文 虎 高慧慧 王秋紅 羅振敏 蔣軍成 張明廣

1. 西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 2. 陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西安科技大學(xué)3. 南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

天然氣一般采用儲(chǔ)罐、管道等壓力容器儲(chǔ)存或運(yùn)輸[1]，在使用過程中，由于自然災(zāi)害或人為損傷，會(huì)造成儲(chǔ)罐、管道失效破裂而導(dǎo)致天然氣泄漏，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故。這不僅會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還有可能嚴(yán)重影響我國的國際形象[2-3]。針對(duì)燃?xì)夤艿佬孤?、爆炸事故，國?nèi)外學(xué)者做了大量的研究，主要以實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬為技術(shù)手段。在實(shí)驗(yàn)研究方面，張英浩[4]研究了不同長度管道內(nèi)瓦斯爆炸壓力傳播過程，瓦斯氣體在管道傳播過程中出現(xiàn)沖擊波反射、疊加及二次反沖現(xiàn)象。高玉剛[5]以固定點(diǎn)火能量、改變氣體濃度，改變點(diǎn)火能量、固定氣體濃度2種方法，研究了管道中預(yù)混甲烷/空氣可燃?xì)怏w燃爆特性，最佳點(diǎn)火濃度為10%，在最佳濃度兩側(cè)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c爆炸壓力隨可燃?xì)怏w濃度的減小或增大均呈現(xiàn)下降勢態(tài)。程浩力等[6]以甲烷為對(duì)象，研究了可燃?xì)怏w爆炸壓力、火焰及其傳播變化規(guī)律，管道中前驅(qū)壓力波超前火焰陣面?zhèn)鞑ィ页霈F(xiàn)沖擊波反射、反沖及疊加現(xiàn)象，壓力持續(xù)時(shí)間較火焰光信號(hào)持續(xù)時(shí)間長?；魩r等[7]采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了大直徑管道內(nèi)液化石油氣/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰?zhèn)鞑ミ^程，得出大直徑管道內(nèi)爆燃火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間呈指數(shù)型規(guī)律為主體的理論關(guān)系式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其合理性。Yu等[8]研究了管道通風(fēng)面積對(duì)甲烷/空氣爆炸特性的影響，在同一側(cè)通風(fēng)位置，火焰通過管道的傳播時(shí)間隨著通風(fēng)面積的增大而增加，甲烷爆炸的峰值超壓顯著下降。田慧玲等[9]研究了管道不同轉(zhuǎn)彎角度對(duì)甲烷傳播特性的影響，在管道轉(zhuǎn)彎處，管內(nèi)超壓峰值迅速增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。在?shù)值模擬研究方面，Jiang等[10]運(yùn)用AutoReaGas軟件模擬了初始溫度對(duì)瓦斯爆炸傳播特性和安全距離的影響，峰值超壓開始上升的距離以及出現(xiàn)最大值的距離隨初始溫度升高而增加。Jiang等[11]同時(shí)也對(duì)半封閉管道內(nèi)預(yù)混甲烷/空氣的多參數(shù)加速特性進(jìn)行了研究，隨著與點(diǎn)火源距離的增加，沖擊波形成的峰值超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最大燃燒速率、最大密度和最大氣體速度逐漸增加，但由聲波壓縮波形成的峰值超壓和最高溫度逐漸下降。Lü等[12]運(yùn)用FLACS軟件進(jìn)行了液化天然氣儲(chǔ)罐區(qū)最大爆炸超壓研究，比較FLACS計(jì)算的超壓和相關(guān)性。鄭丹等[13]采用實(shí)驗(yàn)和FLUENT模擬對(duì)比的方法對(duì)小尺寸管道甲烷爆炸的壓力和速度特征進(jìn)行了研究，其實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)相吻合，且爆炸過程中出現(xiàn)“郁金香”火焰。郭子?xùn)|等[14]基于FLUENT模擬研究了甲烷爆炸初期火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律尺寸效應(yīng)，爆炸壓力和爆炸溫度受管道尺寸的影響較小，爆炸壓力、溫度火焰和傳播速度相互影響。

