泄爆口参数对柱形容器泄爆过程影响的数值分析

陈中汉

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

泄爆口参数对柱形容器泄爆过程影响的数值分析

陈中汉

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

本文基于流体力学软件Fluent，通过模拟9.5%的甲烷-空气混合气体在柱形容器内的燃爆与泄爆过程，分析了不同泄爆口位置以及不同泄爆口数量等因素对泄爆过程的影响。结果表明：泄爆过程中普遍存在二次压力峰值现象，泄爆口越远离点火位置，二次压力峰值到达时间越长，峰值压力持续时间越长，压力泄放越慢；等截面积条件下，增加泄爆口数量能在一定程度上加快容器内的压力泄放。

泄爆口参数；影响；数值分析

在石油、化工等行业中存在有大量的储油储气罐，而这些储罐一旦由于静电、高温等诱因致使内部发生燃烧或爆炸，产生的高温、高压往往会破坏容器，造成严重的二次事故。泄爆是为了将容器内的高温高压流体通过一定的装置泄放到其他空间，从而降低原容器内的温度、压力，进而保证容器的安全控制。然而，由于化学燃爆泄放的复杂性，目前尚没有统一的泄放设计标准。

对于压力容器开口泄爆过程影响因素的分析，目前大部分学者主要从泄爆面积、泄爆破膜压力、腔体体积等方面去研究，并得出了较好的结论，然而对于泄爆口位置以及泄爆口数量对泄爆过程的影响，却很少人考虑。基于此，本文采用数值模拟的方式，通过设置不同的泄爆口位置、及数量来研究泄爆过程中腔体内压力的变化规律。

1 泄爆过程模拟的求解模型

1.1 基本假设

受模拟条件限制与问题研究的简化，本模拟中采用以下主要基本假设：①试验气体属于理想气体，满足理想气体基本状体方程；②模拟试验处于绝热状态下，忽略管壁处的热交换；③模拟采用一步反应法，忽略甲烷燃爆过程中的链式反应机理，忽略反应的可逆因素。

1.2 燃爆过程的求解计算模型

一定质量分数可燃气体的燃爆过程是一个快速的化学反应过程，反应过程中满足基本的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程以及组分平衡方程。

Fluent中提供了多种模拟化学反应的模型，其中的通用有限速率模型是基于组分质量分数的输运方程的解，利用预先定义的化学反应机制对反应进行模拟，其化学反应速率以源项的形式附加在组分输运方程中。

Fluent计算流体力学中的化学反应速度，可以通过层流有限速率模型、涡耗散模型、涡耗散概念(EDC)模型等方面进行计算。涡耗散模型是假定在足够精细的涡流尺度条件下，分子级别混合的化学反应在瞬间完成，其燃烧速度主要取决于涡流混合速度。而EDC模型是在湍流流动结构中包含化学反应机理，其假定化学反应都发生在小涡(精细涡)中，而反应时间是有精细涡及化学反应本身需要的时间共同决定的，该模型通过小涡空间分辨率与时间尺度两参数对反应进行控制。

当燃爆速率受化学反应自身速率限制时，其反应速度由修正的阿伦尼乌斯表达式计算，见下式。

式中：k为化学反应速率常数；A为反应的指前因子；T为反应温度/K；β为温度指数；Ea为反应活化能/J/(kg·mol)；R为气体常数/J/(kg·mol·K)。

基于瓦斯燃爆过程和泄爆过程的特点，以及各模型的适用范围，本模拟采用EDC模型模拟甲烷燃爆过程中的化学反应过程，用涡耗散模型模拟泄爆过程中的化学反应过程。

2 构建模型及模型参数设置

模拟采用柱形压力容器进行试验，其二维简化模型如图1所示。其中柱形压力容器直径0.2m，高度1m，长径比为1∶5，充入气体为9.5%的甲烷-空气混合气体，点火区域位于容器底面中心，点火温度2000K，点火区域为半圆形，半径0.004m。

图1 柱形泄爆容器二维简化计算模型

流场初始压力为一个标准大气压，表压力为零，流场静止。容器内气体初始质量组分为甲烷0.053，氧气0.21，氮气0.737。点火区域初始质量组分为：甲烷0；氧气0；二氧化碳0.145；水蒸气0.118。单口泄压时，泄压口长度0.05m，分别位于顶端中央、右侧面中央、右侧面底端。双口泄压时，泄压口单个长度为0.025m，分别位于两侧面底端。泄爆采用开口泄爆方式，泄爆压力设定为40.703kPa。

3 结果分析

3.1 燃爆过程

通过初始化点火区域内的温度与组分，以实现对甲烷预混气体的点火，点火后容器内的温度压力变化情况见图2、图3。

图2 混合气体点燃后柱形容器内温度随时间变化等值线图

图3 混合气体点燃后至泄爆前，柱形容器内压力随时间变化曲线

由图2可以看出，柱形容器内一定浓度的甲烷-空气预混气体在底端被点燃后，燃烧反应随时间增长而逐渐向四周蔓延，反应速度逐渐加快，火焰区域逐渐增大。由于反应生成大量热并在局部积累，致使该区域温度、压力快速升高，而压力波的传播要显著快于温度的传播，因此采用压力来反映容器内的反应情况是较为准确的。从图3的压力变化图中我们也可以看出，随着时间的增长，反应由燃烧向燃爆快速转换，容器内压力快速上升，在30ms左右时，容器内压力达到泄爆设定值。

