密闭空间甲烷-空气混合物爆炸传播过程研究

谭迎新 ， 于 硕 ， 韩 意

(1. 中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051； 2. 中国人民解放军63961部队， 北京 100012)

密闭空间甲烷-空气混合物爆炸传播过程研究

谭迎新1， 于 硕1， 韩 意2

(1. 中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051； 2. 中国人民解放军63961部队， 北京 100012)

利用自行研制的管道式气体粉尘爆炸试验装置， 研究了管道内甲烷-空气混合物的爆炸过程， 对爆炸过程进行了模拟仿真. 研究得到的仿真模拟结果与实验数据的偏差<12%， 与文献数据基本吻合. 试验研究表明： 试验管道的长径比L/D较小时对管道内火焰的加速效应有限， 不同时刻管道内压力波集中在火焰面前方一个很薄的区域内， 随着火焰从左向右传播， 最终在管道右端达到最大压力0.92 MPa； 密闭空间内， 气体爆炸最大压力值的大小与点火位置无关.

气体爆炸； 甲烷； 爆炸压力； 火焰传播

0 引 言

在工业生产、 化工运输及日常生活中， 输送可燃气体的管道随处可见， 由于管道爆炸引起的事故以及造成的人员伤亡不在少数. 例如， 2013年11月发生的山东青岛境内中石化输油储运公司潍坊分公司输油管道破裂导致燃爆的事故， 最终造成62人死亡， 直接经济损失上亿元. 因此， 对气体在管道内的爆炸及爆轰特性的研究对于保障人民生活和生命财产安全具有重要的经济和社会意义. 由于在密闭空间尤其是在管道形容器中进行试验易于控制气体爆炸浓度， 因此对气体爆炸现象和基本规律的实验研究常在管道中进行[1-3]. 为了获得比实验数据更多、 更全面的计算结果， 可以采用数值模拟方法对爆炸过程进行计算分析. 计算流体动力学(Computational fluid dynamics，简称CFD)模拟已逐渐成为了管道内气体爆炸的主要研究手段[4-7]. 通过数值模拟可以得到气体爆炸的发展变化过程. 本文利用中北大学自行研制的管道式气体爆炸试验装置，对密闭空间内可燃性气体爆炸过程进行了试验测定及模拟仿真研究.

1 甲烷-空气爆炸过程试验研究

在本实验室自制的管道式气体爆炸装置中进行了甲烷-空气爆炸过程试验研究. 试验装置的材质为20 G碳素钢无缝管， 内径139 mm， 长度800 mm[8]. 装置见图 1， 其上设计有观察窗、 安全阀、 压力传感器安装接口等.

图 1 气体爆炸装置Fig.1 Gas explosion device

由于甲烷的爆炸范围为4%～17%， 结合数值模拟研究的需要， 试验时选择了5%, 8%, 10%, 12%, 14%五个甲烷浓度进行了测试， 由于甲烷浓度不同， 测得的压力及观察到的现象也不相同. 测试得到的典型爆炸压力传播过程见图 2. 其中， 甲烷浓度为10%， 煤粉粒度为300目以下.

图 2 典型爆炸压力传播过程Fig.2 Typical P-t curve

当浓度为10%时， 爆炸最剧烈， 这是因为此刻的浓度正处于甲烷的化学当量浓度， 在试验过程中除了可以观察到明亮的橘黄色火焰外， 还能听到爆炸声. 而浓度为8%和12%时也可以看到比较弱的黄色火焰， 声音也较小. 而在接近甲烷爆炸下限的5%和接近甲烷爆炸上限的14%处， 燃烧现象非常微弱. 对应于5%, 8%, 10%, 12%, 14%五个甲烷浓度， 试验测得的爆炸压力值分别为0.58, 0.76, 0.88, 0.79和0.64 MPa.

2 甲烷爆炸传播过程的数值模拟

在模拟气体爆炸传播过程时， 鉴于管道为轴对称结构， 为了简化计算， 将图 1 的管道装置结构转化为二维结构， 与试验管道相近的模拟计算区域如图 3 所示. 假设点火电极在管道左端面， 取管道轴向截面的一半作为计算区域， 在整个计算域采用均匀网格， 网格间距确定为2 mm， 网格总数为16 000[9].

图 3 管道模拟计算域Fig.3 Analog simulation area in pipe

2.1 长径比对气体爆炸过程的影响

甲烷被点燃后管道内火焰随时间变化的情况如图 4 所示.

由图 4 可以看出， 点火5 ms后火焰开始传播， 速度缓慢， 火焰前锋面比较光滑， 火焰传播过程表明此时的传播方式为层流. 点火14.5 ms时， 火焰面不再光滑， 火焰渐渐接近管道壁面. 点火21.4 ms时， 火焰开始发生变形、 拉伸， 点火39.4 ms时， 形成了沿壁面传播的火焰. 点火74.4 ms 时， 火焰面变大， 火焰面的变大会导致更多的可燃气体参与反应， 增大燃烧反应速率， 引起燃烧产物的进一步膨胀加速.

