于巧燕 ，侯磊 ，柴沖 ，李延豪

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求也越來(lái)越大。2022年4月21日，全國(guó)油氣管道規(guī)劃建設(shè)和保護(hù)工作會(huì)議中提出“油氣是現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，事關(guān)國(guó)計(jì)民生”。天然氣作為一種清潔能源，其燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳和水，能夠從根本上改善環(huán)境質(zhì)量，在生產(chǎn)生活中具有不可替代的地位[1]。管道作為油氣行業(yè)承上啟下的關(guān)鍵一環(huán)，發(fā)揮著輸送油氣資源、連接供需兩端的橋梁紐帶作用，已成為天然氣輸送的主要方式。由于管道服役時(shí)間、腐蝕、外界破壞等因素的影響，管道在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生泄漏。管道泄漏后發(fā)生燃燒不僅造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害。事故數(shù)據(jù)分析表明，高壓氣體發(fā)生泄漏后，氣體噴射速度高，立即點(diǎn)燃將發(fā)生噴射火，不滿足氣云爆炸的條件[2]。噴射火在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生非常高的熱量，約有50%的噴射火導(dǎo)致多米諾骨牌效應(yīng)，引發(fā)額外的災(zāi)難性事件[3-4]。

火焰形狀和長(zhǎng)度是影響傷害范圍的重要因素，火焰形狀和長(zhǎng)度的精確預(yù)測(cè)對(duì)傷害范圍的確定就有重要意義。Gopalaswam[5]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合了以浮力為主的氣體火焰長(zhǎng)度關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)火焰長(zhǎng)度的水平偏移受射流火焰下風(fēng)方向風(fēng)的影響，當(dāng)風(fēng)沿側(cè)風(fēng)方向流動(dòng)時(shí)，射流火災(zāi)的垂直范圍減小。Palacios[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出垂直噴射火在靜止空氣中的火焰長(zhǎng)度與直徑之比為7，火焰形狀可以用圓柱形描述，提出了預(yù)測(cè)射流火焰長(zhǎng)度和寬度的表達(dá)式。Zhou[7]采用線源模型預(yù)測(cè)垂直湍流噴射火周圍的輻射熱流分布，指出火焰形狀對(duì)模型預(yù)測(cè)具有重要影響；上下對(duì)稱背靠背的錐形火焰形狀適合預(yù)測(cè)高度小于1 m的火焰，當(dāng)火焰高度大于1 m 且小于10 m時(shí)，需通過(guò)下部錐體和上部圓柱組合進(jìn)行火焰形狀預(yù)測(cè)。Xu[8]推導(dǎo)出火焰形狀模型，建立水平視場(chǎng)因子、垂直視場(chǎng)因子和最大視場(chǎng)因子的表達(dá)式，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。楊建[9]研究了泄漏方向與地面不同夾角下(0°、30°和90°)管道噴射火的危害范圍，結(jié)果表明隨著夾角的增加，噴射火危害范圍逐漸減小。Rengel[10]研究了常壓和亞大氣壓下甲烷垂直噴射火焰形狀的差異，將噴射距離、火焰長(zhǎng)度和等效直徑定義為雷諾數(shù)的函數(shù)。Palacios[11]針對(duì)水平噴射火，調(diào)研大量包含多種氣體燃料和釋放條件的數(shù)據(jù)，建立表示火焰幾何形狀和熱流參數(shù)的無(wú)量綱函數(shù)。

