综合管廊内燃气爆炸荷载特性实验研究和数值模拟.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.022 综合管廊内燃气爆炸荷载特性 实验研究和数值模拟* 闫秋弟，张亚楠李述涛2,孙庆文3 1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点试验室，北京100124； 2.军事科学院国防工程研究院，北京100036； 3.中国建筑科学研究院有限公司国家建筑工程质量监督检验中心，北京100013 摘要我国综合管廊内燃气安全问题亟待研究和解决。为了研究管廊内燃气爆炸荷载特性，在0.11 mx 0.11 mx6 m的小尺才管道内进行甲烷-空气混合气体封闭爆炸实验，研究了在不同点火能量电极点火-2 J；化学点火-5 J下，甲烷浓度为7.5 -13.5的爆炸波的传播规律。结果表明燃气爆炸超压峰值随浓 度的增大先增加后减少，在浓度为10.5时超压峰值最高；点火能量提高时，超压峰值普遍提高。采用 SIMTEC数值分析软件对实验进行模拟，选用大涡湍流模型和修改的涡耗散概念燃烧模型能够很好的验证 管道内燃气爆炸最危险的情况甲烷-空气充分燃烧爆炸情况o 关键词综合管廊；超压；数值分析；甲烷爆炸 中图分类号TU352.13 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0140-07 Experimental Study and Numerical Simulation of Gas Explosion Load Characteristics in Utility Tunnel YAN Qiu-shi1, ZHANG Ya-nanl ,LI Shu-t ao2 ,SUN Qing-wen 1. Key La bo r a t o r y o f Ur ba n Sec u r it y a n d Disa st er En gin eer in g o f Min ist r y o f Ed u c a t io n, Beijin g Un iver sit y o f Tec hn o l o gy,Beijin g 100124,Chin a； 2. I n st it u t e o f Def en se En gin eer in g,AMS,PLA,Beijin g 100036,Chin a； 3. Chin a Ac a d emy o f Bu il d in g Resea r c h,Na t io n a l Cen t er o f Qu a l it y Su per visio n a n d Test o f Bu il d in g En gin eer in g,Beijin g 100013,Chin a Abstract It is urgent to study and solve the problem of gas safety in comprehensive pipe gallery. In order to ex plore the gas explosion load characteristics in the utility tunnel, the methane 一 air mixed gas enclosed explosion ex periment was conducted in a small size pipeline of 0. 11 m xO. 11 m x6 m. The propagation rule of explosive waves with methane concentration between 7. 5 and 13. 5 at different ignition energieselectrode ignition -2 J；chemi cal ignition-5 J was studied. The results showed that the overpressure peak of gas explosion increased first and then decreased with the increase of concentration reaching the peak value at 10. 