呂鵬飛，朱澍成，劉開沅，龐 磊，楊 凱

(1.北京石油化工學院 安全工程學院，北京 102617;2.北京市安全生產(chǎn)工程技術研究院，北京 102617)

0 引言

市政排污管線等典型約束空間內(nèi)往往積聚可燃氣體，極易發(fā)生氣體爆炸事故并造成嚴重后果，例如，2013年山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，原油泄入排水暗渠后，現(xiàn)場處置人員采用液壓破碎錘在暗渠蓋板上打孔破碎，產(chǎn)生撞擊火花并引起暗渠內(nèi)油氣爆炸，事故造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟損失近7.52億元[1]。而泄爆作為常用的1種爆炸災害控制措施，通過泄爆面能夠釋放爆炸壓力，進而改變約束空間爆炸流場分布及災害效應。因此，針對泄爆面特征參數(shù)開展約束空間可燃氣體爆炸特性及災害傳播規(guī)律研究尤為必要。

當前，研究者圍繞泄爆面特征參數(shù)對受限空間可燃氣體爆炸過程的影響開展了相關研究。任少峰等[2]研究了泄壓比對管道內(nèi)爆炸壓力與火焰速度的影響，結果表明泄壓比不同造成泄壓比與爆炸壓力、火焰速度峰值關系的差異。胡俊等[3]對柱形容器甲烷/空氣預混氣的頂端開口泄爆過程進行了實驗研究，結果表明不同的泄爆口面積產(chǎn)生的泄流率不同，并造成容器內(nèi)火焰面的發(fā)展、變形、燃燒速率的差異。王志榮等[4]實驗研究了泄爆口直徑對容器可燃氣體泄爆過程中外部壓力變化特性的影響，結果表明隨著泄爆口直徑的增加，容器外部最大壓力上升速率及峰值壓力均相應增大。劉斐斐等[5]模擬研究了管道內(nèi)氫氣爆燃轉爆轟及其抑制過程，結果表明泄爆口位于管道中部時能降低管道內(nèi)爆轟超壓，起到較好的泄爆效果。Wan等[6]實驗研究了直管中側向泄爆口位置對甲烷/空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，結果表明縮短側向泄爆口與點火源之間的距離可以顯著增強泄放效果。Chao等[7]實驗研究了圓柱狀泄壓容器內(nèi)點火位置對甲烷爆炸超壓峰值的影響，發(fā)現(xiàn)中部點火時超壓形成“雙峰值”現(xiàn)象。曹勇等[8]研究了不同點火位置及破膜壓力條件下氫氣的泄爆特性，發(fā)現(xiàn)前端、中端、尾端3種點火位置的內(nèi)部壓力峰值均隨破膜壓力的增加而增大。王超強等[9]研究了有泄爆口時點火位置對甲烷/空氣爆炸超壓和火焰形態(tài)的影響，結果表明中心點火時爆炸超壓峰值最大，尾部次之，前端最小，而且前端點火對火焰的影響遠小于中心點火和尾部點火。楊凱等[10]研究了大尺度障礙物與泄爆面協(xié)同作用對天然氣爆炸的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)火焰速度呈現(xiàn)明顯的階段性特征，并在泄爆面附近產(chǎn)生波動。喬麗等[11]模擬研究了甲烷/空氣混合氣體在管道內(nèi)的爆炸特性，結果表明隨著泄爆壓力的增加，管道中甲烷爆炸最大壓力下降趨勢變緩。文虎等[12]模擬研究了泄爆口強度對管道內(nèi)可燃氣體爆燃特性的影響，結果表明隨著泄爆口承壓能力的增加，管道內(nèi)壓力峰值、溫度峰值均相應增大。王志榮等[13]模擬研究了泄爆壓力對泄爆過程的影響，發(fā)現(xiàn)當泄爆壓力較低時泄爆后容器內(nèi)壓力存在先增加后下降的現(xiàn)象。Kasmani等[14]實驗研究發(fā)現(xiàn)，泄爆面開啟壓力對最大爆炸超壓和火焰速度的影響具有非線性關系。

