呂鵬飛，張家旭，梁 濤，劉開沅，龐 磊，楊 凱，邱士龍

(北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 102617)

0 引言

市政污水管網(wǎng)是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，由于尺度大、分支多、密閉性強，其內(nèi)往往積聚可燃氣體，極易發(fā)生氣體爆炸事故并造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。例如，2013年中國山東省青島市“11·22”中石化東黃地下輸油管道發(fā)生泄漏，揮發(fā)油氣在市政排水暗渠內(nèi)積聚遇火花發(fā)生爆炸，造成62人死亡、136人受傷；2014年中國臺灣高雄“8·1”地下燃氣管道泄漏爆炸事故，泄漏燃氣沿排水箱涵擴散遇火源發(fā)生爆炸，造成30人死亡、310人受傷。針對市政污水管網(wǎng)開展可燃氣體爆炸災(zāi)害防治研究尤為必要。

目前，學(xué)者們對市政污水管網(wǎng)等典型受限空間氣體爆炸開展了一系列研究。彭述娟[1]借助實驗和數(shù)值模擬手段，建立了基于風(fēng)險矩陣的污水管道氣體爆炸風(fēng)險評估模型；馮長根等[2]模擬研究了獨頭巷道中點火位置對瓦斯爆炸后果的影響，結(jié)果表明點火位置離封閉端越近，各個測點上的超壓越大；Kindracki等[3]實驗研究了在豎直密閉管道底部、中部和頂部點火對甲烷-氧氣混合氣體爆炸超壓的影響，發(fā)現(xiàn)中部點火時最大爆炸超壓最大，底部點火次之，頂部點火最小；Chao等[4]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[5]利用高速攝像、紋影技術(shù)和壓力測試系統(tǒng)對不同點火位置及不同破膜壓力條件下氫氣-空氣預(yù)混氣的泄爆特性進行研究，結(jié)果表明在前端點火條件下出現(xiàn)了聲學(xué)振蕩現(xiàn)象，對內(nèi)部壓力產(chǎn)生顯著影響；李國慶等[6]研究了不同點火位置對油氣爆炸超壓特性的影響，結(jié)果表明中部和口部點火時，超壓曲線振蕩明顯；Guo等[7]實驗研究了點火位置對小長徑比容器內(nèi)氫氣-空氣混合氣泄爆過程的影響，發(fā)現(xiàn)中部點火能形成最大內(nèi)部爆炸超壓，口部點火能形成最大外部爆炸超壓，而且2種情況下外部火焰長度比底部點火更為明顯；任少云[8]研究了密閉圓柱罐內(nèi)甲烷-空氣不均勻分布對混合氣體燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)在容器上部點火時，分層混合氣體的火焰?zhèn)鞑ポ^快，其最大瞬態(tài)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、超壓峰值均大于均勻混合氣體的數(shù)值；何學(xué)超等[9]通過自行設(shè)計的90°彎曲管道燃燒平臺，研究了不同點火位置對丙烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，結(jié)果表明水平點火條件下火焰陣面從層流燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?，而垂直點火條件下，基本處于層流燃燒狀態(tài)；王濤等[10]研究了在半封閉實驗管道敞口端點火條件下甲烷-空氣爆炸火焰的形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)出明顯的震蕩現(xiàn)象，火焰鋒面在正向-反向-正向的循環(huán)中不斷向管內(nèi)傳播；王超強等[11]在12 m3密閉空間內(nèi)開展了甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸實驗，分析了有泄爆口時點火位置對爆炸火焰形態(tài)的影響，得出尾部點火和中心點火時火球大小和火焰噴射長度遠大于前端點火；孫從煌等[12]研究了點火位置對密閉管道中氫氣-空氣燃爆特性的影響，結(jié)果表明點火位置距管左端壁面越遠，中間節(jié)點處溫度越高，溫升越快。此外，杜揚等[13]、李國慶等[14]將點火位置設(shè)置在水平管道一端，對水平管道和豎直管道組成的T型結(jié)構(gòu)管道開展油氣爆炸特性實驗研究。

綜合目前研究成果發(fā)現(xiàn)，盡管對不同點火位置條件下可燃氣體在復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道中的爆燃特性開展了研究，但未充分結(jié)合市政污水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和尺寸特點，對其內(nèi)可燃氣體的爆燃特性、災(zāi)害演化等研究相對不足，而且針對在豎直管道內(nèi)點火，開展氣體爆炸由豎直管道向水平管道傳播的過程及規(guī)律研究目前較少涉及，制約了市政污水管網(wǎng)爆燃災(zāi)害機理的揭示及防治技術(shù)的發(fā)展。鑒于此，本文結(jié)合市政污水管網(wǎng)實際特點，研究了不同點火位置對甲烷爆燃壓力、溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，為市政污水管網(wǎng)甲烷爆燃事故預(yù)防及相關(guān)標準制定提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 數(shù)值方法

