油气管道中可燃气体爆炸特性的数值模拟.pdf

2 0 0 8钲 第 5期 麓 技 术 Pi p e l i ne Te c h n i q ue 5 设 各 a n d Eq ui p me nt 2 0 0 8 No ． 5 油气 管道 中可燃气体爆炸特性的数值模拟 张峥 ， 陈思维 ， 杜杨 中国人民解放军后勤工程学院， 重庆4 0 0 0 1 6 摘要 以R N G k s湍流模型及 E B U A r r e h n i u s 燃烧模型为基础， 建立了可燃气体单步化学反应湍流爆炸模型， 以有限 体积法求解爆炸流动及反应控制 方程 ， 从 而对二 维油气管道 中可燃 气体爆 炸的过程 及规律进 行 了数值 模拟 ， 模拟 结果 与 实验数据有着较好的一致性。所做的工作为油气管道受限空间中可燃气体爆炸特性及规律的进一步研究及工业防爆抑 爆技术的工艺实施、 系统设计和关键参数计算提供理论依据。 关键词 油气管道； 可燃气体； 爆炸特性； 数值模拟 中图分类号 T K 1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 50 0 0 1一o 2 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Ex p l o s i v e Ch a r a c t e r i s t i c s o f F l a mma b l e Ga s i n Oi l Ga s Pi p e l i n e Z HANG Z h e n g ， CHE N S i we i ， DU Ya n g L o g i s t i c E n g i n e e r i n g I n s ti t u ti o n ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e t u r b u l e n t c o mb u s t i o n mo d e l o f e x p l o s i o n i n c l o s e d p r e s s u r e p i p e s i s p r e s e n t e d o n t h e b a s i s o f a s i n g l e - s t e p c h e mi c a l r e a c t i o n ． T h e R N G r e n o r m a l i z a t i o n g r o u p 一 8 m o d e l i s a d o p t e d ． A c c o r d i n g t o t h e h i g h r a t e o f r e a c t i o n a n d t h e t u r b u l e n c e p h e n o me n a ， t h e E B U e d d y b r o k e n u p - A r r e h n i u s c o m b u s t i o n mo d e l i s a p p l i e d ． T h e g o v e r n i n g e q u a t i o n s o f fl o w a n d t h e r e a c t i o n e - q u a t i o n s a r e s o l v e d s i m u l t a n e o u s l y w i t h t h e f i n i t e v o l u me m e t h o d F V M ． E x p l o s i v e c h a r a c t e ri s t i c s a n d r u l e s i n a t w o d i m e n s i o n a l c l o s e d a n d r e s t r i c t e d s p a c e i s s t u d i e d t h r o u g h n u me ri c al s i mu l a t i o n ． T h e r e s u l t t h a t a g r e e s w i t h o u r e x p e ri me n t a l r e s u l t s l a y s a fou n d a t i o n f o r f u r t h e r s t u d i e s o f fla mma b l e g a s e x p l o s i o n p r o c e s s e s a n d t h e p r e v e n t i o n o f e x p l o s i o n d i s a s t e r s ． Ke y wo r d s Oi l g a s p i p e l i n e； fl a mmab l e g a s ；e x p l o s i v e c h ara c t e r i s t i c s ； n u me r i c al s i mu l a t i o n 0引言 油气及化工生产中的重大安全事故一般都伴随着可燃气 体爆炸， 输油气管道是油气生产中的重要设备， 由于它们具有 圆长的受限密闭空间特性 ， 发生 在其 中的局部燃烧 爆炸会 在其 内加速传播， 而很快演变为爆炸的最高形式爆轰” 。