在經(jīng)典火焰長(zhǎng)度相關(guān)理論中，火焰出口形狀系數(shù)(水力當(dāng)量直徑比)是火焰出口唯象常數(shù)的主要變量。Zhou[12]分析了圓形、矩形、等邊三角形和橢圓四種噴嘴形狀對(duì)水平噴射火焰形狀的影響，定量分析唯象常數(shù)與火焰出口形狀系數(shù)的關(guān)系，認(rèn)為理查森數(shù)是主導(dǎo)垂直投射火焰長(zhǎng)度與水平投射火焰長(zhǎng)度之比的主要參數(shù)；通過(guò)水力直徑對(duì)無(wú)量綱流量數(shù)進(jìn)行修正，從理論上考慮出口形狀對(duì)上升距離的影響。孫中成[13]通過(guò)對(duì)比圓柱孔和漸縮孔在不同溫度和噴射壓力下產(chǎn)生的噴射火，發(fā)現(xiàn)相較于漸縮孔，圓柱孔噴孔形狀易于產(chǎn)生空化效應(yīng)，導(dǎo)致出有效流通面積減少，形成的噴射火焰長(zhǎng)度較小。黃有波[14]通過(guò)模擬分析不同橫縱比下矩形泄漏口噴射火的溫度分布，結(jié)果表明，當(dāng)泄漏孔為方形時(shí)，熱輻射影響范圍在豎直方向上更大；泄漏口為長(zhǎng)方形時(shí)，熱輻射影響范圍主要在長(zhǎng)邊方向，溫度沿火焰中心線先升高后衰減；最高溫度增加隨著泄漏速度的增加，并建立了沿中心線和燃料射流最高溫度的簡(jiǎn)單函數(shù)。

熱輻射是噴射火的主要危害形式，通過(guò)對(duì)熱輻射強(qiáng)度分布的預(yù)測(cè)，可以有效確定火災(zāi)的危害范圍。周魁斌[15]對(duì)理想氣體和Abel-Noble 狀態(tài)模型下高壓可燃?xì)怏w泄漏的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究，分析了噴射火焰長(zhǎng)度、寬度、熱輻射模型，提出了有效的熱災(zāi)害分析預(yù)測(cè)方法。馬子超[16]設(shè)置0.5 m2的泄漏口，分析暴雨天氣下噴射火對(duì)周圍人員與設(shè)備的傷害，研究表明，風(fēng)速對(duì)噴射火的影響較小，雨水能夠有效減小危害半徑。劉少杰[17]研究風(fēng)速和泄漏孔徑對(duì)危險(xiǎn)范圍的影響，發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速和泄漏孔徑的增大，危險(xiǎn)范圍增大，在噴口25 m以內(nèi)的區(qū)域都屬于危險(xiǎn)區(qū)域。單克[18]采用FLACS軟件研究管徑、壓力、風(fēng)速等因素對(duì)全管徑斷裂火災(zāi)熱輻射范圍的影響，推導(dǎo)熱輻射距離與影響因素之間的關(guān)系式。周亞薇[19]采用Flacs和點(diǎn)源模型相結(jié)合的方式研究了建筑物外立面受噴射火熱輻射強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明隨著外立面高度的增加，熱輻射強(qiáng)度先增大后減小。李云濤[20]利用FLACS、ALOHA和PHAST軟件，分析管徑為813 mm的管道完全斷裂時(shí)地面處天然氣的濃度和噴射火的熱輻射范圍，根據(jù)臨界標(biāo)準(zhǔn)確定安全距離。張亦翔[21]發(fā)現(xiàn)障礙物對(duì)噴射火的發(fā)展方向有明顯的阻擋作用，障礙物后方受噴射火的危害較小。劉長(zhǎng)春[22]通過(guò)對(duì)線性源輻射模型進(jìn)行修正，構(gòu)建了水霧遮蔽噴射火熱輻射的工程快速計(jì)算方法，表明水霧顆粒的直徑、通量、水幕尺寸對(duì)是影響水幕對(duì)噴射火熱輻射遮蔽作用的關(guān)鍵因素。董炳燕[23]的研究表明，隨著障礙物距離的增加，其阻擋作用逐漸減小，研究結(jié)果為發(fā)生泄漏火災(zāi)事故處置及應(yīng)急設(shè)施設(shè)計(jì)提供參考。周寧[24]通過(guò)管廊噴射火實(shí)驗(yàn)，分析了管道噴射火對(duì)臨近管道的熱輻射危害，建立了管道失效評(píng)估模型。

綜上所述，多數(shù)學(xué)者的研究聚焦于低壓氣體泄漏燃燒，對(duì)于高壓天然氣管道的噴射火研究不夠全面；小孔泄漏是長(zhǎng)輸天然氣管道中最常見(jiàn)的泄漏類型，完全斷裂只存在于極端情況。因此，高壓長(zhǎng)輸管道小孔泄漏火災(zāi)研究具有重要的工程需求。本研究針對(duì)高壓長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏噴射火進(jìn)行數(shù)值模擬，探究泄漏孔徑、壓力、延遲點(diǎn)火時(shí)間等因素對(duì)噴射火焰長(zhǎng)度和水平傷害范圍的影響規(guī)律。

