地下综合管廊燃气舱内燃烧爆炸时火焰传播规律的尺寸效应研究

崔英洁，周卓群，李良顺

（1. 北京航天万源建筑工程有限责任公司，北京 100076；2.北京建筑大学，土木与交通工程学院，北京 100044；3.北京交通大学，土木建筑工程学院，北京 100000）

引言

综合管廊可以有效地利用地下空间，对于综合管廊类的建筑结构，运行过程中不可避免地会发生燃气泄漏，一旦内部发生燃烧爆炸，会造成很大的损失。进行密闭空间内燃气燃烧爆炸的研究对于提高管廊安全性有着重要意义[1]。近年来密闭空间内燃气体爆炸的研究不断增加，且受到广泛关注。随着计算机性能的不断提高，流体力学软件在工程模拟分析中得到了广泛的应用，流体力学软件在气体爆炸领域的模拟可以取得很好的效果。并且数值模拟具有低成本、计算周期短、计算结果更全面等诸多优势[2-3]。

本研究研究了燃气在地下综合管廊等大尺度封闭空间内燃烧和爆炸的尺度效应。借助FLUENT 软件对综合管廊等大尺寸空间燃烧爆炸的尺寸效应与小尺寸空间的规律是否一致，并对不同空间尺寸下燃烧和爆炸相关参数相互间的关系进行了分析。研究了空间尺寸变化对火焰传播的影响规律，建立后续大尺寸试验相关的理论支撑和技术支持。

1 数值分析的基本假设

1.1 模型建立

该模型用于探讨空间尺寸对火焰擦混播规律产生的影响规律，基本模型的空间长度设置为1 m，内径设置为0.1 m。在模型的长径比为10:1 保持恒定的基础上，同比例对空间尺寸分别放大3 倍、5 倍、10倍、15 倍、20 倍，扩大后的空间长度分别为3 m、5 m、10 m、15 m、20 m，内径分别为0.3 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m，具体模型尺寸见表1。设定甲烷浓度为9.5%条件下采用数值模型的方法分别对上述6 个不同尺寸模型进行分析，研究不同尺寸下内部燃烧的速度、压力及温度等参数变化规律。

1.2 网格划分

本研究使用ANSYS ICEM 对几何模型网格进行生成，这里仅对流体区域进行划分，使用结构化网络对计算区域划分结果见图1。为保证分析网格的独立性，调整网格大小范围为4 mm～10 mm。最终分析结果显示网格调整对计算时间影响较大，但最终模拟结果变化不大，为降低计算成本，将燃烧区域的网格加密，设置网格大小为4 mm。

图1 网格的划分

1.3 初始条件

对6 种工况中对应的预混可燃气体模型初始条件进行统一设置，最终设置的初始条件见表2。初始时刻，T=300 K，P=1.01×105 Pa，u=0，v=0。根据热点火理论，于模型最左侧设置半圆形点火区，对应温度为2 000 K、半径为5 mm，模型于点火源处设置压力监测点，由点火区加热附近的预混天然气，使其附近的可燃气体能够达到燃烧温度从而被点燃，随后通过燃烧火焰的传播带动整个空间内的可燃气体燃烧。该模型中的压力监测点设置在点火源附近位置。

表2 初始条件设置

甲烷- 空气预混合气体在二维封闭空间内燃烧和爆炸的基本假设如下：

（1） 天然气在不同工况下的可以均匀混合。

（2） 气体爆炸过程的化学反应方程式为：CH+2 （O+ 3.76N）→CO+2HO+7.52N，爆炸过程为单步不可逆反应。

（3） 在爆炸燃烧过程中，火焰传播较快，因而壁面热损失低，将此过程归结于绝热过程。

2 爆燃过程的尺度效应分析

在燃烧爆炸过程中的火焰传播速度受到甲烷体积分数影响，理想状态下火焰传播速度为甲烷体积分数稳定在9.5%时，此时热量产生最多且爆炸最剧烈[4-5]。因此为研究火焰爆炸压力、燃烧速率、燃烧温度受尺寸效应的影响规律，本研究将模型中6 种尺寸不同的密闭空间内甲烷- 空气预混气体体积分数均设置为9.5%。

2.1 爆炸火焰传播速度

对甲烷在6 种不同尺寸密闭空间下发生爆炸后的火焰传播速度进行分析，绘制时程曲线见图2，对比火焰传播速度可知：

图2 火焰传播速度时程曲线

（1） 大尺度空间中气体爆燃波的发展相对较慢。6 种不同空间尺寸下火焰的传播速度曲线具有基本相同的趋势，即具有上升段与下降段。然而火焰传播速度达到最大值所需的时间呈现随空间尺寸增大而逐渐延后的特点。其主要原因为空间尺度的不同导致了边界对火焰燃烧的推动作用也产生了差异，随着尺寸不断增大，火焰压力波以及壁面边界对火焰产生的推动作用随之减小，从而使得火焰传播时的湍流加速效果下降。