5 . In addition, with the increase of ignition energy, the overpressure peak generally increased. SIMTEC numerical analysis software was used to simu late the experiment. Meanwhile, the Large Eddy Simulation and the modified Eddy Dissipation Concept model were a- dopted, which could well verify the most dangerous case of gas explosion in pipeline methane-air full combustion ex plosion . Key words utility tunnel ； overpressure ； numerical analysis ； methane explosion 第38卷第1期闫秋实,张亚楠,李述涛,等 综合管廊内燃气爆炸荷载特性实验研究和数值模拟141 中国正在大力建设城市综合管廊,解决城市地 下管线管理混乱问题。燃气管线作为城市重要管线 工程被纳入综合管廊建设,在某些极端条件下,综合 管廊内燃气管道可能发生泄漏并引发燃气爆炸，对 综合管廊结构及其周围的建筑将产生破坏效应。利 用管道内燃气爆炸实验，对综合管廊内燃气爆炸荷 载特性进行研究，分析了气体浓度、点火方式等因素 对爆炸荷载的影响。研究成果可以为我国综合管廊 在燃气爆炸荷载作用下安全评估及防灾减灾设计提 供参考。 国内外学者对可燃气体在密闭狭长结构中燃烧 及爆炸现象进行了研究2】。王成等在直径 0.35 m、长72 m的圆形截面管道里研究了不同浓度 以及不同障碍物条件下瓦斯爆炸爆炸超压峰值以及 火焰传播速度的影响⑶如。Zhu等利用截面为 0.08 mx 0. 08 m、长12 m的方形管道研究了管道中 瓦斯浓度变化对火焰传播速度的影响⑸。Min g-Hsu 等在毫米级微尺度管道中研究了不同初始条件下可 燃气体爆炸火焰传播的规律，以及管道尺度的变化 对火焰传播的影响⑹。王世茂等在长1000 mm,横 截面尺寸为100 mm X 100 mm的管道中进行了研究 了油气浓度对半开口管道爆炸超压特性与火焰行为 的影响⑺。Ma r emo n t i等利用Au t o Rea Ga s进行了在 管道内混合气体爆炸过程的模拟，得到管道的尺寸 对可燃气体的爆炸超压荷载有显著影响⑻。罗振 敏、程方明、张群等运用FLACS软件对独头巷道、 20L爆炸罐以及工作面范围内的瓦斯爆炸传播特性 进行了数值模拟⑴。刘庆明、张迎新等研究了管 道中存在障碍物时对爆炸超压峰值的影响卫何。 To ml in在爆炸室内进行了不同泄压排气孔和堵塞情 况下的天然气爆炸实验，研究结果表明泄压板的尺 寸、破坏压力和内部堵塞情况对爆炸压力影响较 大［⑷o Gu o Cha o wei等人研究发现，在浓度为9. 5 的可燃性气体中加入低浓度的煤尘时,燃气爆炸的 火焰速度可以达到爆轰水平［⑸。Zhu Yu n f ei等人 通过研究燃气浓度等因素对沼气爆炸的影响，发现 甲烷浓度为10. 3时超压峰值最大,并指出可选择 近似方形截面的隧道以壁面极高的超压［⑹。Li LeiLei等人运用ANSYS软件研究了不同浓度、不同 收稿日期 2020-10-28 作者简介闫秋实1983 -，男，副教授、博士，主要从事结构抗爆方 面的研究,E-mail yqs2011 bjut. edu. cn0 通讯作者李述过1984 - ，男，工程师,主要从事地下结构抗震抗 爆研究,E-mail listl6 mails, tsing hua. edu. cno 基金项目北京市自然科学基金8182009；；国家自然科学基金 51678018 预混区的甲烷■空气混合气体在小尺寸管道中的爆 炸超压特性”］。罗振敏等人采用FLACS软件模拟 计算了甲烷在4 mx 4 mx 200 m的密闭空间内，浓 度分别为8. 5、9. 5和10. 5时的爆炸压力等, 模拟发现浓度为9.5和10.5时爆炸压力数值很 接近且浓度为10. 5时数值较高［⑻o王秋红等人采 用高压电极点火方式在小尺寸管道内进行不同浓度 的瓦斯爆炸实验，分析了浓度对爆炸压力和温度的 影响,得出当浓度为10时压力和温度最大，最大 爆炸压力随着浓度的增加先增加后减少［切。以上 研究多数基于实验研究对火焰和超压峰值进行了一 定分析，较多的采用数值分析方法研究燃气浓度等 对爆炸的影响。本文采用实验和数值模拟相结合的 方法对影响燃气爆炸的气体浓度、点火能量等因素 进行了系统实验及理论分析。 1实验概况 11实验装置 本次实验依托武汉理工大学安全工程重点学科 与湖北省重点实验室,在武汉理工大学安全科学与 工程实验室进行小尺寸管道爆炸试验。甲烷■空气 混合气体爆炸实验系统如图1〜2所示，主要包括内 截面为0. 