1 模型介紹

1.1 數(shù)學(xué)模型

(1)質(zhì)量方程

在燃燒反應(yīng)中，燃燒前參與反應(yīng)的物質(zhì)的組分總和與反應(yīng)后的各組分質(zhì)量相等。通過(guò)質(zhì)量守恒定律，得出以下公式：

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；t為泄漏時(shí)間，s；?為拉普拉斯算子；為泄漏氣體速度矢量，m/s。

(2)動(dòng)量方程

氣體泄漏的過(guò)程中，泄漏氣體本身的動(dòng)量會(huì)用來(lái)克服周圍大氣壓力、黏度和自身重力，根據(jù)動(dòng)量守恒定律得到以下公式：

式中，ρ為流體密度，kg/m3；ui、uj分別為混合氣體在x、y方向上的速度，m/s；gi為y方向上的重力加速度，m/s2；τij為黏度應(yīng)變張量，Pa；p為氣體的平均壓力，Pa。

(3)能量方程

能量不會(huì)無(wú)故地增加和減少，只能在不同的狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，或是轉(zhuǎn)移到其他的物體上，在這過(guò)程中能量的總數(shù)并不會(huì)被消耗。根據(jù)能量守恒定律得出能量方程如下：

式中，ρ為流體密度，kg/m3；p為流體壓力，Pa；U為流體流動(dòng)速度，m/s；E為單位質(zhì)量總能，J/kg；K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，kW/(m·K)；τij為應(yīng)力張量，Pa；Sh為能量方程源項(xiàng)，J。

(4)湍流模型

對(duì)高壓輸氣管道而言，氣體在泄漏孔處擴(kuò)散迅速，將輸氣管道泄漏視為多組分氣體湍流。相較于其他湍流模型，Realizable k-ε能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)平面周圍的氣流和射流，在計(jì)算收斂方面也有改進(jìn)[25]。動(dòng)能方程和擴(kuò)散方程如下：

式中，ui為離散計(jì)算時(shí)網(wǎng)格I方向上的速度，m/s；xi、xj分別為離散計(jì)算中網(wǎng)格I和J的方向；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能，J；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能，J；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；σk、σε分別對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)k和ε；C2, C1ε, C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這些參數(shù)是通過(guò)典型流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的擬合結(jié)果和計(jì)算得到的；Sk、Sε為自定義數(shù)據(jù)。

μt為渦流黏度，表達(dá)式如下：

式中，C0為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常為0.09；k為湍流能量，J；ε為湍流耗散率，其表達(dá)式如下：

式中，μ為運(yùn)動(dòng)黏度，Pa·s；u′t為離散計(jì)算網(wǎng)格I上的脈動(dòng)流；xk為x方向的湍流動(dòng)能，J。

(5)燃燒模型

管道泄漏燃燒屬于非預(yù)混燃燒，選用Non-Premixed Combustion模型可以快速模擬相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，在一定的程度上減少計(jì)算時(shí)間。

(6)熱輻射模型

熱輻射是噴射火的主要熱傳播方式，本文在進(jìn)行噴射火模擬過(guò)程中，選取P-1熱輻射模型進(jìn)行噴射火熱輻射的計(jì)算[26]。

1.2 泄漏量計(jì)算模型

天然氣泄漏量是影響管道噴射火的主要因素，由于長(zhǎng)輸管道兩站之間距離較大，短時(shí)間內(nèi)小孔泄漏速率變化不大，假設(shè)發(fā)生小孔泄漏時(shí)管內(nèi)壓力不變，泄漏口處泄漏速率保持不變。圖1為小孔泄漏模型。天然氣泄漏狀態(tài)與管內(nèi)壓力有關(guān)，當(dāng)管內(nèi)壓力和大氣壓滿足式(8)時(shí)，泄漏為音速流動(dòng)，泄漏量采用式(10)計(jì)算；當(dāng)管內(nèi)壓力和大氣壓滿足式(9)時(shí)，泄漏為亞音速流動(dòng)，泄漏量采用式(11)計(jì)算。