綜合目前研究成果發(fā)現(xiàn)，盡管研究者對約束空間內(nèi)可燃氣體爆燃過程的泄爆影響開展了相關研究，但主要集中在泄爆口尺寸、泄爆口位置、點火位置、障礙物、泄爆面開啟壓力等因素對約束空間內(nèi)爆炸流場的影響，未充分結合實際泄爆結構及泄爆特點，對泄爆過程中泄爆面及外部流場的研究不足，制約了約束空間爆燃災害機理的揭示及防治技術的發(fā)展。鑒于此，本文以含有泄爆面的水平管道數(shù)值模型為例，研究泄爆面不同開啟壓力對水平管道內(nèi)部、泄爆面和外部流場的影響，可為約束空間氣體爆炸災害防治及相關標準制定提供依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 數(shù)值模型

研究水平管道泄爆面不同開啟壓力對甲烷爆燃壓力的影響，借助三維流體動力學模擬軟件Fluidyn-MP進行模擬，該軟件是由法國Fluidyn公司開發(fā)的多物理場仿真軟件，可用于三維受限、半受限和開放空間的爆炸仿真，軟件中假設可燃氣體爆炸為單步不可逆化學反應，采用有限體積法對包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進行求解，解決氣體爆炸過程中的氣體動力學行為，并通過湍流模型模擬氣體爆炸中的湍流行為。

1.2 模型驗證

為驗證數(shù)值模型的準確性，將數(shù)值模擬結果與作者開展的水平管道內(nèi)甲烷空氣混合物爆燃壓力實驗結果進行對比。在長度為4.4 m，截面尺寸為0.1 m×0.1 m的管道中進行，管道左側封閉且為點火端、右側開口，點火源距左側斷面0.1 m，管道內(nèi)甲烷體積分數(shù)約為9.5%。在管道上安裝3個壓力傳感器，分別為測點1、測點2和測點3，距點火源距離分別為0.7，1.5，3.1 m。根據(jù)實驗條件，利用流體動力學軟件Fluidyn-MP建立數(shù)值模型，保持管道尺寸、測點位置、甲烷濃度、環(huán)境參數(shù)與實驗一致，管壁設置為絕熱光滑。采用邊長為0.01 m的正方體網(wǎng)格對模型進行劃分。

將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比可知，數(shù)值模擬與實驗時各測點壓力時程曲線變化趨勢相近，均隨時間的增加整體呈現(xiàn)先增大后減小，而后出現(xiàn)反復振蕩。3個測點的壓力峰值絕對誤差均值為3.81 kPa，相對誤差均值為3.18%，其原因與實驗管道的粗糙度、壁面散熱、壓力傳感器的精度和靈敏度等因素有關。通過數(shù)值模擬與實驗的對比驗證，本文的數(shù)值模擬結果具有較高的置信度，采用的數(shù)值方法較為可行。

2 研究方案

研究水平管道泄爆面不同開啟壓力對甲烷爆燃壓力的影響，建立數(shù)值分析模型如圖1所示。模型中水平管道長5 m、左端封閉且為點火端、右端開口，并在水平管道右端泄爆面外側建立長度為2.5 m的空氣域，管道截面尺寸為0.1 m×0.1 m。在模型內(nèi)設置11個監(jiān)測點，位置均在管道的中軸線上，其中水平管道內(nèi)布置有1～5監(jiān)測點，測點1和測點5分別距管道左右兩端0.5 m，相鄰測點間距為1 m；測點6布置在泄爆面內(nèi)側，測點7位于泄爆面中心，測點8布置在泄爆面外側，相鄰測點間距為0.01 m；空氣域中布置有9～11監(jiān)測點，相鄰測點間距為1 m，測點9距泄爆面0.5 m。

圖1 模型結構示意

模擬過程中點火位置在水平管道內(nèi)距左側端面0.01 m處，采用層流點火模型。模擬時對氣體成分進行簡化處理，假設甲烷/空氣混合物充滿整個水平管道內(nèi)部，保持甲烷體積分數(shù)為9.5%。將水平管道右端泄爆面開啟壓力分別設置為0，20，40，60，80，100 kPa，將管壁設置為絕熱光滑，采用邊長為0.01 m的正方體網(wǎng)格對模型進行劃分，設置初始壓力為101.325 kPa，初始溫度為298 K。

3 結果與討論

3.1 水平管道內(nèi)爆燃壓力峰值分析

對水平管道內(nèi)各測點爆燃壓力峰值差異對比分析，得到泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道內(nèi)1～5監(jiān)測點爆燃壓力峰值變化如圖2所示。

