火箭发动机试验台中低温甲烷的安全排放研究综述

喻闯闯，罗天培，刘瑞敏，曲 胜，张家仙，赵耀中

(1. 航天低温推进剂技术国家重点实验室，北京 100028；2. 北京航天试验技术研究所，北京 100074;3. 北京市航天动力试验技术与装备工程技术研究中心，北京100074)

火箭发动机试验台中低温甲烷的安全排放研究综述

喻闯闯1,2,3，罗天培2,3，刘瑞敏2,3，曲 胜2,3，张家仙2,3，赵耀中1,2,3

(1. 航天低温推进剂技术国家重点实验室，北京 100028；2. 北京航天试验技术研究所，北京 100074;3. 北京市航天动力试验技术与装备工程技术研究中心，北京100074)

首先对气、液态甲烷的危险特性进行了分析，针对危险性最大的重气扩散过程，详细分析了其形成机理及影响因素。随后对国内外重气扩散问题的相关研究进行了全面的梳理和总结，在试验方面，介绍了Burro、Coyote和Falcon系列大型重气扩散经典试验；在理论分析和数值仿真方面，概述了典型重气扩散模型的基本原理及优缺点，针对CFD方法在重气扩散模拟上的应用进行了较为细致的介绍。最后结合液氧/甲烷发动机试验台的具体排放需求，提出了高空排放、燃烧处理及围堰排放三种排放方式，叙述了各自的工作原理、优缺点及其适用范围，并结合重气扩散特点相应地给出优化方案。

低温甲烷；安全处理；重气；扩散；排放

0 引 言

目前，世界范围内航天活动继续蓬勃发展，各国政府持续推进新型航天运载器的研制和发射场的建设[1]，其中重型火箭及可重复使用火箭是公认的研究热点。尤其是可重复运载器的研制，它被认为是降低发射和运营成本，提高发射频率，保障航天工业健康、可持续发展的必然之选[2]。美国Space X公司于2015年12月22日首次成功完成了猎鹰-9号的一子级陆地回收，引起了国际航天界的轰动，同时也开启了人类航天史的新篇章[3]。

在可重复运载器的动力选择上，液氧/甲烷发动机展现了其独特的优势[4-12]，因此世界各航天强国争相对其开展研究。2016年9月，美国蓝源公司总裁贝索斯正式宣布其“新格伦”系列运载火箭研究计划，火箭的第一级采用7台BE-4液氧/甲烷发动机，总推力达到1743 吨，并且第一级在发射分离后可垂直返回重复使用。俄罗斯化学自动化设计局亦于2016年公布其85 吨的液氧/甲烷火箭发动机研究计划，从2002年到2005年间，它曾与欧洲方面一同从事推力200吨的可重复使用的甲烷火箭发动机研发工作(项目代号“伏尔加”)。此外，自2006年起，设计局就致力于研制推力203.9 吨的国产可重复使用的甲烷发动机RD-0162，适配于MRKS-1可重复使用的航天系统。另外，近30年美俄还陆续推出了诸如RS-18改进型、RD-183/185/190等上面级液氧甲烷发动机。在国家高技术863计划的支持下，近年我国也启动了液氧甲烷发动机的预研工作，提出了推力为60吨量级的燃气发生器循环液氧甲烷发动机的研究方案，2013年该发动机全系统试车取得成功。

在液氧/甲烷发动机的研制过程中，地面试验是其必不可少的环节之一。在试验系统的预冷、试后泄压以及紧急泄出等阶段，会有大量的低温气、液态甲烷排放，本文以液体火箭发动机试验台中液态甲烷的安全管理需求为牵引，对甲烷的危险特性进行了分析，针对甲烷重气扩散过程，梳理了国内外相关的试验和计算结果，依据排放流量的不同分别提出了相应的处置方案，同时提出了后续应重点关注的研究方向，以期为我国后续发动机的研制提供借鉴和参考。

