公路隧道内氢气和丙烷爆炸数值模拟对比分析*

陈长坤，雷　鹏，史聪灵，赵小龙，刘晅亚，陈　杰

(1.中南大学 防灾科学与安全技术研究所,湖南 长沙 410075; 2.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083; 3.中国安全生产科学研究院 地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室，北京 100012；4.建筑消防工程技术公安部重点实验室，天津 300381)

0　引言

随着我国交通运输能力的提高，我国公路隧道不断增多，货物运输量也逐年增加，其中有相当一部分货物属于易燃易爆物品，如氢气、液化石油气等。这些危险物品在通过隧道时一旦发生爆炸，产生的巨大的压力波往往会造成人员伤亡、隧道结构破坏等严重后果[1-2]。如2014年晋济高速公路岩后隧道内甲醇泄漏起火引发的爆炸，共造成40人死亡、12人受伤，直接经济损失8 197万元。隧道内发生的爆炸一般是由可燃气体或者可燃液体的蒸气引发的，因此有必要对隧道内可燃气体爆炸展开相应的分析。

对于隧道内可燃气体的爆炸，国内外学者进行了大量研究；Bie H.Y.等[3]对海底隧道中氢气泄露、蒸气云的形成和燃烧进行了数值模拟，研究了通风和点火延迟对超压的影响；Ma.Q.等[4-8]开展了管道内和隧道内甲烷-空气的爆炸实验，发现燃料浓度对火焰分布和爆炸超压等参数有重要影响；肖华华等[9-11]对管道中氢-空气和丙烷-空气燃烧进行了实验和数值模拟，研究了管道内气体爆炸的动力学特性；Ahmed等[12]对湍流预混氢-空气爆炸进行数值模拟，发现氢气的平均反应速率至少比甲烷的平均反应速率高2个数量级；张增亮等[13-14]研究了惰性气体对液化石油气爆炸的抑制机理，得出了爆炸抑制中惰性气体需求量估算方法。

由于清洁可再生、能量利用率高等优点，氢气的应用越来越广泛。氢气燃烧范围很宽，着火能较低，容易发生泄露和爆炸[3]。液化石油气是一种重要的化工原料和新型燃料，其主要成分是丙烷，在运输和使用过程中容易发生燃烧和爆炸。本文选取氢气和丙烷2种气体，拟通过对其在隧道中的爆炸过程进行数值模拟，以期得到2种气体爆炸过程中反应速率和压力场，并进行对比分析，为类似事故的预防和救援提供参考。

1　隧道模型的建立

1.1　物理模型及测点布置

以某双线公路隧道截面为原型建立物理模型，如图1所示[15]。隧道截面由半径为4 m的半圆和长8 m高2.65 m的矩形组成。用ICEM划分结构化网格，并对模型中间区域的网格进行了加密，网格总数为16.7万。

在模型中设置A～F6个监测点，坐标如图1所示。其中测点A～D位于隧道壁面上以监测爆炸对隧道壁面的影响；测点E和F位于距地面1.5 m高度处以监测爆炸对人员的影响。

图1　物理模型及测点Fig.1　Physical model and monitors

图2　氢气爆炸的初始条件设置Fig.2　Initial condition of hydrogen explosion

图3　丙烷爆炸的初始条件设置Fig.3　Initial condition of propane explosion

1.2　初始条件设置

表1列出了2种气体的流动参数[16]。从表1可以看出，氢气的扩散系数约是丙烷的6倍，而密度只有丙烷的1/20，如果在隧道内发生泄露，氢气会迅速上升并向各个方向快速扩散，丙烷会逐渐下降且扩散得较慢。当达到稳定状态后，氢气会集中于隧道上方而丙烷会集中于隧道下方。

表1　气体的流动参数

表2列出了2种气体的燃烧参数[16]。浓度在化学计量浓度附近的可燃气体爆炸产生的超压最大[4]，因此在初始条件中将氢气和丙烷的浓度设置为各自的化学计量浓度。

表2　气体的燃烧参数

综上，在初始条件中设定氢气位于隧道上方，高度为1 m，质量分数为3%，温度为300 K；点火点圆心设置在隧道最高点正下方，温度为1 500 K，如图2所示。

按照丙烷和氢气反应时产生热量相等的原则，计算得到丙烷在隧道内的高度为0.453 m。丙烷爆炸的初始条件设置如图3所示，丙烷位于隧道下方，质量分数为6%(即丙烷的化学计量浓度)，温度为300 K；点火点圆心置在隧道最高点正下方，温度为1 500 K。空气温度为300 K，由氮气和氧气组成，体积分数分别为79%和21%。模型中初始压力均为一个大气压。爆炸过程中流动为可压缩、非定常流动，采用标准k-ε双方程模型描述湍流过程中的湍流变化，燃烧模型采用涡耗散概念模型，时间步长取0.1 ms。为简化问题，忽略热辐射，并假设燃烧为一步不可逆反应，且隧道壁面绝热。

