障碍物投影长度对海上可燃气云爆燃特性影响*

高占胜，刘文鹏，2*，金良安，蒋晓刚

（1.海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018；2.解放军91404 部队，河北 秦皇岛 066001）

0 引言

随着现代石油化工技术的快速发展和规模的不断扩大，海洋天然气开采、LNG 海上运输等也在不断增加。一旦发生意外导致可燃气泄漏，将在海上形成极易发生爆燃的可燃气云，可能导致海上平台和运输工具等遭到破坏［1-3］。同时，海上可燃气云爆燃也被广泛应用于军事攻击或防御等相关领域［4-6］，气云爆燃产生的高压和高温将对身处其中的舰船和人员造成严重伤害，因此，对海上可燃气云爆燃特性的研究具有重要的意义。

目前大多数对可燃气云爆燃的研究文献中［7-11］，其实验或模拟的环境主要为陆地，在爆燃特性研究方面多以压力为主，气云形状也都假设为理想的对称形状，并认为气云在爆燃时已经混合均匀。而海上属于开敞空间，相对于产生的高压，可燃气云爆燃造成的高温伤害更加不容忽视，且海上可燃气云的形状往往并不规则［12］，可燃气的不断泄漏也会导致气云内部存在浓度差异［13-14］。重要的是，可燃气扩散主要受风速和风向影响［15］，因此，气云中的障碍物在下风向的投影长度会对爆燃过程产生很大影响，而文献中对此却鲜有研究。

鉴于以上现状，为突出湍流混合对燃烧速率的控制作用，本文基于k-ε 模型并结合涡耗散模型，以船舶作为障碍物原型，将其简化为长方体，针对障碍物在气云下风向不同投影长度下的爆燃过程进行数值模拟，重点研究投影长度对障碍物附近气云爆燃压力和温度特性的具体影响，以探讨气云爆燃可能给船舶等障碍物带来的危害。

1 数值模拟

1.1 物理模型

物理模型如图1 所示，x 轴正向为风向，y 轴代表高度，计算区域长400 m，高80 m；可燃气泄漏源位于海面，入口宽10 m，中心坐标（40，0）；点火区域位于泄漏源处，点火源中心坐标（40，0.5）；根据一般船舶尺寸，假设障碍物长度为180 m，宽度为20 m，高度为16 m，根据船舶首尾连线与下风向所成夹角，依次设定其在下风向的投影长度为20（首尾连线垂直风向，投影为船宽）、60、100、140、180 m（首尾连线平行风向，投影为船长）5 个等差值，并添加无障碍物组（0 m）作为对比。为了全面研究障碍物前方（靠近泄漏源，1、2 号监测点）、上方（3、4 号监测点）、后方（远离泄漏源，5、6 号监测点）等位置的压力和温度变化，分别设置6 个监测点，其中1、3、5号监测点位于障碍物各表面中间，同时在水平（垂直）距离各表面点20 m 处设置2、4、6 号监测点作为对比，无障碍物组的监测点位置与投影长度20 m 组相同。

整个流场采用四边形网格进行划分，由于可燃气入口位置初始浓度较大且为中心点火区域，障碍物附近流场参数变化较为剧烈，因此，对这两个区域的网格进行了局部加密，加密网格大小为0.4 m。

1.2 数值计算方法

可燃气扩散流动的连续方程、动量方程、能量方程和组分方程可以统一表示如下［1］：

式（1）中，ρ 为密度，φ 为通用求解变量，t 为时间，ui为i 方向上的速度分量，Γφ为通量φ 的扩散系数，Sφ为源项。

本文基于标准k-ε 模型，并利用涡耗散模型模拟可燃气云的爆燃过程：

图1 物理模型

式（2）～式（4）中，μeff为有效粘性系数，G 为阻力影响因素，δk和σε为输运特性的湍流普朗特数，C1和C2为常数；Ri，r为燃烧反应速率，v'i，r和v''i，r分别为反应物和生成物的化学计量数，M 为分子量，m 为质量分数，A 和B 为常数。