3.2 泄爆过程

当达到泄爆压力时，模型通过调整出口边界条件实现泄爆过程的控制，通过调节不同位置、数量的泄爆口开闭来模拟泄爆位置对泄爆过程的影响。

3.2.1 不同泄爆位置对泄爆过程的影响

图4显示了泄爆口分别位于顶面、右侧面中央、右侧面底端时柱形压力容器内压力随泄爆时间的变化关系。由此可以得出如下结论。

图4 不同开口位置泄爆，容器内压力随时间变化曲线

1)无论在何处开口泄爆，泄爆过程都是一个较为短暂的过程，当泄爆口打开后，约30ms时腔内压力均已基本降低至了较小值。

2)同时，无论采用哪种开口方式，泄爆过程中容器内压力都存在较为明显二次回升现象。其中，侧面中部开口的二次波峰最先出现，约在33ms处，且二次波峰压力值较高，可达35kPa左右，不过，其二次波峰持续时间较短，约为1～2ms。对于侧面底端开口，其二次波峰出现在约38ms处，二期二次波峰压力值最小，约为5kPa，且持续时间也较短，约4ms。而顶端开口的压力二次波峰约在46ms处出现，峰值约为25kPa，不过其持续时间最长，超过10ms。之所以会出现压力的二次波峰，这主要是由于泄爆时未燃的混合气体泄放时的二次燃爆对泄爆过程起到了一定的阻滞作用。由于点火源位于底端，高温区域也主要集中在了底端部位，当底端高温向泄爆口移动的过程中，加上距离的因素，二次混合燃爆发生的时间、强度就产生了差别。

3)不同的泄爆位置影响泄爆速度与泄爆效果。从图4(d)可以明显看出，侧面底端泄爆过程中压力降低的最快，压力降低到较低值所用的时间最短，且二次燃爆较不明显，二次燃爆峰值较小，因此二次燃爆对泄爆装置的二次扰动较小，较有利于器械的维护。而顶端开口泄爆，泄压速度相对较慢，降低至压力较低值所用时间较长，且二次燃爆十分明显，不利于泄爆装置的维护保养。

3.2.2 不同泄爆口数量对泄爆过程的影响

为研究相同的泄爆面积，而泄爆口数量不同对泄爆效果的影响，本模拟在顶端中央设单个长0.05m的泄爆口，同时在其两侧紧邻位置各设置一个长为0.025m的泄爆口，分别泄爆容器内的压力。变化情况见图5。

图5 等泄爆面积、不同数量泄爆口对泄爆压力影响曲线

从图5中我们可以明显看出，等泄爆面积条件下，双孔泄爆的二次压力峰值首先到达，且峰值大小小于单泄爆口压力峰值大小。图中我们也可以看出，二次压力峰值过后，双孔泄爆的压降速度也相对快与单孔泄爆过程。这主要是由于双孔泄爆时流场被拆分成两束，减小了泄爆口压力集中涌出的局部阻力从而更有利于压力的泄放。

4 结 论

通过模拟9.5%的甲烷空气预混气体的燃爆、泄爆过程，本文研究了不同开口位置及等泄爆面积不同泄爆口数量对于泄爆过程中柱形容器内压力变化的影响，得出如下结论。

1)泄爆过程是一个迅速的过程，且普遍存在二次压力波峰现象。开口位置离点火位置越远，压力二次波峰到达时间越靠后，波峰持续时间越长，腔内压力降低越慢，越不利于泄爆。

2)相同的泄爆面积条件下，泄爆口数量增加在一定程度上能分散泄爆气流，减小泄爆阻力，从而加快泄爆过程，因此将泄爆口分散布置在一定程度上有利于柱形容器内的压力泄放。

[1] 杜志敏.泄爆过程中二次爆炸等异常现象的实验研究[D].南京：南京理工大学，2003.

[2] 董冰岩，彭旭.泄爆面积对柱形容器泄爆过程压力影响[J].工业安全与环保，2012(12)：47-48.

[3] 袁颖，王志荣，蒋军成.球形容器泄爆过程影响因素的数值模拟[J].南京工业大学学报：自然科学版，2012(5)：89-93.

[4] 董冰岩，彭旭.柱形压力容器开口泄爆过程数值模拟研究[J].中国安全科学学报，2011(11)：29-34.

[5] 王志荣，潘沫羽，蒋军成.泄爆外部压力变化特性的影响因素[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2013(5)：535-539.

[6] 朱红钧.流体分析及仿真使用教程[M].北京：人民邮电出版社，2010.

Numericalanalysis on influencing of explosion vent parameters to the cylindrical container venting progress

CHEN Zhong-han

(Faculty of Resources & Engineering，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

Based on FLUENT-the fluid dynamics software，a simulated experiment about the explosion and explosion venting of 9.5 Ch4-air mixture in a cylindrical container is set to analyze the influence of different locations and numbers of venting ports to the pressure decreasing of the container during the venting progress.The results show that：the “two pressure peaks” phenomenon is common in the venting progress.The further the vent is away from the ignition position，the longer of the arrival time of the twice pressure peak and the last time of the peak and thus the slower of the pressure venting progress.Additionally，at the condition of equal venting square，the increasing of the number of vents can be helpful for the pressure venting progress to a certain extent.

explosion venting parameters；influence；numerical analysis

2014-10-27

X936

A

1004-4051(2015)08-0138-03