研究不同點火位置對市政污水管網(wǎng)甲烷爆燃特性的影響，借助三維流體動力學(xué)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、半受限和開放空間爆炸仿真，軟件中假設(shè)可燃氣體爆炸為單步不可逆化學(xué)反應(yīng)，采用有限體積法對包括質(zhì)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來解決氣體爆炸過程中的氣體動力學(xué)行為，并通過湍流模型模擬氣體爆炸中的湍流行為。

1.2 數(shù)值模型實驗驗證

為了驗證數(shù)值方法的有效性，本文將數(shù)值模擬結(jié)果與課題組前期開展的實驗結(jié)果[15]進行對比。實驗是在管道內(nèi)進行的甲烷-空氣混合物的爆燃，實驗管道如圖1所示。該管道由5段圓形短管組成，編號依次為1，2，3，4，5，其中1號短管長度為0.497 5 m，其余4段長度均為0.995 m，各段短管之間通過圓形法蘭連接，構(gòu)成1根總長為4.477 5 m的直管。管道內(nèi)徑為0.199 m，壁厚為0.01 m，最大耐壓約為5 MPa。實驗時管道左側(cè)開口、右側(cè)封閉且為點火端，在2號和3號短管之間夾1層塑料薄膜，并在1號和2號短管內(nèi)充入甲烷后靜置，確保管道內(nèi)空氣與甲烷混合良好，甲烷的體積濃度約為10.2%。在管道上安裝5個壓力傳感器，距離右側(cè)點火位置的距離與管道內(nèi)徑的比值(L/D)分別為1.25，5，10，15，20。

圖1 實驗管道Fig.1 Experimental pipeline

根據(jù)實驗條件，利用流體動力學(xué)軟件Fluidyn-MP建立數(shù)值模型，保證管道尺寸、測點位置與實驗一致，在管道內(nèi)充滿10.2%的甲烷，將管壁設(shè)置為絕熱光滑，初始壓力為0.1 MPa，初始溫度為298 K。將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬與實驗峰值超壓對比Fig.2 Comparison curve of numerical simulation and experimental peak overpressure

由圖2可知，數(shù)值模擬與實驗峰值超壓曲線相近，均隨著L/D的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，其中絕對誤差均值為1.5 kPa，相對誤差均值為7.9%，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(guān)。通過數(shù)值模擬與實驗的對比驗證，本文的數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的置信度，采用的數(shù)值方法較為可行。

1.3 模擬方案

市政污水管網(wǎng)廣泛存在于城市的道路支線上，普遍由豎直檢查井和水平井構(gòu)成。其中檢查井直徑約為0.7 m，深度一般為2～6 m，2個檢查井間距為50 m左右，水平井直徑為0.4～1.0 m。污水管網(wǎng)內(nèi)往往積聚甲烷等可燃氣體，在點火源作用下極易發(fā)生爆炸事故。此外，受施工環(huán)境和條件的影響，實際市政污水管網(wǎng)極其復(fù)雜，往往存在轉(zhuǎn)彎、分支、交叉等復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，不同位置管網(wǎng)尺寸差異較大。為便于分析，數(shù)值模擬時對市政污水管網(wǎng)進行簡化，利用對稱性建立了由頂端封閉、深度為4 m的豎直檢查井和兩端開口、左右兩側(cè)長度均為20 m的水平井構(gòu)成的數(shù)值模型，如圖3所示，檢查井和水平井的截面尺寸均為0.7 m×0.7 m。在模型內(nèi)設(shè)置測點用于監(jiān)測爆燃壓力、溫度等數(shù)據(jù)，其中測點1～11布置在水平井內(nèi)，相鄰測點間距為2 m，測點12布置在水平井與檢查井中心線相交處，測點13～21布置在豎直檢查井內(nèi)，相鄰測點間距為0.5 m。

圖3 數(shù)值模型示意Fig.3 Schematic diagram of numerical model

為研究不同點火位置對市政污水管網(wǎng)甲烷爆燃特性的影響，設(shè)計3種模擬方案，其中點火位置分別在檢查井上部(監(jiān)測點21)、中部(監(jiān)測點17)和下部(監(jiān)測點13)。考慮到污水管網(wǎng)內(nèi)可燃性氣體主要成分為甲烷，模擬時對氣體成分進行簡化處理，將檢查井和水平井內(nèi)充滿9.5%的甲烷，采用絕熱光滑邊界面條件，初始壓力為101.325 kPa，初始溫度為298 K。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆燃壓力影響分析

