垂直支管位置对等径三通管内爆炸气流及流场的影响分析_毕海普.pdf

19 马秋菊，邵俊程，万孟赛，等 点火位置对容器外部二次爆炸影响研究J 中国安全科学学报，2021，31(9):90 98.MA Q J，SHAO J C，WAN M S，et al Impacts of ignitionposition on secondary explosion outside vessels J ChinaSafety Science Journal，2021，31(9):90 98.Effect of different types of obstacles onventing dynamics of methane/airpremixed gasCHEN Xian-feng，ZHANG Chun-cheng，LI Yi，XU Chuang，ZHI Xue-ke(School of Safety Science and Emergency Management，WuhanUniversity of Technology，Wuhan 430070，China)Abstract:The venting process of methane/air in the pipe withrigidandmembraneobstaclesisexperimentallystudiedExperiments are performed in the self-built connection vesselwith a 20 L spherical vessel Two circular pipes have a lengthand inside diameter of 2 m and 60 mm respectively The ventedduct has an internal size of 500 mm 60 mm 60 mm Theexperimental variables are the blocking rate of rigid obstacles andthe thickness of membrane obstacles to study the influence ofrigid/membrane obstacles on methane/air explosion venting Thedata acquisition instruments such as pressure sensors and high-speed cameras are used to capture the pressure changes andflame propagation process in the experiment The results showthat in the spherical container，due to the hindrance function ofobstacles on airflow，with the increase of the blocking ratio andthickness，the peak overpressure and the maximum pressurerising rate increase accordingly At the end of the pipeline，thegreater the thickness of the membrane obstacle is，the strongerthe acceleration effect on the gas is after its rupture Therefore，the peak overpressure and maximum pressure rising rate are alsogreatly improved with the increase of the membrane obstaclethickness However，with the increase of the blocking ratio ofrigid obstacles，the peak overpressure and the maximum boostrate first increase and then decrease This phenomenon is closelyrelated to the acceleration/obstruction effect of rigid obstacles onairflow After setting rigid/membrane obstacles，thesecondaryexplosionoccurs in the explosion venting pipe The differenceis that the intensity of secondary explosion increases withincreasing membrane obstacles thickness，and increases first andthen decreases with increasing rigid obstacles blocking ratioUnder the condition of membrane obstacles，after the uneven gasbody is ignited by the jet flame，the flame propagation velocity isdifferent at different positions，so the flame appears to breakKey words:safety engineering;explosion overpressure;rigidobstacle;membrane obstacle;secondary explosion;venting文章编号:1009-6094(2023)04-1107-08垂直支管位置对等径三通管内爆炸气流及流场的影响分析*毕海普1，王开民1，郭凯月1，2，邵辉1(1 常州大学环境与安全工程学院，江苏常州 213164;2 中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116)摘要:三通管支管位置变化影响管内爆炸气流分布及爆炸后果，为研究其影响规律，构建等径垂直支管三通管道模型，通过数值模拟和试验测试，计算和分析爆炸气流传播、流场变化、速度峰值及压力峰值规律。