厨房吊柜对天然气泄漏扩散影响的模拟研究

徐永慧, 李兴泉, 姜懿芸, 李泽文

(1.山东建筑大学 热能工程学院, 山东 济南 250101;2.山东省能源建筑设计院 设计一处, 山东 济南 250101)

1 概述

天然气作为清洁、高效的能源,广泛地应用于家庭、工业、交通等领域,是城镇居民用能的主要方式,在缓解大气污染的同时因具有易燃易爆特性,燃气事故时有发生。室内燃气泄漏扩散极易引发爆炸事故,造成室内人员伤亡人数远大于室外[1-2]。

爆炸事故还会对建筑的力学结构造成破坏,是严重威胁城镇居民安全的灾害之一。由于室内燃气事故爆炸原因多样性和不可控性[3],室内天然气安全研究依然是重中之重,确定天然气报警器安装位置,及时阻断天然气泄漏,预防天然气事故发生。

国内外学者对天然气泄漏做了大量研究。薛海强等人[4]模拟研究液化石油气泄漏扩散受地面障碍物的影响,结果发现障碍物导致漏气堆积,危险性增大。张增刚等人[5]对开放式厨房与闭式厨房燃气泄漏情况通过Fluent软件进行模拟对比,分析不同时期引发爆炸的可能性,发现长时间(240 min)泄漏,开放式厨房危险性更高。肖志诚等人[6]研究障碍物和泄漏口的间距与天然气泄漏浓度场分布的关系,研究得出障碍物距离泄漏口20 cm时爆炸危险区域最大。

随着定制橱柜以及嵌入式家电的发展,厨房实际使用过程中承载的功能增多,空间不断变小,在狭小受限空间中燃气一旦泄漏,容易达到爆炸下限,燃气爆炸事故常发生在受限空间中。有吊柜厨房报警器安装位置不符合规范的情况多有发生,室内安全性降低[7]。

本文以居民有吊柜厨房与无吊柜厨房为研究对象,对天然气泄漏扩散情况进行模拟研究。对比分析吊柜对天然气泄漏扩散的影响,监测甲烷体积分数变化情况,确定有吊柜厨房报警器安装位置。

2 计算模型

2.1 几何模型

本文以济南某居民厨房为研究对象,对无吊柜以及有吊柜厨房2种工况进行模拟,模拟工况见表1。通过SpaceClaim软件构建无吊柜、有吊柜厨房三维几何模型,见图1。图中坐标原点位于窗户所在墙面左下角。厨房地柜L形布局,厨房x轴、y轴、z轴方向尺寸分别为1.6、2.4、2.5 m。窗户位于xOy面,尺寸见图1,距地高度为0.9 m。

图1 厨房三维几何模型(软件截图)

表1 模拟工况

泄漏口中心坐标为(90 mm,800 mm,1 050 mm),直径为9.5 mm。地柜高度为0.8 m,宽度0.6 m。有吊柜厨房中吊柜安装在yOz面,顶面紧贴屋顶。为方便计算,简化厨房内其他设施。泄漏过程假定厨房门窗关闭,天然气与空气混合气体通过门缝与窗缝流出。门缝宽度为5 mm,窗缝宽度为2 mm,模拟时设置为压力出口边界。

2.2 泄漏质量流量

根据不完全统计,我国2022年度燃气事故中,胶管问题占已明确事故原因的29%,胶管问题一直是引起燃气泄漏的主要原因,常见有脱落、老化、鼠咬等原因。本文主要模拟燃气灶具胶管脱落后泄漏扩散情况。

北方居民集中供暖用户常用燃气表型号为G1.6,流量范围为0.06～2.5 m3/h。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》(2020版)规定,居民天然气燃具额定压力为2 kPa。模拟时,设定天然气泄漏质量流量为0.000 55 kg/s。

2.3 数学模型

天然气泄漏扩散是发生在有限空间内的湍流流动,泄漏过程为自由射流[8],泄漏时天然气与周围空气发生质量及动量交换,流体控制微分方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。为使方程能够封闭求解,补充理想气体状态方程、密度方程、组分守恒方程。

采用标准的k-ε模型求解流场,在反映天然气体积分数真实变化规律的前提下,做出以下假设。

a.天然气泄漏是质量流量为定值的连续泄漏。

b.将泄漏的天然气简化为不可压缩的纯甲烷气体。

c.忽略热量交换,天然气只与空气进行组分输运,不考虑化学变化[9-10]。

3 网格划分及边界条件

3.1 网格划分

使用Fluent Meshing软件对模型进行网格划分,网格采用具有低网格数量、高效数值计算特点的poly-hexcore方式生成非结构网格,天然气泄漏口、门缝、窗缝部分进行网格加密。在保证网格质量精度合理的情况下,橱柜部分为物理学抑制,只对厨房内部流体部分进行网格划分,减少网格数量,以提高运行速度。最终确定无吊柜厨房、有吊柜厨房网格数量分别为440 379、437 685。模型网格划分见图2。

