非均匀混合可燃气云爆炸的数值计算方法

杨石刚 方秦 张亚栋 陈力 鲍麒 李展

中国人民解放军理工大学国防工程学院

可燃气体或低沸点可燃液体，由于事故性泄漏形成可燃气云，遇到合适的点火源容易引发蒸气云爆炸事故，可导致严重的财产损失和人员伤亡，是现代工业的主要灾害形式之一。对蒸气云爆炸后果的研究，开始于20世纪70年代，国内外很多研究机构和高校都从事这方面的研究工作［1－2］。

近年来，随着计算流体动力学的快速发展，国内外研究者采用数值模拟方法对气体爆炸进行了大量的研究。Janovsky等［3］和 Hansen等［4］介绍了利用简单的物理模型（如TNO多能法、Baker－Strhlow和阻塞评估模型等）预测气体爆炸后果的不足，并用Stramberk矿道甲烷—空气混合物爆炸实验和经典的天然气爆燃实验数据（MERGE、EMERGE、BFETS、HSE、NIOSH实验）分别对计算流体动力学（CFD）软件AutoRea－Gas和FLACS进行了验证；Popat等［5］应用自己开发的CFD 软件（EXSIM、FLACS、REAGAS、COBRA、GEISHA）模拟了欧共体资助的气体爆炸模型和实验研究工程（MERGE），对各个软件模拟气体爆炸的能力进行了评价；Makarov等［6］和 Garcia等［7］总结了7家单 位 用 不 同 CFD 程 序 （CAST3M，COM3D，FLACS，REACFLOW，AutoReaGas，bob和 Fluent）对实验的模拟，并对各个程序数值计算的火焰速度、最大超压、特征压力上升速率以及最大冲量与实验结果进行了比较，讨论了各个程序的应用范围和局限性。国内罗艾民等［8］运用AutoReaGas软件对受限空间泄漏天然气爆燃过程进行了数值模拟，分析了影响爆炸场冲击波超压的主要影响因素，并将结论应用于事故调查中；曲志明等［9］应用AutoReaGas软件对掘进巷道置障条件下瓦斯与空气混合气体的燃烧爆炸进行了分析和研究；陈文瑛等［10］利用AutoReaGas定量研究障碍物、障碍物阻塞比对开敞空间可燃气云爆炸超压场的影响以及爆燃超压随测点距离变化的分布规律；李小东等［11］利用AutoReaGas软件，模拟了巷道中瓦斯浓度和火源对瓦斯爆炸传播的影响。

总的来看，这些基于AutoReaGas软件的数值模拟，仅限于气云浓度均匀分布的蒸气云爆炸，对非均匀混合的高斯气云爆炸未见公开报道。

AutoReaGas软件对可燃气体爆炸后果的研究是基于理想化的均匀混合气云模型，即保守地将气体的浓度分布假定为均匀的化学计量浓度场，而生产、生活以及工业实际中不太容易形成均匀气云，而是形成非均匀混合的高斯气云，导致软件预测结果（如超压）比实际测量或事故现场观测值偏大［3－7］。

鉴于此，本文对AutoReaGas程序进行了如下改进：先利用Fluent软件计算出非均匀浓度场，并开发了AutoReaGas软件接口，将原来均匀分布的浓度场替换成非均匀分布浓度场；与自然扩散型气云爆炸实验的对比表明，非均匀混合气云爆炸的数值计算更加符合实验结果。

1 非均匀混合可燃气云爆炸的AutoReaGas计算方法

AutoReaGas的标准计算步骤为［12］：建立几何模型并划分网格，设定相应的边界条件和参数，选择气体爆炸或爆炸波求解器进行求解。

笔者提出的非均匀混合可燃气云爆炸的改进数值计算方法框架（图1），包括以下程序：通用的流体计算软件Fluent；模拟气体燃烧、爆炸的程序AutoRea－Gas；几何图形模拟以及网格生成的前处理程序ICEM CFD。

图1 程序框架结构图

改进计算方法步骤：①首先用ICEM CFD产生所需的几何结构以及网格，也可以从其他CAD／CAE软件导入所需要的几何模型或网格，如Gambit，True－Grid等，在ICEM CFD中生成2D／3D的非结构化网格（得到＊＊.msh文件），并将生成的非结构化网格转化为结构化网格（得到＊＊.geo文件）。②然后将得到的＊＊.msh文件导入Fluent软件中，设定相应的边界条件和流体物性，求解计算域的浓度场分布（得到＊＊.rst文件）。③将得到的＊＊.geo文件和＊＊.rst文件导入AutoReaGas中，替换掉之前的均匀浓度场，然后执4行求解器运算，就得到非均匀混合气云爆炸的温度、压力等变量（图2）。

