受限空間障礙物截面變化對混合氣體爆炸特性參數(shù)的影響研究*
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郭丹彤，呂淑然
（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京100070）
摘要：為研究障礙物截面變化對混合氣體爆炸特性參數(shù)的影響規(guī)律，運(yùn)用3D動態(tài)流體動力學(xué)軟件AutoReaG。。建立障礙物截面不同變化方式和趨勢的爆炸模型，模擬分析截面不同變化方式（漸變、突變）和不同變化趨勢（由大變小、由小變大）對氣體爆炸特性參數(shù)（速度、壓力場）的影響程度和規(guī)律。研究表明：改變障礙物的截面變化方式和趨勢都會影響可燃?xì)怏w的爆炸參數(shù)。對于爆炸壓力場，截面變化情況下的爆炸超壓大于截面不變的情況，截面漸變大于截面突變的情況，截面由大到小變化與截面由小到大變化下的爆炸超壓呈現(xiàn)相反變化趨勢。對于爆炸速度場，截面不同變化方式和趨勢下的速度變化情況均為在開始的一小段時間內(nèi)先減小然后逐漸增大。
關(guān)鍵詞：氣體爆炸；障礙物；AutoReaCas；超壓；數(shù)值模擬
中圖分類號：X932doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2016. 02. 015
0 引言
近年來我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大使得新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)成為必然趨勢，工業(yè)爆炸災(zāi)害隱患隨之增加，爆炸事故危害程度也相應(yīng)增加。由于工業(yè)爆炸涉及的范圍面十分廣泛，例如石油、化工、煤炭、冶金等領(lǐng)域，一旦發(fā)生工業(yè)爆炸事故很難在短時間內(nèi)得到有效控制，后果十分嚴(yán)重。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全世界每年發(fā)生的各業(yè)界的工業(yè)爆炸事故有上百起，造成了巨大的不可忽視的人身財產(chǎn)損失。
由火焰燃燒加速機(jī)理可知，在點火源存在的情況下，工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中存在的約束物即理論研究中所說的障礙物會發(fā)生加速燃燒甚至引起爆炸。這些障礙物的形狀各異，尺寸不等，截面變化方式和趨勢更是不盡相同。目前，研究人員已經(jīng)通過大量的實驗、情境模擬等方法研究了障礙物形狀、尺寸、阻塞比、截面形狀、點火位置等因素對于爆炸參數(shù)的影響情況。例如馮長根通過實驗?zāi)M探究了獨頭巷道中影響瓦斯爆炸嚴(yán)重性的因素，并得出了動、靜態(tài)超壓與距離的正反比關(guān)系。藺照東研究了障礙物數(shù)量、尺寸、表面情況對爆炸壓力場的影響，得出隨著障礙物數(shù)量、尺寸的增加，以及表面粗糙程度的增大，爆炸壓力場的改變明顯的結(jié)論。楊凡通過大量實驗數(shù)據(jù)分析對比障礙物的阻塞程度及排列方式對爆炸超壓的影響情況，并總結(jié)得出相應(yīng)規(guī)律。候紅霄通過實驗探究了初始壓力對密閉空間混合氣體爆炸超壓的影響規(guī)律，得出初始壓力與預(yù)混氣體密度以及超壓呈正比關(guān)系的結(jié)論。