环境湿度对约束空间甲烷爆燃特性的影响研究

刘开沅，吕鹏飞，琚明华，梁涛

(北京石油化工学院安全工程学院，北京 102617)

市政排污管线、煤矿井下巷道等典型约束空间内往往积聚可燃气体，极易发生气体爆炸事故。如2013年11月22日山东青岛中石化东黄输油管道泄漏事故，由于泄漏原油进入市政排水暗渠，挥发油气在暗渠内积聚遇火花引发爆炸，造成62人死亡、136人受伤；2016年11月29日黑龙江省七台河市景有煤矿重大瓦斯爆炸事故，因采煤工作面瓦斯积聚，工人违章放炮引发爆炸，造成22人死亡。由于排污管线、煤矿巷道等约束空间结构复杂，地域差异、气候影响、天气变化等因素将改变其内部环境湿度，进而对其内可燃气体爆炸特性及灾害传播产生影响，因此开展湿度对约束空间可燃气体爆炸特性的影响研究尤为必要。

目前学者们围绕湿度对可燃气体爆炸特性的影响开展了相关研究。谭汝媚等[1]采用地下室天然湿度环境，其相对湿度可随季节更替发生变化，在5 L的圆柱形爆炸容器中进行环境湿度(40%、88%)对环氧丙烷蒸气爆炸特性影响的实验，结果表明，随着湿度的增加，最大爆炸压力和最大压力上升速率在7%的环氧丙烷附近下降明显；Zhang等[2]研究了湿度对环氧丙烷/空气混合物最小点火能的影响，结果发现，当环氧丙烷体积分数较高时，湿度对最小点火能影响显著，而在较低的体积分数下，湿度对最小点火能的影响不明显；杨龙龙等[3]实验研究了不同相对湿度条件下甲烷-空气混合物的爆炸特征，自主设计饱和湿空气发生及储存装置来改变混合气体湿度(27.7%～80.1%)，发现随着相对湿度增加，爆炸下限上升而最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、层流燃烧速度均逐渐下降；朱丕凯[4]、刘丹等[5]利用湿度发生器控制环境湿度，基于实验分别研究了环境湿度20%～80%、15%～92%对甲烷爆炸极限的影响，结果表明，随着环境湿度增加，甲烷爆炸极限浓度范围变窄，具体表现为爆炸下限上升、上限下降；Boushaki等[6]、Mazas等[7]研究了水蒸气对甲烷火焰层流燃烧速度的影响，结果表明，加入水蒸气后火焰燃烧速度和温度明显降低；单天翔等[8]通过模拟研究了水蒸气对甲烷燃烧微观反应进程的影响；罗振敏[9]借助自主设计的瓦斯爆炸实验装置研究了活化水蒸气的抑爆作用，将由活化水蒸气发生系统处理生成的活化水分别取不同量(0、2、4、8 mL)通入实验管道中，结果发现，活化水蒸气能显著延长火焰传播时间，同时降低火焰平均传播速率。此外，相关学者研究了水雾对可燃气体爆炸特性的影响。裴蓓等[10]实验研究了CO2-超细水雾对9.5%瓦斯/煤尘复合体系的抑制特性，利用超声雾化装置产生不同质量浓度的超细水雾(115.7、231.4、347.2、694.4、1 041.7 g/m3)，发现超细水雾质量浓度增加造成爆炸火焰最大传播速度和超压峰值降低，火焰到达泄爆口的时间延迟；杨克等[11-13]进行了含不同添加剂的超细水雾抑制甲烷爆炸、酒精火的实验；刘暄亚等[14]对不同水雾条件下的气体爆炸、火焰传播现象进行了实验研究；毕明树等[15]在密闭管道内进行了细水雾抑制瓦斯爆炸的实验，发现随着喷雾量的增加，最大爆炸压力及最大压力上升速率下降，并延长了到达最大爆炸压力的时间；曹兴岩等[16]通过数值模拟和实验研究了超细水雾增强与抑制甲烷爆炸的作用机理；余明高等[17]在小尺寸的细水雾发生装置中进行了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的实验；张培红等[18]搭建了受限空间实验模型，利用细水雾喷头向模型内部喷洒水雾来调整湿度，并用空气质量检测仪测试湿度值，研究了池火在不同湿度(30%～90%)下的发展规律，结果发现，当环境湿度达到90%左右时，火焰对环境的热辐射和温度均明显下降。

