenjie， TU Yue， YANG Junjie， HAN Jiahao
（School of Chemical Engineering and Safety， Binzhou University， Binzhou Shandong 256600，"China）
Abstract："The concentration distribution of combustible gas cloud formed by industrial pipeline leakage is often uneven. In order to simulate the explosion of industrial combustible gas leakage and improve the accuracy of calculation， the explosion process of industrial combustible gas cloud was"simulated with parallel gradient concentration gas cloud explosion as the research object， and the characteristics of gas cloud explosion caused by industrial combustible gas leakage were"simulated with uniform gas cloud and multi-layer heterogeneous hemispherical gas cloud with parallel gradient concentration as the research object. The effects of ignition position， concentration distribution on the explosion of hydrogen gas cloud were studied by taking three parallel concentration gas clouds as examples. The results"showed"that compared with the uniformly distributed gas cloud， the explosion shock wave generated by the gas cloud with gradient concentration was"significantly weakened， and the more uneven the hydrogen concentration distribution and the lower the hydrogen concentration at the ignition position， the smaller the explosion overpressure generated. The results of this paper provide"data reference for the prediction of the consequences of hydrogen gas cloud explosion and accident prevention.
Key words：""Industrial combustible gas cloud; Explosion overpressure; Numerical simulation; Parallel concentration gradient
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關(guān) "鍵 "詞：工業(yè)可燃?xì)庠疲槐ǔ瑝?；?shù)值模擬；平行濃度梯度
中圖分類(lèi)號(hào)：TE48""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A """""文章編號(hào)： 1004-0935（2024）10-1577-04
工業(yè)可燃?xì)怏w泄漏事故的發(fā)生往往導(dǎo)致嚴(yán)重后果，針對(duì)此類(lèi)事故規(guī)律已有大量研究[1-3]。實(shí)驗(yàn)研究通常采用薄膜或者肥皂泡等方式束縛預(yù)混氣云模擬泄漏形成的氣云爆炸。丁信偉[4]同樣運(yùn)用聚乙烯薄膜進(jìn)行了半球形氣云研究，研究發(fā)現(xiàn)，由于湍流的作用，火焰在傳播過(guò)程中其表面逐漸由光滑變得不規(guī)則。KIM等[5]利用肥皂泡法研究了氫氣、甲烷、丙烷3種氣體分別與空氣均勻混合后的爆炸沖擊波過(guò)程與火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，但是這種方法獲得的壓力較小。PFORTNER等[6]利用聚乙烯薄膜對(duì)半球形氫氣預(yù)混氣云進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明了氣云體積對(duì)爆炸的影響主要是由于湍流的作用。國(guó)內(nèi)學(xué)者還通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等多種方式對(duì)濃度、點(diǎn)火形式、尺寸等因素對(duì)氣云爆炸影響進(jìn)行了研究[7-9]，研究結(jié)果對(duì)安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。