秦澗著手研究管道內(nèi)置障礙物的形狀因素對于壓力場的影響規(guī)律，得出各形狀的內(nèi)置障礙物中擋板狀超壓最大圓環(huán)狀超壓較小的結(jié)論。因液化石油氣、天然氣、沼氣及瓦斯等常見易燃易爆混合氣體中都含甲烷氣體，且本篇是基于國家自然基金面上項目（城市排水涵道油氣混合氣體爆炸機(jī)理與防治）所寫，城市排水涵道油汽混合氣體的主要成分中甲烷氣體所占比重較大，另外，在通常情況下甲烷性質(zhì)比較穩(wěn)定，與強(qiáng)酸強(qiáng)堿強(qiáng)氧化劑都不反應(yīng)，基于上述原因本研究選用甲烷氣體作為研究對象具有一定的通用性和實用性。
綜上，分析目前研究者已經(jīng)研究的可燃?xì)怏w爆炸領(lǐng)域可知理論研究缺少評估受限空間混合氣體爆炸的復(fù)雜性，障礙物截面的變化方式和趨勢對氣體爆炸參數(shù)的影響鮮有研究，研究者有必要深入具體研究障礙物截面突變與漸變的情況。故筆者通過運(yùn)用AutoReaGas動力學(xué)軟件建立不同截面變化方式和趨勢的模型來找出規(guī)律，做出結(jié)論。本文對障礙物截面不同變化方式和趨勢進(jìn)行研究，為各業(yè)界工業(yè)生產(chǎn)的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
1 障礙物場對氣體爆炸的影響機(jī)理
破壞性的爆炸超壓具有極大威力，它是由具有較高能量點燃的可燃?xì)怏w發(fā)生強(qiáng)烈爆炸現(xiàn)象產(chǎn)生的，當(dāng)障礙物不存在或者能量未達(dá)標(biāo)時無法產(chǎn)生這種超壓，從而使產(chǎn)生的爆炸得到相應(yīng)控制。而在工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)生氣體爆炸時周邊往往存在一些機(jī)器、擋板等各類障礙物，從而產(chǎn)生破壞性極大的爆炸超壓。
可燃混合氣體在點火源作用下生成層流火焰，火焰在運(yùn)動擴(kuò)散的途中遇障礙物作用轉(zhuǎn)變成湍流后發(fā)生爆燃，障礙物使得爆燃的效果不斷增強(qiáng)，圖1即為湍流所引起的火焰加速理論步驟示意圖。
由于影響爆燃波傳播狀態(tài)的因素很多，如反應(yīng)物膨脹產(chǎn)生的稀疏波、二次沖擊波和變截面等因素都會影響爆燃波的傳播狀態(tài)。當(dāng)遇到變截面障礙物后，由于變截面的存在使得該區(qū)域內(nèi)的火焰加速，這使得預(yù)壓氣體和燃燒氣體混合更加充分，進(jìn)而大大提升了化學(xué)反應(yīng)的速率，從而使火焰強(qiáng)度增大。這說明變截面對爆燃波的傳播具有促進(jìn)作用，使得燃燒強(qiáng)度增大，從而使相應(yīng)的爆炸特性參數(shù)（如壓力場、速度場）有所改變，這就是障礙物截面變化對}昆合氣體爆炸特性參數(shù)的影響機(jī)理。
2 研究方法與數(shù)值模擬設(shè)計
2.1 研究方法
現(xiàn)階段可以模擬3D動態(tài)效果危害后果并且已被大尺寸實驗驗證證實的爆炸模擬軟件主要有三種：Exsim，F(xiàn)lass，和AutoReagas。通常用來模擬相關(guān)火災(zāi)、泄露、爆炸或其中兩者相結(jié)合的場景。AutoReagas以其較強(qiáng)的實用性和生動性著稱，而設(shè)計環(huán)節(jié)的精細(xì)準(zhǔn)確直接決定仿真結(jié)果的可靠性，因此本課題選定該軟件模擬整個爆炸實驗流程。