前人關(guān)于甲烷、天然氣管道泄漏、爆炸事故的研究主要集中于中長尺寸密閉管道或管線以及爆炸沖擊波對(duì)臨近人員和設(shè)備的破壞效應(yīng)，而針對(duì)泄爆口強(qiáng)度對(duì)天然氣爆炸流場影響的研究則較少；各學(xué)者對(duì)于管道開口、密閉、泄放等工況下甲烷爆炸的研究，大多只研究了這幾種工況中的1種，對(duì)于用同一裝置進(jìn)行3種工況研究的文章較有限，并且在不同裝置中研究結(jié)果也存在著差異。在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果管內(nèi)天然氣一直處于泄漏燃燒狀態(tài)，當(dāng)管道內(nèi)壓強(qiáng)低于大氣壓時(shí)會(huì)發(fā)生火焰倒吸現(xiàn)象，空氣隨之進(jìn)入與剩余天然氣混合，因而可能引發(fā)管內(nèi)爆炸?；诖耍P者以天然氣為研究對(duì)象（甲烷為主體成分），運(yùn)用 FLACS 軟件開展泄爆口強(qiáng)度對(duì)管道內(nèi)天然氣爆炸流場影響的研究，以期為加強(qiáng)管道內(nèi)天然氣火災(zāi)、爆炸事故防控提供幫助。

1 仿真裝置介紹

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

筆者選擇小尺寸矩形管道為仿真研究對(duì)象，一方面是因?yàn)榛诂F(xiàn)有仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，有利于后期進(jìn)一步開展研究；另一方面，目前研究領(lǐng)域內(nèi)大多采用圓形管道，對(duì)矩形管道的研究較為有限，在許多化學(xué)工藝中，矩形管道還是較常見的。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置，仿真對(duì)象為：內(nèi)邊界為80 mm×80 mm×600 mm的爆炸管道，管道前后左右4個(gè)壁面厚度均為10 mm，右壁面距離管道底部550 mm處設(shè)置1個(gè)直徑為40 mm的圓形泄爆口（面積為1.26×10-3m2）。仿真管道模型上，泄爆口處設(shè)置類型為POPOUT的泄爆膜，POPOUT型泄爆膜功能與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)非常接近，但仿真中只能設(shè)置為方形，故筆者以最接近實(shí)驗(yàn)裝置中圓形泄爆口面積的方形泄爆膜（面積為1.76×10-3m2）代替。點(diǎn)火源位于管道中心豎直方向上距離管道底部50 mm處，2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別位于管道中心距底部250 mm（1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)）和400 mm（2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)）處。

整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用均勻網(wǎng)格劃分，在泄爆口承壓泄爆和開口狀態(tài)下，為方便觀察泄爆口外火焰?zhèn)鞑ミ^程，特設(shè)置其整個(gè)計(jì)算區(qū)域中X、Y和Z軸上的網(wǎng)格數(shù)分別為20、220和184；在泄爆口密閉狀態(tài)下，X、Y和Z軸方向上的網(wǎng)格數(shù)分別為20、20和124。在泄爆口承壓泄爆和開口時(shí)的網(wǎng)格數(shù)雖與泄爆口密閉時(shí)不同，但網(wǎng)格精度相同，這會(huì)節(jié)省計(jì)算時(shí)間，但不會(huì)影響仿真結(jié)果。幾何尺寸及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 管道尺寸及網(wǎng)格劃分圖（精度0.005）

