基于FLENT的天然氣燃爆數值分析

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摘　要：采用FLUENT軟件模擬了管道天然氣燃爆全過程，對天然氣燃爆傳播規律進行了數值分析，并利用相似參數的天然氣燃爆實驗進行了對比驗證，為預防和減少天然氣燃爆事故提供了理論依據。

關鍵詞：管道天然氣；?燃爆；?傳播規律；?FLUENT

1　引言

2013年11月22日，青島發生輸油管道泄漏爆炸事故，造成62人死亡、136人受傷，直接經濟損失75172萬元。中新網紐約2014年3月13日報道，紐約曼哈頓東哈萊姆區住宅樓l2日發生重大爆炸事故，夷平兩棟建筑物，且至少造成7人死亡，60多人受傷，9人失蹤。其爆炸原因已初步確認為煤氣管道泄漏。近年來，天然氣燃爆事故頻繁發生，給人民生命安全和國家財產安全造成了極大威脅，嚴重影響天然氣行業健康發展，也給政府主管部門、相關管理單位以及城鎮燃氣經營企業造成了嚴重的社會負面影響[1]。天然氣安全已成為政府、企業、社會高度關注的焦點問題。

通常情況下天然氣輸送管道是安全的，因為在管網內輸送的天然氣濃度很高，不在天然氣爆炸極限范同內，且管道內不含氧氣或其它氧化劑，火焰很難在管道內產生和傳播。但在特殊條件下，如施工不當、第三方破壞、地震、或其它不可預見的意外事故，就可能造成天然氣管道某處破裂，引起外界空氣進入管道形成天然氣與空氣的預混氣。當該預混氣體達到爆炸極限時，一旦遇上火源就具備了天然氣燃爆的必要條件[2]。因此，如何預防和減少管道天然氣燃爆事故，已成為燃氣經營企業安全管理亟待解決的問題。本文使用FLUENT進行管道天然氣燃爆數值模擬全過程，給出通過實驗手段難以觀察到的信息。在數值仿真過程中，以天然氣燃爆傳播理論模型為基礎，應用連續相計算方法對天然氣燃爆在管道內的傳播過程進行數值仿真。由于模型尺寸過長，計算量過大，特別是對帶化學反應可壓縮流動而言還存在時間步長的限制和化學反應帶來“剛性”對時間步長的限制，計算量呈數量級遞增，計算極其繁雜冗長，因此只對天然氣最佳爆炸濃度9.5％的情況進行了FLUENT數值分析。

2　天然氣燃爆傳播理論分析

天然氣的主要成分為甲烷，具有易燃易爆特性，其燃爆的實質是甲烷和空氣組成的爆炸性混合氣體在高溫誘導下發生的一種劇烈的化學反應并伴有大量的熱量生成[3]，發生燃爆時化學反應方程式如下：

CH4+2H2O→CO2+2H2O????(2-1)

根據相關文獻所知^[4-7]：管道天然氣燃爆傳播實際上是以沖擊波方式傳播的，隨傳播時間和空間的推移，沖擊波結構發生了變化。在起始階段，以爆燃波(爆轟波)方式傳播，隨著甲烷&空氣混合氣體反應結束，最后演變為壓力波以當地聲速在單純空氣介質中的傳播。

天然氣在管道中燃爆時，火焰面在開始呈球面向外界擴張，火焰隨之向開口方向傳播。其它部分以壁面和端頭為反射面，反射后強度加大也向管道開口方向傳播。火焰附近氣體因火焰加熱壓力升高，到一定距離(與天然氣口空氣混合氣體暈有關)形成壓力波，壓力波在傳播過程中，碰到管道壁面后發生反射，并在一定距離上形成平面壓力波。由此可以看出，天然氣燃爆傳播是火焰和壓力波共同傳播的過程^[8]。

3　管道天然氣燃爆數值模擬

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，只要涉及流體、熱傳遞及化學反應的工程問題都可以用它來進行解釋，因此選用FLUENT對管道天然氣燃爆過程進行模擬。