選取水平井左側(cè)端口測點1、中間測點6、水平井和檢查井相交測點12、檢查井中部測點17作為考察點，根據(jù)模擬結(jié)果，得到點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時各測點壓力時程變化曲線如圖4所示。

圖4 不同點火位置下的壓力時程變化Fig.4 Curves of pressure vs.time under different ignition position

由圖4(a)可知，當(dāng)檢查井上部點火時各測點的壓力時程變化趨勢相似，隨著時間的增加爆燃壓力逐漸增大到峰值而后迅速衰減，這主要是因為甲烷被點燃后，加速燃燒膨脹放出巨大的能量，爆燃壓力上升并達到最大值，隨后甲烷燃燒完全，產(chǎn)生的能量在兩側(cè)端口泄放造成爆燃壓力衰減。0.3 s后爆燃壓力出現(xiàn)反復(fù)振蕩，分析認為爆炸波從左側(cè)端口傳出使水平井和檢查井內(nèi)部負壓增大，空氣倒吸造成壓力振蕩，各測點表現(xiàn)為明顯的亥姆霍茲振蕩，此現(xiàn)象Hisken等[16]、Wan等[17]通過實驗也得到了驗證。此外，由圖4(b)，4(c)可知，當(dāng)檢查井中部和下部點火時，壓力時程變化與圖4(a)表現(xiàn)出類似的特征。為進一步對比分析，根據(jù)模擬結(jié)果得到檢查井上部、中部和下部點火時各測點壓力峰值變化曲線如圖5所示。

圖5 不同點火位置下的壓力峰值變化Fig.5 Change of peak pressure under different ignition position

由圖5可知，檢查井上部、中部和下部點火時，各壓力峰值曲線變化趨勢一致，并以測點7為臨界點呈現(xiàn)出明顯的分段性。其中測點7～1壓力峰值逐漸下降，并在測點1(水平井左側(cè)端口)處出現(xiàn)最小值，3條曲線基本保持重疊；測點8～21的壓力峰值處于平穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)在檢查井上部點火時，峰值壓力保持在154.9 kPa左右；當(dāng)在檢查井中部點火時，峰值壓力保持在152 kPa左右；當(dāng)在檢查井下部點火時，峰值壓力保持在156.6 kPa左右。分析認為，當(dāng)在檢查井上部、中部和下部點火時，隨著爆炸反應(yīng)的進行壓力逐漸增大，由于檢查井頂端封閉，造成檢查井及其相連的水平井內(nèi)部分區(qū)域(測點8～21)可燃氣體分子間的碰撞幾率增加，化學(xué)反應(yīng)程度加劇，爆燃壓力峰值維持在較高水平，而在水平井左側(cè)端口及附近區(qū)域(測點1～7)，受端口泄壓效應(yīng)的影響，爆炸過程中釋放出大量的壓力，同時，未燃氣體從端口處泄放減少了反應(yīng)物含量，造成壓力峰值出現(xiàn)不同程度的衰減。

2.2 爆炸溫度影響分析

在不同點火位置條件下，選取水平井左側(cè)端口至點火位置區(qū)域作為考察范圍，得到點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時測點爆炸溫度峰值變化曲線如圖6所示。

圖6 不同點火位置下的溫度峰值變化Fig.6 Change of peak temperature under different ignition position

由圖6可知，當(dāng)點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，各溫度峰值曲線變化趨勢基本一致。其中在點火位置附近，爆炸溫度峰值維持在較高水平并出現(xiàn)最大值，分別為2 414 ，2 385和2 338 K，可見上部點火時數(shù)值最大，中部點火時數(shù)值居中，下部點火時數(shù)值最小。分析認為，由于檢查井和水平井內(nèi)充滿9.5%的甲烷，處于化學(xué)當(dāng)量濃度，當(dāng)點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，點火后甲烷在較短時間內(nèi)快速反應(yīng)，并釋放大量的熱，溫度迅速增加到峰值。由于檢查井頂端封閉，抑制了爆炸能量的逸散，而且對檢查井內(nèi)爆炸溫度的維持起主導(dǎo)作用，而水平井兩端開口，促進了爆炸能量的逸散，“抑制”和“促進”雙重作用造成爆炸溫度峰值出現(xiàn)在點火點附近。此外，當(dāng)點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，檢查井抑制爆炸能量的逸散作用逐漸減弱，而水平井促進爆炸能量的逸散作用逐漸增強，但檢查井抑制爆炸能量的逸散作用對點火點附近爆炸溫度的維持仍然占主導(dǎo)地位，因此，造成爆炸溫度峰值逐漸減小但相差不大。