1.2 數(shù)學(xué)模型簡化及數(shù)學(xué)方程

FLACS軟件使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。甲烷在管道內(nèi)的爆炸是一個(gè)能量快速釋放的反應(yīng)過程，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒等三大守恒方程，反應(yīng)前后滿足化學(xué)組分平衡方程。對(duì)基本方程進(jìn)行Reynolds分解和平均，在各向同性湍流條件下，引入各向同性湍流黏度系數(shù)的概念，則可以得到均相湍流燃燒時(shí)的時(shí)均方程組。仿真中的基本方程包括動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、能量方程、湍流動(dòng)能方程、湍流動(dòng)能耗散方程和化學(xué)組分平衡方程[15]，均可統(tǒng)一表示為：

式中ρ表示密度，kg/m3；t表示時(shí)間坐標(biāo)，s；x表示空間坐標(biāo)（i=1,2,3…），m； 表示通用變量，無量綱；u表示方向的速度分量，m/s； 表示通用變量的交換系數(shù)，無量綱； 表示能量源項(xiàng)，無量綱；μeff表示有效黏性，無量綱； 表示普朗特常數(shù)，無量綱。

1.3 邊界條件和初始條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及FLACS用戶手冊，仿真初始條件設(shè)置為常溫常壓，邊界條件選用Euler方程，實(shí)驗(yàn)使用的甲烷濃度為10%，根據(jù)下列公式計(jì)算相應(yīng)甲烷與氧氣的當(dāng)量比（ER）為1.058。即

2 仿真有效性驗(yàn)證

2.1 管內(nèi)天然氣爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)管道泄爆口強(qiáng)度為0.3 MPa時(shí)，不同濃度下甲烷爆炸壓力在1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)各濃度甲烷爆炸壓力變化實(shí)驗(yàn)曲線圖

圖2 表明，各濃度甲烷爆炸壓力變化趨勢相似，均經(jīng)過上升到某一峰值后迅速下降的過程。隨著濃度的增大，壓力峰值呈現(xiàn)先增加后減小態(tài)勢，體系反應(yīng)時(shí)間先減小后增大，壓力峰值在甲烷濃度為10%時(shí)達(dá)到最大值，且該濃度下耗時(shí)最短。基于此，擬采用FLACS軟件選取濃度為10%的甲烷進(jìn)行泄爆口強(qiáng)度對(duì)管道內(nèi)天然氣爆炸流場影響的研究。

圖3是甲烷濃度分別為8%、10%、12%時(shí)1號(hào)、2號(hào)2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處爆炸壓力變化曲線。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)不同濃度甲烷爆炸壓力實(shí)驗(yàn)曲線圖

圖3 表明，實(shí)驗(yàn)中1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處壓力峰值略高于2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處的壓力峰值，但2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處壓力變化曲線幾乎重合，這是由于研究對(duì)象為小尺寸管道，且管道內(nèi)兩監(jiān)測點(diǎn)距離較近，致使管內(nèi)爆炸壓力瞬間趨于平衡。

2.2 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在泄爆膜承壓0.3 MPa工況下，選取濃度為 9%、10%、11%的甲烷爆炸壓力隨時(shí)間變化的仿真與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同濃度甲烷最大爆炸壓力仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比表

由表1可以看出，仿真最大爆炸壓力與實(shí)驗(yàn)最大爆炸壓力的相對(duì)誤差均小于10%，在可接受范圍內(nèi)[16]。仿真值比實(shí)驗(yàn)值偏高，這是因?yàn)榉抡孢^程中將管壁視為絕熱壁面，在反應(yīng)過程中無熱量散失，而真實(shí)條件下，高溫燃燒產(chǎn)物和管壁之間存在很大的溫差，能量以對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射的方式損失掉，能量損失較大時(shí)，體系中支持壓力波向前傳播的能量會(huì)減少，且最大爆炸壓力值也減小，在其他研究中也出現(xiàn)了這種現(xiàn)象[17-21]。

基于泄爆口承壓0.3 MPa工況下壓力變化規(guī)律的仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可見FLACS軟件能有效地用于該裝置中泄爆口強(qiáng)度對(duì)管內(nèi)天然氣爆炸流場的影響研究，故后文進(jìn)一步仿真研究了泄爆口承壓泄爆、泄爆口密閉、泄爆口開口等3種不同的工況[22]，以預(yù)測管道泄爆口強(qiáng)度對(duì)甲烷爆炸流場的影響。