利用FLUENT 进行基本控制方程的离散和求解。其中，方程的离散采用有限体积法，压力-速度耦合方程求解采用SIMPLE 算法，梯度差分采用基于单元体的Least-Squares 方法，对源项进行局部线性化处理以使方程封闭，时间采用二阶隐式积分，压力采用二阶格式，其余皆采用二阶迎风格式。

1.3 初始条件及边界条件

计算环境初始压力为1.01×105Pa，初始温度为300 K，氧气质量分数为0.23，二氧化碳及水蒸气的质量分数均为0。为了尽可能突出气云爆燃的危险性，可燃气选择爆炸极限范围大、爆炸能较高的乙炔气体，泄漏源喷出质量流40 kg/s，垂直从海面进入大气，并考虑到可燃气入口处也存在部分氧气，设入口处乙炔和空气的质量比为9：1。气云形成后，采用瞬间高温进行点火，点火温度2 000 K。

计算域顶部流体变量梯度为零，来风口采用速度入口边界条件，出风口选择自由出流边界条件，风向平行于海面，不随时间、位置变化，y 方向的风速则采用幂次律计算［16］：

式中，uz为距海面高度z 处的风速，m/s；u10为海面上方10 m 处的风速，m/s；海上可取幂指数n =0.107。式（5）由UDF 文件建立。

2 结果分析

2.1 投影长度对可燃气云形成的影响

乙炔-空气混合气的爆炸上、下限分别为80%和2.5%（体积分数），因此，以2.5%等值面（转换为质量分数为2.27%）作为扩散危险区域。图2 为扩散300 s 时6 种投影长度下可燃气在海面上方的危险区域分布，相对于无障碍物组，障碍物组前方的可燃气浓度较高，各组障碍物均处于气云包围中。随着障碍物投影长度的增加，气云波动性增加，湍流性增强，这是因为障碍物阻碍了可燃气向外扩散，当可燃气翻越障碍物与空气形成对流时，会在障碍物上方形成小涡团，引起气云的不稳定；同时随着投影长度的增加，障碍物后方的可燃气浓度逐渐降低，当投影长度为140 m～180 m 时，后方可燃气的质量分数已经低于0.225。

图2 可燃气扩散300 s 时形成的危险区域

2.2 投影长度对爆燃压力特性的影响

图3 投影长度为100 m 的爆燃模拟压力

图4 文献［11］的爆燃实验压力

对扩散300 s 时的气云点火开始爆燃数值模拟，爆燃持续时间300 s。图3 是投影长度为100 m时不同测点处气云爆燃压力随时间的变化关系，在靠近泄漏源的测点2 处有最大正超压和最小负压，而在远离泄漏源的测点6 处正负超压则较小，这是因为爆燃中心位于泄漏源处，爆燃产生的压力冲击波从中心逐渐向周围传播，随着传播距离的增加，波阵面面积不断增大，加之过程中有能量损耗，单位体积的冲击波能量越来越小。图4 为气云爆燃实验压力随时间的变化关系［11］，爆燃过程中压力变化的总趋势为：在气云爆燃初期，超压迅速增加，达到最大正超压后又急剧减小到负压，并且随着时间的推移，达到二次正超压。可见本文的数值模拟结果与文献［11］的实验压力变化过程基本吻合，说明该数值模型能够较好地预测内置障碍物的气云爆燃过程。

图5 为不同测点处最大爆燃压力随投影长度的变化关系，随着投影长度的增加，障碍物前方的最大爆燃压力略有增加，上方则略有减小，而后方的最大爆燃压力显著减小。因为障碍物前方的压力冲击波遭到阻挡，导致爆燃产生的瞬间压力更大；而随着投影长度的增加，可燃气绕过障碍物扩散的难度加大，不易扩散至后方海面，导致该处可燃气较为稀薄，无法产生爆燃高压。

根据压力伤害准则［17］，人体轻微伤害临界值为20 kPa、人体致命伤害临界值为100 kPa、钢结构轻微毁坏临界值为3 kPa、钢结构严重毁坏临界值为30 kPa，可见海上可燃气云爆燃产生的压力较小，高压作用时间不长，至多使障碍物产生轻微损坏。这是因为海面为完全开敞空间，可燃气云爆燃后产生的压力很容易泄放，且海面可燃气扩散区域面积较大，障碍物的存在又使得可燃气浓度分布十分不均匀，很难恰好处于燃烧反应当量浓度，自然无法产生很高的超压。