尽管研究者针对环境湿度对约束空间内可燃气体爆燃特性的影响开展了相关研究，但仅有少数研究明确了环境湿度数值，大多借助水蒸气或喷雾手段产生的液珠进行研究，其存在形式及作用方式与真实的潮湿环境具有显著差异，而且缺乏环境湿度精确可控的气体爆炸实验设备。鉴于此，笔者借助数值模拟手段，初步建立20 L球形爆炸容器模型，选定不同体积分数的甲烷-空气混合物，研究其内环境湿度变化对甲烷爆燃压力、火焰传播速度的影响，为后续开展其他种类可燃气体和满足工程实际的大尺寸模拟研究奠定基础，并为特殊环境条件下可燃气体爆炸参数的预测、评估及开展有效事故防治提供借鉴。

1 数值分析模型

借助三维流体动力学模拟软件Fluidyn-MP进行环境湿度对甲烷爆燃特性的影响的模拟，所建模型为20 L球形爆炸容器，结果如图1所示，其中球体半径R为0.168 m，将球心设置为点火源，距球心0～0.16 m处每隔0.02 m设置一个监测点，用于记录爆燃特性参数。模拟过程中将球体设置为等温壁面，初始压力为0.101 MPa，初始温度为300 K，将球体内充满不同体积分数的甲烷-空气混合物，其中甲烷体积分数分别为6.5%、7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5%，每种体积分数条件下通过调节水蒸气含量分别设置初始相对湿度为10%、30%、50%、70%、90%。

图1 分析模型Fig.1 Analysis model

软件模拟中假设可燃气体爆炸为单步不可逆化学反应，采用有限体积法对包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程组进行求解，以解决气体爆炸过程中的气体动力学问题，并通过k-ε模型模拟气体爆炸中的湍流行为，具体方程如下：

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

-∇·q+[∂p/∂t+U·∇p] +τ:∇U+ST

(3)

式中：ρ为密度；U为速度矢量；SP为连续性方程的源项；τ为黏性应力张量；p为压力；SU为动量方程的源项；CP为恒定压力下的比热；T为温度；q为热通量矢量；ST为温度方程的源项。

模拟采用k-ε湍流模型，湍流动能k、湍流动能耗散率ε满足：

(4)

(5)

采用改进的BML燃烧模型，反应速率ω满足：

(6)

各组分的守恒方程为：

(7)

式中：ym为组分m的质量分数；Dm为组分m的有效扩散系数；Sm为组分m守恒方程源项。

2 结果与讨论

2.1 实验验证

为了验证数值方法的有效性，根据相关实验研究成果[5]，首先建立与实验条件相近的20 L球形爆炸容器模型并进行数值模拟，保持环境湿度分别为15%、63%、92%，并将爆燃压力峰值模拟结果与实验值进行对比，如图2所示。

图2 不同环境湿度条件下的甲烷爆燃压力峰值对比Fig.2 Comparison of the peak value of methane deflagration pressure under different ambient humidity conditions

由图2可知，不同环境湿度条件下甲烷爆燃压力峰值模拟值与实验值变化趋势一致，随着甲烷体积分数的增加，爆燃压力峰值均呈现先升高后降低的变化趋势，并在甲烷体积分数为9.5%时达到最大值。与实验值相比，当环境湿度为15%时，爆燃压力峰均值绝对误差为0.061 MPa，相对误差为8.6%；当环境湿度为63%时，爆燃压力峰均值绝对误差为0.087 MPa，相对误差为12.8%；当环境湿度为92%时，爆燃压力峰值均绝对误差为0.097 MPa，相对误差为14.6%。整体来看，3种环境湿度下爆燃压力峰均值模拟值和实验值绝对误差均值为0.082 MPa，相对误差均值为12%，模拟值整体比实验值偏大，其原因与数值模拟的理想化条件、实验容器内部粗糙度、壁面散热、湿度计量设备的精确度、压力传感器的精度和灵敏度等因素有关。通过数值模拟与实验对比验证，该数值模拟结果能够反映实际甲烷爆燃压力变化趋势，模拟数据对真实条件下的爆燃特性具有一定的参考价值，采用的数值方法较为可行。