1 甲烷的危险性分析

1.1物理性质

液态甲烷沸点为-161 ℃，是一种低温液体；气态甲烷的爆炸体积分数为5%～15%，产生窒息作用的浓度为25%～30%，自动点火温度为540 ℃[10]，具有易燃易爆性。甲烷分子量约为16，是空气分子量的0.57倍，但是在发动机试验台中一般接触的为低温甲烷，温度降低会使甲烷的密度增大，到一定程度后会形成比空气密度更大的“重气”。甲烷的危险特性总结如下：

1)液态甲烷温度较低，若与现场人员的皮肤接触，会产生严重的低温冻伤；若喷射或飞溅到试验设备上，严重时会使设备产生低温脆性破坏。

2)泄出的液态甲烷会从周围环境迅速吸热汽化，并伴随着超压及体积迅速膨胀，严重时会产生快速相变危害，破坏泄出口附近设备及建筑物。

3)大量泄出的液态甲烷从周围环境吸热汽化后会形成低温重气云，沿地面向下风向运动并不断向外扩散，在地表或低洼处会形成一层可燃性气体。在可燃边界内，一旦有火源将产生严重的重气云火灾。若在封闭或半封闭的试验环境内发上泄漏，很有可能发生爆炸。

对于发动机试验台来说，危险性最大的为甲烷重气云的扩散特性。处于工作状态的火箭发动机相当于巨大的火源，并且其尾焰强烈的辐射特性会使得大面积的周围环境升温[13]，因此在试验过程中排放的甲烷一旦形成不受控的重气云，后果不堪设想。

1.2甲烷重气云形成过程机理

火箭发动机试验台中排放的甲烷一般为液态，从液态甲烷到形成甲烷重气云通常历经液态的汽化、液池的扩展和气云的扩散三个过程，下面分别对这三个过程展开分析。

1.2.1 液态甲烷的汽化

液态甲烷从试验系统的贮箱或排放管道泄出时，压力迅速降低为大气压力，液态甲烷变为过热液体，初始阶段液态甲烷将发生闪蒸现象(泄出后过热液体由于液体的自身热量而迅速蒸发的现象称为闪蒸)[14]。闪蒸作用下液态甲烷生成甲烷蒸汽和甲烷液滴，当排泄口较小或者液态甲烷排泄量较小时，泄出的液态甲烷将全部闪蒸，不会出现液池。

在环境温度已大幅度降低或者大规模排放液态甲烷时，泄出的液态甲烷只有部分发生闪蒸，来不及闪蒸的液态甲烷会在地面上形成集聚，产生液池。液池的温度较低，和周围环境之间的温差较大，液态甲烷不断从周围环境吸收热量，蒸发为气态并形成低温蒸汽云。液池与环境之间的热交换方式主要为热传导和对流换热，如图1所示，液态甲烷蒸发过程主要受地面(接触面)的导热，太阳的辐射热以及大气的对流换热影响，其中地面导热占所有传热的80%以上。

1.2.2 液池的扩展

液池初始形成时蒸发速率大，有时会产生沸腾现象，液池会在初速度和重力的作用下进行扩展。假如液态甲烷垂直泄于地面，将形成圆形液池，液池半径是时间的函数；而如果泄出的液态甲烷具有水平方向的初速度，液池在该方向上的扩展距离会大于其他方向，因此形成的液池不再是圆形。

液池的扩展主要受热交换和动量因素的影响[16]。热交换影响液池的蒸发速率，从而影响液池的大小与扩展；动量因素影响驱动液池向外扩展的力，如惯性力、粘性力、摩擦力和重力。动量在液池扩展的初始阶段起主要作用，液池开始衰退时，摩擦和热量传递的影响变得显著。液池的蒸发速率、液池的大小与扩展，决定了释放到大气中的气体量，是决定气云扩散及危险域的主要因素。

Webber等[17]列出了工程上常用的液池扩展模型，但大部分模型是基于1970年代不易挥发液体溢出的研究工作，难以考虑上述液态甲烷液池扩展的复杂性。

1.2.3 气云的扩散

该过程为试验台安全管理最为关注的过程。液态甲烷蒸发形成的气云属于重气云，区别于轻气体扩散随气流直接飘散的被动扩散过程，重气存在重力下沉的现象，其扩散是沿地面向下风向进行扩散的(见图2)，因此扩散过程受地貌环境影响[15]。