圖1 小孔泄漏模型Fig. 1 Orifice leakage model

式中，P0為環(huán)境壓力，Pa；P為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；γ為氣體絕熱指數(shù)。

式中，Q為氣體泄漏質(zhì)量流率，kg/s；Cd為氣體泄漏系數(shù)，圓孔取1；A為泄漏孔面積，m2；P為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；M為泄漏氣體的分子量；Rg為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為氣體溫度，K。

2 模型驗(yàn)證

通過(guò)英國(guó)學(xué)者Lowesmith[28]實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型的可靠性。實(shí)驗(yàn)中噴射口距離地面3.25 m，噴射口水平放置并與風(fēng)向相同。氣體噴出后立即點(diǎn)燃，噴射壓力保持在6.15 MPa，燃燒持續(xù)時(shí)間為60 s。

Lowesmith實(shí)驗(yàn)的噴射火焰與通過(guò)數(shù)值模擬生成的噴射火焰分別如圖2和圖3所示，選取1200 K[28]以上的區(qū)域近似認(rèn)為是噴射火區(qū)域。在泄漏點(diǎn)附近，由于天然氣濃度較高，噴射速度較大，參與燃燒的天然氣非常少，形成了一段肉眼不可見(jiàn)的火焰，模擬結(jié)果中噴射口附近溫度也較低，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。因?yàn)樘烊粴饷芏鹊陀诳諝饷芏?，在浮力作用下向上移?dòng)，火焰前端向上偏移。Lowesmith實(shí)驗(yàn)中火焰水平長(zhǎng)度為37.8±2.9 m，數(shù)值模擬中燃燒穩(wěn)定后火焰長(zhǎng)度約為42 m，誤差為3.2%?？傮w而言，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有較好的一致性。

圖2 Lowesmith實(shí)驗(yàn)噴射火焰Fig. 2 Jet flame in Lowesmith’s experiment

圖3 數(shù)值模擬噴射火焰Fig. 3 Jet flame in simulation

3 結(jié)果與討論

通過(guò)數(shù)值模擬研究泄漏壓力、泄漏孔徑和延遲點(diǎn)火時(shí)間對(duì)管道泄漏噴射火的影響，具體工況如表1所示。分析研究工況中噴射火焰長(zhǎng)度和傷害范圍的變化，其中火焰長(zhǎng)度是指從泄漏口到連續(xù)火焰前端的長(zhǎng)度，熱輻射傷害準(zhǔn)則參考表2[29]，以熱通量4 kW/m2作為熱輻射導(dǎo)致輕傷的評(píng)判依據(jù)，以37.5 kW/m2作為熱輻射導(dǎo)致死亡的評(píng)判依據(jù)。

表1 研究工況Table 1 simulated condition

表2 熱輻射傷害準(zhǔn)則Table 2 Thermal radiation injury criteria

3.1 泄漏壓力對(duì)噴射火的影響

圖4表示不同泄漏壓力下噴射火的形狀變化。點(diǎn)火初期火焰前端會(huì)形成球形火焰，在向上發(fā)展的過(guò)程中與噴射區(qū)域的連接逐漸變?nèi)?，直至脫離噴射區(qū)域。隨后由于沒(méi)有燃燒物的供給而逐漸減弱直至消失。從氣體點(diǎn)燃至火焰達(dá)到穩(wěn)定階段，噴射火焰會(huì)經(jīng)歷不穩(wěn)定階段，且隨著壓力的增大，泄漏口附近的火焰不穩(wěn)定性越明顯。這是因?yàn)樾孤毫υ黾?，泄漏口與外界壓差變大，擾動(dòng)增強(qiáng)，湍流增大，從而導(dǎo)致火焰脈動(dòng)明顯。隨著時(shí)間的延續(xù)，燃燒趨于平穩(wěn)，火焰形狀逐漸趨于穩(wěn)定。泄漏壓力越大，所形成的噴射火輪廓越明顯。

