城市地下排水管道中燃气爆炸及气-液两相耦合作用规律

摘要： 为研究城市地下排水管道中燃气爆炸传播特性和气-液两相耦合作用规律，基于气-液两相流理论和计算流体力学方法，对不同水深率下的天然气/空气混合物的爆炸-加速-衰减过程进行了数值模拟。研究结果表明：当水深率小于0.7 时，随着水深率的增加，气相空间的长径比增大，燃料燃烧加剧，火焰的加速现象逐渐显著，导致峰值超压逐渐增大，超压峰值显现时间逐渐缩短，且峰值超压沿轴向的提升效果更加显著；当水深率达到0.7 时，火焰在管道内的传播明显受阻，水震荡产生的波动及细水柱迅速占据了有限的气相空间，阻断了火焰的自维持传播，使得爆炸超压仅在点火源附近显现。不同水深率条件下，管道中相同区域内，同一时刻水面被扬起的高度和气相区域的速度场不同，被卷扬起的低温液体对其相邻区域的高温火焰形成降温和阻断，之后由于气体的宏观流动，与液面相邻的低温气体流动至管道内高温区域，进而造成管道内火焰温度降低，同时，水的震荡和细水柱的飞扬大大降低了爆炸超压风险。

关键词： 城市排水管道；天然气爆炸；爆炸超压；火焰熄灭

中图分类号： O389 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

随着城市化水平的提高，地下燃气管网的规模也在大幅提升。根据住建部发布的数据，2021 年，我国城市管道总长约3.3×106 km，其中燃气管道长约9.4×105 km。但是，由于管道自身疲劳以及第三方破坏等原因，管道发生破裂进而导致可燃气体泄漏事故时有发生，泄漏后的可燃气大多通过多孔介质的土壤快速扩散至相邻地下空间[1]，例如：雨污排水管道、人防空间、地下停车场、地铁等，其中以分布最广泛的雨污排水管道最常见[2]；此外，雨污排水管道中积存的有机残渣发生氧化反应释放大量沼气。上述2 种情况均可在排水管道中形成爆炸性混合气体，一旦遇到足够能量的点火源便会发生爆炸。由于地下空间管网的连通特性，爆炸一旦发生，将会造成大规模的管网传播，往往会引起一系列的多米诺灾害反应，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响[3]。

近年来，由于可燃物质泄漏导致的相邻地下含水空间的爆炸事故频繁发生。例如：2013 年，山东省青岛市发生的输油管道泄漏爆炸事故是由于在输油管道与排水暗渠交汇处，管道受到腐蚀发生破裂，导致原油泄漏至排水暗渠，泄漏原油的挥发分与空气形成爆炸性混合物，遇电火花发生爆炸[4]。在含水的受限空间中，水的流动大大加速了可燃气体的蔓延，同时，爆炸冲击波所带来的水的震荡使得火焰传播与熄灭更加复杂，增加了爆炸风险的同时，也为城市燃气管网的爆炸防控设置了障碍。

含水管道可近似视为一个相对封闭的空间，针对封闭空间中的天然气爆炸及火焰传播规律，学者们已经开展了大量的实验及数值模拟研究[5-8]。Zhu 等[9] 研究了甲烷浓度和横截面对爆炸规律的影响。Wang 等[10] 研究了管道粗糙程度对爆炸传播的影响，发现在光滑管道内，爆轰波以稳定的速度在极限范围内传播。Akkerman 等[11] 研究了内壁粗糙程度对气体爆炸火焰传播速度的影响。Kundu 等[12] 发现，天然气在湍流场中的爆炸强度、压力上升速率和火焰速度要比静态时更大。Starke 等[13]、Ibrahim 等[14] 和Wang 等[15] 揭示了障碍物形状和尺寸对气体爆炸火焰加速传播的影响。这些研究大多在刚性约束边界条件下开展，而对于连续相水等柔性边界条件的研究尚不多见。

针对水与爆炸的耦合关系研究，多集中在离散细水雾的抑爆特性方面[16-17]。Wang 等[18] 研究了细水雾的液滴尺寸对爆炸的影响，发现直径为45 和100 μm 的细水雾液滴不仅不能抑制爆炸，反而会促进爆炸，而雾滴直径大于160 μm 的细水雾抑制爆炸的效果较好。Jing 等[19] 研究了直径为10 μm 的单分散超细水雾抑制甲烷爆炸的效果，得出了将甲烷爆轰衰减为爆燃的水雾临界浓度和将甲烷爆轰完全抑制的水雾临界浓度。Li 等[20] 研究了喷雾压力对爆炸的影响，发现增加细水雾的压力会降低火焰高度并增大火焰倾斜角度，且低速火焰比高速火焰受到细水雾施加的横向剪切力的影响更大。Liang 等[21] 和Li 等[22]分析了细水雾对爆炸的抑制机理，发现加入细水雾后诱导爆炸的时间延长，原因在于，水雾一方面降低了活性H、O、OH 自由基的浓度，另一方面干扰了气体爆炸能量的产生，并通过吸热消耗气体爆炸火焰。针对天然气在雨污排水管道中的爆炸火焰传播与熄灭特性的研究尚不多见。前期，Zhang 等[23] 研究了低水位条件下气体爆炸与连续相水的耦合作用，分析了冲击波作用下连续相水的运动及形态发展规律，为揭示含水管道火焰传播与熄灭特征提供了重要科学依据。

然而，受到天气降雨以及居民用水量等因素的影响，城市雨污排水管道中水相及气相空间比例变化多样，这将对管道内气体爆炸火焰的传播及熄灭机制产生重要影响。本文中，基于计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法，在不同水深率的含水管道中开展天然气爆炸与传播特性研究，得到含水管道中形成气体爆炸传播的临界水位高度，揭示不同水位高度与爆炸超压、火焰特征的耦合作用关系，为城市燃气生命线爆炸防控提供科学依据。