一般情况下，低温重气的扩散过程可分为以下四个阶段：重力沉降阶段、空气卷吸阶段、重气扩散向非重气扩散转变阶段以及被动扩散阶段[19-22]。

1)重力沉降阶段：此时气云密度大于空气密度，在重力的作用下，重气云产生塌陷，同时沿风向扩展，气云的高度降低，半径变大，云团变得又扁又宽。该阶段重力起主要作用，大气湍流作用不明显。

2)空气卷吸阶段：重气下沉使气云内部产生湍流，气云侧面生成涡旋，从而卷吸进空气。随着重力下沉作用的减弱，大气湍流在气云顶部引起的卷吸作用逐渐占主导作用。空气卷吸量为侧面和顶部卷吸量之和，气云被卷吸进的空气稀释，浓度不断降低。

3) 重气扩散向非重气扩散转变阶段：空气卷吸过程使云团不断被稀释，而且低温气云与环境的换热使气云温度逐渐升高，气云密度逐渐降低。该过程重力作用不断减弱，大气湍流作用不断加强，云团在垂直方向上的扩散加强，云团高度增加。该过程气云的Ri数不断减小，当小于临界值Ri0时[23](一般取值为10)，重气扩散过程转变为非重气扩散过程。Ri数(Richardson数)为重气扩散过程判断依据，它是质点的湍流作用导致的重力加速度的变化值与高度为h的云团由于周围空气对其剪切力作用而产生的加速度的比值，其表达式为：

(1)

式中，ρ、ρa分别为云团、空气的密度，单位kg/m3；g为重力加速度，单位m/s2；h为气云高度，单位m；ν为空气对气云的剪切力所导致的摩擦速度，单位m/s。

4)被动扩散阶段：气云密度小于周围空气密度，重气沉降作用基本消失，气云向高处及下风向扩散明显。此时气云的扩散主要受大气湍流控制。

1.3重气云扩散影响因素分析

1.3.1 初始释放状态

初始状态如排泄温度、排泄压力、排泄口空间布置及截面积、排泄时间等均影响重气云的形成及扩散过程。排泄温度影响低温气云的密度，进而影响重气云的形成，影响与环境的换热过程的剧烈程度；排泄压力、排泄口空间布置及截面积影响气云的初始速度，影响与环境的换热与混合过程；排泄时间影响重气云的总热容。

1.3.2 大气环境

环境温度、风速、大气稳定度、空气湿度等均影响重气云与环境的热量交换过程。风速影响重气云与大气间的传热传质过程及气云扩散的速度，大气湍流即风速的脉动影响重气云与大气间的混合，空气湿度影响大气的密度及热容，从而影响重气云转换为非重气云的时间。

1.3.3 地形及障碍物

地表风速受地表粗糙度及高度影响，实际风场被称为大气边界层梯度风。地形影响大气边界层风剖面的分布及风速的脉动特性，障碍物使风场结构发生变化，进而影响风速及湍流度的分布。

2 重气云扩散相关研究

2.1大型试验研究

为了研究重气泄漏扩散过程及其影响因素，同时也为计算模型的建立提供验证数据，从20世纪60年代末开始，国外学者利用不同重气在不同条件下陆续进行了一系列现场泄放试验，并获得了大量具有极高利用价值的试验数据。著名的系列试验如表1所示。

表1 国外大型现场重气扩散实验[24]

2.1.1 Burro系列试验

Burro现场试验由美国能源部和气体研究所发起，由美国国家重点试验室LLNL进行，试验地点为加州的中国湖海军武器中心。该试验将LNG泄放于直径58 m、深1 m的水池表面，泄放管位于水池中央，内径为25 cm。试验总共进行了8次，泄放量的范围为24-39 m3，泄放速率范围为11.3-18.4 m3/min，风速1.8-9.1 m/s，大气稳定条件为不稳定到轻稳定度等级。泄漏源下风向不同位置不同高度布置有传感器，测量风速及方向、温度、湿度、气体浓度和地面热流等参数，以研究不同条件下LNG泄漏扩散特性。