圖4 不同泄漏壓力下火焰變化Fig. 4 Change of flame shape under different leakage pressure

此外，由于泄漏口處天然氣速度較快，與空氣混合不夠充分，氧氣供應(yīng)不足，泄漏孔附近的天然氣無(wú)法充分燃燒，因此泄漏口附近溫度較低。隨著泄漏氣體向高空擴(kuò)散，動(dòng)能在擴(kuò)散過(guò)程中不斷耗散，速度降低，天然氣與空氣充分混合，處于富氧燃燒或化學(xué)當(dāng)量比附近。此時(shí)天然氣完全燃燒，生成足夠多的熱量，溫度升高。

不同泄漏壓力下火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖5。由圖可見(jiàn)，火焰長(zhǎng)度隨著壓力的增大而增加，在0.5 s時(shí)，不同壓力下火焰長(zhǎng)度分別為14.04 m、20.6 m、27 m、28.06 m、40.17 m。這主要是因?yàn)樵谛孤┛讖揭恢钡那疤嵯?，泄漏壓力的增加引起單位時(shí)間內(nèi)天然氣流量和動(dòng)能的增大，從而導(dǎo)致燃燒物增加和噴射距離增大；此外由于壓力的增加會(huì)加強(qiáng)卷吸作用，使得更多的空氣參與反應(yīng)而加速燃燒，火焰高度升高。可以看出，噴射火焰在達(dá)到穩(wěn)定前首先經(jīng)歷一個(gè)快速上升的階段，然后發(fā)生波動(dòng)并逐漸下降，最終趨于穩(wěn)定。噴射火焰長(zhǎng)度與管道壓力呈正相關(guān)，但是隨著壓力的增加，其增加的幅度越來(lái)越小。

圖5 不同泄漏壓力下火焰長(zhǎng)度變化Fig. 5 Flame length under different leakage pressure

圖6為噴射火焰長(zhǎng)度隨泄漏壓力的擬合曲線，擬合公式見(jiàn)式(12)，擬合度為0.9928。

圖6 火焰長(zhǎng)度與泄漏壓力之間的關(guān)系Fig. 6 Relationship between flame length and leakage pressure

式中，F(xiàn)L為噴射火焰長(zhǎng)度，m；P為泄漏壓力，MPa。

選取泄漏壓力為2 MPa、泄漏孔徑為40 mm工況進(jìn)行噴射火傷害范圍分析。圖7為不同時(shí)刻傷害范圍的變化。在燃燒初期，傷害范圍類似于半球狀向周圍擴(kuò)散，其中輕傷范圍最大，隨著時(shí)間的延續(xù)，輻射范圍逐漸向四周蔓延，傷害范圍越來(lái)越大。其他工況下傷害范圍有所變化，但擴(kuò)散規(guī)律與2 MPa工況類似，此處不再贅述。

圖7 泄漏壓力為2 MPa時(shí)熱輻射傷害范圍Fig. 7 Thermal radiation hazard when leakage pressure is 2 MPa

本文主要研究在水平方向的危害半徑，不考慮其在豎直方向的危害范圍。圖8為水平傷害范圍隨泄漏壓力的變化趨勢(shì)。泄漏壓力為2 MPa時(shí)，傷害半徑和死亡半徑分別為220 m和81 m，隨著壓力的增大，參與反應(yīng)的氣體量增加，產(chǎn)生的熱量增加，管道噴射火熱輻射傷害半徑隨之增大，增加幅度逐漸減小。當(dāng)泄漏壓力達(dá)到10 MPa時(shí)，輕傷半徑和死亡半徑分別為2 MPa時(shí)的1.55倍和1.72倍。

圖8 熱輻射危害距離隨泄漏壓力的變化Fig. 8 Change of thermal radiation hazard distance with leakage pressure

3.2 泄漏孔徑的影響

不同泄漏孔徑下噴射火形狀見(jiàn)圖9。在同一泄漏壓力下(8 MPa)，泄漏孔徑的增加雖然不會(huì)引起泄漏氣體動(dòng)能的顯著增加，但是會(huì)引起泄漏量的明顯增加。大量的高壓氣體瞬間膨脹擴(kuò)散，導(dǎo)致噴射火焰長(zhǎng)度和橫向擴(kuò)散明顯增大。點(diǎn)燃發(fā)生0.5 s時(shí)，20 mm泄漏孔徑產(chǎn)生的火焰長(zhǎng)度只有7.6 m，泄漏孔徑為100 mm時(shí)的噴射火焰長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到了64.2 m。隨著燃燒的進(jìn)行，火焰在豎直和橫向范圍內(nèi)迅速發(fā)展。泄漏孔徑大的噴射火在水平范圍內(nèi)的分布更為廣泛，進(jìn)而導(dǎo)致危害范圍更大。燃燒發(fā)生15 s時(shí)，不同泄漏孔徑下火焰的橫向范圍分別為36 m、73 m、94 m、105 m、123 m。