结果表明:在垂直支管 B与水平支管 C 长度相同的工况下，C 内的速度峰值整体大于B，两支管内的最大气流速度峰值均出现在分岔处，为 228m/s，比 A 管小 26.7%;初次点火正向气流传播和末端反射的正向传播气流均会导致三通处流场气流旋涡、强湍流动能区域和速度峰值;支管位置不同工况下，三通管内气流速度峰值最大值均出现在水平管内;垂直支管内气流速度峰值随监测点距离增加均呈下降趋势，垂直支管内速度峰值与压力峰值呈现明显的反比关系。关键词:安全工程;爆炸气流;气流速度;三通管;数值模拟中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.2098*收稿日期:2021 11 23作者简介:毕海普，副教授，博士，从事火灾爆炸风险分析和 安 全 信 息 化 技 术 研 究，bihaipu cczuedu cn。基金项目:常州市重点研发计划项目(CE20205051);江苏省科技副总项目(FZ20211438)0引言爆炸气流是一种高温高速气流，速度可达每秒数十米甚至数百米。高速气流会产生很高的动压，动压与统计压力处于同一数量级，甚至高于管口端的统计压力。与爆破压力的影响相比，高速气流的破坏可以持续更长的时间1 2。而基于管型的爆炸气流变化及流场分布是三通管中爆炸火焰传播、压力动态变化等的基础核心因素，因此爆炸气流传播规律的研究对爆炸风险防控及管道优化布局具有重要意义。国内外专家学者们对管道内预混可燃气爆炸气流速度及流场的变化特性进行了一定研究，主要包含速度及其与火焰传播、湍流、压力等的耦合关系。2001 年，Gamezo 等3 使用动态自适应计算网格对低压乙烯 空气预混气进行爆炸模拟，首次针对7011第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023流动中的火焰、冲击波、边界层和涡流问题开展了系统研究。2005 年，翟成等4 对分支管路内预混气爆炸气流及火焰传播规律进行了研究，通过试验得出分岔处诱导气流扰动使火焰加速，为后续研究奠定了基础。Yan 等5 分析了连接容器内预混气爆炸火焰温度和气流速度的变化，发现连接容器内的气流速度峰值更高。Qin 等6 研究了管内多障碍物下火焰传播与气流速度之间的关系，研究发现管道内的流场与火焰结构耦合，相互形成正反馈机制，障碍物越多，气流速度峰值越高。Zhang 等7 进一步结合湍流强度的研究发现，随气流速度增加，管道中心与管壁之间的湍流强度差异逐渐增大，火焰传播行为在不同的气流速度下呈现不同的类型。周宁等8 研究了管道结构对爆炸气流的影响，发现分岔处的气团脉动速度与湍流燃烧速率不断增大，火焰阵面在结构突变处褶皱变形较明显，且出现大尺度强湍流和涡团。李蒙等9 指出，在半开口管道工况下，由于泄流现象及开口处扰动，气流速度增大，湍流扰动增强，进而导致管外火焰翻转拉伸形成蘑菇云状。祝钊10 通过数值模拟，发现管道直径、管道结构和管道长度均对爆炸流场特征有较大影响。Li 等11 通过试验发现，随着三通支管数量的增加，气流速度的增大使得管内压力上升速率也明显增加;而管内气体高速波与高压波部分重叠，高速波后方气体速度显著减小，越靠近出口降低越快。董冰岩等12 在柱形连通器内模拟了不同点火位置及火焰传播方向的气体爆炸，不同时刻的速度场显示，正反气流的流动导致了压力波动及火焰变形。温小萍等13 试验了不同体积分数氢气在置障管内的爆炸，指出随着氢气体积分数升高，火焰与湍流的耦合加快。目前国内外对分支管道内可燃预混气爆炸的研究尚无支管位置变化对流场分布规律的系统成果发表。鉴于此，本文通过构建三通管不同支管位置模型，数值模拟管内气体爆炸，分析其爆炸气流速度及流场变化，探究爆炸气流的传播与分布规律。1气体爆炸管道模型建立1.1模型构建数值模拟采用计算流体力学软件 FLACS 中的气体爆炸模块，数学模型所包括的基本方程有质量、动量方程及能量三大守恒方程、燃料组分方程和混合物组分方程，将各方程耦合，见式(1)14。t()+xi(ui)=xieffx()i+S(1)式中t 表示时间坐标;为密度，kg/m3;为通用变量;S为能量源项;eff为有效黏性;为普朗特常数;x 为空间坐标(i=1，2，3)，m;ui为 xi方向的速度分量，m/s。对于湍流模型，通过对标准 方程的修正，采用有限体积法在三维笛卡尔网格下求解可压缩的N S 方程，湍动能的耗散输运方程见式(2)和(3)15。t()+xi(ui)=xieffkx()i+G (2)t()+xi(ui)=xieffx()i+C1G C22(3)式中 为湍流动能，m2/s2;为湍流动能耗散率，m2/s3;C1、C2、为模型常数，分别取值 1.44、1.92、1.3、1.0;G 为湍动能的产生项。预混气体的燃烧过程采用耦合复杂化学反应的涡耗散概念(Eddy-Dissipation-Concept，EDC)燃烧模型计算，其反应速率表达式16 为i=2*(Y0i Y*i)(4)式中i为反应速率;为细微结构中反应物的质量分数;为细微结构反应分数，=1;*为细微结构的特征时间尺度;Yi0为反应器外组分 i 的质量分数;Yi*是密度加权的组分质量分数。使用光学薄气体体积辐射热损失模型，高度简化处理辐射热损失，通过该模型计算燃烧气体的辐射热损失17 18。结