然而，氣云在實(shí)際泄漏過(guò)程中很難達(dá)到均勻混合狀態(tài)，鑒于此，利用CFD軟件，通過(guò)設(shè)置平行濃度梯度對(duì)開(kāi)敞空間不均勻濃度氫氣氣云進(jìn)行模擬，得到不同條件下的爆炸壓力，研究氣云的不均勻性、點(diǎn)火位置、濃度分布對(duì)氫氣爆炸的影響。
1 "數(shù)值模型及驗(yàn)證
1.1 "研究方案
建立開(kāi)敞空間氫氣預(yù)混氣云爆炸的物理模型，并對(duì)其進(jìn)行精確的網(wǎng)格劃分。設(shè)定網(wǎng)格的計(jì)算區(qū)域?yàn)?2"m×10"m，在半徑為1"m的半球形內(nèi)部劃分網(wǎng)格大小為0.05"mm，其余開(kāi)敞空間網(wǎng)格大小設(shè)定為0.1"mm。選取體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣與空氣的混合氣體進(jìn)行二維數(shù)值模擬，建立計(jì)算區(qū)域。長(zhǎng)方形區(qū)域底邊代表地面，其余3邊設(shè)置為壓力出口。在氫氣預(yù)混氣云分布區(qū)域劃分更加精細(xì)的網(wǎng)格。在坐標(biāo)中心位置建立一個(gè)邊長(zhǎng)為1"m的正方形區(qū)域，模擬1"m3的立方體聚乙烯薄膜，并向正方形區(qū)域中局部初始化體積分?jǐn)?shù)為30%的氫氣。設(shè)置初始溫度為300"K，初始速度為0"m·s-1，初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓力0.1"MPa，密度為1.27"kg·m-3?？紤]重力因素的影響，重力加速度設(shè)置為-9.8"m·s-2，方向垂直向下。
1.2 "數(shù)學(xué)模型
根據(jù)有關(guān)流體力學(xué)的控制方程組、k-epsilon"（2eqn）黏性模型、湍流模型、Species Transport組分模型等建立氫氣預(yù)混氣云爆炸的數(shù)學(xué)模型，并采用壓力基耦合求解器進(jìn)行求解。根據(jù)氫氣爆炸的特征，氫氣、空氣在發(fā)生爆炸時(shí)均可視為理想氣體，因此組分方程、能量方程、動(dòng)量方程等可以如下表示。
連續(xù)性方程為：
（1）
組分方程為：
（2）
動(dòng)量方程為：
（3）
能量方程為：
=
（4）
其中，
（5）
式中：p—壓力；
T—絕對(duì)溫度；
u—速度；
ρ—密度；
Ri，r—反應(yīng)速率；
μeff—總有效流動(dòng)黏度；
Sceff—有效施密特?cái)?shù)；
Preff—有效特朗普數(shù)。
1.3 "模型驗(yàn)證
參考李艷超[10]對(duì)均勻氫氣預(yù)混氣云爆炸過(guò)程進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)聚乙烯薄膜來(lái)封閉邊長(zhǎng)1"m的立方體框架，并向立方體框架中充入氫氣，使氫氣與空氣預(yù)先混合好，然后在氣云中心位置點(diǎn)火。分別在距離點(diǎn)火位置3、6、9"m處放置聲壓傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該點(diǎn)壓力。為了驗(yàn)證所建數(shù)值模型的正確性，對(duì)該實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，所選數(shù)值參數(shù)、點(diǎn)火位置以及壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)均與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相同。均勻濃度氣云的爆炸超壓-時(shí)間曲線如圖1所示。
通過(guò)對(duì)比2條曲線，從圖像走勢(shì)來(lái)看，相對(duì)吻合性較好，都是先經(jīng)歷了最大正超壓，又經(jīng)歷了最大負(fù)超壓，最后經(jīng)歷一次很小的二次正超壓。為了更好地驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，氫氣爆炸超壓的實(shí)驗(yàn)值與模擬值如表1所示。
由表1可知，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離點(diǎn)火位置越遠(yuǎn)，最大超壓的絕對(duì)值越小。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，二者正超壓的相對(duì)誤差較小，負(fù)超壓較之偏大。數(shù)值模擬的最大相對(duì)誤差為14.96%，總平均誤差為9.94%。以此可知，利用該模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氫氣預(yù)混氣云的爆炸威力。
2 "結(jié)果與分析
2.1 "濃度的不均勻性對(duì)爆炸壓力的影響