Burro试验测量设备精度高且数量多，参数测量较为全面，得到了较多有价值的试验数据，其中Burro3、7、8、9号试验常被国内外学者用于模型的校验，相关试验条件如表2所示。

表2 Burro试验条件

试验在不同的大气稳定度等级下进行。Burro 3试验泄漏速率最小，风速居中，大气稳定度等级最低，因此气云扩散速度最快，测得的LFL(燃烧下限浓度)最远位置在泄漏点下风向180 m处，该值为所有试验值的最小值。Burro 7试验泄漏速率较小，但泄漏量最大，风速最大，大气稳定度为轻不稳定，测得的LFL最远位置在下风向240 m处。Burro 8试验泄漏速率较大，风速最小，大气稳定度为轻稳定等级，在系列试验中最高，测得LFL最远位置在下风向445 m处。该试验中重力下沉现象最明显，观察到的气云比其他试验均更宽更低，该重气云像固体一般，大气风从其上面吹过，大气湍流的卷吸作用不明显，该试验被认为是研究重气泄漏扩散最有效的试验。Burro 9试验泄漏速率最大，试验中RPTs(快速相变)现象最为明显，使部分试验设备受到了损伤[22]。

2.1.2 Coyote系列试验

Coyote试验的场地与Burro试验相同，试验仪器的布置与Burro 8近似，并增加了红外成像仪和火焰速度测量装置等仪器，以研究快速相变现象、重气扩散及池火灾现象。试验测得了较为详尽的重气扩散数据，其中Coyote 3、5、6和7号试验常被用于重气泄漏扩散模型的校验，相关试验条件如表3所示。

表3 Coyote试验条件

2.1.3 Falcon系列试验

Falcon系列现场试验由美国运输部和气体研究所发起，由美国国家重点试验室LLNL进行，试验地点为内华达州的内华达气体试验基地。该试验的现场布置如图3所示，LNG通过水池正上方的管路泄放于水池表面，泄放管路由4个相互垂直的支管组成，支管管径为15.24 cm，支管出口附近安装有截流孔板，防止管内发生闪蒸。泄漏口下方有带锥的圆盘，以防止泄出的LNG沉入水中。方形水池尺寸为60 m×40 m×0.76 m，池内装有水循环系统，以维持水温恒定。以上布置均为使LNG快速蒸发。水池上风向设有挡板，其尺寸为17.1 m×13.3 m，水池周围设有围堰，尺寸为88 m×44 m×8.7 m，泄漏口上、下风向设有温度测量仪、浓度传感器、风速测量仪等测量仪器，以评估围堰、挡板对LNG泄漏扩散过程的影响。

Falcon系列试验包括5次LNG泄放试验，泄放速率范围为8.7 m3/min～30.3 m3/min，泄放体积为20.6 m3～66.4 m3，风速为1.7 m/s～5.2 m/s，大气稳定度为稳定。其中Falcon 2号试验部分数据不能确定，Falcon 5号试验中快速相变现象较为显著，泄漏开始后81 s时气云被点燃，几乎毁坏了所有的试验设备。

大型现场泄放试验不仅能深入研究重气泄漏扩散特性，而且为重气泄漏扩散数学模型的建立与验证提供了宝贵的试验数据。但现场试验的开展也存在如下困难：人力、物力和财力的消耗较大，开展周期长；气象条件复杂，测点布置困难，试验数据的质量难以保证；试验存在风险，容易引发事故。因此重气泄漏扩散大型现场试验的开展主要集中于研究初期，随后的研究工作主要集中在数值模拟方面。