此外，由圖6可知，在水平井內(nèi)，隨著爆炸過程向左側(cè)端口發(fā)展，爆炸溫度峰值逐漸減小，在水平井內(nèi)近似呈線性衰減并在端口處出現(xiàn)最小值，3種情況下分別為2 012.4，2 012和2 093 K。分析認為，隨著測點與水平井左側(cè)端口距離的逐漸減小，水平井促進爆炸能量的逸散作用逐漸增強，并對爆炸溫度的影響起主導(dǎo)作用，因此，造成水平井內(nèi)溫度峰值近似呈線性衰減并在左側(cè)端口出現(xiàn)最小值。

2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懛治?/h3>

選取水平井左側(cè)端口至點火位置區(qū)域作為考察范圍，得到點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時各測點火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€如圖7所示。

圖7 不同點火位置下的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓疐ig.7 Change of flame propagation velocity under different ignition positions

由圖7可知，當(dāng)點火位置在檢查井上部(測點21)和中部(測點17)時，兩者火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓厔菹嗨?，隨著與點火位置距離的增加火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大，但在檢查井拐角附近(測點13～11)出現(xiàn)下降，而后沿水平井至左側(cè)端口(測點11～1)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔种饾u增大。當(dāng)點火位置在檢查井下部時，在檢查井拐角附近火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛笮》鶞p小，而后沿水平井至左側(cè)端口又逐漸增大。

分析認為，可燃氣體在檢查井內(nèi)點火后，反應(yīng)初期火焰緩慢發(fā)展，在點火位置附近傳播速度較小，與點火位置在檢查井下部相比，當(dāng)點火位置在檢查井上部和中部時，檢查井為爆炸反應(yīng)的加劇和火焰的快速發(fā)展提供了較長的物理空間，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@增大。同時，當(dāng)火焰由檢查井底部傳播到水平井時(測點13～11)，由于截面面積突然增大，擴容現(xiàn)象明顯，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣人p顯著，分別由125 m/s減小到63 m/s，由71.4 m/s減小到41.2 m/s，降幅分別為49.6%和42.3%。而點火位置在檢查井下部時，由于點火位置與水平井垂直距離較短，火焰發(fā)展后的速度相對較低，在檢查井和水平井交界面的擴容現(xiàn)象對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戄^小，因此由測點13～11火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)出先增大后小幅減小，即由0 m/s增加到5.65 m/s而后減小到4.25 m/s。此后，當(dāng)爆炸由豎直檢查井發(fā)展到水平井并在其內(nèi)傳播時，前驅(qū)爆炸沖擊波對水平井內(nèi)未燃氣體進行壓縮，使其向前運動并產(chǎn)生湍流，加速了燃燒過程，造成火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大。此外，由于水平井左右兩端開口且長度均為20 m，為爆炸火焰的發(fā)展提供一個半開敞空間，端口處的泄爆過程造成火焰進一步加速，因此，沿水平井至左側(cè)端口火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸示€性增長，并在端口處出現(xiàn)最大值，在檢查井上部、中部和下部點火3種情況下速度分別為306，306.2，331.7 m/s。

3 結(jié)論

1)當(dāng)點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，管網(wǎng)內(nèi)測點壓力時程變化曲線相似，均表現(xiàn)為亥姆霍茲振蕩，相同測點的爆燃壓力相近。表明點火位置的不同未造成爆燃壓力的顯著差異。

2)在檢查井不同位置點火時，爆炸溫度均在點火位置附近出現(xiàn)最大值，但上部點火時數(shù)值最大為2 414 K，中部點火時居中為2 385 K，下部點火時最小為2 338 K，而在水平井內(nèi)溫度峰值均近似呈線性衰減并在左側(cè)端口出現(xiàn)最小值，表明點火位置的不同造成爆炸溫度存在不同程度的差異。

3)與下部點火相比，上部和中部點火時檢查井內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸示€性增大，但在檢查井和水平井連接處擴容效應(yīng)造成火焰?zhèn)鞑ニ俣人p顯著，降幅分別為49.6%和42.3%，而在水平井內(nèi)，不同位置點火時火焰?zhèn)鞑ニ俣染瞥示€性增大并在端口出現(xiàn)最大值?？梢婞c火位置的不同造成火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拿黠@差異。