气体爆燃波在大尺度空间中的发展相对缓慢。不同空间尺寸下的火焰传播速度曲线趋势均具备上升段与下降段，趋势一致。但随着空间尺寸的增大，火焰传播速度曲线峰值所对应的时间发生右移，即峰值出现点发生延迟，这是由于不同空间尺度其边界对火焰燃烧具备不同的促进程度。随着时间推移尺寸增大，火焰压力波以及壁面能够产生的对火焰的推动作用不断减小，使得火焰蔓延，最终湍流加速效应也降低。

（2） 火焰传播速度峰值随着空间尺寸增大而降低，随着空间尺寸增大传播速度峰值由14.07 m/s 降低至8.78 m/s。空间尺寸为20 m，内径为2 m 对应的传播速度峰值最低。这是由于空间尺寸增大导致密闭空间内热辐射作用降低，气体燃烧所能够释放出的热量不断降低，后续的能量供给不足，最终导致了火焰的传播速度减小。

2.2 爆炸压力

图3 为6 种不同空间尺寸下压力随时间的变化曲线。由图3 可知：

图3 爆炸压力时程曲线

（1） 不同尺寸空间对应的压力曲线随着燃烧的进行均表现出相似的发展趋势，即短时间内压力上升至最大值，随后趋于稳定。设想燃烧过程为绝热过程，模型将壁面的边界条件对应设置为绝热，在整个燃烧过程中无法将产生的热量耗散，进而温度升高，由于无法与外界进行热量交换，压力将趋于稳定。

（2） 工况为空间长度3 m，内径0.3 m 的模型可得702.6 kPa 的最大爆炸压力；工况为空间长度5 m，内径0.5 m 的模型可得744.3 kPa 的最大爆炸压力；工况为空间长度10 m，内径1 m 的模型可得714.5 kPa 的最大爆炸压力；工况为空间长度15 m，内径1.5 m 的模型可得720.9 kPa 的最大爆炸压力；工况为空间长度20 m，内径2 m 的模型可得735.5 kPa 的最大爆炸压力，对比不同空间尺寸下的爆炸压力可知，不同工况下所对应的最大爆炸压力无较大波动，因此空间尺寸的改变对密闭空间中发生燃烧爆炸所产生的最大爆炸压力没有明显影响。

2.3 爆炸温度

绘制不同工况下的爆炸温度时程曲线见图4。

图4 爆炸温度时程曲线

（1） 不同空间尺寸对应的工况下爆炸温度变化趋势大致均为先增大后趋于稳定。其过程可以细分为三个阶段：点火阶段、火焰传播阶段和稳定阶段。对于点火阶段，气体刚点燃，火焰所燃烧的范围很小，监测点尚不能对火焰检测，此时监测点处火焰爆炸压力对应的监测值为0，该监测点处此时温度为300 K，即预设值对应的初始温度；随后燃烧进入火焰传播阶段，此阶段随着火焰传播，不断有气体被点燃，开始发展为剧烈燃烧，此时火焰也被监测点捕获，监测点对应的温度骤升至2 000 K 以上，该温度开始急速上升的期间，此阶段气体发生爆燃，由于甲烷在发生高温氧化反应时持续时间短且迅速，因此计算结果上升段迅速且短暂，由于设置边界条件为绝热，管道不能发生对外的能量交换，在该阶段爆炸温度到达峰值后将会稳定在最大值处。

（2） 甲烷在不同空间尺寸下燃烧爆炸全过程温度变化曲线趋势相同，但迅速升温以及区域稳定对应的时间不同。整体趋势表现为快速升温以及区域稳定对应的时间点均会随着空间尺寸的增大而逐渐延后。

（3） 由于对6 种工况下点火区对应的相关参数进行了统一设置，燃烧爆炸在不同空间尺寸下最终能达到的温度峰值基本相同。密闭空间内气体燃烧产生热能的能力不因空间尺寸改变而发生变化，最终表现为燃烧所能达到平稳阶段所对应的峰值温度基本相同。

3 结论

本研究利用Fluent 软件对6 种不同密闭空间尺寸下甲烷的燃烧爆炸进行了模拟，探究了爆炸初期对应的火焰传播规律，分析模拟结果得到尺寸效应对爆炸火焰传播速度、爆炸压力以及爆炸温度的影响规律如下：

（1） 大空间尺寸下气体爆炸燃烧时火焰传播速度比小尺寸空间中对应传播速度慢，当在压力水平较低的爆炸初始阶段时，气体爆燃波发展在大尺寸空间中相较于小尺度空间对应爆燃波发展会更慢。

（2） 对不同空间尺寸下对应爆炸压力的变化规律进行分析可知，当空间尺寸的长径比保持10:1 不变时，仅将空间尺寸扩大至基本模型的3 倍、5 倍、10倍、15 倍和20 倍时，爆炸压力对应的上升速率减小，不同空间尺寸下最大爆炸压力基本恒定，爆炸压力峰值对应的时间逐渐后延。

（3） 对不同空间尺寸下爆炸温度变化曲线进行分析可知，当空间尺寸扩大至基本模型的3 倍、5 倍、10 倍、15 倍和20 倍时，爆炸温度的上升速率不断减小，峰值温度的后延出现，最终可以达到的温度峰值基本相同。