2.2数值模拟研究

数值模拟具有研究成本低、研究周期短、安全方便、可重复性高等诸多优点。为了研究重气泄漏扩散过程，国内外学者进行了大量的数值模拟研究工作，研究内容主要包括重气泄漏扩散特性及影响因素、危险评估及泄漏事故危险控制等。数学模型简单易用、计算耗时短，有的甚至仅需几秒就能得到危险域，且具有一定的准确度[22]，因此在实际的工程计算、泄漏事故的危险预估方面被大量使用。相关模型可分为专有模型及通用CFD模型两类。

2.2.1 专有模型

较有代表性的专有模型包括高斯模型、经验唯象模型、箱及相似模型、浅层模型等。国外的Hanna 等[25]和Habib等[26]，国内的唐建峰等[27]、冯志华等[28]对各类模型进行了对比分析，得到了各典型模型及计算软件的适用情况，并对模拟结果进行了精度分析，研究结果整理如表4所示。

表4 典型模型适用情况[15]

1)高斯模型：高斯模型基于统计学理论研究扩散介质的浓度分布问题，主要针对轻气体扩散。高斯模型提出时间较早，简单易算，模型较为成熟，计算结果具有一定的精度，在上世纪八十年代早期应用广泛。修正的高斯模型MTB模型是最早用于模拟LNG重气泄漏扩散的模型，但因未考虑重力因素，模拟精度较差[29]。

2)经验唯象模型：唯象模型是指根据大量重气泄漏扩散试验数据绘制的一系列图表及简单关系式[30]。Britter等[31]收集了大量的重气连续泄放和瞬时泄放的试验数据，并绘制了一系列图表，Hanna等[30]对试验数据进行了无因此处理，得到了与试验曲线基本吻合的解析公式，此即所谓的B&M模型。B&M模型是典型的经验唯象模型，简单易用，计算量小。但是该类模型局限性大，不能适用于其导出范围之外的场景，可用作基础的筛选模型，应用受限。

3)箱及相似模型：Ulden[32]在重气瞬时泄放试验中发现，观察到的气云横向扩散参数是中性气体的4倍，垂向扩散参数是中性气体的1/4，他称之为重力下沉现象，并对此第一次提出箱模型概念。箱模型将重气云简化为一个圆柱体箱，其初始状态为：半径R0，高度H0，体积V0。扩散初期气云在重力的作用下下沉，对应的圆柱箱体高度减小，半径增大，扩散中空气卷吸现象发生在箱体的上部和侧面。箱模型假设侧风向任意处气云的浓度场、温度场等均为矩形分布，即气云内分布均匀，其他地方为零。可见箱模型只能计算重气云团的整体特征，如气云平均半径，常被用来计算封闭条件下大气污染物的浓度分布问题[22]。

相似模型是以箱模型概念为基础开发的模型，它假定侧风向任意处气云的浓度场、温度场等均为相似分布(如高斯分布)，该模型考虑了重气云内扩散引起的参数不均匀分布，并利用湍流扩散系数计算卷吸空气过程。应用较广泛的有DEGADIS模型[33]和挪威公司DNV自主研制的PHAST软件[34]。

箱及相似模型物理概念清晰，计算量较小，使用方便，对LNG泄漏扩散模拟的结果具有较好的精度，适用于危险事故的快速评价。但是该类模型存在局限：模型进行了气云参数的自相似分布假设，会导致不连续界面的存在，模拟结果存在不确定性；未考虑避免效应，模拟带有障碍物(储罐、围堰等)的情况时精度较差[35]，需进行模型的修正。

4)浅层模型：浅层模型采用浅水方程描述重气泄漏扩散的实际物理过程。浅水理论假设流体的特性(温度，速度等)在厚度方向不变，仅是横向位置的函数，因此该类模型可视为二维模型。

箱及相似模型等一维模型，假设太多而导致不能很好地描述重气泄漏扩散的实际物理过程。三维模型虽能很好地描述实际过程，但是计算复杂，耗时较长。浅层模型介于两者之间，既克服了一维模型过于简化的缺点，又结合重气扩散过程特点对其控制方程进行简化，能够准确的描述重气扩散过程场的变化。美国LLNL开发的SLAB模型[36]是典型的浅层模型，可以模拟不同泄放源的重气泄漏扩散过程。该类模型使用简单、计算快速，工程应用中使用较多，但是不能考虑建筑物以及地形变化等复杂情况[22]。