图2 厨房模型网格划分

3.2 边界条件与参数设置

① 通用设置

本模拟将泄漏天然气假定为不可压缩的理想气体,因此Fluent采用基于压力求解器进行非稳态运算。设定y方向重力加速度g=-9.8 m/s2[11]。

② 模型设置

天然气泄漏为自由射流,伴随能量转化,启动能量方程。选择标准k-ε模型[12]求解。

③ 材料设置

选用无化学反应组分运输的Species模块,简化天然气为纯甲烷,混合材料选取methane-air。

④ 边界条件

泄漏口设置为质量流量入口,方向为正y方向,泄漏质量流量为0.000 55 kg/s,天然气连续泄漏。外界无风状态下窗缝与门缝设置为压力出口,出口压力为0 Pa。

⑤ 初始条件

厨房内环境温度为15 ℃,初始压力为0 Pa,初始状态下室内甲烷体积分数为0。

⑥ 求解设置

采用SIMPLE算法,离散格式为一阶迎风格式。计算天然气泄漏2 h内厨房内甲烷分布情况,时间步长取1 s,每步最大迭代次数设置为20次。

4 模拟结果与分析

天然气的爆炸极限为5%～15%,云图选取甲烷体积分数0%～20%范围进行分析。本节只对天然气泄漏0～60 min扩散情况进行分析研究。

4.1 无吊柜厨房天然气分布情况

无吊柜厨房天然气泄漏5、15、30、60 min时,z=1.05 m截面(天然气泄漏口中心所在截面)甲烷体积分数分布云图见图3,厨房整体甲烷体积分数分布云图见图4。图3、4中图例数值为甲烷体积分数。

图3 无吊柜厨房天然气泄漏5、15、30、60 min时,z=1.05 m截面甲烷体积分数分布云图(软件截图)

图4 无吊柜厨房天然气泄漏5、15、30、60 min时,厨房整体甲烷体积分数分布云图(软件截图)

天然气泄漏5 min时,此时厨房仅在靠近天花板处甲烷体积分数达到爆炸下限,发生爆炸的可能性较小。受边界影响较小的区域,纵向甲烷体积分数可看作水平层状分布。天然气泄漏过程为孔口自由射流,同时由于天然气密度小于空气密度,泄漏口上方的甲烷体积分数高于同平面其他区域,天然气泄漏后在浮升力的作用下会优先在上层空间聚集。

天然气泄漏15 min时,厨房整体甲烷体积分数为2%～12%,聚集在上方空间的天然气逐渐下沉,y>0.8 m区域达到爆炸下限,厨房灯具开关以及操作台小家电插座通常距地高度1.3 m,电器点位甲烷体积分数已经达到爆炸下限,操作电器容易引起爆炸。

天然气泄漏30 min时,厨房整体甲烷体积分数为6%～16%,处于爆炸极限范围。此时若有静电或其他形式的点火源,极易引起燃气爆炸事故。

天然气泄漏60 min时,厨房整体甲烷体积分数进一步增加,整体区域仍处于爆炸极限范围内。y=0.9～1.3 m范围甲烷体积分数梯度远大于其他区域,天然气与空气的混合物在窗缝与门缝处(压力出口)逃逸。

4.2 有吊柜厨房不同时间天然气分布情况

有吊柜厨房天然气泄漏5、15、30、60 min时,z=1.05 m截面(天然气泄漏口中心所在截面)甲烷体积分数分布云图见图5,厨房整体甲烷体积分数分布云图见图6。图5、6中图例数值为甲烷体积分数。

图5 有吊柜厨房天然气泄漏5、15、30、60 min时,z=1.05 m截面甲烷体积分数分布云图(软件截图)

图6 有吊柜厨房天然气泄漏5、15、30、60 min时,厨房整体甲烷体积分数分布云图(软件截图)

天然气泄漏5 min时,天花板附近、吊柜周围甲烷体积分数达到爆炸下限,相比无吊柜厨房发生爆炸的可能性有所增加。吊柜对天然气射流及自由浮升扩散起到阻挡作用,天然气在吊柜下方与墙的阴角处聚集,甲烷体积分数不断增加,达到一定浓度后天然气沿着吊柜向天花板处浮升扩散,天然气的运动路径改变。y<1.3 m区域甲烷体积分数近乎水平层状分布。

天然气泄漏15 min时,厨房整体甲烷体积分数为1%～13%,y>0.8 m区域达到爆炸下限。除泄漏口附近外,天然气体积分数最高的部分位于吊柜下部。

天然气泄漏30 min时,厨房绝大部分区域甲烷体积分数高于5%,达到爆炸下限,天然气继续泄漏整体空间都会达到爆炸下限,爆炸可能性不断增加。

天然气泄漏60 min时,厨房区域基本达到爆炸下限,处于爆炸极限范围。随着厨房上方甲烷体积分数增加,浮升力对天然气扩散的影响减小,靠近吊柜处甲烷体积分数变化率不断减小。