2.2數(shù)值模擬設(shè)計
模擬實驗所用模型為一個10 mx10 m x10 m的正方體受限區(qū)域空間，空間內(nèi)設(shè)置3種不同情形的障礙物布置方式，如圖2所示。情形1，設(shè)置長為10 m、半徑r=1 m的圓柱體；情形2，設(shè)置r=1 m的圓柱體，在長度為5m處突變?yōu)閞=4 m的圓柱體，總長度為10 m；情形3，同樣設(shè)置r =1 m的圓柱體，在長度為5m處開始漸變，在10 m處達(dá)到r=4 m的圓柱體。實驗所模擬的甲烷濃度為9.5 010，點火點位于坐標(biāo)(3，5，0)處。設(shè)置x方向上的5個測點，測點布置如圖2所示。
模擬實驗內(nèi)容有三方面：
1)研究障礙物截面變化與否對混合氣體爆炸特性參數(shù)（本篇主要研究壓力場與速度場）的影響情況。進(jìn)行混合氣體爆炸模擬實驗并對比障礙物在截面改變和不變兩種情況下的爆炸壓力場和速度場。設(shè)置觀測記錄點l~5，觀測點從x方向的0點開始，每隔2m設(shè)置一個，共5個。
2)研究障礙物截面變化方式（突變與漸變）對混合氣體爆炸特性參數(shù)（本篇主要研究壓力場與速度場）的影響情況。在圓柱體長度為5m處開始改變障礙物截面的變化方式，情形1設(shè)置圓柱半徑從1 m到4m突變，情形2設(shè)置圓柱半徑從1 m到4m漸變。同樣在x方向上設(shè)置間距為2m的5個測點。
3)研究障礙物截面變化趨勢（由小變大、由大變�。⿲旌蠚怏w爆炸特性參數(shù)（壓力場、速度場）的影響情況。通過在模型的相反方向設(shè)置點火點來觀測，即將點火點的位置從原來截面由小變大的方向上更改到截面由大變小的方向上，同時測點也相應(yīng)布置在相反方向上。
3建模與數(shù)據(jù)結(jié)果分析
3.1 障礙物截面無變化
1)障礙物截面無變化時的爆炸壓力場
障礙物截面無變化時的超壓云圖如圖3所示。
統(tǒng)一以圓柱5m處的截面為觀測面，由圖3可知，A截面最大超壓值為5.4 Pa，圖中切片的K區(qū)域為點火點位置，具體坐標(biāo)為(3，5，0)。壓力強(qiáng)度向周圍擴(kuò)散，爆炸超壓普遍不大。測點1～5記錄的超壓峰值在0.8 Pa上下浮動，不超過0.1。
2)障礙物截面無變化時的爆炸速度場
障礙物截面無變化時測點1的速度曲線圖如圖4所示，從圖上觀測到速度變化趨勢為在開始的一小段時間內(nèi)先減小然后逐漸增大。測點2~5曲線圖走勢與測點1-致，繪制測點1~5的最大速度折線圖如圖5。其中測點2距離著火點的直線距離最短，相應(yīng)速度值最大，測點1、3次之，測點4、5速度值最小。
3.2 障礙物截面突變
1)障礙物截面突變時的爆炸壓力場
建立截面突變的障礙物模型，在圓柱體長度5m處開始改變障礙物截面的變化方式，圓柱半徑從1 m突變至4m，點火點位置同樣設(shè)置在坐標(biāo)(3，5，0)處，其他參數(shù)固定不變，記錄此時的爆炸超壓云圖如圖6。
統(tǒng)一以圓柱5m處的截面為觀測面，由圖6可知，I截面最大超壓值為6.4 Pa，圖中切片的G區(qū)域為點火點 位置，具體坐標(biāo)為(3，5，0)。壓力強(qiáng)度向周圍擴(kuò)散，爆炸超壓相對障礙物無變化時要大一些。
2)障礙物截面突變時的爆炸速度場
障礙物截面突變時測點1的速度曲線圖如圖7所示，從圖上觀測到速度變化趨勢為在開始的一小段時間內(nèi)先減小然后逐漸增大，這與障礙物截面無變化時的情況是一致的。測點2~5曲線圖走勢與測點1一致。