圖2 泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道內(nèi)爆燃壓力峰值曲線

由圖2可知，在泄爆面不同開啟壓力條件下，水平管道內(nèi)各測點爆燃壓力峰值總體趨勢相似，隨著距離的增加整體呈現(xiàn)為逐漸衰減；與泄爆面開啟壓力0 kPa相比，當泄爆面開啟壓力分別為20，40，60，80，100 kPa時，測點的爆燃壓力峰值逐漸增大，增幅均值分別為11.7%，24.6%，30.9%，38.6%，44.8%；與測點1相比，隨著泄爆面開啟壓力的增大，測點2～5的爆燃壓力峰值呈減小趨勢，降幅均值分別為4.24%，1.78%，2.6%，1.7%，0.82%，0.68%，由此可知，隨著泄爆面開啟壓力的增加，各測點間的爆燃壓力峰值差異逐漸減小。

由圖2可知，當泄爆面開啟壓力為0 kPa時，泄爆面處于開口狀態(tài)，爆炸波傳播到水平管道右端泄爆面時壓力泄放，造成管道內(nèi)鄰近泄爆面的測點5爆燃壓力峰值衰減顯著且為最小值；當泄爆面開啟壓力分別為20，40，60，80，100 kPa時，爆炸波傳播到水平管道右端泄爆面時，泄爆面開啟需要積聚一定的能量，隨著泄爆面開啟壓力的增加，所需積聚的能量也隨之增大，水平管道內(nèi)化學反應能夠較為充分的進行，造成管道內(nèi)各測點的爆燃壓力峰值相應增大并減小了測點間爆燃壓力峰值的差異。整體來看，在泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道內(nèi)存在爆燃壓力積聚和泄放的雙重效應，與泄爆面開啟壓力為0 kPa時相比，隨著泄爆面開啟壓力的增加，水平管道內(nèi)壓力積聚作用占主導地位。

3.2 泄爆面泄爆特征

由于測點6布置在泄爆面內(nèi)側，測點7位于在泄爆面中心，測點8布置在泄爆面外側空氣域，且相鄰測點間距為0.01 m，為進一步分析泄爆面泄爆特征，得到水平管道泄爆面不同開啟壓力條件下測點6～8的壓力時程變化曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知，當泄爆面開啟壓力為0 kPa時，水平管道右端處于開口狀態(tài)，隨著時間的增加各測點爆燃壓力整體呈現(xiàn)先增大后減小，而后出現(xiàn)反復振蕩，其中泄爆面內(nèi)側測點6的爆燃壓力峰值為104.592 kPa，泄爆面上測點7的爆燃壓力峰值為104.559 kPa，泄爆面外側測點8的爆燃壓力峰值為104.527 kPa，三者均大于大氣壓101.325 kPa，表明爆燃壓力正常傳出泄爆面；當泄爆面開啟壓力為20 kPa時，爆燃壓力峰值為121.325 kPa時泄爆面將開啟，由圖3(b)可知，隨著時間的增加各測點爆燃壓力先逐漸增大，在某一時刻達到峰值后急劇下降，而后出現(xiàn)振蕩但振蕩幅值較小，其中泄爆面內(nèi)側測點6的爆燃壓力峰值為121.346 kPa，泄爆面上測點7的爆燃壓力峰值為116.341 kPa，泄爆面外側測點8的爆燃壓力峰值為109.543 kPa，表明泄爆面發(fā)生了泄爆現(xiàn)象，而且泄爆后泄壓效應造成泄爆面及外部空氣域爆燃壓力的衰減；當泄爆面開啟壓力分別為40，60，80，100 kPa時，由圖3(c)～(f)可知，各測點的爆燃壓力時程曲線與圖3(b)相似，而且泄爆面內(nèi)側測點6的爆燃壓力峰值均大于泄爆面開啟所需的壓力，泄爆面上測點7和泄爆面外側測點8的爆燃壓力峰值均小于泄爆面開啟所需的壓力，可見，泄爆面均發(fā)生了泄爆現(xiàn)象。得到泄爆面不同開啟壓力條件下泄爆面開啟時間變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，泄爆面開啟時間與泄爆面開啟壓力具有正相關性，即隨著泄爆面開啟壓力的增加，泄爆面開啟時間近似呈線性增大。隨著泄爆面開啟壓力的增加，發(fā)生泄爆所需積聚的能量隨之增大，水平管道內(nèi)化學反應能夠較為充分的進行，延長了泄爆面開啟的時間。