图 4 管道内火焰传播过程Fig.4 Flame propagation in pipe

从图 4 的计算结果可以看出火焰没有达到能够爆轰的速度(1 000 m/s以上)， 这是由于水平试验管道的长径比较小导致的， 本装置的长径比L/D只有5.7， 不能使火焰很快地加速.

2.2 传播时间对爆炸压力的影响

图 5 为管道内压力随距离变化情况图. 由图可以看出管道内气体爆燃过程中的压力变化情况， 表明不同时刻管道内压力波集中在火焰面前方一个很薄的区域内.

图 5 管道内压力变化过程Fig.5 Pressure propagation in pipe

为了进一步分析甲烷爆燃过程的压力变化， 对时间为14.5 ms， 74.4 ms， 254.4 ms时的3个时刻的火焰发展过程进行了分析， 其压力变化曲线如图 6 所示[9]. 从图中可以看出， 在这个过程中， 在点火电极处的火焰燃烧压力最大， 当火焰从左向右传播时， 在管道右端压力达到最大， 为0.92 MPa.

图 6 不同时刻的压力分布曲线Fig.6 p-t curve in pipe corresponding to different time

2.3 点火位置对爆炸过程的影响

为了使研究结果更加接近于实际情况， 研究了点火位置对爆炸过程的影响. 将点火电极由管道左端端面改至距左端端面100 mm处， 得到了改变点火位置后火焰发展过程中的压力分布， 如图 7 所示.

由图 7 可以看出， 在初始阶段， 爆炸压力波以球形形状向四周均匀扩散， 当压力波传播到管道壁面和管道左端的封闭壁面时， 受它们的约束形成了反射波， 这个压力波与初始的压力波汇合、 叠加， 形成了向右运动的爆炸波. 当火焰传播到管到最右端时， 速度已经减小， 压力达到最大值0.91 MPa， 与在端面点火时产生的最大压力0.92 MPa 相差不明显. 由此可知， 密闭空间内点火位置对气体爆炸压力的大小影响很小， 这与相关文献的研究结论吻合[10].

图 7 点火位置对压力的影响Fig.7 Effect of ignition point on pressure in pipe

2.4 数值模拟结果与试验数据的比较

本文对不同甲烷浓度下发生爆炸的模拟计算压力值与试验测试压力值进行了比较， 所得结果见表 1.

表 1 甲烷爆炸压力的模拟计算值与试验值Tab.1 Simulation and test value of methane explosion pressure

由表 1 可见， 模拟计算的结果比试验测得的数据均偏大， 这是由于在实际气体燃烧过程中， 管道和气体之间存在有一定的热量交换， 而在仿真过程中为了简化计算对管道壁面进行了绝热假设， 由此造成了二者之间的误差. 从二者的比较结果看， 偏差数值<12%.

3 结 论

本文对管道内气体爆炸过程进行了模拟计算和数值分析， 仿真模拟结果与实验数据偏差<12%. 研究表明：

1)试验管道的长径比L/D值是决定气体是否爆轰的关键因素， 长径比较小时对管道内火焰的加速效应有限.

2)不同时刻管道内压力波集中在火焰面前方一个很薄的区域内， 随着火焰从左向右传播， 最终在管道右端达到最大压力0.92 MPa.

3)密闭空间内， 气体爆炸最大压力值的大小与点火位置无关.

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Tan Yingxin, Zhang Yibo, Wang Haibin, et al. Study on animal injury caused by gas explosion in enclosed space[J]. China Safety Science Journal， 2014, 24(3)： 38-41. (in Chinese)

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Yu Jianliang，Zhou Chong，Liu Runjie. Experimental investigation into deflagration of premixed gases in tubes[J]. Chemical Engineering of Oil & Gas, 2004， 33(6)： 453-455. (in Chinese)

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[8] 李延鸿. 管道式气体-粉尘爆炸实验装置设计[D]. 太原： 中北大学， 2006.

[9] 张宏翔. 管道内预混可燃气体燃爆过程仿真研究[D]. 太原： 中北大学， 2008.

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Song Zhanbing. Effects of ignition methods on premixed flame shape in narrow channels[J]. Petro-Chemical Equipment， 2007(6)： 18-21. (in Chinese)

StudyonExplosionPropagationProcessofMethane-AirMixtureinConfinedSpace

TAN Ying-xin1， YU Shuo1， HAN Yi2

(1. School of Environment and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan 030051， China；2. PLA Unit 63961， Beijing 100012， China)

A pipe device was self-designed. The explosion propagation process of methane-air mixture in confined space was studied by experimental test and analog simulation. The error between analog simulation result and experimental data was less than 12%. They were all close to the literature data. Test study indicates, when the ratio of length and diameter (L/D) was lower, the flame can be not accelerated. The pressure wave was focused in a very thin area in the front of flame. With flame propagation from left to right, the maximum explosion pressure of methane-air mixture was up to 0.92 MPa.The maximum explosion pressure value have nothing to do with pipe ignition point in confined space.

gas explosion; methane; explosion pressure; flame propagation

1673-3193(2017)05-0605-04

2016-12-09

山西省重点研发计划项目资助(201603D121012)

谭迎新(1964-)， 女， 教授， 主要从事安全技术及工程、 武器系统与运用工程方面的研究.

X932

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.05.017