2　结果及分析

2.1　反应速率对比

图4给出了爆炸发生后150 ms内氢气和丙烷的反应速率随时间变化曲线。氢气反应速率在6 ms时达到最大值，为2 730 kg/(m3·s)，之后由于氢气浓度的减小而迅速降低。丙烷的反应速率较低，随着温度的升高而缓慢上升，之后逐步稳定。在前50 ms内，氢气的平均反应速率是丙烷的平均反应速率的7倍。

图4　气体反应速率变化曲线Fig.4　Reaction rate variation curves of gases

图5　气体质量分数云图Fig.5　Contours of mass fraction of gases

图5给出了爆炸发生后50 ms时氢气和丙烷的质量分数云图。氢气反应很快，如图5(a)所示，爆炸发生后， 50 ms，氢气的质量分数最大只有0.06%。丙烷反应较慢，如图5(b)所示，50 ms时只有在点火点附近的丙烷发生了反应，最大质量分数仍为6%。

2.2　压强对比

图6给出了氢气爆炸过程中监测点压强达到最大时隧道的压强云图。爆炸开始时，隧道顶部的压强迅速升高，6 ms时隧道顶端(D点)的压强达到最大；12 ms时压力波传递至B点和F点；16 ms时压力波传递到地面，C点压强达到最大；17 ms时向两侧扩展并反射， A点压强达到最大，反射之后的压力波继续向上传递，强度有所减弱；20 ms时压力波传至E点。30 ms时，传播至隧道顶端的压力波又被隧道壁面反射回来，再次向下传播，强度有所减小。氢气爆炸产生的压力波在隧道内上下来回反射，具有周期性。

图6　氢气爆炸时各个监测点超压达到最大时的压强云图Fig.6　Contours of pressure when overpressure of monitors maximize in hydrogen explosion

图7给出了丙烷爆炸过程中5个时刻的压强云图。如图7(a)所示，爆炸初期产生了以点火点为中心的球形压力波，6 ms时的最大压强为10 kPa，远小于同一时刻氢气爆炸产生的最大压强(225 kPa)；16 ms时一部分压力波在遇到隧道壁面后被反射回来，另一部分继续向上传播；30 ms时被隧道顶部壁面反射回来的压力波与爆炸产生的压力波相遇，由于强度大小相当二者在抵消一部分之后继续传播。随着爆炸的发展，反应速率逐渐加快，爆炸产生的压强逐渐增大，顶部反射回来的压力波仅传播一小段距离。60 ms之后，顶部反射回来的压力波总是被爆炸产生的压力波抵消，隧道内压力波整体表现为向上传播，强度逐渐增大。

图7　丙烷爆炸过程中的压强云图Fig.7　Contours of pressure in propane explosion

图8(a)和(b)分别给出了E点和F点压强随时间变化曲线。氢气爆炸时，E，F2点的压强曲线上下震荡。氢气爆炸产生的压力波在隧道内上下来回反射，两测点的压强随着压力波的经过而上升，离开而下降。丙烷爆炸时，E，F2点的压强曲线缓慢上升。丙烷爆炸产生的压力波强度逐渐增大，在隧道内整体表现为向上传播。

地面上爆炸压力波对人体作用的安全界限为20 kPa，当超压值为75 kPa时，压力波对人体脏器的损伤会导致人的直接死亡[2]。由图8可以看出，氢气爆炸产生的超压多次超过75 kPa，丙烷爆炸产生的超压在61 ms时达到20 kPa，在145 ms时超过75 kPa，因此在此种情况下，2种气体的爆炸均能够对隧道内人员造成严重伤害。

图8　爆炸过程中压强变化曲线 (监测点位置参照图1)Fig.8　Pressure variation curves in explosions (Refer to Fig.1 for location of monitors)

3　结论

1)隧道内爆炸过程中，氢气的反应速率比丙烷的快，最大可达2 730kg/(m3·s)，达到最大值之后因氢气浓度的减小而迅速降低。丙烷的反应速率随着温度的升高而缓慢上升，之后逐步稳定。在前50 ms内，氢气的平均反应速率是丙烷平均反应速率的7倍。

2)隧道内爆炸过程中，氢气爆炸产生的超压较大，最大值为451 kPa；爆炸产生的压力波传播迅速，在隧道内上下来回反射，强度随着氢气的消耗而逐渐减弱。丙烷爆炸产生的压力波在遇到隧道顶端壁面时反射，与下一时刻爆炸产生的压力波相遇，因强度较小而被抵消，隧道内压力波整体表现为向上传播，在150 ms内强度逐渐增大。

3) 在隧道爆炸过程中，氢气和丙烷爆炸产生的超压均超过会导致人死亡的临界值(75 kPa)，因此在此种情况下，2种气体的爆炸均能够对隧道内人员造成严重伤害。

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