3 泄爆口強(qiáng)度對(duì)管內(nèi)天然氣爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h2>

3.1 泄爆口強(qiáng)度對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

3.1.1 泄爆口承壓泄爆狀態(tài)下火焰?zhèn)鞑ミ^程

泄爆口承壓泄爆狀態(tài)下10%濃度甲烷的爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程如圖4所示，此圖（及后文）以溫度的變化過程說明火焰的傳播過程，其所展示的二維溫度云圖為監(jiān)測點(diǎn)所在中心平面，具體切面位置為管道在X軸正方向40 mm處垂直于XY平面的切面。

圖4 泄爆口承壓狀態(tài)下10%濃度甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程圖

圖4 總體表明，高壓電極點(diǎn)火后，管道內(nèi)的甲烷/空氣預(yù)混氣體被點(diǎn)燃，迅速形成一個(gè)以點(diǎn)火源為中心的火球，此時(shí)火焰體積較小且自由膨脹，不受側(cè)壁影響[23]，火焰鋒面曲率半徑隨著燃燒反應(yīng)的推進(jìn)而逐漸增大。當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鬟f到管道壁面時(shí)，火焰以指尖形迅速向上傳播，這是由于火焰?zhèn)鞑ミ^程中不僅受管道本身的約束，還受管道壁面的摩擦和浮力的影響[24]，使火焰頂部中間位置發(fā)展較快；隨著反應(yīng)的推進(jìn)，湍流作用加強(qiáng)，從而促使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，體系溫度也逐漸升高，燃燒產(chǎn)物隨之膨脹，故而形成壓力梯度，火焰鋒面在壓力梯度的作用下迅速向未燃區(qū)域傳播，與此同時(shí)，受管道上部未燃?xì)怏w的擠壓，指尖形火焰鋒面逐漸消失；圖4-a表明：火焰鋒面在17 ms時(shí)變成平面，21 ms時(shí)向已燃區(qū)域凹陷，39 ms時(shí)火焰鋒面到達(dá)泄爆口處，40 ms時(shí)火焰沖破泄爆膜從泄爆口泄出；火焰鋒面在47 ms時(shí)到達(dá)管道頂部且噴射火焰出現(xiàn)渦旋，這是由于火焰對(duì)周圍氣體的吸卷所致，90 ms時(shí)火焰充滿整個(gè)管道，預(yù)混氣體消耗完后，整個(gè)火焰?zhèn)鞑ミ^程結(jié)束。圖4-b、c中火焰的傳播形態(tài)與4-a相似。值得注意的是：在泄爆口承壓0.1 MPa時(shí)，泄爆膜在火焰鋒面到達(dá)泄爆口處時(shí)被沖破，泄爆口承壓0.3 MPa時(shí)，在火焰鋒面基本全部沒過泄爆口時(shí)泄爆膜被沖破，而當(dāng)泄爆口承壓0.5 MPa時(shí)，泄爆膜在火焰鋒面達(dá)到管道頂部時(shí)被沖破。可見隨著泄爆口強(qiáng)度的增加，泄爆膜被沖破時(shí)對(duì)應(yīng)火焰鋒面的位置越接近管道頂部。

泄爆口承壓0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa時(shí)，火焰到達(dá)泄爆口的時(shí)間分別為39 ms、40 ms和42 ms，沖破泄爆膜的時(shí)間分別為40 ms、49 ms和56 ms，隨著泄爆口承壓能力的上升，火焰到達(dá)泄爆口的時(shí)間和沖破泄爆膜的時(shí)間均增大，當(dāng)泄爆口承壓較小時(shí)，火焰沖破泄爆膜后，繼續(xù)向管道頂部傳播；當(dāng)泄爆口承壓較大時(shí)，火焰先傳播到管道頂部，再?zèng)_破泄爆膜。

