密閉空間燃?xì)庑孤┍ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域遷移規(guī)律

摘 要

摘　要：為了給室內(nèi)燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿实念A(yù)防和事故后果評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，借助計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，對(duì)密閉空間內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重考察了燃?xì)獗ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域

摘　要：為了給室內(nèi)燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿实念A(yù)防和事故后果評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，借助計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，對(duì)密閉空間內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重考察了燃?xì)獗ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域隨時(shí)間和空間的分布特征。研究結(jié)果表明，在泄漏初始階段，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域位于泄漏源上部。隨著泄漏和擴(kuò)散的持續(xù)發(fā)展，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域整體下移，最終遷移至地面附近。爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍隨時(shí)間由小變大，再由大變小。爆炸危險(xiǎn)區(qū)域在房間下部的持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于房間中上部。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?/span>;泄漏;爆炸極限;擴(kuò)散

0 引言

燃?xì)夤芫€是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是城市生命線之一。近年來(lái)，由于部分城市燃?xì)夤芫€投入使用年限較長(zhǎng)，處于浴盆曲線后期，極易誘發(fā)燃?xì)夤芫€的泄漏及次生災(zāi)害。室內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散是一個(gè)典型的流體力學(xué)現(xiàn)象，目前已有大量研究成果[1－3]。實(shí)驗(yàn)是受限空間燃?xì)庑孤U(kuò)散的主要研究手段，但實(shí)驗(yàn)常受到成本、安全性、單一環(huán)境和尺度效應(yīng)等因素的影響而具有明顯的局限性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵彩茄芯咳細(xì)庑孤U(kuò)散的有效手段之一，如高斯煙羽模型、高斯煙團(tuán)模型及BM模型等[4－7]。這些模型能夠較好地模擬燃?xì)庠诖髿庵械臄U(kuò)散，但對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)的燃?xì)庑孤U(kuò)散則顯得較為吃力。大量研究結(jié)果表明[8－10]，基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的數(shù)值模擬已經(jīng)能夠獲得較為真實(shí)的泄漏擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，且隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬的精度和準(zhǔn)確性正在進(jìn)一步提高。燃?xì)獾臄U(kuò)散范圍和濃度分布是泄漏事故分析及事故后果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和參考依據(jù)。已有研究表明，由于燃?xì)饷芏刃∮诳諝?，燃?xì)庑孤┖笠韵蛏蠑U(kuò)散為主，且泄漏量、泄漏時(shí)間、通風(fēng)口、通風(fēng)風(fēng)速及障礙物等因素對(duì)室內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散有顯著影響[11－14]。燃?xì)庑孤┖笈c空氣混合達(dá)到爆炸極限后，一旦遇到點(diǎn)火源，將引發(fā)燃?xì)獗ㄊ鹿?。因此，燃?xì)鉂舛忍幱诒O限范圍內(nèi)的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域分布規(guī)律則顯得尤為重要，而這一問(wèn)題目前還沒有得到足夠重視。本文借助CFD技術(shù)，對(duì)密閉空間燃?xì)庑孤U(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究，著重考察了爆炸危險(xiǎn)區(qū)域隨時(shí)間和空間的分布特征。

1 研究方法

數(shù)值模擬基于流體力學(xué)守恒方程組，包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和化學(xué)組分守恒方程。采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型來(lái)描述氣體的湍流流動(dòng)。結(jié)合實(shí)際民用建筑的廚房尺寸，將一密閉空間為作為研究對(duì)象，該空間長(zhǎng)、寬、高分別為4m(Z方向)、2m(X方向)、3m(Y方向)，如圖1所示。假設(shè)廚房燃?xì)夤艿郎弦恢睆?/span>1cm的圓形泄漏孔位于墻壁附近，泄漏孔中心坐標(biāo)為(0，1，2)。結(jié)合我國(guó)城鎮(zhèn)民用建筑結(jié)構(gòu)燃?xì)夤艿赖墓ぷ鲏毫?，假定本文研究的燃?xì)夤艿拦ぷ鲏毫楹愣ㄖ?/span>2500Pa(表壓)，泄漏孔為連續(xù)泄漏，且泄漏孔泄漏流量為恒定值。選取房間z=2m的剖面作為研究對(duì)象，著重考察爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的遷移規(guī)律，并選取了該剖面上不同高度的五個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(G1－G5)來(lái)分析燃?xì)鉂舛鹊臅r(shí)空分布特征，這五個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)依次為(1，0.5，2)、(1，1，2)、(1，1.5，2)、(1，2，2)、(1，2.5，2)。計(jì)算時(shí)考慮重力加速度9.81m·s-2。燃?xì)獾闹饕煞譃榧淄?，在?jì)算中假設(shè)燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)為100%。

 

采用不規(guī)則六面體網(wǎng)格對(duì)空間離散，在泄漏孔附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密。假設(shè)壁面為絕熱、光滑和剛性的，室內(nèi)初始溫度和壓力分別為300K和101325Pa。泄漏孔設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口條件，其值根據(jù)如下氣體流小孔泄漏模型[15]計(jì)算得到。氣體流小孔泄漏模型中泄漏質(zhì)量流量的計(jì)算首先要確定泄漏時(shí)氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng)還是亞聲速流動(dòng)，可用如下臨界壓力比來(lái)判斷：

