室内可燃气体－空气预混爆炸特性的数值模拟

汪 涛， 李小东

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

引 言

随着经济的发展，越来越多的农村地区发展成为城镇和小型城市，燃气的消耗量也随之急剧增加。城市居民早已习惯使用天然气代替煤作为家庭燃料，与此同时，在工业领域气体燃料的应用范围也在不断扩大。气体燃料的特点是易泄漏和易燃、易爆，当这些可燃气体在室内发生泄漏后，就会增加火灾发生的危险性。天然气普及后，爆炸事故的数量在迅速增加，尤其是室内煤气爆炸事故频繁发生，造成大量的财产损失和人员伤亡［1］。这些都引起人们对气体爆炸研究的日益重视，采取何种措施更能积极有效地把爆炸范围和可能造成的破坏控制在最小程度，成为安全工作者关注的焦点。

国内宁建国教授所领导的课题组［2］采用基于人为燃烧函数法的多流体网格程序，对管道内和球形容器内的煤气爆炸进行了二维数值模拟，并对这一过程开创性地进行了可视化研究。陈林顺［2］运用AutoReaGas软件对煤矿井下独头巷道中的瓦斯爆炸以及室内煤气泄露后的爆炸进行了数值模拟。林柏泉［3］采用描述火灾传播过程的Pheonix计算程序，建立常压下火焰传播过程的数学模型，虽然对瓦斯爆炸传播路线上障碍物前、后冲击波变化进行了数值模拟，但在障碍物存在的条件下，冲击波波阵面前、后的强间断情况无法处理，模拟结果存在较大的失真。周凯元等［4］设置加速环对爆燃火焰在直管中加速运动的规律及影响因素进行了实验研究，得出结论，闭端点火比开端点火火焰加速增大5倍以上，且管径较大，加速也较大；点火能量的影响仅限于火焰的传播初期，而障碍物对爆燃火焰的加速影响很大；对当前的工业阻火及防爆安全提出了更新的要求。

1 气体爆炸的数值方法与物理模型

一般来说，对爆炸过程进行仿真模拟的基本方法是，先建立物理模型和数学模型，根据研究问题的特征建立数值模型，然后编制程序进行数值模拟，最后对数值模拟结果进行分析，得出结论。甲烷是煤气的重要成分，为了方便参数设置，本文以甲烷为主采用AutoReaGas软件对煤气爆炸过程进行模拟。

2 可燃气体－空气预混燃的爆炸特性的数值模拟

本文建立的是一套80m2的两室一厅的模型，用来模拟煤气泄漏后发生爆炸所造成的损害。选取甲烷作为研究对象，空气为助燃性物质。因为绝大部分气体爆炸是在空气环境下发生的，为了使本文的研究工作与实际更接近，所以选择空气作为氧化性气体。

2.1 初始条件设置

考虑到模拟真实的房间构造较复杂，本文将房间简化为长9.25m、宽8.15m、高2.60m 的长方体，忽略外墙厚度，对体积分数为9.5%的甲烷－空气预混气体爆炸进行模拟。建立模型如图1。

图1 室内气体（甲烷）爆炸模拟模型的平面图

2.1.1 测点、障碍物和通风区设置

模型中1～25的测点是均匀分布，高度均为1.3m。第1个测点的坐标为（1.6，1.4，1.3），以（1.8，1.6，0）的步长增加测点，然后在各通风口增加1个测点，共29个测点。第1、6、26个测点所在位置是厨房。房间中障碍物主要有内墙、家具、灶台等。内墙如图1所示，统一厚度为0.25m，共6堵。

2.1.2 点火初始条件

对于室内均匀甲烷预混气体或局部气体爆炸和障碍物条件下气体爆炸，假设某一处预混气体遇到点火源发生爆炸。点火源产生能量加热火焰附近的局部甲烷预混气体，使其温度迅速升高达到着火温度而点燃；然后，甲烷气体借助火焰传播使整个甲烷－空气预混气体着火燃烧。点火类型均为球面火源，点火能分别是0.031 299kJ。选取厨房的灶台为点火位置。

2.2 模拟结果的分析

图2为点火后不同时刻室内的火焰温度场分布。从图2中可以较为直观地看到气体爆炸后温度的发展变化过程。

图2 不同时刻室内的火焰温度场分布图

点火后，点火位置附近的温度开始迅速上升，火焰以缓慢的速度向四周传播，火焰面呈半球形，且表面光滑，表明此时的火焰以层流方式传播。当火焰逐渐接近壁面后，由于受到墙壁阻碍和约束作用，火焰改变方向，与已燃区内的已燃气体相作用，使已燃区内发生湍流。墙壁的约束加剧了湍流的产生，在湍流的作用下，火焰开始发生变形、拉伸，火焰进入加速传播阶段。

图3为点火后不同时刻室内的火焰超压场分布。从图3可以较为直观地看到气体爆炸后压力的发展变化过程。

图3 不同时刻室内的火焰超压场分布图

点火后，点火位置附近的压力迅速增大，并且向周围蔓延，图3分别截取了第1001、2001、3001次和循环最后一次的云图来形象地表示室内超压场随时间的变化状况。

第34页图4是选取各房间典型测点和通风区测点的温度随时间变化曲线。

第34页图5是选取各房间典型测点和通风区测点的超压变化曲线。由图5中看出，点火后，房间各处的温度迅速上升到最大值，且当超压快速升到最大值后，就一直在小范围内波动。

图4 温度－时间曲线

图5 超压－时间曲线

3 结论

本文通过AutoReaGas软件对室内可燃气体爆炸进行数值模拟，建立典型的室内物理模型及数值模型，模拟室内可燃气体泄漏后与空气预混爆炸场的特性，得出如下结论：

1）室内可燃气体泄漏后与空气预混爆炸过程中，点火位置、泄爆压力的改变对爆炸场内超温、超压会产生影响。通过建模、模拟得出的曲线图可知，泄爆压力的大小对爆炸产生的超压有巨大的影响，泄爆压力越大，产生的超压就越大；对温度无明显影响。点火位置的改变对温度有一点影响，点火位置改变后，同一测点的温度会发生波动；对压力影响与测点到点火位置的距离有关，同一测点，不同点火位置，距离越近，测点的最大超压越大。

2）爆炸静态超压不会对人或建筑物结构造成严重伤害或损坏，因此，高温烧伤是在室内气体爆炸事故发生后对人造成伤害的最主要因素。由此可见，在实际爆炸发生后怎样减少对人身体的灼烧应该成为研究的重点。

［1］Chen Linshun.The analysis and simulation of BLEVE and VCE accidents［D］.Beijing：School of Mechatronics Engineering，Beijing Institute of Technology，2001.

［2］陈林顺.沸腾液体膨胀蒸气爆炸和蒸气云爆炸事故的分析和模拟［D］.北京：北京理工大学，2001.

［3］Lin Baiquan.The influence of barriers on flame and explosion wave in gas explosion［J］.Journal of Coal Science and Engineering，2008，4（2）：53－57.

［4］周凯元，李宗芬.丙烷－空气爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动［J］.爆炸与冲击，2000，20（2）：137－142.