FLACS在受限空间可燃气体爆炸传播研究中的应用

徐景德，李 晖，郝 旭

(华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

FLACS在受限空间可燃气体爆炸传播研究中的应用

徐景德，李 晖，郝 旭

(华北科技学院 研究生处，北京 东燕郊 101601)

天然气爆炸严重危害社会稳定和市民的生命财产安全，管道内天然气爆炸特性的研究对企业的安全生产和社会稳定具有重要意义。本文基于受限空间可燃气体爆炸传播的特点和机理，系统介绍专业爆炸分析数值模拟软件FLACS的功能，并探讨其在球状、管状、罐状空间内可燃气体爆炸事故中的应用，总结FLACS软件的优势和发展前景，为天然气产业安全与发展提供了理论支持。

FLACS；受限空间；可燃气体；爆炸传播

0 引言

可燃气体爆炸是包含多个复杂化学反应的强动力变化过程，爆炸威力大、破坏范围广，同时伴随产生高温高压现象和有毒有害气体，对周围的人、物体和环境造成极大的损害和破坏。爆炸另外一个特点是持续时间短，威力大的爆炸一般持续时间也是在秒级范围内，因此爆炸事故调查非常困难，尤其是爆炸原因、爆炸过程和破坏后果估算等事故调查关键因素难以精确掌握。爆炸事故调查一般有三种方法。一种是现场当事人员访问，但是爆炸事故现场混乱，事故中心现场人员生还机率低，通过现场调查研究爆炸原因比较困难[1]。第二种是实验模拟，但是实验研究成本较高，受场地和实验器材的限制，实验模拟结果受温度、湿度等环境因素的影响较大，因此，在爆炸事故中，通过实验模拟再现事故发生过程的方法并不普遍。第三种是计算机仿真模拟，随着计算机技术的发展，数值模拟技术也日渐成熟，现在数值模拟已经基本弥补了实验研究的缺陷。数值模拟方法易操作、成本低，可以设置稳定的边界条件，舍去事故中的非本质因素，定量的描述事故情况及其发展过程，从而使结果具有更为普遍的物理意义，帮助研究人员更深入地了解事故的物理本质。

为了有效地防止受限空间内可燃气体爆炸事故的发生，国内的学者很多借助成熟的CFD商用软件进行了大量研究，并且已经取得了显著成果。目前较为广泛地用于可燃气体爆炸模拟的CFD商用软件主要有FLACS、Fluent、AutoRea Gas、Phoenics、Dytran等。

张玉周等人运用Dytran分析障碍物对爆炸传播的影响，研究得出：障碍物的存在对冲击波的传播有激励效应[2]。曲志明等人运用了AutoRea Gas软件研究出瓦斯爆炸的传播和衰减主要以冲击波的传播和衰减为主，爆炸产物的膨胀效应以及巷道摩擦阻力使得冲击波在传播过程中存在能量损失，进而促使压力波逐渐衰减[3]。邓飞等人运用Fluent软件对模型巷道中的瓦斯爆炸过程进行了数值模拟，得到了不同时刻火焰阵面的发展情况。通过对火焰阵面发展情况的观察，推测事故中瓦斯爆炸的具体情况[4]。蔺伟等利用Fluent进行数值模拟研究。结果表明：与浓度均匀分布的情况相比，浓度梯度的增加，改变了爆轰的压力分布，增加爆炸传播威力，造成更大的破坏力[5]。

CFD商用软件的应用目前已经取得了很多成果，但是依然存在很多局限性，例如：有限的事故场景适应性；不能表现爆炸发生场所的几何结构的不对称性；不能表现爆炸事故的不对称性；爆炸强度的表现力有限等。

本文介绍在国外使用较为普遍的FLACS软件在受限空间可燃气体爆炸传播过程的应用。

1 可燃气体爆炸传播机理分析

可燃气体的爆炸是由引火源引燃局部气体，产生的火焰在混合气体中向前传播的一种快速燃烧现象，其本质是一种燃烧现象，是在已燃气体和未燃气体交界面上发生的化学反应过程。

当预混可燃气体被引火源引燃后，会迅速形成一个以点火源为中心的小火球，并以同心球面波的形式一层层向外传播。反应过程中燃烧产物不断膨胀，未燃气体受到压缩，产生一定的压力梯度，形成压力波(即前驱冲击波)，并不断地向未燃区域传播。在压力波的作用下，火焰波不断向前移动，未燃气体被压力波锋面压缩，并在高温作用下被迅速点燃，形成新的火焰并迅速形成湍流，导致火焰在预混气体中逐渐加速，最终将可燃气体全部点燃。如图1所示，假定点火位置在左边界中心点，整个爆炸区自左向右可以分为三个区域：已燃区，火焰区和未燃区[6，7]：