J ， 从 而造成巨大的危害。因此， 研究管道 中的可燃气体防爆抑爆技 术具有特殊意义。 可燃气体爆炸的主要研究方法有数值模拟及实验研究， 鉴 于爆炸实验研究的高危险性及人力物力的高投入性， 将通过建 立受限空间中可燃气体的二维湍流爆炸数学物理模型， 对爆炸 的规律及特性进行深入数值模拟研究， 为油气管道中可燃气体 爆炸特性及规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术的工艺实 施、 系统设计和关键参数计算提供理论依据。 1 数 学模 型及 数值 方法 基于实验研究和分析， 管道中的可燃气体爆炸是典型的湍 流爆炸， 其本质是一种带压力波的高湍流度、 高反应速率的燃 烧 过程 。 爆炸过程不仅存在一般湍流燃烧的影响因素， 还有爆炸过 程所特有的高反应速率特性以及压力波的传播、 压力波与火焰 的正反馈机制。因此 ， 将建立管道中可燃气体爆炸过程的湍流 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 6 7 6 1 0 6 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 0 3 收修改稿 日期 2 0 0 80 43 0 爆炸理论分析模型。鉴于湍流爆炸模型的复杂性 ， 将该模型分 为描述流场流动的湍流模型和基于该湍流流场的爆炸燃烧模 型进 行研究 。 采用 基于总能方程 的 R N G k s湍 流模 型模 拟爆 炸过程 中的 湍流流动； 对于爆炸过程 中复杂 的燃烧 化学反应则采用 了 E B U A r r e h n i u s 湍流燃烧模型进行描述。 1 ． 1 可燃气体爆炸流场湍流模型的建立 兼顾湍流模拟精度和计算量， 采用两方程湍流模型为流场 湍流模型。由于 R N G k s模型具有严格统计分析得到的系数和 有效黏度的微分格式的特点， 使其在广泛的流动范围内比标准 一s模型精确， 并且 R N G k s模型在快速应变流的计算中也具有 一 致认可的良好精度 ， 因此， 以R N G k 一 8模型作为爆炸流场的 湍流模型 。 同时， 理论研究表明 气体爆炸流场是高马赫数、 高压力梯 度的流场。一般湍流模型的能量控制方程都基于低马赫数 、 低 压力梯度的工况， 利用总焓作为能量的度量， 往往忽略气体动 能的变化及压力梯度的影响， 得到的能量方程并不能较好地反 映湍流爆炸流场的能量分布 ， 故对爆炸流场的模拟不是十分适 用。而采用总能形式的能量方程能较好地描述高速流动， 而且 在求解时可以利用矢通分裂方法提高压力计算的精度 ， 因此， 1 采用总能 E e u 作为能量的度量。 二 基于总能的 R N G k 一 8模型控制方程如下 望 兰 竺 墨 旦 鲁 。 设 为 不 同 的 值 。 音 p [ r ] 杀 p 熹 D 护 c3x 一 j 景 未【 “ p E p ] 蠹 [ u r ] 熹 【 k oz 磬 ∑ 训 啬 毒 砉 差 G 一 一 告 未 p “ Is 毒 [ 舞 ] c G _ c 2 p } 方程中所有系数的具体含义参见文献[ 4 ] 。 1 ． 2 可燃气体湍流爆炸燃烧模型的建立 以 C H 为爆炸介质 ， 其爆炸过程中的单步化学反应 为 C H 4 O 2 C O 2 2 H 2 O Q 式中 Q为反应释放的能量， Q 8 8 0 k J ／ m o 1 ． 由于 E B U A r r e h n i u s 燃烧模型与 一 s湍流模型相结合计算 燃烧流场具有计算量小、 易于操作的优点， 同时， 该模型强调了 湍流脉动对燃烧反应速率的控制作用， 反映了流动对燃烧的影 响， 模拟爆炸具有较好的适用性及较高的精度。因此， 采用 了 E B U A r r e h n i u s 燃烧模型计算爆炸燃烧过程。 模型方程为 mi n A ， 0 3 t 式 中 c c J 为基于 一 s湍 流模 型计算 的湍 流化 学反应 速率 ， C E B U p ； c E B U 为反应常数； g为燃料质量分数脉动的均方 值， g～ mi n Y ， ； Y 。 、 分别表示燃料浓度、 氧化剂浓度； 为基于 A r r e h n i u s 公式计算的平均化学反应速率， 4 o 2 y 2 E 、 P卜 。 1 ． 3 物理模型 模拟油气管道空间为二维封闭空间， 其直径为 2 5 0 m m， 长 度为 1 0 m， 整个空间内充满了甲烷 一 空气的混合物。在管道封 闭端有一高温启爆源 ， 以直接诱导爆炸 ， 其长度 为 0 ． 