11 mx O. 11 in、长6 m的气体爆炸管道主 体和配气系统、点火装置、同步控制系统、高速摄影 机以及数据采集系统等实验辅助系统。实验时，在 管道内充入适量的甲烷和空气预混气体，在控制系 统的控制下于一端点火起爆，产生的高温高压气体 向另一端扩张，同时测量系统记录测点处的超压输 出数据。 15 18 M2 Ml “ 工作站 11涸 说明1 -水平方形管道;2 -配气系统;3 -同步控制 器;4 -数据采集器；Ml、M2 -压力传感器，分别为测点 1和测点2；6 -高速摄像机;7 -图像显示器;8 -泄压 口;9 -进/岀气孔；10 -点火装置11 -控制开关;12- 抽真空装置;13、14、15 -开关阀门;16 -真空表。 图1水平方形管道实验系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of horizontal square pipeline test system 142爆破2021年3月 图2甲烷-空气混合气体爆炸实验系统实际图 Fig. 2 Practical chart of methane-air mixed gas explosion test system 1.2实验工况 本文研究不同浓度下甲烷■空气混合气体的爆 炸超压特性，根据张景林统计㉔，甲烷的爆炸极限 为5 15，本次实验选取甲烷■空气混合气体的 浓度分别为 7. 5、浓度为9.5和12.5的爆炸现象十分相似, 但浓度为12.5时的爆炸声音比浓度为9. 5的要 图3实验现象c代表浓度 Fig. 3 Experimental phenomenac stands for concentration 高压电极点火情况下，测点1、2的超压峰值随 浓度的变化如表1所示。 表1 电极点火超压峰值单位kPa Table 1 Electric ig nition Overpressure peak unit kPa 工况7.58.59.5 10.5 11.5 12.5 13.5 测点1 51.0162.0229.0 234.0 199.0 167.0 152.0 测点250.5139.0186.0 201.0 186.0 178.0 145.0 从表中数据可以看出随着甲烷浓度的不断增 加,管道内的超压峰值先快速增大后缓慢减小,在浓 度为10.5时达到最大值，为234 k Pao在不同的 浓度下，测点1和测点2所测得的超压时程曲线都 有相同的规律，且超压峰值相差很小;这是由于燃气 爆炸实验是在一个小尺寸管道内进行，在管道内充 满甲烷■空气混合气体后，点火产生的爆炸是瞬态 的,我们所用的测量仪器也有一定的精度限制，所以 测点1和测点2的超压时程曲线几乎一致。浓度 c二7. 5时,爆炸超压出现两次超压峰值，如图4所 示。由于。二7.5时甲烷浓度较低,爆炸燃烧时甲 烷和空气反应速率慢,发生明显的层流燃烧,实验中 能清楚看到蓝色火焰缓慢传过。在点火端点燃甲 烷■空气混合气体时,点火位置引起附近气体燃烧产 生高温高压气体并向管道另一端传播，甲烷浓度低 时混合气体燃烧反应不充分，会进行二次燃烧爆炸, 因此造成二次超压峰值。在其他浓度时，爆炸超压 时程曲线呈单峰型曲线，如图5所示。（其他浓度 的超压峰值曲线规律与图5相似，不再单独给出。） 时间/s 图4超压时程曲线浓度c7.5 Fig. 4 Overpressure time curvesc 7. 5 2.2化学点火实验 接下来，同样对浓度为7.5 -13.5的甲烷・ 空气混合气体分别进行化学点火下的爆炸实验，不 同浓度所测得的超压峰值如表2所示。超压峰值随 第38卷第1期闫秋实,张亚楠,李述涛,等 综合管廊内燃气爆炸荷载特性实验研究和数值模拟143 着浓度提高先增大后缓慢减少，在浓度为10.5时 达到最大值，为312 k Pao化学点火的爆炸现象更加 明显，反应更加剧烈,浓度为10.5和11 ■ 5的甲 烷爆炸现象最为显著,爆炸声更响亮,通过玻璃窗观 察到的火焰速度明显高于电极点火实验。浓度c二 7.5时超压时程曲线如图6所示,浓度为10.5 的甲烷爆炸超压时程图如图7所示。通过对比图6 和图4以及图7和图5我们可以发现，化学点火情 况下,超压曲线上升速率快,超压作用时间更短,且 超压峰值更高。这是由于化学点火相比高压电极点 火，提高了点火能量。提高点火能量点燃时，空气中 温度和压强提升速率更快,空气中加热面积增大，大 大缩短了气体燃烧的反应时间,使甲烷-空气气体的 燃烧速率提高，甲烷和空气燃烧反应更充分，因此点 火能量提高时，爆炸超压峰值也会提高。（化学点 火情况下,其他浓度的超压峰值变化规律同样与图 7相似，因此在文中不再单独给出。）