3.3 障礙物截面漸變
1)障礙物截面漸變時的爆炸壓力場
建立截面漸變的障礙物模型，在圓柱體長度5m處開始改變障礙物截面的變化方式，圓柱半徑從1 m漸變至4m，點火點位置同樣設(shè)置在坐標(biāo)(3，5，0)處，其他參數(shù)固定不變，記錄此時的爆炸超壓云圖如圖8。
統(tǒng)一以圓柱5m處的截面為觀測面，由圖8可知，K截面最大超壓值為7.2 Pa，圖中切片的K區(qū)域為點火點位置，具體坐標(biāo)為(3，5，0)。壓力強(qiáng)度向周圍擴(kuò)散，爆炸超壓相對障礙物截面突變時要大一些。此時改變點火點的位置，將火源放置在相反位置，即障礙物截面由大到小的方向，可觀測到爆炸超壓呈相反趨勢變化，圖9為障礙物截面兩種變化趨勢下的爆炸超壓對比圖。
2)障礙物截面漸變時的爆炸速度場
障礙物截面突變時測點1的速度曲線圖如圖10所示，從圖上觀測到速度變化趨勢為在開始的一小段時間內(nèi)先減小然后逐漸增大，這與障礙物截面無變化以及突變的情況是一致的。測點2~5曲線圖走勢與測點1一致。
3.4 結(jié)果與討論
1)比較障礙物截面有無變化對混合氣體爆炸特性參數(shù)（本篇主要研究壓力場與速度場）的影響情況，分析對比圖3、6、8，得知障礙物截面發(fā)生改變條件下的爆炸超壓明顯大于障礙物截面無變化的情況，可用圖1湍流引起的火焰加速機(jī)理解釋障礙物截面改變的加速作用。對于速度場的影響而言，障礙物截面改變后各測點采集到的的最大速度值明顯小于障礙物截面不變的情況。
2)比較障礙物截面不同變化方式對混合氣體爆炸特性參數(shù)的影響情況，分析對比圖6、8，障礙物截面漸變條件下的爆炸超壓為7.2 Pa，而障礙物截面突變條件下的爆炸超壓最高達(dá)到6.4 Pa，可知障礙物截面漸變方式下的爆炸超壓明顯大于截面突變的情況。這點在實際中有應(yīng)用價值，比如在爆炸發(fā)生時根據(jù)現(xiàn)場障礙物截面結(jié)構(gòu)可判斷出爆炸事故傷害的大小，為爆炸傷害評估提供理論依據(jù)。但截面變化方式對于對于速度場的影響不明顯，測點1采集到的兩種變化方式下的速度最大值都在0.01 m/s左右。
3)比較障礙物截面變化趨勢對混合氣體爆炸特性參數(shù)的影響情況，分析圖9，通過在截面漸變的條件下設(shè)置反方向著火點結(jié)構(gòu)達(dá)到改變截面變化趨勢的目的。觀測到當(dāng)障礙物截面由大到小變化時爆炸超壓與障礙物截面由小到大的情況呈相反的趨勢變化，變化幅度基本一致。
4 結(jié)論
1)障礙物截面是否發(fā)生變化對于爆炸壓力場和速度揚(yáng)均有一定影響。障礙物截面發(fā)生改變條件下的爆炸超壓明顯大于障礙物截面不變的情況，而障礙物截面改變后各測點采集到的速度最大值明顯小于障礙物截面不變的情況。
2)障礙物截面漸變條件下的爆炸超壓大于障礙物截面突變的情況，可見障礙物截面的變化方式（突變與漸變）對于爆炸壓力場有一定影響，但截面變化方式對于爆炸速度場的影響不明顯。這點在實際中有應(yīng)用價值，比如在爆炸發(fā)生時根據(jù)現(xiàn)場障礙物截面結(jié)構(gòu)（其截面變化方式）可判斷出爆炸事故傷害的大小，為爆炸傷害評估提供理論依據(jù)。
3)障礙物截面由大到小變化時爆炸超壓與障礙物截面由小到大的情況呈相反的趨勢變化，變化幅度基本一致�？梢娬系K物截面變化趨勢也在一定程度上對爆炸特性參數(shù)有影響。