2.2.2 CFD模型

近年随着计算机能力的不断提高，越来越多的重气扩散研究开始应用CFD模型。同上述模型相比，CFD模型可模拟复杂地形或障碍物对重气扩散的影响，能在三维空间和时间上提供最详细的变量场[18]。

England等[37]最早采用CFD方法模拟重气扩散的物理过程，通过建立SIGMET数学模型，模拟了LNG蒸汽云的扩散过程。Giannissi等[38]利用ADREA-HF软件包模拟了Falcon 1泄漏扩散试验，并对比了不同源项模拟方法的计算精度。Olewski等[39]通过耦合力平衡方程、能量方程以及相变方程，建立了LNG泄漏扩散池模型，并对瞬时泄漏和连续泄漏过程进行了模拟；并用FLACS软件分析了水幕对LNG泄漏扩散过程的影响，为LNG泄漏扩散的抑制系统设计提供了理论指导。成熟的商用软件Fluent[40-45]和CFX[46-52]也在重气扩散研究中得到广泛的应用，并有相当高的精度。

但目前大多的CFD模型采用了简化手段，适用范围不宽。早期的经典试验(Burro，Coyote，Falcon)均将甲烷(LNG)直接泄于水面上，这会造成甲烷的快速蒸发，蒸发的速率基本等于排放速率，因此这些模型大多不考虑相变以及液态甲烷和水的相互作用，直接将水池的表面当做计算域的入口，将该入口的成分设置成全部气态甲烷，采用单相流动方法计算。显然，这种方法不具备普适性，当液态甲烷向地面或混凝土等排放时，由于其较低的热扩散系数，液态甲烷在初始的快速蒸发后会形成液池，蒸发速率也会显著下降，这时采用这种简化方法会导致计算精度大幅下降。

3 几种可选的排放方式

火箭发动机试验台中甲烷排放的基本原则是避免甲烷重气云和火源接触，针对上文所述低温甲烷特点，可考虑应用下面三种排放方式。

3.1高空排放

高空排放是最简单的排放方式，同时具有操作方便、成本较低等特点，在低温氢的处理上得到了广泛的应用[53]，该种方式适用于小流量的甲烷排放。如图4所示，排放的液态甲烷经过长管路的换热后首先会汽化，随后气态的甲烷会不断升温，当气态甲烷温度足够高、密度足够小时，从排放口释放的甲烷会向上或者水平飘散。排放管采用导热系数较高的材料，同时管口显著高于周围建筑物，这样就避免了甲烷同火源及其他障碍物接触，保证了排放的安全。

一般而言，一套完整的高空排放系统主要由排放管、吹除装置、放水阀等组成。此外，有些排放管还装有防火器、自感式针尖消电器、单向阀等，对于较粗的排放管，还应安装金属网，防止鸟及鸟毛、昆虫等进入排放管。通常每次排放前系统都需进行吹除置换，避免甲烷蒸汽和空气在排放管内混合。

3.2燃烧处理

如前文所述，高空排放只适用于小流量的甲烷排放。当排放流量增大时，为保证换热充分、甲烷气云不下沉就需要增加换热管的面积，进而使整个系统规模加大。中等流量的甲烷排放通常采用燃烧处理的方法，燃烧处理一般有火炬烟囱和燃烧池两种方式。

3.2.1 火炬烟囱

火炬烟囱广泛应用于石油化工领域用，用于处理石油开采、化工生产中产生的废气。火炬烟囱系统主体结构和高空排放系统类似，区别在于排放管末端增加了点火装置，结构如图5所示，它主要由火炬头、分子密封器、氮气吹除系统、单向阀、燃气(如丙烷)供应装置、点火器等组成。