结合表2和表 1的超压峰值数据可以发现，与电极点火相比，化学 点火的超压峰值普遍提高，化学点火的超压峰值比 电极点火平均提高约40。 Table 2 Chemical ig nition Overpressure peak unit kPa 表2 （化学点火）超压峰值（单位kPa） 工况7.58.59.510.511.5 12.5 13.5 测点1 117145287312292245219 测点2112139265319280247214 图7超压时程曲线浓度c二10.5 Fig. 7 Overpressure time curves c 10. 5 O O 1515 0000 1 1 O O5 5 O O 图5超压时程曲线浓度c 10.5 Fig. 5 Overpressure time curvesc 10. 5 图6超压时程曲线浓度c7.5 Fig. 6 Overpressure time curves c 1. 5 3封闭管道内混合气体爆炸数值分析 3.1管道模型 本次实验的数值分析软件采用由鄢正华博士自 主研发的CFD软件Simt ec,李松阳等人采用Simt ec 软件对超高层建筑的轰燃现象进行模拟并与其他结 果进行对比,很好的验证了软件的正确性九。我们 选择Simt ec软件中的大涡模型模拟甲烷■空气混合 物爆炸超压,管道模型示意图如图8所示。管道内 截面尺寸为0.11 mx 0.l l m,长度为6叫管道内充 满不同浓度的甲烷和空气进行封闭爆炸模拟。管壁 采用钢材,壁厚为2 c m,在距离管道一端0. 15 m处 设置点火源，在管道中部和端部分别设置测点1和 测点2用于记录管道中部和管道端部的超压时程等 数据其中测点1位于管道中心，测点2位于距离管 道端部0.25 m处。其余主要参数设置如下重力加 速度为9.8 m・s-2,初始温度为20七，大气压力为 1.013 ba r ,空气成分为氧气和氮气,两者的体积分 数分别为21 和79 ,进行数值模拟时采用的燃烧 模型为修改的涡耗散概念模型（EDC-Mo d if ied）o化 学反应方程组如下CH4 1. 502 CO 2H2O 0.03SOOT；CO0.5O2 0. 1H2O C02 0.1H2O； CO2CO0.5O2o设置不同的点火能分别模拟电 极点火和化学点火，电极点火的点火能设置为2 J, 化学点火的点火能设置为5 J。数值模拟中采用的 网格尺寸为5 mm,网格尺寸对超压峰值的影响如表 144爆破2021年3月 3所示，从表3的数据可以看出，网格尺寸为8 mm 和5 mm时的超压峰值与10 mm相差极小，因此认 为采用的5 mm尺寸是有足够的精度的。 图8管道模型图 Fig. 8 Pipeline model diagram / / 1帶点火位置甲烷一赛欝气体 测点2・ ・ // 表3网格尺寸对超压峰值的影响 Table 3 Influence of g rid size on peak overpressure 网格尺寸/mm5810 超压峰值/kPa309.3307.4307.2 3.2封闭爆炸模拟与实验结果对比 由于在数值模拟结果中，测点1和测点2的超 压时程曲线完全一致，且在实验结果中，测点1和测 点2的超压时程曲线相差很小，因此我们仅选择测 点1的超压结果进行对比。根据甲烷燃烧的化学反 占燃 应方程式CH4 202 3X2 2比0可知，当空气 中氧气的体积分数为21时，完全反应所需的甲烷 为氧气体积的一半，即体积分数为10. 5 ,那么甲 烷占所有气体体积为79；；畀I。」％ 9. 5 , 这就是甲烷完全反应的化学当量浓度。由于燃料与 空气混合物的燃烧速度和反应热均随着燃料浓度的 变化而变化，以及化学反应的不完全性、分解和二次 反应等原因，最佳浓度不等于化学当量浓度,以空气 作为氧化剂的混合气体的最佳浓度要高于其化学当 量浓度。一般最佳浓度为化学当量浓度1. 1 1. 5 倍［⑵，那么甲烷的一般最佳浓度在10. 45〜 14.25之间。根据实验数据可认为,在本次实验情 况下，甲烷最佳浓度为10. 5。采用Simt ec软件进 行数值模拟的超压时程曲线基本都为单峰曲线，曲 线变化规律相似。由于数值模拟中,采用的甲烷燃 烧化学方程式为甲烷充分燃烧时的化学方程,且采 用了湍流模型进行甲烷空气混合气体爆炸模拟，甲 烷■空气混合气体反应速率快，反应充分，所以数值 模拟无法模拟出二次超压峰值。本文中分别给出甲 烷爆炸低浓度8. 5、最佳浓度10. 5和高浓度 12.5的超压时程曲线，数值模拟和实验结果对比 如图9所示。 