图1 管状空间可燃气体爆炸物理模型

爆炸后，高温的燃烧产物继续加热周围的气体并且使其迅速膨胀，爆炸反应的初期，未燃气体高速膨胀并与空气冲击波共同作用，压力波不断增大，速度快速增加。随着该过程的进行，不断增大的爆炸产物吸卷了增大的全部空气质量，因此，膨胀出现下降并且逐渐与空气冲击波产生脱离。与之脱离后的空气冲击波，会借助燃烧产物膨胀而获得的能量继续向前高速传播，此过程将继续加速空气冲击波的能量，并使之获得更强的破坏力，这便是可燃气体爆炸传播与一般燃烧传播的本质区别[8，9]。

2 FLACS软件在数值模拟中的应用

2.1 FLACS软件简介

FLACS 软件是挪威GexCon(CMR / CMI)公司基于CFD技术开发的一款三维计算流体力学软件，包含扩散，爆炸，氢气，粉尘，火灾等五个模块，是当前在扩散，火灾和爆炸安全分析领域顶尖的CFD软件。FLACS以描述火焰发展实现对燃烧和爆炸建模，研究局部反应随着压力、温度、浓度、湍流等多个参数的变化。FLACS软件将湍流和化学反应耦合，采用有限体积法在三维笛卡尔网格下求解可压N-S方程，并配合边界条件求解计算区域中的超压、火焰速度和燃料消耗量等变量的值：

其中:φ代表通用求解变量(包括质量、动量、能量等)；

ρ是气体密度(kg/m3)；

xj代表在j方向上积分；

μi代表i方向上的速度矢量；

Γφ是扩散系数；

Sφ为源项[10]。

16.关于陈宝生部长“三进”工作落实的途径：五是在思想上确保进入，要从落实立德树人根本任务的战略高度，带着立场、情感、温度来统筹推进“三进”工作，做到感情和行动相统一。

该方法考虑了火焰和设备、管道等因此之间的相互影响和作用，可以直接对气体爆炸冲击波进行计算。

2.2 FLACS软件的模拟应用

FLACS软件基于真实复杂的几何场景来评估可燃气体的扩散和潜在的爆炸情况及其后果，以便确定作用在研究对象上的设计爆炸载荷。FLACS软件模拟可燃气体爆炸的结果有助于：1、基于真实的通风情况和泄漏情况研究爆炸后果；2、推断爆炸风险，确保可靠性；

3、最优化的防爆安全设计；4、检验现有的防爆设施等[11]。

2.2.1 FLACS对球形空间可燃气体爆炸的模拟研究

张群等人在相同的实验条件下，分别模拟了20L近球形爆炸实验装置内甲烷，一氧化碳，氢气，乙烷等不同可燃气体的爆炸极限。通过对比数值模拟结果与实验结果，验证了FLACS软件在模拟可燃性气体爆炸方面的可行性。此外还研究了点火位置、气体成分浓度、障碍物和密闭情况等因素对巷道内瓦斯爆炸过程的影响。张群等人的研究确定了巷道内瓦斯爆炸传播的影响因素，为矿井和化工厂对可燃气体爆炸事故的预防和控制提供了一定的理论依据[12]。

为了对矿井瓦斯爆炸灾害进行有效地防治、安全评估和事故调查，罗镇敏等人通过实验和数值模拟方法研究了XKWB-1型近球型密闭式气体爆炸特性测试装置内的甲烷爆炸过程，结果表明，添加辐射模型的数值模拟结果与实验结果更加吻合，平均误差仅1.88%，说明辐射换热是瓦斯爆炸过程中除热传导和热对流外主要的热量传递方式。研究说明，添加辐射模型的数值模拟结果更加准确，其误差基本符合工程需要，因此，在对复杂环境下的瓦斯爆炸情况进行数值模拟时，应该考虑添加辐射换热模型以确保模拟结果的准确性[13]。