火炬烟囱的原理是通过人为点燃甲烷蒸汽，使其在空气中燃烧，进而消除可燃重气云。火炬燃烧最大的缺陷是回火，如果从火炬头排放的甲烷气体和速度和流量较小，低于燃烧速度时，则火焰会倒飘入烟囱内引发回火，因此火炬烟囱处理不适合间歇式、流量范围跨度大的甲烷气体排放情况。对于发动机试验台来说，由于试验中的各阶段甲烷的排放流量和压力很不稳定且变化范围较大，不同于石油化工厂定压定流量的稳定燃烧情况，应谨慎使用火炬烟囱方式。

3.2.2 燃烧池

燃烧池是另一种采用燃烧处理可燃气体的方式，它克服了火炬烟囱排放存在的回火问题，同时处理可燃气体的能力大大增加，是目前公认为最安全可靠、处理能力最大的方式。

燃烧池结构如图6所示，它由送气管、单向阀、分配主管、竖管、泡罩帽、水池和点火装置组成。甲烷气体从泡罩帽下缘逸出水面，利用分布于水池四周的多个点火器点燃，甲烷气体在水面上与空气混合燃烧，池水既能防止回火，又能有效阻止外界空气进入排放管，起到水封作用。燃烧池还具有适应可燃气体流量大幅度波动的优点，非常适合在试验的不同阶段排放甲烷流量跨度较大的发动机试验台和大流量加注的火箭发射场。

3.3围堰排放

在火箭发动机试验中，某些紧急情况需要大流量的泄出液态甲烷，这时可采用围堰排放的方式。如图7所示，泄出的甲烷经排放管引流排入积液池，积液池四周砌有围堰。池内液态甲烷通过与周围环境的换热会逐渐气化，积液池和围堰的存在限制了甲烷气云的横向扩散，而在竖直方向上扩散出围堰的甲烷气体密度已较小，会不断向上攀升，因此相比于高空排放，围堰排放形成的气云扩散范围要小很多。但该种排放方式需要综合考虑风向、风速及围堰周围环境等。

4 后续应开展的研究方向

4.1数值模型研究

前文提到，火箭发动机试验台中甲烷排放的基本原则是避免甲烷重气云和火源接触。目前的数值模型主要着眼于气云的扩散过程，而对液态甲烷的相变、液态甲烷与地面或水的相互作用以及液池的形成和扩展等过程研究甚少，大多直接予以简化。显然，简化的模型无法直接用于实际的工程设计和安全评估。

另外，文献[40-41]指出重气与大气的掺混及随后的扩散过程主要受当地的湍流强度影响，而相变等过程会造成当地的湍流强度急剧增加，并伴随着局部漩涡的大量生成，这会直接影响到模型预测的精度。尤其当液态甲烷排放于围堰中时，大气湍流对围堰内环境影响很小，相变等过程对整个气云发展的影响更为明显。因此，开发可模拟整个排放过程的完整数值模型对开展甲烷的安全处理研究具有重要意义，具体的模型研究可按以下三点开展：

1)源项对重气云扩散过程的影响，涉及泄出液相的闪蒸过程、液池的扩展及气液两相间复杂的传热传质等；

2)空气湿度对重气云扩散过程的影响；

3)地面传热及液相泄放时沸腾过程的影响。

4.2三种排放方式的工程化研究

4.2.1 高空排放

高空排放是最简单的排放方式，然而，高空排放的处理能力有限，当甲烷的排放流量增加到一定程度，甲烷的升温程度不够后，会产生重气云下沉现象，危及试验台安全。在北京某研究所内某次甲烷发动机试车采用了该种排放方式，在试车过程中发动机的火焰引燃了下沉的甲烷气云，进而引燃了周围的树林，发生了着火事故。