a c8.5电极点火 a c8.5 Electric ig nition b c8.5化学点火 b c8.5 Chemical ig nition c c10.5电极点火 c c10.5 Electric ig nition d c10.5化学点火 d c10.5 Chemical ig nition e c12.5电极点火 e c12.5 Electric ig nition f c12.5化学点火 f c12.5 Chemical ig nition 图9超压时程曲线实验与数值分析对比 Fig. 9 Overpressure time curves Comparison of experiments and numerical analysis 从图9中超压时程曲线对比图可以发现，数值 燃后的起爆速度很快，在任何浓度下都采用的甲烷 模拟结果的超压上升速率和下降速率普遍比实验 和空气充分反应的方程式，燃烧模式采用的湍流燃 快。这是由于在数值模拟中，甲烷-空气混合气体点 烧,这会导致比实验燃气爆炸产生更高的超压，特别 第38卷第1期闫秋实,张亚楠,李述涛,等 综合管廊内燃气爆炸荷载特性实验研究和数值模拟145 是甲烷浓度处于非化学当量浓度时，超压时程曲线 相差较大。在数值模拟时，实验管道材料采用完全 刚性的材料，爆炸超压波在管道内完全反射,也是造 成超压峰值偏高的因素。所以当甲烷浓度为最佳浓 度10.5时，甲烷和空气充分燃烧完全反应，实验 和模拟的超压峰值误差较最小,且模拟的超压时程 曲线更加接近实验的超压时程曲线；甲烷浓度为 8.5和12.5时,氧气浓度过高或过低,都使得实 际的甲烷-空气燃烧反应不充分，然而数值模拟中模 拟的是充分模拟后的结果。因此甲烷在处于非最佳 浓度时，数值模拟和实验超压峰值相差较大。 各浓度的超压峰值模拟结果如表4和表5所 示，通过将数值模拟结果与实验结果进行对比可以 发现，无论是电极点火还是化学点火，在浓度为 9.5和10.5时误差都最小，可以利用数值分析 软件对甲烷充分燃烧情况进行模拟。总体上对比表 4和表5可以发现化学点火的超压峰值普遍高于电 极点火，与实验规律一致。化学点火情况下的实验 和模拟误差较小,模拟精度更高，特别是甲烷的浓度 为9.5 -12.5时,化学点火下的实验模拟的误 差都较小，超压峰值误差在允许的范围内。因此在 化学点火情况时,可以充分利用Simt ec软件模拟甲 烷浓度范围为9.5 -12.5的混合气体情况。 表4 电极点火实验与模拟结果对比超压峰值单位kPa Table 4 Comparison of electrode ig nition test and simulation results Overpressure peak unit kPa 工况7.58.59.510.511.512.513.5 实验51.0162.0229.0233.5198.8167.0152.0 模拟270.9305.1309.3312.7334.0326.2323.0 误差/4318835346895112 表5 化学点火实验与模拟结果对比超压峰值单位kPa Table 5 {Comparison of chemical ig nition test and simulation results Overpressure peak unit kPa 工况7.58.59.510.511.512.513.5 实验117.0145.5286.5312.0292.0244.5219.0 模拟237311289347341306315 误差/103.00114.000.8711.0017.0025.0044.00 4结论与展望 进行了甲烷-空气混合气体爆炸实验,之后通过 有限元软件Simt ec对不同点火方式和不同浓度的 甲烷爆炸进行数值模拟,综合实验分析与数值分析 结果，得到以下结论 1 甲烷爆炸超压峰值随着浓度的不断增加先 增大后减少。甲烷在浓度为10.5时爆炸现象最 明显，产生爆炸超压的峰值最大，超压上升速率最 快,达到最大爆炸压力的时间变短。 2 点火方式为化学点火时，爆炸现象更加明 显,爆炸后火焰的传播速度加快，峰值超压结果较电 极点火平均提高40左右；说明提高起爆能量，能 明显提高燃气爆炸火焰燃烧速度及爆炸超压峰值。 3 数值分析结果能够较好的反映最危险情况 甲烷在浓度为9. 5和10. 5且点火方式为化学 点火的实验规律，可以利用数值分析方法对综合 管廊内燃气爆炸进行安全研究及分析。 参考文献References [1] 刘冲，杜扬,李国庆，等.狭长密闭空间内油气爆 炸火焰特性大涡模拟[J].化工学报,2018,6912 5348-535 [1 ] LIU C, DU Y, LI G Q, et al. 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