2 计算方法的实验验证

图2 AutoReaGas接口示意图

1999年罗正鸿等以乙炔与空气混合形成的非理想爆源为实验对象，在大连理工大学的开敞空间气相爆炸野外实验基地对自然扩散所形成的气云点火后的爆炸规律进行了实验研究［13］，考察最大超压随气云大小和点火位置的变化情况。实验的点火点和传感器位置如图3、4所示，其中一组自然扩散型预混气云爆炸的实验结果见表1。

从Fluent数值模型和计算结果（图5）可以看出，自然扩散型气云的浓度在空间为非均匀的高斯分布，从气源中心往外，浓度依次减小，对于这种情况的气云爆炸模拟，未经改进的AutoReaGas软件将不再适用。

图3 实验的点火位置图

图4 传感器位置布置图

表1 自然扩散型预混气云爆炸实验数据表［13］

图5 Fluent数值模型及计算结果图

AutoReaGas数值模型如图6所示。AutoRea－Gas、修正后的AutoReaGas计算结果及实验结果对比情况见图7。

从图7可以看出：利用Fluent软件计算的非均匀浓度场替换原来均匀分布的浓度场后，模拟的气云爆炸超压与实验结果吻合较好，特别是冲击波最大负超压与实验结果比较接近。另外，模拟达到最大超压的时间也与实验比较接近。由此可见，笔者所提出的改进计算方法是有效的、可靠的。

图6 AutoReaGas模型图

3 工程实例

选定某盐岩天然气地下储气库注采站，事故场景设定为注采站套管因运营压力失控、地震、恐怖袭击等原因出现泄漏，考虑对泄漏点周边区域的影响。泄漏点中心位于地面，坐标（67，62，0），泄漏孔径为216 mm，泄漏方向垂直于地面，依据推导的盐岩储库气体泄漏计算方法［14］，计算出天然气（甲烷）泄漏源强为173kg／s。注采站长80m、宽60m，为减小边界条件对模拟的影响，计算区域的长×宽×高定为150m×100m×30m，x轴正向为正东方向，y轴正向为正北方向，z为垂直方向。

图7 自然扩散型预混气云爆炸所产生的超压（p）—时间（t）曲线对比图

浓度采用Fluent软件计算，湍流模型选用标准的k－ε模型，模拟的流速为亚音速，选用不可压缩理想气体模型，用基于压力的隐式求解器求解。模拟过程分3个阶段：构建不同风向的基本风场；以构建的基本风场为泄漏初始条件模拟5min的连续泄漏；模拟停止泄漏后3min甲烷随风场的自由扩散。具体的模拟过程及计算结果见本文参考文献［15］。

假定气体泄漏发生在某个注采井单元（图8），泄漏区域为10m×10m×5m。将Fluent计算的浓度场通过开发的子程序导入到AutoReaGas中，初步模拟储气库燃烧爆炸产生的爆炸压力场，计算结果见图9、10。

由图9的计算结果可以看出，利用改进的Auto－ReaGas软件可以得到非均匀混合的高斯气云爆炸时，盐岩天然气地下储气库注采站不同位置的超压时程曲线。由图10可以看出，从点火点（即气体泄漏源）往外爆炸峰值超压依次减弱，不管是横向还是纵向布置的测点计算的峰值超压（正压或负压）均有这样的规律。由此可见，改进的AutoReaGas软件能较好地模拟盐岩天然气地下储气库注采站非均匀混合的高斯气云爆炸，扩大了软件的适用范围。

图8 注采站（储气库）计算模型图

图9 部分测点超压时程曲线图

4 结论

针对AutoReaGas软件中假定气体浓度均匀分布导致预测结果比较保守的不足，开发了浓度接口进行改进，通过与自然扩散型气云爆炸实验的对比，验证了本文改进计算方法的有效性，具体结论如下。

图10 部分测点峰值超压图

1）开发了AutoReaGas软件浓度接口，可以将Fluent软件计算的非均匀浓度场耦合进AutoReaGas软件，将原来均匀分布的浓度场替换成实际的浓度场，与实验结果对比分析表明，本文的改进计算方法有效地提高了计算精度。

2）改进的AutoReaGas软件能较好地模拟盐岩天然气地下储气库注采站非均匀混合的高斯气云爆炸，扩大了软件的适用范围。

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