3.1.2 泄爆口密閉狀態(tài)下火焰?zhèn)鞑ミ^程

泄爆口密閉狀態(tài)下10%濃度甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程如圖5所示。

對(duì)比圖4和圖5可知：泄爆口密閉狀態(tài)下管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程與泄爆口承壓泄爆狀態(tài)時(shí)相近，點(diǎn)火后火焰在管道內(nèi)不斷向上傳播，17 ms時(shí)變成平面，19 ms時(shí)出現(xiàn)向內(nèi)凹陷現(xiàn)象，隨后火焰又逐漸以指尖形向上傳播，58 ms時(shí)火焰鋒面到達(dá)管道頂部，70 ms時(shí)火焰充滿整個(gè)管道，直至反應(yīng)結(jié)束。

3.1.3 泄爆口開口狀態(tài)下火焰?zhèn)鞑ミ^程

泄爆口開口狀態(tài)下10%濃度甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程如圖6所示。

圖6表明，泄爆口開口工況下，火焰鋒面以指尖形向上傳播，直至16 ms時(shí)傳播到開口處并向外泄放，噴射火焰長度在19 ms時(shí)趨于穩(wěn)定，并發(fā)生明顯的火焰渦旋現(xiàn)象；管道內(nèi)火焰鋒面在21 ms時(shí)達(dá)管道頂部，30 ms時(shí)充滿整個(gè)管道。泄爆口開口狀態(tài)時(shí)，火焰?zhèn)鞑ミ^程中不存在向內(nèi)凹陷現(xiàn)象，這是因?yàn)槲慈紖^(qū)域的預(yù)混氣體在火焰鋒面的擠壓下會(huì)從開口處向外擴(kuò)散，不會(huì)約束火焰鋒面的傳播過程。

3.2 管內(nèi)爆炸壓力和溫度分析

3.2.1 管內(nèi)爆炸壓力分析

各工況下管道內(nèi)甲烷爆炸壓力隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

仿真結(jié)果表明，各工況下1號(hào)、2號(hào)2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化曲線基本重合，即兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處壓力變化規(guī)律基本相同，這與上述第一節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致，爆炸壓力仿真值與實(shí)驗(yàn)值的不同之處在于：兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處爆炸壓力變化重合度更高，這是由于仿真狀態(tài)為理想條件，管內(nèi)爆炸壓力在瞬間達(dá)到平衡時(shí)不存在能量損失。故此處只分析1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處的壓力變化過程。