0 5 n 1 ． 采用与 ， Y坐标平行的正交网格对整个计算域进行网格 划分。 1 ． 3 ． 1 边界条件 壁面采用无滑移、 无传热的边界条件。采用壁面函数法补 充壁面区域的流动条件。由于非平衡壁面函数法考虑了压力 梯度的影响和边界区域 k和e的产生与消耗， 在有压力梯度存 在的流场模拟中仍能得出正确的模拟结果。因此 ， 采用非平衡 壁 面函数法处理 壁面边界条件。 1 ． 3 ． 2 初始条件 启爆源 2 0 0 0 K， 高温火源诱 导爆炸 ； 其他 区域 P 。 0 ， 3 0 0 K， 其中压力为 l 标准大气压 1 0 1 ． 3 2 5 k P a ， 惰化区的 采用有限体积法 F V M 求解所建立的理论模型 ， 各控制方 程 中 勺 黏性通量的处理直 接利用 中心差分格式 1 1 1 机 ’r o ，中心差分格式离散黏通量可 以使黏通量的计算保持二阶精度。 无黏通量的处理较为复杂， 利用矢通分裂法 进行处理 F F 一 专 - ， I A I Q 一 Q J A} MI A J 肘 2 数值模拟结果分析 数值模拟结果与文献[ 6 ] 的实验结果对比分析如表 1及图 1所示， 两者具有较好的一致性， 说明采用的数值模型及数值方 法是合理的。 图 1 C H 体积分数为 9 ． 7 ％时受 限空间 6 m 处压力变化 曲线 当C H 体积分数为 9 ． 7 ％时， 爆炸强度最大。图2 显示了 在该浓度下受限空间中 6 i n处的压力 波形 。由图 1可见 ， 爆 炸 发展过程中的多压力峰值特征十分明显， 爆炸波传播速度很 快 ， 在 0 ． 4 2 s 时便达到 了最大值 0 ． 6 5 M P a ， 如此大的压力 ， 将 在 工程上造成巨大的破坏。 表 1 数值模拟结果与实验结果的比较 图2显示了 C H 体积分数为9 ． 7 ％、 爆炸发生 0 ． 3 5 s 时受 限空 间中的湍流结构及火焰形状 。由于压力波 的影响 ， 火焰变 形很大， 非平面特性十分明显， 呈⋯ 3 ’ 形 ， 从而更多的可燃气体 在火焰面附近燃烧， 能量释放很大。由湍动能及湍能耗散率的 分布可见， 爆炸波增大了湍流强度， 在火焰面前后， 速度梯度很 一， 一 一⋯一、 一 ‘■■ i●一～一一一一 圣 耋 蠹 蠹 羹翼 釜 蠹 主磊 c 速度矢量分布 b J湍动能分布 Ⅲ湍流耗散率分布 图 2 CI -I 4 体 积分数为 9 ． 7 ％时爆炸流场结构 下转第5页 第 5期 王兵等 天然气消费量的灰色模型预测 5 5 个数据建立 G M 1 ， 1 模型， 用 1 9 9 7年到 2 0 0 0年的 4个残差 数据建立残差 G M 1 ， 1 模型， 用综合的修正模型预测 2 0 0 1年 的消费量； 然后用2 0 0 1年的这个预测数据加上 1 9 9 7年到 2 0 0 0 年的4个原始数据再建立等维 的 5维 G M 1 ， 1 模型和 4 维 G M 1 ， I 残差模型， 对 2 0 0 2年进行预测， 依次递推直到预 测出 5年后 ， 即2 0 0 5年的消费量为止。 所建 5个模型的后验差比值 C均小于 0 ． 3 5 ， 小误差概率 P 均等于 1 ， 模型精度均为“ 1级” 。预测年份实际天然气消费量 与预测计算结果见表 3 ， 可见预测精度相当好。 表3 实际天然气消费量与预测计算结果 3结 论 1 利用灰色理论建立了天然气消费量的预测模型， 包括 G M 1 ， 1 模型和动态等维灰数递补预测模型， 提出了模型精度 的检验方法 。 2 模型的建立解决 了天然气消费量可用历史数据较少 ， 序列的完整性及数据资料的可靠性较低 ， 规划设计中往往又需 要对未来数年后的用气负荷做出预测的问题 ， 对天然气输配管 网的优化运行和统一调度管理具有重要的参考意义。 3 实例计算中， 根据灰色预测小误差概率和后验差 比值 检验所建模型， 所有模型精度均为 1级， 说明所建立的动态等 维灰数递补灰色预测模型对天然气消费量的预测有较好的适 应性和较高的精度， 对预测天然气消费量有一定的实用价值。 4 灰色预测采用生成数列建模， 利用过去到现在的较少 数据， 即可对未来的数据进行预测。这说明了灰色理论在解决 少数据建模和利用微分方程来充分挖掘系统的本质方面所具 有的独特作用。但灰色理论不适用于系统发生转折变化时的 预测 。 参考文献 [ 1 ] 中华报告 网． 2 0 0 4～ 2 0 0 5年 中国天然气 行业研究 年度报 告 [ E B ／ O L] ． [ 2 0 0 71 22 0] ．h tt p ／ ／ w w w ． c c mn e t ． c o rn ／ B 7 ／2 0 0 5 0 4 ／ 8 0 0 7． a s p ． [ 2 ] 赵剑飞．“ 天然气 O P E C ” 萌芽 [ E B ／ O L ] ． [ 2 0 0 71 2 2 0 ] ． h t t p ／ ／ W W W ． m f z q ． C O rn． c n ／ B l o g ／ D i a r y ． a s p x D a t a S T i d 3 9 3 8 5 8． [ 3 ] 袁宗 明， 谢英 ， 梁光川． 