影响高空排放效果的直接因素为甲烷与管壁的换热以及排放管口甲烷蒸汽与大气的掺混过程。后续应开展的关键技术研究包括：

1)甲烷与管壁的沸腾换热及对流换热规律研究；

2)不同排放口形式对甲烷、大气掺混过程的影响；

3)吹除管路布置、吹除流量对管内置换作用的影响。

以上关键技术掌握后，根据试验台甲烷排放需求及具体参数，结合大气条件进行模拟分析可行性，必要时可在排放管上增设加热装置以加强对甲烷的加温作用。

4.2.2 燃烧处理

燃烧处理可消除重气云扩散的潜在危害，是一种相对来说较安全的排放方式。该种排放方式需突破的关键技术为：

1)高可靠点火技术。试验台排放的甲烷流量跨度大而且为间歇式，点火装置的设计须保证在大跨度的排放流量下均能可靠点火，否则有爆燃风险。其中电点火器+氢气长明灯的方式可作为主要研究方向。氢气在空气中的扩散速度快，点燃能量低，所需的理论空气量最少。同时氢气燃烧能够产生极高的燃烧热值，在流量相同的条件下，氢气的燃烧热约是乙炔的3倍，最容易点燃甲烷气云。

2)防回火设计。火炬燃烧方式当火炬头排放的甲烷流量低于燃烧速度时，火焰会倒飘入烟囱内引发回火。后续研究可从阻火器设计及气封系统设计两个方面入手。其中阻火器设计可考虑采用迷宫结构等，而气封系统可考虑使用氮气吹除方式使管道内始终保持一定压力，防止燃气倒流入管道。

4.2.3 围堰排放

围堰排放方式的核心是将可燃气云限制在有限的空间内，影响围堰排放效果的直接因素为液态甲烷的蒸发规律及甲烷气云与大气的掺混规律。后续应结合数值模型的开发一起开展以下研究：

1)不同围堰结构形式对甲烷和大气掺混的抑制作用研究；

2)环境(温度、湿度、风速等)对围堰排放效果的影响；

3)围堰底部及内壁与甲烷的传热规律及甲烷的蒸发规律研究。

5 结 论

本文基于发动机研制过程中的低温甲烷安全处理需求，对低温甲烷的危险性进行了分析，针对危害性最大的重气扩散过程，梳理了国内外的相关研究成果和最新进展。依据低温甲烷以及火箭发动机试验台特点，提出了高空排放、燃烧处理及围堰排放三种排放方法，并给出了相应的关键技术途径和后续的研究方向，可为液氧甲烷发动机的研制和试验台的建设提供借鉴和参考。

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ReviewofStudiesonEmissionofCryogenicMethaneatRocketEngineTestBench

YU Chuang-chuang1,2,3, LUO Tian-pei2,3, LIU Rui-min2,3, QU Sheng2,3, ZHANG Jia-xian2,3, ZHAO Yao-zhong1,2,3

(1. State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Beijing 100028, China; 2. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074, China;3. Beijing Engineering Research Center of Aerospace Propulsion Testing Technology and Equipment, Beijing 100074, China)

Firstly, the dangerous characteristics of liquid methane are analyzed. The formation mechanism and the law of motion of heavy gas diffusion are described and analyzed in detail, which is the most harmful process during the ground test. After that, the related studies on the issue are reviewed and summarized. The scenes of the large-scale foreign heavy gas diffusion field tests are briefly described, including the classical Burro, Coyote and Falcon series tests. In the aspects of the theoretical analysis and numerical simulation, the basic principles and features of the classical models are summarized, and the studies on the applications of the CFD model are introduced in detail. Finally, three methods are proposed based on the emission demands of the liquid oxygen/methane engine test. And their basic principles, advantages, scope of their respective applications are also discussed.

Cryogenic methane; Safety disposal; Heavy gas; Diffusion; Emission

F407.5; TM623.8

A

1000-1328(2017)10- 1013- 11

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.10.001

2017- 06- 16;

2017- 08- 11

航天低温推进剂技术国家重点实验室基金课题(SKLTSCP1514)

喻闯闯(1993-)，男，硕士生，主要从事低温液体推进剂研究。

通信地址：北京丰台区云岗北山小区7栋(100074)

电话：13051389216

E-mail:chuangge1596@sina.com