圖5 泄爆口密閉狀態(tài)下10%甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程圖

圖6 泄爆口開口狀態(tài)下10%濃度甲烷爆炸的火焰?zhèn)鞑ミ^程

圖7 各工況下管內(nèi)爆炸壓力隨時(shí)間變化曲線圖

圖7 表明，各工況下預(yù)混氣體點(diǎn)燃初期，由于反應(yīng)釋放能量較少，管內(nèi)壓力變化緩慢，體系基本處于定壓燃燒狀態(tài)；隨著反應(yīng)的推進(jìn)，管內(nèi)壓力迅速上升，這是由于燃燒過程中釋放的能量增多，溫度升高，導(dǎo)致管內(nèi)氣體膨脹，壓力迅速上升，且使未燃?xì)怏w受到擠壓和擾動(dòng)，湍流作用加強(qiáng)，促使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，反?yīng)進(jìn)一步加快[25]。泄爆口承壓泄爆條件下，各工況的壓力變化趨勢相似，且均存在憋壓現(xiàn)象，在9～20 ms內(nèi)，壓力上升較快，隨后壓力上升速率稍有下降，但管內(nèi)壓力仍處于上升趨勢，兩監(jiān)測點(diǎn)處壓力達(dá)到峰值后迅速下降。泄爆口承壓0.1 MPa、0.3 MPa和0.5 MPa時(shí)，壓力峰值分別為0.608 MPa、0.694 MPa和0.763 MPa，達(dá)到峰值的時(shí)間分別為47 ms、53 ms和56 ms?？梢婋S著泄爆口強(qiáng)度的增加，管內(nèi)壓力峰值和達(dá)到壓力峰值的時(shí)間均逐漸增加，且憋壓現(xiàn)象越顯著。泄爆口密閉工況下，在整個(gè)反應(yīng)過程中，體系的壓力一直處于上升趨勢，直至62 ms時(shí)達(dá)到峰值（0.792 MPa），壓力達(dá)到峰值后基本保持不變，這是因?yàn)檎麄€(gè)管道處于密閉狀態(tài)，壓力上升后不能及時(shí)泄壓，直至爆炸結(jié)束，但在實(shí)際工程中由于能量損耗，壓力達(dá)到峰值后會(huì)有所下降。開口條件下，預(yù)混氣體點(diǎn)燃初期，反應(yīng)速度較慢，體系壓力基本保持不變，隨著反應(yīng)推進(jìn)，管內(nèi)壓力迅速上升，16 ms時(shí)達(dá)到峰值（0.149 MPa），隨后壓力又迅速下降，其下降速率與上升速率基本相同，故其壓力曲線基本呈對(duì)稱“峰”形[26]，對(duì)稱軸約為整個(gè)反應(yīng)的中間時(shí)刻。需要注意的是：泄爆口開口時(shí)，2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處在爆炸壓力峰值附近出現(xiàn)較大波動(dòng)，且波動(dòng)幅度均較1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處低，這是由于2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的位置在管道開口附近，爆炸過程中受到管外氣體的影響，當(dāng)爆炸沖擊波傳播到2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，其壓力上升且出現(xiàn)第一次明顯波動(dòng)，當(dāng)火焰鋒面?zhèn)鞑サ?號(hào)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)爆炸壓力達(dá)到峰值，此時(shí)從管道開口處擴(kuò)散到管外的氣體也會(huì)被引燃，管外氣體燃燒產(chǎn)物及其溫度都會(huì)對(duì)2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處的壓力有所影響，故會(huì)在爆炸壓力下降中再次出現(xiàn)顯著波動(dòng)現(xiàn)象。

圖8 各工況下1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)爆炸壓力隨時(shí)間變化曲線圖

為對(duì)比各工況下管內(nèi)壓力的變化規(guī)律，選取1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處壓力變化曲線（圖8）進(jìn)行說明。由圖8可知，各工況下管道內(nèi)壓力峰值相差較大，但壓力變化趨勢較接近；泄爆口承壓泄爆條件下，壓力上升至峰值后逐漸下降，壓力達(dá)到峰值過程中存在憋壓現(xiàn)象，憋壓程度由大到小為：0.5 MPa＞0.3 MPa＞0.1 MPa；泄爆口密閉條件下，壓力上升至峰值后基本保持不變；在泄爆口開口條件下，壓力上升至峰值后迅速下降。各峰值由大到小依次為：p泄爆口密閉(0.792 MPa)＞ p泄爆口承壓0.5MPa(0.763 MPa)＞ p泄爆口承壓0.3MPa(0.694 MPa)＞ p泄爆口承壓0.1MPa(0.608 MPa)＞ p泄爆口開口(0.149 MPa)，對(duì)應(yīng)爆炸壓力達(dá)到峰值的時(shí)間依次為62 ms、56 ms、53 ms、47 ms和16 ms，可見隨著壓力峰值的下降，達(dá)到峰值所需時(shí)間隨之減小。

對(duì)比圖4與圖7可知，管內(nèi)壓力約在泄爆膜破裂時(shí)達(dá)到峰值。泄爆口承壓工況下，兩監(jiān)測點(diǎn)處的壓力達(dá)到泄爆膜承受壓力時(shí)火焰并未到達(dá)泄爆口處，故管內(nèi)壓力繼續(xù)上升，直至火焰?zhèn)鞑ブ列贡谇覜_破泄爆膜，管內(nèi)壓力隨后達(dá)到峰值，這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。