2.2 爆燃压力影响分析

以体积分数为9.5%的甲烷为例，模拟过程中改变爆炸容器内的环境湿度，设置初始湿度范围为10%～90%，以20%为间距，考察不同环境湿度条件下距点火源0.16 m处的爆燃压力，得到压力时程曲线如图3所示。

图3 不同环境湿度条件下的压力时程曲线Fig.3 Pressure vs. time curve under different ambient humidity conditions

由图3可知，在不同环境湿度条件下，甲烷-空气混合物压力曲线变化趋势一致，随着时间的增加，爆燃压力逐渐增大，在0.2 s左右达到峰值后逐渐衰减。这主要是由于甲烷被点燃后加速燃烧膨胀，释放出巨大能量使爆燃压力迅速上升并达到峰值，由于建立的20 L球形爆炸容器模型为等温壁面，罐体与外界进行热交换造成能量的损失，因此爆燃压力达到峰值后逐渐下降。此外，随着环境湿度的增加，到达最大爆燃压力的时间逐渐增大。当环境湿度由10%增加到90%时，到达最大爆燃压力时间由0.197 s增大到0.202 s。

为系统对比分析，选取不同环境湿度和甲烷体积分数条件下的最大爆燃压力为考察对象，根据模拟结果，得到距点火源0.16 m处最大爆燃压力变化情况如图4所示。

图4 不同环境湿度条件下最大爆燃压力变化Fig.4 The change of maximum deflagration pressure under different ambient humidity conditions

由图4可知，在同一环境湿度条件下，甲烷最大爆燃压力曲线具有明显的分段性，随着甲烷体积分数的增加，整体呈现先升高后降低的变化趋势，并在甲烷体积分数为9.5%时达到最大值。分析认为，在同一湿度下，当甲烷体积分数小于9.5%时为贫燃反应，此时氧气充足而甲烷不足，化学反应不完全，随着甲烷体积分数的升高，参与反应的甲烷量增多，爆炸反应强度逐渐增强，能量释放增多，爆燃压力持续升高；当甲烷体积分数为9.5%时接近当量浓度，甲烷与氧气较充分反应，达到最大爆炸强度，爆燃压力曲线出现最大值；当甲烷体积分数大于9.5%时为富燃反应，此时甲烷充足而氧气不足，化学反应不完全，随着甲烷体积分数的增加，参与反应的氧气量减少，爆炸强度逐渐降低，能量释放减弱，爆燃压力出现下降。

此外，对于同一甲烷体积分数，最大爆燃压力随着环境湿度的增加呈现递减的变化趋势。以体积分数9.5%的甲烷为例，当环境湿度从10%增加到90%时，最大爆燃压力由0.842 MPa下降到0.818 MPa。这是由于随着环境湿度的增加，爆炸容器内水蒸气含量不断上升，使得混合气体中氧气体积分数下降，降低了甲烷与氧气结合的机率，减缓了化学反应的进行；同时由于水蒸气比热容较大，可通过吸收爆炸反应区放出的热量降低反应区温度，随着环境湿度的增加，爆炸反应区温度降低，甲烷爆炸强度削弱；此外，爆炸容器内水蒸气能包裹燃烧火焰隔绝未参与反应的气体，进一步减弱了化学反应的进行，造成最大爆燃压力降低。可见水蒸气对甲烷气体爆炸具有抑制作用，可为水蒸气在实际巷道瓦斯爆炸灾害治理、天然气管道安全输送等领域的应用提供依据。

2.3 火焰传播速度影响分析

以体积分数为9.5%的甲烷为例，在距爆炸容器点火源0.16 m范围内，以0.02 m为间距共设置9个监测点，考察不同环境湿度条件下火焰传播到各监测点的时间，结果如图5所示。