圖9 不同泄漏孔徑的火焰變化Fig. 9 Change of flame shape under different leakage diameter

不同泄漏孔徑的噴射火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化如圖10所示。由圖可知，燃燒前期，在初始點(diǎn)火能量的作用下，噴射火焰長(zhǎng)度隨著燃燒的進(jìn)行呈線性增加。當(dāng)達(dá)到一定值后由于熱量的擴(kuò)散和供給不足會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的不穩(wěn)定狀態(tài)，直到擴(kuò)散的熱量和噴射火燃燒產(chǎn)生的熱量達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài)，火焰長(zhǎng)度也逐漸趨于穩(wěn)定。總體而言，火焰長(zhǎng)度的變化經(jīng)歷了線性增長(zhǎng)、波動(dòng)、平穩(wěn)3個(gè)階段。

圖10 不同泄漏孔徑下火焰長(zhǎng)度變化Fig. 10 Flame length under different leakage diameter

圖11為噴射火焰長(zhǎng)度隨泄漏孔徑的擬合曲線，擬合公式見(jiàn)式(13)，擬合度為0.9989。本公式適用于計(jì)算小孔泄漏的管道噴射火焰長(zhǎng)度。

圖11 火焰長(zhǎng)度與泄漏孔徑的關(guān)系Fig. 11 Relationship between flame length and leakage diameter

式中，F(xiàn)L為噴射火焰長(zhǎng)度，m；D為泄漏孔徑，mm。

圖12為傷害范圍隨泄漏孔徑的變化趨勢(shì)。隨著泄漏孔徑的增加，泄漏的氣體量呈指數(shù)增長(zhǎng)，大量氣體參與燃燒反應(yīng)，輕傷半徑和死亡半徑也越來(lái)越大。從圖中看出，泄漏孔徑為20 mm時(shí)，噴射火熱輻射輕傷半徑和死亡半徑分別為230 m和86 m；當(dāng)泄漏孔徑增加至100 mm時(shí)，輕傷半徑為467 m，死亡半徑為265 m，分別是泄漏孔徑為20 mm時(shí)的2.03倍和3.08倍。

圖12 熱輻射危害距離隨泄漏孔徑的變化Fig. 12 Change of thermal radiation hazard distance with leakage diameter

3.3 點(diǎn)火時(shí)間的影響

圖13表示不同延遲點(diǎn)火時(shí)間下火焰的變化。與泄漏后立即點(diǎn)燃相比，延遲點(diǎn)火發(fā)生前，會(huì)有大量氣體從管道泄漏出來(lái)，并與周圍空氣充分混合，在泄漏口周圍形成大量可燃?xì)庠?，延遲點(diǎn)火時(shí)間越長(zhǎng)，形成的可燃?xì)庠品秶酱蟆Ｔ邳c(diǎn)燃的瞬間，可燃?xì)庠瓢l(fā)生閃燃現(xiàn)象，火焰瞬間擴(kuò)散至整個(gè)可燃?xì)庠疲虼嗽邳c(diǎn)火初期，延遲點(diǎn)火的火焰長(zhǎng)度明顯高于立即點(diǎn)火的火焰長(zhǎng)度。延遲點(diǎn)火時(shí)間越久，點(diǎn)火初期火焰長(zhǎng)度越大，水平范圍內(nèi)的火焰分布越廣泛，火焰前端半球形火焰越不明顯。隨著可燃?xì)庠频娜急M，燃燒逐漸穩(wěn)定，最終形成的穩(wěn)定噴射火焰長(zhǎng)度和形狀與立即點(diǎn)火工況差別不大。