3.2.2 管內(nèi)爆炸溫度分析

各工況下管道內(nèi)甲烷爆炸溫度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

圖9表明，各工況下管內(nèi)溫度隨時(shí)間變化趨勢基本相同，均經(jīng)過緩慢上升后急劇增加然后下降的過程（泄爆口密閉時(shí)除外）。泄爆口承壓泄爆工況下，泄爆口承壓0.1 MPa時(shí)，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度在12 ms后開始劇增，19 ms時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值（2 542.2 K），2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度變化規(guī)律與1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處相似，在前38 ms，溫度稍有上升，后劇增直至46 ms時(shí)達(dá)到峰值2 381.2 K，與此同時(shí)1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度達(dá)到第二個(gè)峰值2 525.5 K；在整個(gè)體系中，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)溫度變化較2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)超前，這是由于1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)距離點(diǎn)火源較近，最先感應(yīng)到火焰溫度，故溫度的變化相對(duì)較前；1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)的溫度峰值高于2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，這是由于當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ?號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處并使其溫度達(dá)到峰值時(shí)，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處存在能量積聚，故其溫度峰較2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處高，并且由于2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)在管道開口附近，受到氣流的影響較大，故其溫度峰值相對(duì)較低；泄爆口承壓0.3 MPa和0.5 MPa時(shí)，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度變化趨勢與承壓0.1 MPa時(shí)相同，均在19 ms時(shí)到達(dá)第一個(gè)峰值2542.2 K；2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度達(dá)到峰值的時(shí)間分別為53 ms和55 ms，峰值分別為2 394.4 K和2 412.1 K，與此同時(shí)，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處均達(dá)第二個(gè)峰值，其值分別為2 547.3 K、2 560.5 K，且泄爆口承壓0.3 MPa和0.5 MPa時(shí)，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處第二個(gè)溫度峰值均較第一個(gè)溫度峰值大，這是由于當(dāng)泄爆口承壓較高時(shí)，沖破泄爆膜耗時(shí)較長，故1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處會(huì)積聚更多能量；泄爆口承壓0.3 MPa和0.5 MPa時(shí)，2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度在體系反應(yīng)末期出現(xiàn)急劇下降后又回升現(xiàn)象，其原因在于：①爆炸溫度出現(xiàn)下降是因?yàn)榇藭r(shí)反應(yīng)體系處于絕熱膨脹狀態(tài)，體系溫度處于下降勢態(tài)，且溫度出現(xiàn)快速下降時(shí)火焰體積通過泄爆口向外膨脹已經(jīng)發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)了，且這種現(xiàn)象是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，故而溫度出現(xiàn)快速下降；②爆炸溫度回升主要是由于反應(yīng)體系所在的管道壁面以及爆炸反應(yīng)的產(chǎn)物均含有大量能量，這種能量此時(shí)正處于輻射狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)管道體系又有一種輻射加熱的作用，這一作用較穩(wěn)定且持續(xù)時(shí)間較長，所以體系溫度又有所回升。泄爆口密閉工況下，1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度19 ms時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值（2 542.3 K）；2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度在58 ms時(shí)達(dá)到峰值（2 412.1 K），與此同時(shí)1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度達(dá)到第二個(gè)峰值（2 561.0 K）；兩監(jiān)測點(diǎn)處溫度達(dá)到峰值后基本保持不變，但在實(shí)際工程中由于管壁與外界存在能量交換，其溫度在達(dá)到峰值后會(huì)有所下降，這與泄爆口密閉時(shí)壓力變化規(guī)律相似。泄爆口開口時(shí)，1、2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)處溫度峰值分別為2 484.9 K和2 272.9 K，到達(dá)峰值的時(shí)間分別為16 ms和18 ms。