图5 不同环境湿度条件下火焰传播到达时间变化曲线Fig.5 Variation curve of the arrival time of flame propagation under different ambient humidity conditions

由图5可知，在同一环境湿度条件下，随着与点火源距离的增加，火焰到达监测点的时间逐渐增大。同一测点下，火焰到达时间随着湿度的增加呈递增趋势。以0.16 m处监测点为例，当环境湿度从10%增加到90%时，火焰到达时间由0.069 s增大到0.072 s。这是由于当环境湿度增大时，水蒸气体积分数增加对甲烷-空气混合物爆燃起到一定的惰化作用，造成火焰阵面燃烧反应速度降低，放热量减少，反应区温度和爆炸强度随之降低，同时对燃烧火焰的包裹作用得到加强，阻止了火焰的蔓延，使得火焰到达时间延长。

不同环境湿度条件下距点火源0.16 m处火焰平均传播速度如图6所示。

图6 不同环境湿度条件下火焰平均传播速度变化曲线Fig.6 Variation curve of average flame propagation velocity under different ambient humidity conditions

由图6可知，在同一环境湿度条件下，火焰平均传播速度随着甲烷体积分数的增加呈现先升高后降低的变化趋势，在甲烷体积分数为9.5%时达到峰值。这是由于在同一湿度下，当甲烷体积分数小于9.5%时，由于过量的空气消耗一部分反应热，起到冷却作用，反应区温度较低，降低了化学反应速度。随着甲烷体积分数的增加，参与反应的氧气量增加，减弱了过量空气的冷却作用，加剧了化学反应，造成火焰传播速度逐渐增大；当甲烷体积分数为9.5%时，甲烷与氧气较充分反应，爆炸反应最为剧烈，火焰传播速度出现最大值；当甲烷体积分数大于9.5%时，化学反应不完全，此时随着甲烷体积分数的增加，化学反应剧烈程度减弱，火焰传播速度开始下降。

此外，在同一甲烷体积分数条件下，火焰传播速度随着环境湿度的增加呈现递减的变化趋势。以体积分数9.5%的甲烷为例，当环境湿度从10%增加到90%时，火焰传播速度由2.32 m/s降低到2.22 m/s，降幅为4.3%，与细水雾对典型受限空间内9.5%体积分数的甲烷爆炸火焰传播的抑制作用相比[11，17，19]，降幅整体偏低，这是由于水蒸气和细水雾对爆炸火焰的抑制机理存在本质区别。在不同环境湿度条件下，甲烷-空气混合物和水蒸气共处于气相环境，水蒸气对甲烷爆炸的惰化效应以及对火焰的包裹作用造成火焰传播速度的差异，而在细水雾作用下，属于典型的气液共存体系，涉及到液滴的破碎吸能、液滴汽化吸能以及惰性组分抑制反应进行等过程[5]，对爆炸火焰传播的抑制作用更为显著。在后续研究中可开展符合工程实际的大尺度可燃气体爆炸模拟，进一步探讨环境湿度对爆炸火焰的抑制作用。

3 结论

(1)相同环境湿度条件下，随着甲烷体积分数的增加，最大爆燃压力和火焰传播速度均呈现先升高后降低的变化趋势，而环境湿度的差异影响甲烷-空气混合物爆燃过程，整体表现为环境湿度越大，对爆燃抑制作用越显著。

(2)环境湿度影响甲烷-空气混合物爆炸强度，具体表现为随着环境湿度的增加，化学反应剧烈程度减缓，造成爆燃压力峰值下降，而且到达最大爆燃压力的时间增大，爆炸强度减弱。

(3)随着环境湿度的增加，水蒸气对甲烷-空气混合物爆燃的惰化效应以及对火焰的包裹作用增强，造成火焰传播速度降低，在一定程度上阻止了火焰蔓延。在生产实际中可将水蒸气应用于煤矿巷道防爆抑爆、天然气管道输送保护等领域，为气体爆炸事故的预防与控制提供借鉴。