圖13 不同延遲點(diǎn)火時(shí)間下火焰變化Fig. 13 Change of flame shape under different ignition delay time

不同延遲點(diǎn)火工況下火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖14，從可燃?xì)庠泣c(diǎn)燃至火焰達(dá)到穩(wěn)定階段，火焰長(zhǎng)度隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加而增加，并且在達(dá)到穩(wěn)定前，火焰長(zhǎng)度存在明顯的波動(dòng)情況。延遲點(diǎn)火時(shí)間越長(zhǎng)，火焰達(dá)到穩(wěn)定所耗費(fèi)的時(shí)間越久。

圖14 不同延遲點(diǎn)火時(shí)間下火焰長(zhǎng)度變化Fig. 14 Flame length under different ignition delay time

圖15為不同延遲點(diǎn)火時(shí)間下燃燒發(fā)生0.5 s后的熱輻射傷害范圍。由于泄漏擴(kuò)散作用的影響，延遲點(diǎn)火工況在點(diǎn)火初期的傷害范圍較大，不同點(diǎn)火時(shí)間下的死亡半徑為0 m、47 m、53 m、64 m、80 m，輕傷半徑為63 m、168 m、194 m、203 m、230 m。隨著燃燒的繼續(xù)，點(diǎn)火發(fā)生前擴(kuò)散氣體產(chǎn)生的影響逐漸降低，傷害范圍達(dá)到最大值。隨著熱量不斷向四周擴(kuò)散，噴射火逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，傷害范圍也逐漸降低并趨于穩(wěn)定。隨著延遲點(diǎn)火時(shí)間的增加，泄漏氣體點(diǎn)燃時(shí)的傷害范圍逐漸增大。當(dāng)燃燒達(dá)到穩(wěn)定后，延遲點(diǎn)火產(chǎn)生的傷害范圍與泄漏后立即點(diǎn)火基本一致。

圖15 不同延遲點(diǎn)火條件下點(diǎn)火初期傷害范圍Fig. 15 Initial ignition damage range under different ignition delay time

4 結(jié)論

(1)根據(jù)氣體燃燒學(xué)和流體力學(xué)基本理論，對(duì)高壓天然氣管道泄漏噴射火進(jìn)行了模擬分析，研究了泄漏孔徑、泄漏壓力和延遲點(diǎn)火時(shí)間等因素對(duì)噴射火焰長(zhǎng)度和傷害范圍的影響。

(2)高壓天然氣管道泄漏發(fā)生噴射火燃燒時(shí)，在火焰前端首先會(huì)形成球形火焰，逐漸發(fā)展為穩(wěn)定的噴射火焰；由于湍動(dòng)能的作用，火焰長(zhǎng)度會(huì)經(jīng)歷上升、波動(dòng)等過(guò)程，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)火焰長(zhǎng)度與泄漏壓力和泄漏孔徑呈正相關(guān)，隨著二者的增加，火焰長(zhǎng)度逐漸增大，其增長(zhǎng)幅度越來(lái)越小，其中泄漏孔徑對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響高于泄漏壓力；當(dāng)泄漏壓力從2 MPa增加到10 MPa時(shí)，火焰長(zhǎng)度由101 m增加到了210 m，泄漏孔徑由20 mm增加到100 mm時(shí)，火焰長(zhǎng)度由84 m增加至338 m；延遲點(diǎn)火時(shí)間主要影響點(diǎn)火初期的火焰長(zhǎng)度，對(duì)穩(wěn)定后的火焰長(zhǎng)度基本沒(méi)有影響。

(4)傷害范圍隨著泄漏壓力和泄漏孔徑的增大而增加，其中泄漏孔徑的影響大于泄漏壓力，當(dāng)壓力和泄漏孔徑分別增大到原來(lái)的5倍時(shí)，熱輻射半徑分別增大至1.55倍和2.03倍，死亡半徑分別增大至1.72倍和3.08倍；在燃燒初期，傷害范圍隨著延遲點(diǎn)火時(shí)間的增加而增大，燃燒穩(wěn)定后，傷害范圍會(huì)逐漸降低并趨于穩(wěn)定。該結(jié)果可為安全距離計(jì)算、周圍設(shè)施布局和消防救援設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。