為研究開(kāi)敞空間條件下具有濃度梯度的氫氣氣云爆炸過(guò)程，分別設(shè)置三層、五層以及七層不同平行濃度梯度的氫氣濃度分布。對(duì)于三層濃度氣云，由內(nèi)到外分別充入40%、30%、20%的氫氣，氣云半徑分別為0.20、0.40、0.65 m；五層濃度氣云，由內(nèi)到外分別充入50%、40%、30%、20%、10%的氫氣，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.30、0.48、0.65 m；七層濃度氣云，由內(nèi)到外分別初始化70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的氫氣，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.28、0.37、0.45、0.54、0.65 m。不同氣云層數(shù)均設(shè)置10"J點(diǎn)火能量，選擇氣云中心位置點(diǎn)火。不同均勻度氣云爆炸壓力-時(shí)間變化曲線圖如圖2所示。
由圖2可以看出，隨著氣云層數(shù)的增加，最大爆炸超壓逐漸降低，這說(shuō)明氣云濃度分布越不均勻，產(chǎn)生的爆炸壓力越小。在氫氣爆炸的早期階段，爆炸壓力急劇升高，三層濃度梯度氣云在17"ms達(dá)到最大爆炸壓力1.8"kPa，之后壓力出現(xiàn)急劇的下降，減小到負(fù)壓，在42"ms時(shí)達(dá)到-1.85"kPa。隨著爆炸的結(jié)束，出現(xiàn)較小的第二次正超壓，最后爆炸壓力回到爆炸前狀態(tài)。三層氣云出現(xiàn)最大速度峰值的時(shí)間最早，層數(shù)越多峰值出現(xiàn)得越晚。這說(shuō)明氫氣濃度分布越不均勻，爆炸壓力上升速度越慢，達(dá)到最大爆炸超壓所需的時(shí)間越長(zhǎng)。
2.2 "不同濃度分布的爆炸超壓
研究氣云濃度分布的不均勻性對(duì)氫氣爆炸的影響時(shí)，所設(shè)置的三層、五層及七層氣云均為由內(nèi)到外濃度越來(lái)越低的情況，現(xiàn)針對(duì)由內(nèi)到外濃度逐次增加這種情況進(jìn)行研究。對(duì)于三層濃度氣云，由內(nèi)及外分別充入20%、30%、40%的氫氣，氣云半徑分別為0.20、0.44、0.65 m；五層氣云，由內(nèi)及外充入氫氣的量分別為10%、20%、30%、40%、50%，氣云半徑分別為0.10、0.20、0.34、0.50、0.65 m。七層氣云由內(nèi)及外分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% ，氣云半徑分別為0.25、0.40、0.46、0.52、0.57、0.61、0.65 m。選取氣云中心位置點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為10"J，保證氫氣總量和氣云大小一定。不同濃度分布?xì)庠频谋ǔ瑝号c時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示。
圖3中A為氫氣氣云濃度由內(nèi)到外逐層降低的情況，B為氫氣氣云濃度由內(nèi)到外逐層增加的情況，1、2、3分別代表三層氣云、五層氣云和七層氣云。氣云由內(nèi)到外濃度逐次遞減時(shí)產(chǎn)生的最大爆炸超壓遠(yuǎn)高于逐次遞增的情況，超壓值約為其2倍。內(nèi)部濃度高時(shí)壓力上升速度快，達(dá)到最大超壓的時(shí)間明顯縮短。五層和七層由內(nèi)到外濃度逐次遞增的氣云，最內(nèi)部氫氣體積分?jǐn)?shù)僅有10%，所以產(chǎn)生的最大爆炸壓力很小，僅有不到0.5 kPa。
2.3 "點(diǎn)火位置對(duì)氫氣爆炸的影響
以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，在單元寄存器中設(shè)置3個(gè)半圓，半徑分別為0.20、0.40、0.65"m，然后從小到大分別局部初始化40%、30%、20%的氫氣。內(nèi)部點(diǎn)火選取點(diǎn)火位置為坐標(biāo)（0，"5），中間點(diǎn)火位置坐標(biāo)為（0，"30），外部點(diǎn)火位置坐標(biāo)為（0，"60），坐標(biāo)單位為厘米。距點(diǎn)火位置3"m處爆炸超壓-時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示。
圖4中測(cè)試1為氣云內(nèi)部點(diǎn)火，測(cè)試2為氣云中間位置點(diǎn)火，測(cè)試3為氣云外部點(diǎn)火。內(nèi)部點(diǎn)火產(chǎn)生的爆炸超壓最大，且遠(yuǎn)高于其他2個(gè)點(diǎn)火位置。中間點(diǎn)火和外部點(diǎn)火產(chǎn)生的最大爆炸壓力雖相差很小，但是外部點(diǎn)火產(chǎn)生的最大負(fù)壓要遠(yuǎn)低于中間點(diǎn)火，這是因?yàn)橥獠繗庠浦車(chē)际强諝?，氧氣充足。隨著監(jiān)測(cè)距離的增大，3個(gè)點(diǎn)火位置的爆炸超壓均逐漸減小。內(nèi)部點(diǎn)火產(chǎn)生的最大超壓最大，主要是因?yàn)榛鹧鎸?duì)稱(chēng)傳播，所在點(diǎn)火區(qū)域氫氣濃度高，預(yù)混氫氣氣云燃燒的速度快，火焰?zhèn)鞑サ叫狗趴谒脮r(shí)間快。外部點(diǎn)火時(shí)，出現(xiàn)了3次正壓、2次負(fù)壓，而其他2個(gè)點(diǎn)火位置均是先后出現(xiàn)正壓-負(fù)壓-正壓的曲線，這是由于隨著時(shí)間的推移，氫氣向四周擴(kuò)散，氣云邊緣處氫氣濃度不穩(wěn)定。