圖4 泄爆面不同開啟壓力條件下泄爆面開啟時間變化曲線

3.3 水平管道外爆燃壓力時程變化

泄爆面發(fā)生泄爆后將對水平管道外部流場產(chǎn)生影響，以水平管道外側空氣域內(nèi)9～11監(jiān)測點為分析對象，得到泄爆面不同開啟壓力條件下各測點爆燃壓力時程變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，在泄爆面不同開啟壓力條件下，水平管道外側各測點的爆燃壓力時程變化趨勢相似，隨著時間的增加爆燃壓力整體呈現(xiàn)先增大后減小，而后出現(xiàn)振蕩并逐漸趨于穩(wěn)定，而且隨著泄爆面開啟壓力的增加，各測點的爆燃壓力峰值不斷增大。與水平管道內(nèi)和泄爆面附近測點的爆燃壓力時程變化曲線相比，水平管道外側測點的爆燃壓力峰值和振蕩幅值均顯著衰減。分析認為，當水平管道內(nèi)部積聚的壓力大于泄爆面開啟壓力時，泄爆面發(fā)生開啟，管道內(nèi)壓力泄放到外部空氣域并在開敞空間內(nèi)繼續(xù)傳播，與泄爆面開啟前相比，由于缺乏持續(xù)爆炸反應釋放的能量補充，在泄爆面外側隨著傳播距離的增加爆燃壓力急劇衰減，同時由于泄爆面外側處于開敞空間，氣體流動造成的壓力變化能夠迅速恢復到平衡狀態(tài)，減弱了氣體振蕩，因此造成各測點爆燃壓力峰值和振蕩幅值較小。

圖5 泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道外爆燃壓力時程變化曲線

3.4 水平管道外爆燃壓力峰值分析

對水平管道外側空氣域內(nèi)各測點爆燃壓力峰值差異對比分析，得到泄爆面不同開啟壓力條件下9～11監(jiān)測點爆燃壓力峰值變化如圖6所示。

圖6 泄爆面不同開啟壓力條件下水平管道外爆燃壓力峰值曲線

由圖6可知，在泄爆面不同開啟壓力條件下，水平管道外側空氣域內(nèi)各測點的爆燃壓力峰值變化總體趨勢相似，隨著與泄爆面距離的增加，爆燃壓力峰值逐漸衰減，而且隨著泄爆面開啟壓力的增加，同一測點的爆燃壓力峰值逐漸增大；與泄爆面開啟壓力0 kPa相比，當泄爆面開啟壓力分別為20，40，60，80，100 kPa時，測點爆燃壓力峰值逐漸增大，增幅均值分別為1.2%，1.9%，2.4%，3.9%和5.4%，可見隨著泄爆面開啟壓力的增加，測點的爆燃壓力峰值增幅逐漸增大；與測點9相比，隨著泄爆面開啟壓力的增加，測點10和測點11的爆燃壓力峰值逐漸減小，降幅均值分別為1.08%，1.53%，2.2%，3.1%，3.95%，4.85%，可見測點間的爆燃壓力峰值差異逐漸增大。

4 結論

1)水平管道內(nèi)存在爆燃壓力積聚和泄放的雙重效應，隨著泄爆面開啟壓力的增加，水平管道內(nèi)壓力積聚作用占主導地位，造成測點的爆燃壓力峰值增大而且測點間爆燃壓力峰值差異逐漸減小。

2)在泄爆面不同開啟壓力條件下，泄爆后泄壓效應造成泄爆面及外部空氣域爆燃壓力衰減，泄爆面開啟時間與泄爆面開啟壓力具有正相關性，隨著泄爆面開啟壓力的增加，泄爆面開啟時間近似呈線性增大。

3)與水平管道內(nèi)和泄爆面附近測點相比，水平管道外側測點的爆燃壓力峰值和振蕩幅值均顯著衰減，而且隨著泄爆面開啟壓力的增加，測點爆燃壓力峰值及測點間爆燃壓力峰值差異均逐漸增大。