多分支管道油气爆炸特性大涡模拟*

刘 冲，杜 扬，张培理，孟 红，李 舒，孙孝康

(1. 陆军勤务学院 油料系，重庆 401311；2. 陆军勤务学院 勤务指挥系，重庆 401311； 3. 69008部队，新疆 831300；4. 65655部队，内蒙古 024000)

0 引言

当分支结构内发生可燃气爆炸时，受空间特征影响，爆炸湍流扰动会大幅增强，爆燃火焰迅速发展，甚至发生爆轰，从而导致严重事故后果。因此，较多研究者对包含分支结构的管道可燃气爆炸开展了大量的实验和数值模拟研究[1-3]。

杨志等[4]研究了丙烷/氧气/空气预混可燃气爆燃火焰、稳定爆轰波及非稳定爆轰波通过“Z”型管道时的传播规律；Xiao等[5]研究了丙烷/空气预混可燃气在含有90°弯头管道中发生爆炸火焰传播特征；张家山等[6]利用3种角度的分岔管道研究了分支结构对甲烷爆炸传播的影响。在单质可燃气体研究的基础上，油气这个混合工质的预混爆炸传播特征受分支结构影响规律的研究日益受到重视。杜扬等[7]通过实验研究了T型分支管道对油气爆炸强度的影响；Zhang等[8]研究了5种等长度不同分支结构管道油气爆炸演变特征规律。

由于模拟实验具有实验成本高、危险性高等不足。研究者开始利用数值模拟方法对可燃气爆炸情况进行深入研究。Xiao等[9]利用高阶数值方法求解了氢气/空气单步总包反应的爆炸火焰特性；李国庆等[10]对T型分支管道内油气爆炸火焰传播特性进行了模拟研究。但目前还存在2方面问题，一是普遍采用雷诺平均法，对湍流扰动表现不好；二是对复杂分支结构研究较少。鉴于此，本文建立了利用大涡模拟方法求解多分支复杂结构管道内油气爆炸特性的数值模型，对不同分支结构油气爆炸特性进行研究，研究结果对工程设计具有指导意义。

1 几何模型

本文模拟了6种包含不同分支数目、位置的几何结构，模型总长度为6 m，横截面为0.1 m×0.1 m，各分支长度均为1 m，具体结构形式及相关尺寸数据见图1所示，主管道右端为设置点火区域，左端P点为压力检测点，图1中标注尺寸的单位为m。

图1 几何模型俯视图Fig.1 Vertical view of different tunnels

2 数值模型

2.1 数学模型

利用大涡模拟对爆炸问题进行数值模拟在相关文献中已有描述[11-13]，即对N-S方程进行Favre过滤，只对大尺度的湍流脉动进行计算求解。相关控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

WALE亚网格模型，涡粘模型方程为:

(4)

Zimont燃烧模型[14]，湍流火焰速度计算公式为：

(5)

2.2 网格划分及参数设置

对于大涡模拟，网格划分和时间步长越小越好，但受限于计算机的运算能力，实际计算中需要兼顾计算精度和计算成本[15]。本文采用六面体结构网格对计算区域进行网格划分，最小尺寸5 mm，最大面尺寸10 mm；计算时间步长为1×10-4s。

模拟工质为当量比浓度下的汽油/空气混合气，管道壁面为绝热刚性无滑移壁面，主管道最右端设置1个半径为10 mm、反应进程变量为1的半球形区域，以实现模拟点火功能[16]。

3 结果分析

3.1 分支管道对爆炸超压和升压速率的影响

图2和图3分别表示汽油/空气预混气体爆炸超压及升压速率时序曲线。图2和图3中图例编号a，b，c，d，e，f与图1中所对应的管道结构模型一致。

图2 不同分支结构爆炸超压值的比较Fig.2 Comparison of simulated overpressure time histories at the monitor point between different branch structures

图3 不同分支结构超压上升速率比较Fig.3 Comparison of simulated overpressure growth rate at the monitor point between different branch structures

图2显示管道分支对爆炸具有明显激励作用，随着分支数量的增加，超压峰值及升压速率峰值均增大，超压峰值到达时间亦得到明显提前，对比结果见表1和表2。变化规律与Zhang等[8]的实验结果相符。此外，表1表明相同数量不同位置的分支结构对爆炸的激励作用存在差异。主要原因为分支管道一侧设置时，前后分支结构产生的湍流激励作用相叠加；而分支结构对称设置时，分支管道起到明显泄压作用，在一定程度上削弱了湍流激励作用。此结果亦在3个分支管道单侧依次设置和双侧具有对称设置分支管道的情况中得到验证。

表1 不同管道结构超压峰值对比Table 1 Comparison of maximum overpressure between different branch structures

3.2 分支管道对火焰锋面形态的影响

以结构b为例，不同时刻火焰形态变化规律如图4所示，与李国庆等[10]的实验结果一致。到达分支前，火焰在直管道中以指型火焰传播；0.06 s时，火焰接近分

表2 不同管道结构升压速率峰值对比Table 2 Comparison of maximum overpressure growth rate between different branch structures

支入口处，此时火焰形态较为规则；在0.07～0.08 s时刻，火焰引燃分支管道左侧尖角周围油气，此阶段火焰锋面褶皱变形增大，火焰面积增大显著，火焰传播速度明显增大；在0.085 s时，火焰传播至分支管道右侧尖角触壁；在0.09 s时，主管道和分支管道内火焰锋面开始以较规则的形态传播。

3.3 分支管道对火焰传播速度的影响

以结构b为例，主管道中火焰锋面位置及传播速度时序曲线如图5所示。初始阶段，火焰速度及火焰锋面距点火端距离总体呈线性增大；在0.04～0.08 s阶段，受分支管道散热及面积突扩的影响，火焰锋面震荡发

图4 火焰传播经过分支管道时的形态变化Fig.4 Changes of flame structure during propagation through the branchtunel

展，传播速度下降至-3.95 m/s，但同时分支导致流场湍流度增强，火焰锋面褶皱增多，燃烧面积大幅增大，传播速度迅速增大至44.42 m/s；此后，火焰以规则的形态分别向主管道和分支管道传播，火焰表面积减小，火焰传播速度随之减小。

图5 火焰锋面位置和火焰传播速度时序曲线Fig.5 Flame front location and flame propagation velocity versus time curves

4 结论

1)分支管道数量及设置位置对汽油/空气混合气预混爆炸具有强烈影响作用，随着分支数量的增加，爆炸超压峰值和升压速率峰值均增大，超压峰值到达时间显著提前。

2)火焰传播经过分支管道时，火焰锋面经历规则—褶皱—规则的变化过程，在此过程中，火焰面积经历先增大后减小的过程。

3)主管道内火焰传播速度呈震荡变化的规律，分支管道带来的突扩作用首先对爆炸产生一定的泄压和散热作用，使火焰传播速度减小，随着流场湍流度增强，火焰表面积增大，火焰传播速度迅速增大。