城市配气． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4] 王效东 ， 黄坤． 天然气消费量的神经网络方法预 测． 天然气勘探 与 开发 ， 2 0 0 7， 3 0 3 7 0 7 2 ． [ 5] 王希勇 ， 张家彬 ， 袁宗 明． 城 市燃 气长 期负 荷预 测模 型 的灰色方 法． 管道技术与设备 ， 2 0 0 4 6 68 ． [ 6 ] 严铭卿， 廉乐明． 天然气输配工程． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 o 5． [ 7 ] 邓聚龙． 灰色理论基础． 武汉 华中科技大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 8 ] C H E N J Y ． D e s i g n o f a s t a b l e g r e y p r e d i c t io n c o n tr o l l e r f o r n o n l i n e a r s y s t e ms ． T h e J o u r n a l of G rey S y s t e m，1 9 9 6 ，8 4 3 8 13 9 6 ． [ 9 ] 汪玉春． 优化技术及其在储运工程中的应用． 成都 西南石油学 院 ， 2 0 0 5 ． 作 者简介 王兵 1 9 8 2 一 ， 硕士研 究生 ， 主要 从事 天然 气管道 输送工 艺 及管道运行方面的研究工作。 上接 第 2页 大， 湍流大大加快了质量及能量 的输运， 从而强化了燃烧爆炸 过程 。 图3显示了受限空间中爆炸波的振荡过程。由于爆炸波 的正向传播与壁面反射波的共同作用 ， 爆炸波产生振荡。由于 爆炸波的振荡促进了可燃气体与空气的混合， 从而改善 了爆炸 状况， 增加了爆炸的稳定性。但是， 高温高频的振荡压力波对 爆炸容器造成了极大的破坏。 图3 爆炸波的振荡特性 3 结束语 建立了油气管道受限空间中可燃气体爆炸的单步化学反 应湍流模型，以有限体积法对控制方程进行求解，以矢通分 裂法处理无黏通量 ，对受限油气管道空间中可燃气体的爆炸 进行了数值模拟研究，成功地描述 了爆炸波发生发展传播过 程及爆炸流场特征，并对爆炸的振荡进行了分析，所得的结 果与实验数据相比有着较高的一致性 ，为受限空间中气体防 爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供理论 依据。 参考文献 [ 1 ] C HA N C K． C o l l i s i o n o f a S h o c k Wa v e w i t h O b s t a c l e i n a C o m b u s t i b l e Mi x t u r e ． C o mb u s t i o n a n d F l a me ， 2 0 0 2 6 3 4 13 4 8 ． [ 2 ] 张莹． 大型油罐火灾爆炸危害性研究． 管道技术与设备， 2 0 0 7 3 3 3 3 5． [ 3 ] J O N E S D A ． N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f d e t o n a t i o n re i gni t i o n i n H 2 0 2 m i x t u r e s i n a r e a e x p a n s i o n s ． S h o c k Wa v e ， 2 0 0 0 1 0 3 3 4 1 ． [ 4] Y A K HO T V， O R S Z A G S A ．R e n o r ma l i z a t i o n g r o u p a n aly s i s t u r b u l e n c e ． J o u r n al o f S c i e n t i fi c C o mp u t i n g ，1 9 8 6 ， 1 1 35 ． [ 5 ] B A R T HT J ， J E S P E R S O ND C ． T h eD e s i gn andA p p l i c a ti o nofU p w i n d S c h e me s o n Un s t r u c t u red Me s h e s ． AI AA P a p e r ， 8 90 3 6 6。 J a n ． 1 9 8 9． [ 6 ] 张建华． 焦炉煤气在管道中的爆炸性及其火焰传播规律． 武汉理 工大学学报 ， 2 0 0 1 9 2 6～ 2 9 ． 作者简介 张峥 1 9 8 3 一 ， 硕士研究生 ， 从事数值模拟研究。