图2 8%和10%浓度甲烷爆炸曲线数值模拟与实验结果对比

2.2.2 FLACS对管状空间可燃气体爆炸的模拟研究

陈晓坤等人研究了巷道中障碍物、瓦斯浓度等因素对瓦斯爆炸传播过程中压力场的影响，并得出了压力—时间曲线图。由图3可以看出，障碍物对瓦斯爆炸传播过程有较大影响，有障碍物存在的情况下，瓦斯爆炸压力波的变化幅度相对于无障碍物的情况下迅速增大，但爆炸压力峰值相对减小；爆炸压力波沿巷道传播过程中波动衰减。陈晓坤等人的研究具有一定的工程意义，其研究结果为井下巷道的优化布置提供了一定的技术支持[14]。

图3 9.5%瓦斯浓度压力—时间曲线

白岳松模拟研究了直管道中瓦斯爆炸的火焰和压力传播过程并和分叉管道情况下的爆炸传播情况进行了对比，得出火焰阵面传播到分岔口时的火焰云图，从图4可以看出，在即将到达分叉口时，出现湍流现象，火焰燃烧面积显著增加；爆炸所产生的火焰燃烧速率和冲击波压力都出现了大幅度的增加，破坏程度加大。根据研究结果，在矿井设计开拓、可燃气体输运的过程中应尽量减少管道分叉，避免复杂管道情况的出现[15]。

图4 分叉口的火焰云图

2.2.3 FLACS对罐状空间可燃气体爆炸的模拟研究

王学歧等人分别模拟了不同点火位置，障碍物位置，阻塞度情况下，某企业液化气球罐区的液化气泄漏扩散、爆炸事故后果，展现了通过观察火焰锋面及爆炸超压分布图的变化分析爆炸后果的威力变化，反推事故发生的过程，并找出事故原因的方法[10]。结果表明，FLACS能够详细地分析液化气体出现泄漏爆炸后，空间各部位的超压变化规律和趋势，并能从不同角度、不同层面来分析影响液化气泄漏爆炸的各因素，并且可以对爆炸冲击波进行三维的动态展示。研究结果为企业的事故预防、风险评价和事故调查等提供了有效的技术支持。

3 结论及展望

(1) FLACS软件采用分布式多孔结构的思想来表现几何形状，将小于网格尺度的火焰用亚格子模型来表现，因此对于爆炸场景和爆炸传播火焰的描述更加细致，使得模拟结果更加精确。

图5 2.3 s时火焰锋面及超压分布图-xz面

图6 2.3 s时火焰锋面及超压分布图-yz面

(2) 相比其他数值模拟软件，FLACS软件能够研究更复杂的情况，刻画更复杂的爆炸场景和爆炸传播条件，在更真实的场景下研究爆炸过程。

(3) FLACS是一款专业的爆炸分析数值模拟软件，在爆炸风险评估方面具有权威性，但目前该软件在国内还未得到广泛应用，应用FLACS进行模拟研究的例子较少，可以考虑进一步发展，充分利用。

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Application of FLACS in the Study of Numerical Simulation of Gas Explosion in Confined Space

XU Jing-de，LI Hui，HAO Xu

(GraduateDepartment，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

The explosion of gas seriously endangers social stability and people’s live and property safety，the research on the explosion characteristics of gas is of great significance to the safety production and social stability. Based on the characteristic and mechanism of gas explosion in confined space，in this paper，the function and application of FLACS the professional explosion analysis numerical simulation software， is systematically introduced，to study its application of gas explosion in spherical space，tubular space and tank space， summing up the advantages and prospects of FLACS，which provides theoretical support for the safety and development of gas industry.

FLACS; confined space; combustible gas; explosion propagation

2016-03-12

国家自然基金面上项目(069825)，中央高校基本科研业务费资助项目(3142015122，3142015118)

徐景德( 1965-)，男，安徽安庆人，博士，教授，硕士生导师，华北科技学院研究生处处长，研究方向为矿井瓦斯灾害防治及安全监管监察。E-mail: xujd1430@126.com

TD712.7

A

1672-7169(2016)03-0007-05