密閉空間燃氣泄漏爆炸危險區(qū)域遷移規(guī)律

摘 要

摘　要：為了給室內燃氣泄漏爆炸事故的預防和事故后果評價提供理論依據(jù)，借助計算流體力學技術，對密閉空間內燃氣泄漏擴散的非穩(wěn)態(tài)流場進行了數(shù)值模擬，著重考察了燃氣爆炸危險區(qū)域

摘　要：為了給室內燃氣泄漏爆炸事故的預防和事故后果評價提供理論依據(jù)，借助計算流體力學技術，對密閉空間內燃氣泄漏擴散的非穩(wěn)態(tài)流場進行了數(shù)值模擬，著重考察了燃氣爆炸危險區(qū)域隨時間和空間的分布特征。研究結果表明，在泄漏初始階段，爆炸危險區(qū)域位于泄漏源上部。隨著泄漏和擴散的持續(xù)發(fā)展，爆炸危險區(qū)域整體下移，最終遷移至地面附近。爆炸危險區(qū)域范圍隨時間由小變大，再由大變小。爆炸危險區(qū)域在房間下部的持續(xù)時間明顯長于房間中上部。

關鍵詞：燃氣;泄漏;爆炸極限;擴散

0 引言

燃氣管線是城市公共基礎設施的重要組成部分，是城市生命線之一。近年來，由于部分城市燃氣管線投入使用年限較長，處于浴盆曲線后期，極易誘發(fā)燃氣管線的泄漏及次生災害。室內燃氣泄漏擴散是一個典型的流體力學現(xiàn)象，目前已有大量研究成果[1－3]。實驗是受限空間燃氣泄漏擴散的主要研究手段，但實驗常受到成本、安全性、單一環(huán)境和尺度效應等因素的影響而具有明顯的局限性。經(jīng)驗模型也是研究燃氣泄漏擴散的有效手段之一，如高斯煙羽模型、高斯煙團模型及BM模型等[4－7]。這些模型能夠較好地模擬燃氣在大氣中的擴散，但對復雜結構內的燃氣泄漏擴散則顯得較為吃力。大量研究結果表明[8－10]，基于計算流體力學(CFD)技術的數(shù)值模擬已經(jīng)能夠獲得較為真實的泄漏擴散非穩(wěn)態(tài)流場，且隨著計算技術的快速發(fā)展，數(shù)值模擬的精度和準確性正在進一步提高。燃氣的擴散范圍和濃度分布是泄漏事故分析及事故后果評價的基礎和參考依據(jù)。已有研究表明，由于燃氣密度小于空氣，燃氣泄漏后以向上擴散為主，且泄漏量、泄漏時間、通風口、通風風速及障礙物等因素對室內燃氣泄漏擴散有顯著影響[11－14]。燃氣泄漏后與空氣混合達到爆炸極限后，一旦遇到點火源，將引發(fā)燃氣爆炸事故。因此，燃氣濃度處于爆炸極限范圍內的爆炸危險區(qū)域分布規(guī)律則顯得尤為重要，而這一問題目前還沒有得到足夠重視。本文借助CFD技術，對密閉空間燃氣泄漏擴散過程進行了數(shù)值研究，著重考察了爆炸危險區(qū)域隨時間和空間的分布特征。

1 研究方法

數(shù)值模擬基于流體力學守恒方程組，包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和化學組分守恒方程。采用標準k－ε湍流模型來描述氣體的湍流流動。結合實際民用建筑的廚房尺寸，將一密閉空間為作為研究對象，該空間長、寬、高分別為4m(Z方向)、2m(X方向)、3m(Y方向)，如圖1所示。假設廚房燃氣管道上一直徑1cm的圓形泄漏孔位于墻壁附近，泄漏孔中心坐標為(0，1，2)。結合我國城鎮(zhèn)民用建筑結構燃氣管道的工作壓力，假定本文研究的燃氣管道工作壓力為恒定值2500Pa(表壓)，泄漏孔為連續(xù)泄漏，且泄漏孔泄漏流量為恒定值。選取房間z=2m的剖面作為研究對象，著重考察爆炸危險區(qū)域的遷移規(guī)律，并選取了該剖面上不同高度的五個觀測點(G1－G5)來分析燃氣濃度的時空分布特征，這五個觀測點的坐標依次為(1，0.5，2)、(1，1，2)、(1，1.5，2)、(1，2，2)、(1，2.5，2)。計算時考慮重力加速度9.81m·s-2。燃氣的主要成分為甲烷，在計算中假設燃氣中甲烷體積分數(shù)為100%。

 