3．1　建模和劃分網格

對管道天然氣燃爆過程的模擬計算采用流場模擬的方法，因此爆炸發生場所的幾何建模和計算網格劃分是必不可少的前處理工作。筆者以Gambit為基礎進行天然氣燃爆場所的幾何建模及網格劃分。

3．1．1管道天然氣燃爆的幾何建模

本次模擬研究以DN700mm的圓形管道為原型，建立了長度為93m，直徑為700mm的二維矩形模型。模型由點火區域和傳播區域兩部分構成。在模型中共布置了9個火焰監測點和9個壓力監測點。

考慮到天然氣燃爆發生場所的復雜性，本次模擬采用結構網格和非結構網格形成的混合網格，實際計算中采用了不規則四邊形網格處理點火區域，傳播區域則采用矩形網格。結構網格可以提供更好的結構邊界相容性，因此管道的邊界區域音量使用結構網格劃分。下圖是局部網格劃分情況：

3．1．2模型初始條件和邊界條件設

(1)初始壓力條件為：點火區域超壓設置為P=1000Pa；其他區域超壓為P0=0Pa

(2)初始溫度條件為：點火區域：T0=1600K；其他區域：T0=300K

(3)初始速度條件為：整個區域初速為零，即V0=0m／s

(4)初始組分條件為：為了簡化問題，空氣組分定為：氧氣體積分數：22％，氮氣體積分數：78％。

模擬管道壁面按典型的無滑移、無滲透邊界設定，模型左端設置為封閉端，右端設置為泄壓口。

3．2　壓力波傳播過程分析

下圖為從天然氣被點火開始，壓力波以球形波形式開始傳播，然后經過多次疊加之后逐漸形成了平面波的全過程。

從圖2中可以看出，壓力波在點火源處以球形向四周傳播；在碰到壁面反射后，反射波與傳播過來的波相互疊加，疊加后壓力明顯有所升高，如E、F中的紅色區域所示。隨著球形波不斷巹加，最終形成了平面波并向管道兩段傳播。左端壓力波在傳播到端頭后產生了反射，這樣發射波對原來向右端傳播的壓力波會起到一定的推動作用，最終導致右邊的壓力波逐漸增強。

3．3　火焰傳播過程分析

下圖為從點火開始，火焰傳播的初始發展變化情況。隨著程序升溫，環境溫度不斷升高，天然氣溫度也隨之升高，在此條件下，氧化反應越發劇烈，同時釋放出的生成物氣體隨即增加，呈現一定的增長規律。

在天然氣被點火的初始階段，火焰以點火區域為中心向四周蔓延開來。其燃燒擴展是無規律性的，但是由于管道右端是開口，又受湍流機制影響，火焰向開口端發展的趨勢要更強烈一些，因此右端的火焰區域要更大些。

4　數值模擬結果與實驗結果的對比分析

為了驗證管道天然氣燃爆數值模擬的可行性和對比性，筆者在張延松博士等指導下，在中煤科工集團重慶研究院氣體粉塵爆炸防治技術實驗室進行了相似參數的天然氣燃爆實驗。實驗大致分為六步：第一步需精確，測試系統的調試、校準，壓力和火焰傳感器的標定和安裝；第二步需嚴實，在管道一端進行封膜處理，并在此端口附近擺放3-5只隔爆水槽，以免壓力波損壞設備設施及環境；第三步需準確，進行實驗用天然氣—空氣混合氣體充氣攪拌(大約攪拌35分鐘左右)并不斷測量其濃度；第四步需及時，點火起爆，進行數據采集；第五步需徹底，開啟防爆門對管道內進行通風，以免造成不必要的危害；第六步需牢記，拆回實驗裝置，并進行定期檢查和保養。

實驗和模擬一樣，天然氣濃度調至9.5％，管徑選用DN700mm的圓形管道，長度為93m，共布置9個壓力傳感器和9個火焰傳感器。