3 "結(jié) 論
通過(guò)CFD軟件對(duì)氫氣預(yù)混氣云爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了在無(wú)約束條件下均勻氣云與不均勻氣云的爆炸規(guī)律，并將均勻氣云的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所用氣云模型的正確性。結(jié)論如下：不均勻氣云產(chǎn)生的爆炸壓力要遠(yuǎn)小于均勻氣云。氫氣濃度分布越不均勻，產(chǎn)生的爆炸壓力越小，且達(dá)到最大爆炸超壓的時(shí)間越長(zhǎng)；點(diǎn)火中心區(qū)域分布的氣云濃度越高，產(chǎn)生的爆炸超壓越大。所以在儲(chǔ)存有大量氫氣的區(qū)域及其周邊安全間距范圍內(nèi)，禁止明火，做好防靜電處理；在不同點(diǎn)火位置產(chǎn)生的爆炸超壓不同，氣云中心位置點(diǎn)火產(chǎn)生的爆炸超壓最大，而外部點(diǎn)火時(shí)，由于氣云邊緣處氫氣濃度受到周?chē)髿庥绊?，?dǎo)致爆炸壓力出現(xiàn)多處波動(dòng)。
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Effect of Concentration Gradient on Explosion
Characteristics of Industrial Combustible Gas Cloud
DAI Shuqi， GUO Wenjie， TU Yue， YANG Junjie， HAN Jiahao
（School of Chemical Engineering and Safety， Binzhou University， Binzhou Shandong 256600，"China）
Abstract："The concentration distribution of combustible gas cloud formed by industrial pipeline leakage is often uneven. In order to simulate the explosion of industrial combustible gas leakage and improve the accuracy of calculation， the explosion process of industrial combustible gas cloud was"simulated with parallel gradient concentration gas cloud explosion as the research object， and the characteristics of gas cloud explosion caused by industrial combustible gas leakage were"simulated with uniform gas cloud and multi-layer heterogeneous hemispherical gas cloud with parallel gradient concentration as the research object. The effects of ignition position， concentration distribution on the explosion of hydrogen gas cloud were studied by taking three parallel concentration gas clouds as examples. The results"showed"that compared with the uniformly distributed gas cloud， the explosion shock wave generated by the gas cloud with gradient concentration was"significantly weakened， and the more uneven the hydrogen concentration distribution and the lower the hydrogen concentration at the ignition position， the smaller the explosion overpressure generated. The results of this paper provide"data reference for the prediction of the consequences of hydrogen gas cloud explosion and accident prevention.
Key words：""Industrial combustible gas cloud; Explosion overpressure; Numerical simulation; Parallel concentration gradient
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