圖9 各工況下管內(nèi)爆炸溫度隨時(shí)間變化曲線圖

3.3 泄爆口強(qiáng)度對(duì)管道內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛡鞑ゾ嚯x的影響

圖10 為各工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鎮(zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間變化趨勢圖，數(shù)據(jù)詳見表2。

圖10表明，各工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律相似。1） 在爆炸初期，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙?，達(dá)到峰值后迅速下降。

2） 火焰在傳播過程中均出現(xiàn)2個(gè)速度峰值且存在上下震蕩現(xiàn)象。

3） 結(jié)合表2可知，各工況下最大火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛯?duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間大小具有差異，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣扔纱笾列閷?duì)應(yīng)達(dá)到最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臅r(shí)間依次為：11、13、13、11和11 ms，相應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x依次為：0.26、0.29、0.31、0.21和0.20 m。泄爆口承壓泄爆工況下，隨著泄爆口強(qiáng)度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x先增加后減小，但各工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣然臼窃诠艿乐胁窟_(dá)到峰值。泄爆口承壓0.1 MPa時(shí)，由于泄爆口承壓較小，故其最大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚?；泄爆口承?.3 MPa時(shí)，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣容^0.5 MPa時(shí)大，這是由于泄爆口承壓0.5 MPa時(shí)管內(nèi)未燃?xì)怏w對(duì)火焰鋒面的擠壓較強(qiáng)，對(duì)火焰向上傳播有約束性，故最大火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬?duì)較小。泄爆口密閉狀態(tài)下，管道內(nèi)預(yù)混氣體混合較均勻，反應(yīng)較穩(wěn)定，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大。泄爆口開口狀態(tài)下，管內(nèi)氣體流動(dòng)較快，湍流速度快，使其火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙^快，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?/p>

泄爆口強(qiáng)度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戯@著，與泄爆強(qiáng)度為0.1 MPa和0.5 MPa相比，泄爆口承壓0.3 MPa時(shí)對(duì)最大火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懜用黠@。具體來講，對(duì)于泄爆口承壓分別為0.1、0.3和0.5 MPa時(shí)，相應(yīng)的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為36.59 m/s、52.50 m/s和45.00 m/s，與中間承壓能力相比，較小和較大承壓能力下最大火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e降低了30.3%和14.28%。

圖10 各工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鎮(zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間變化趨勢圖

表2 各工況下最大火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛯?duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x數(shù)據(jù)表

在受限空間的約束作用下，氣體爆炸會(huì)產(chǎn)生較高的壓力和壓力增長速率，以至于很多裝置或設(shè)備因強(qiáng)度失效而造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果[27]。在實(shí)際工程中，可通過加強(qiáng)設(shè)備強(qiáng)度減少事故發(fā)生率。

4 結(jié)論

1） 在泄爆口密閉條件下，管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體燃燒爆炸反應(yīng)過程中，壓力和溫度上升至峰值后無明顯下降趨勢，在實(shí)際工程中由于管壁與外界存在熱傳遞，溫度和壓力均會(huì)有所下降。

2） 在泄爆口開口情況下，管道內(nèi)壓力迅速上升至峰值后急劇下降，溫度在上升至峰值后緩慢下降。

3） 泄爆口承壓泄爆工況下，管道內(nèi)壓力和溫度變化趨勢相似，均經(jīng)過先上升至峰值后下降的過程，隨著泄爆口承壓能力的增加，管內(nèi)壓力和溫度峰值及達(dá)到峰值的時(shí)間均增加。

4） 各工況下管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程相似，在泄爆口承壓泄爆工況下，管內(nèi)溫度峰值和達(dá)到峰值的時(shí)間基本相同。兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力和溫度變化趨勢基本相同，但接近點(diǎn)火源的監(jiān)測點(diǎn)溫度變化相對(duì)于遠(yuǎn)離點(diǎn)火點(diǎn)位置的溫度變化都較前。