2.3 投影长度对爆燃温度特性的影响

表1 为不同投影长度下6 个监测点的最高爆燃温度，相对于无障碍物组，障碍物组前表面测点1处温度普遍较低，前方测点2 处最高温度相差不大；随着投影长度的增加，上方测点3、4 处最高温度略有增加，但当投影长度为100 m～180 m 时温差并不大，后方测点5、6 处的趋势与上方类似。

表1 不同投影长度下各测点的最高温度

根据人体临界伤害温度391 K、人体严重伤害温度453 K、钢结构部分失效温度673 K 和钢结构全部失效温度873 K 这4 个温度界限［18］，表2 分别对6 个监测点超出最高临界温度873 K 的时间进行了统计，同时建立图6 所示6 种投影长度下气云爆燃300 s 时的临界温度等值面。

表2 各测点超出临界温度873 K 的累计时间

根据表2 的统计数据，相对于无障碍物组，障碍物组测点1 处的爆燃温度低于873 K，测点2 处的爆燃高温持续时间更长；随着投影长度的增加，当投影长度为0 m～60 m 时测点3、4 处的高温持续时间迅速增加，100 m～180 m 时高温持续时间的变化不大，表面测点3 比上方测点4 的高温持续时间更长；而在测点5、6 处，0 m～60 m 时高温持续时间的变化不大，100 m～180 m 时随投影长度的增加高温持续时间迅速减少。

图6 可燃气云爆燃300 s 时临界损伤温度区域分布

由图6，从气云爆燃的空间分布来看，障碍物前方始终处于453 K～673 K 的人体严重伤害区域；上方则随着投影长度的增加，爆燃温度逐渐升高，进入873 K～2 000 K 的钢结构全部失效区域，甚至部分区域的温度已经超过2 000 K；后方则随着投影长度的增加，爆燃温度逐渐降低，由钢结构全部失效区域进入低于391 K 的安全区域。

综合表1、表2 和图5、图6 可见，障碍物的存在提高了爆燃火焰传播的湍流程度，湍流又加速了火焰的传播，从而进一步增强了燃烧的速率和强度，产生了更大的破坏力。由于障碍物前表面处可燃气扩散受到阻碍，导致该处可燃气浓度过高，可供燃烧的氧气较少，因而燃烧并不剧烈，但该处仍会受到前方压力冲击波的伤害；同时，随着投影长度的增加，障碍物上方依附的可燃气体量逐渐增多，导致爆燃温度升高。而在障碍物后方，由于障碍物对扩散和火焰的阻碍作用，随着投影长度的增加，爆燃火焰基本无法蔓延至该区域。

由于船舶等障碍物的两侧都是较为坚固的钢结构，能够耐受一定程度的冲击和高温伤害，但其甲板以上部分的防护往往较为薄弱，因此，当投影长度较大时，障碍物上方将持续处于高温中，成为遭到爆燃火焰波及的重灾区，可能导致处于该区域的装备设施完全失效，造成作业人员严重伤亡。

3 结论

利用k-ε 湍流模型和涡耗散模型，对海上可燃气云的形成和爆燃过程进行了数值模拟，通过对比数值模拟压力与文献实验压力的变化过程，验证了模拟的可靠性，由数值模拟结果揭示了投影长度对气云爆燃压力和温度特性的具体影响，得到以下结论：

1）存在障碍物时气云的湍流性增强，可燃气的浓度分布更加不均匀，在部分区域障碍物加强了爆燃造成的伤害。

2）随着投影长度的增加，障碍物前方爆燃最大压力略增，但在前表面无法形成持续高温；障碍物上方爆燃最大压力略降，投影长度小于100 m 时爆燃高温的持续时间显著增加；障碍物后方爆燃最大压力骤降，投影长度大于100 m 时爆燃高温的持续时间大幅缩短。

3）较大的投影长度将使船舶防护较弱的甲板以上区域处于持续高温中，从而加重了气云爆燃对该区域内的装备设施和作业人员的伤害；当投影长度大于180 m 时，障碍物后方将成为安全区。