式中，β為臨界壓力比，p0為環(huán)境絕對(duì)壓力，pe為泄漏口燃?xì)獾呐R界壓力，κ為燃?xì)獾褥刂笖?shù)。κ是溫度的函數(shù)，理想氣體的κ可近似為定值，對(duì)于天然氣，κ可近似取1.29。假設(shè)p1為管道內(nèi)燃?xì)獾慕^對(duì)壓力，當(dāng)p0/p1＞β時(shí)，燃?xì)庠谛孤┛谔帉儆趤喡曀倭鲃?dòng)，反之為聲速流動(dòng)。根據(jù)本文燃?xì)夤艿拦ぷ鲏毫?，可確定泄漏時(shí)氣體流動(dòng)屬于亞聲速流動(dòng)，因此燃?xì)庑孤┑馁|(zhì)量流量可通過(guò)式(2)計(jì)算獲得：

式中，qm為泄漏強(qiáng)度，Cg為氣體泄漏系數(shù)，A為泄漏口面積，M為燃?xì)獾哪栙|(zhì)量，R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(mol·K)，T1為容器內(nèi)的燃?xì)鉁囟龋?/span>Z為壓縮因子。氣體泄漏系數(shù)與泄漏口的形狀有關(guān)，本文中圓形泄漏口取1.00。壓縮因子Z取常數(shù)1。經(jīng)計(jì)算，本文泄漏孔質(zhì)量流量約為0.1135kg·s-1，將該值設(shè)置為進(jìn)口邊界條件。選擇0.01s作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的固定時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)各迭代方程殘差小于10-5時(shí)，認(rèn)為該時(shí)間步迭代結(jié)束。當(dāng)室內(nèi)所有位置的燃?xì)鉂舛染^(guò)甲烷爆炸上限時(shí)，該瞬態(tài)計(jì)算停止，計(jì)算完成。

采用有限體積的離散方法，并采用改進(jìn)的SIM-PLE算法解決瞬態(tài)流場(chǎng)中壓力與速度間的耦合問(wèn)題。基于商用CFD軟件FLUENT對(duì)該泄漏擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2 結(jié)果與分析

燃?xì)獾闹饕煞譃榧淄?，而甲烷與空氣混合后，當(dāng)甲烷濃度處于4.6%－14.3%的爆炸極限范圍[16]內(nèi)時(shí)遇到點(diǎn)火源才有可能發(fā)生爆炸。為了研究泄漏燃?xì)獗ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域的遷移特征，圖2給了不同時(shí)刻觀測(cè)剖面上燃?xì)鉂舛燃s在5%－15%時(shí)的區(qū)域。在泄漏初始階段，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域位于泄漏孔上部。隨著泄漏擴(kuò)散的發(fā)展，房間上方充滿大量燃?xì)?，燃?xì)庀蛳逻\(yùn)移，危險(xiǎn)區(qū)域整體向下移動(dòng)，最終遷移至地面附近。同時(shí)，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍隨時(shí)間呈現(xiàn)由小變大，再由大變小的變化過(guò)程，在初始泄漏階段，氣體對(duì)流擴(kuò)散和分子運(yùn)移導(dǎo)致燃?xì)鈴男孤┛谙蛑車鷧^(qū)域擴(kuò)持續(xù)擴(kuò)散，形成爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍由小變大的變化過(guò)程;隨著燃?xì)庑孤┝康脑黾雍屯牧鲾U(kuò)散的增強(qiáng)，絕大部分區(qū)域的燃?xì)鉂舛瘸掷m(xù)上升，燃?xì)獠粩喽逊e，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍又呈現(xiàn)由大變小的變化過(guò)程。此外，位于房間下半部的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于房間上半部。這說(shuō)明，從爆炸危險(xiǎn)區(qū)域持續(xù)時(shí)間來(lái)看，房間下部區(qū)域更容易引發(fā)燃?xì)獗?。各觀測(cè)點(diǎn)燃?xì)鉂舛入S時(shí)間的變化如圖3所示。各觀測(cè)點(diǎn)燃?xì)鉂舛入S時(shí)間均呈曲線上升趨勢(shì)，且爆炸危險(xiǎn)區(qū)域最先達(dá)到房間頂部(觀測(cè)點(diǎn)G5約在2.47s時(shí)刻到達(dá))，然后逐漸向下遷移，越向下的觀測(cè)點(diǎn)，其爆炸危險(xiǎn)區(qū)域到達(dá)得越晚(觀測(cè)點(diǎn)G1約7.5s時(shí)刻到達(dá))。

3 結(jié)論

泄漏燃?xì)獗ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域的分布特征是分析燃?xì)庑孤U(kuò)散及評(píng)價(jià)事故后果的基礎(chǔ)和參考依據(jù)。在泄漏初始階段，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域位于泄漏源部。隨著泄漏的不斷發(fā)展，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域整體下移，最終遷移至地面附近。爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍隨時(shí)間由小變大，再由大變小。爆炸危險(xiǎn)區(qū)域位于房間下部的持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于房間中上部。

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(本文作者：龐磊1，2，呂良海1，劉晨3，馬秋菊2，程露4 1．北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所、2．北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、3．首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院、4．北京首安信息技術(shù)有限公司)