4.3 对比分析

对厨房无吊柜、有吊柜2个工况,对比分析监测点A、B、C处甲烷体积分数。其中点A为厨房灯具开关点位,点B位于天花板下方,点C位于吊柜下方。点A、B、C坐标分别为(600 mm,1 300 mm,2 500 mm)、(350 mm,2 400 mm,1 050 mm)、(170 mm,1 600 mm,1 250 mm)。各监测点在厨房中具体位置见图7。各监测点甲烷体积分数随泄漏时间变化见图8。图8中,点A1、B1、C1对应表1无吊柜工况1,点A2、B2、C2对应表1有吊柜工况2。

图7 各监测点在厨房中具体位置(软件截图)

图8 各监测点甲烷体积分数随泄漏时间变化曲线

无吊柜厨房监测点A1晚于有吊柜厨房监测点A2达到爆炸下限,约晚2 min,过一段时间后两监测点体积分数趋于一致。

由于泄漏为自由射流以及天然气的密度低于空气,泄漏后点B1甲烷体积分数立即升高到3.7%,由于吊柜阻挡,点B2甲烷体积分数在天然气泄漏后逐渐升高。

天然气一旦开始泄漏,短时间内,有吊柜厨房下方点C2甲烷体积分数急剧升高到5%,无吊柜厨房点C1甲烷体积分数从0开始逐渐增加,点C2比点C1提前5 min达到爆炸下限。

在0～60 min时间内,有吊柜厨房监测点甲烷体积分数高于无吊柜厨房,吊柜的存在占据一定的流体域体积,相同的天然气泄漏量及泄漏时间下,流体域体积减小,甲烷体积分数升高,有吊柜厨房会早于无吊柜厨房达到爆炸下限,有吊柜厨房危险性有所增加。随着泄漏时间增加,两个工况各监测点甲烷体积分数差值不断减小,90 min左右两个工况各监测点体积分数基本相等。

5 报警器安装位置分析

GB/T 34004—2017《家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》规定,对家用天然气报警器,天然气体积分数达到1%时报警器有所响应。圆形家用报警器的外形一般近似圆柱体,按外直径为80 mm、高(厚)为30 mm考虑。安装时,考虑报警器中心所在位置,中心距离所在墙面15 mm。

针对有吊柜工况,在天花板及未安装吊柜的3个壁面上分别设置报警器监测点,对各个监测点的甲烷体积分数进行监测。监测点具体位置见图9,监测点坐标见表2。

图9 报警器监测点(软件截图)

表2 监测点坐标

① 距离天花板30 cm位置

天然气报警器通常安装在距离天花板约30 cm位置,距天花板30 cm各监测点达到报警体积分数(1%)所需时间见表3。由于泄漏口更加靠近点D、点F所在壁面,并且点D靠近位吊柜与壁面夹角阴角处,因此点D达到报警体积分数所需时间最短,为20.6 s,其次为点F,为21.6 s。点N与吊柜不相邻,达到报警体积分数所需时间最久,为36.8 s。

表3 距天花板30 cm各监测点达到报警体积分数所需时间

② 距离天花板50 cm位置

在实际安装过程中,天然气报警器距天花板距离存在争议[13],部分天然气报警器允许在天花板下方30～60 cm处安装。距天花板50 cm各监测点达到报警体积分数所需时间见表4。

表4 距天花板50 cm各监测点达到报警体积分数所需时间

达到报警体积分数所需时间最短的为点D正下方的点E,为17.8 s,其次为点F正下方的点G,为19.2 s。天然气泄漏后,吊柜下聚集的天然气沿吊柜底部扩散,部分达到吊柜两侧时会沿着吊柜侧边的阴角向上浮升扩散,点E、点G、点I、点K达到报警体积分数所需时间分别比位于其正上的监测点短。

③ 天花板位置

部分型号报警器允许吸顶安装。天花板处各监测点达到报警体积分数所需时间见表5。可以看出,达到报警体积分数所需时间最短的为点Q,为27.7 s,其次为点T,为29.1 s。

表5 天花板处各监测点达到报警体积分数所需时间

综上所述,有吊柜厨房天然气报警器优先安装在离燃气设施较近的吊柜侧面位置,在符合安装要求的情况下,尽量将报警器下移靠近软管接头等易泄漏位置。吸顶安装报警器选择在灶具前方与吊柜水平距离25 cm处。

6 结论

① 吊柜的存在改变了天然气扩散的路径,天然气在吊柜下方聚集并沿吊柜向天花板扩散。

② 在泄漏前60 min,有吊柜厨房整体甲烷体积分数高于无吊柜厨房,吊柜使危险性有所增加。

③ 有吊柜厨房天然气报警器优先安装在离燃气设施较近的吊柜侧面位置,在符合安装要求的情况下,尽量将报警器下移靠近软管接头等易泄漏位置。吸顶安装报警器选择在灶具前方与吊柜水平距离25 cm处。