采用不規(guī)則六面體網(wǎng)格對空間離散，在泄漏孔附近對網(wǎng)格進行加密。假設壁面為絕熱、光滑和剛性的，室內初始溫度和壓力分別為300K和101325Pa。泄漏孔設置為質量流量進口條件，其值根據(jù)如下氣體流小孔泄漏模型[15]計算得到。氣體流小孔泄漏模型中泄漏質量流量的計算首先要確定泄漏時氣體流動屬于聲速流動還是亞聲速流動，可用如下臨界壓力比來判斷：

式中，β為臨界壓力比，p0為環(huán)境絕對壓力，pe為泄漏口燃氣的臨界壓力，κ為燃氣等熵指數(shù)。κ是溫度的函數(shù)，理想氣體的κ可近似為定值，對于天然氣，κ可近似取1.29。假設p1為管道內燃氣的絕對壓力，當p0/p1＞β時，燃氣在泄漏口處屬于亞聲速流動，反之為聲速流動。根據(jù)本文燃氣管道工作壓力，可確定泄漏時氣體流動屬于亞聲速流動，因此燃氣泄漏的質量流量可通過式(2)計算獲得：

式中，qm為泄漏強度，Cg為氣體泄漏系數(shù)，A為泄漏口面積，M為燃氣的摩爾質量，R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(mol·K)，T1為容器內的燃氣溫度，Z為壓縮因子。氣體泄漏系數(shù)與泄漏口的形狀有關，本文中圓形泄漏口取1.00。壓縮因子Z取常數(shù)1。經(jīng)計算，本文泄漏孔質量流量約為0.1135kg·s-1，將該值設置為進口邊界條件。選擇0.01s作為非穩(wěn)態(tài)計算的固定時間步長，每個時間步內各迭代方程殘差小于10-5時，認為該時間步迭代結束。當室內所有位置的燃氣濃度均超過甲烷爆炸上限時，該瞬態(tài)計算停止，計算完成。

采用有限體積的離散方法，并采用改進的SIM-PLE算法解決瞬態(tài)流場中壓力與速度間的耦合問題。基于商用CFD軟件FLUENT對該泄漏擴散過程進行了數(shù)值模擬。

2 結果與分析

燃氣的主要成分為甲烷，而甲烷與空氣混合后，當甲烷濃度處于4.6%－14.3%的爆炸極限范圍[16]內時遇到點火源才有可能發(fā)生爆炸。為了研究泄漏燃氣爆炸危險區(qū)域的遷移特征，圖2給了不同時刻觀測剖面上燃氣濃度約在5%－15%時的區(qū)域。在泄漏初始階段，爆炸危險區(qū)域位于泄漏孔上部。隨著泄漏擴散的發(fā)展，房間上方充滿大量燃氣，燃氣向下運移，危險區(qū)域整體向下移動，最終遷移至地面附近。同時，爆炸危險區(qū)域范圍隨時間呈現(xiàn)由小變大，再由大變小的變化過程，在初始泄漏階段，氣體對流擴散和分子運移導致燃氣從泄漏口向周圍區(qū)域擴持續(xù)擴散，形成爆炸危險區(qū)域范圍由小變大的變化過程;隨著燃氣泄漏量的增加和湍流擴散的增強，絕大部分區(qū)域的燃氣濃度持續(xù)上升，燃氣不斷堆積，爆炸危險區(qū)域范圍又呈現(xiàn)由大變小的變化過程。此外，位于房間下半部的爆炸危險區(qū)域的持續(xù)時間明顯長于房間上半部。這說明，從爆炸危險區(qū)域持續(xù)時間來看，房間下部區(qū)域更容易引發(fā)燃氣爆炸。各觀測點燃氣濃度隨時間的變化如圖3所示。各觀測點燃氣濃度隨時間均呈曲線上升趨勢，且爆炸危險區(qū)域最先達到房間頂部(觀測點G5約在2.47s時刻到達)，然后逐漸向下遷移，越向下的觀測點，其爆炸危險區(qū)域到達得越晚(觀測點G1約7.5s時刻到達)。

3 結論

泄漏燃氣爆炸危險區(qū)域的分布特征是分析燃氣泄漏擴散及評價事故后果的基礎和參考依據(jù)。在泄漏初始階段，爆炸危險區(qū)域位于泄漏源部。隨著泄漏的不斷發(fā)展，爆炸危險區(qū)域整體下移，最終遷移至地面附近。爆炸危險區(qū)域范圍隨時間由小變大，再由大變小。爆炸危險區(qū)域位于房間下部的持續(xù)時間明顯長于房間中上部。

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(本文作者：龐磊1，2，呂良海1，劉晨3，馬秋菊2，程露4 1．北京市勞動保護科學研究所、2．北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室、3．首都經(jīng)濟貿易大學安全與環(huán)境工程學院、4．北京首安信息技術有限公司)