3 模拟结果与分析
3.1 气相爆炸动力学过程分析
采用入射激波代替点火装置引燃激波管内(直径10cm、初始压力0.6kPa、温度298K条件下)天然气混气在20ms时间段内管内压力、温度变化过程如图2所示。从图2-a可以看出,由于采用了入射激波代替点火源,在入射激波到达混气区域时混气温度出现跳跃式提升瞬间温度超过3100K。然后温度出现一个向下扰动过程,原因在于根据热爆炸理论此时系统内反应热生成速度小于向外界环境散热速度。随着气体反应速度不断提高,当时间到达约1.4ms时系统温度开始快速升高,此时混气被引爆且反应处于不断加速的过程。该过程一直持续至约4.4ms,对应温度最大值3221K。当到达温度峰值时混气内甲烷等可燃气体摩尔数已接近零,且气相反应净热释放速度已通过峰值(发生在约3ms,对应链式反应活性基团净牛成速度最大),并保持基本稳定。此后,温度逐渐趋于稳定并达到一定值。
图2-b给出了混气爆炸压力的变化过程。可以看出,在反应初期由于受到入射激波的冲击压力瞬间拉高,随之受到燃烧反应过程的影响压力又有所降低。当混气温度达到峰值时,爆炸压力随之开始逐步提升,在这一过程中气相反应净热释放速度基本稳定。在温度达到峰值、压力开始上升的时刻(约4.4ms),激波管内激波速度也达到峰值,约406m/s,随之逐渐下降。
3.2 初始压力对天然气爆炸特性影响分析
受限空间内可燃气体泄漏后,环境压力会存在一定的差异。图3-a给出了不同初始压力对激波管内混气温度变化过程的影响。随着初始压力提高混气爆炸发生时刻逐渐提前,分别为1.4ms、1.0ms、0.8ms。原因在于一方面高压条件下气相反应速度较快、热释放速度提高,另一方面混气热传导性能降低导致热损失减小,从而使爆炸反应更加容易进行。在不同初始压力条件下混气引爆后的温度峰值基本一致,但达到峰值所用时间存在差异。当初始压力为1.0kPa时,达到温度峰值所需时间约为2.8ms;而初始压力为0.8kPa时,达到温度峰值所需时间约为3.4ms;初始压力为0.6kPa时,达到温度峰值所需时间约为4.4ms。计算结果表明,提高初始压力使反应速度加速、升压速度提高,会更迅速达到峰值温度。此后,在不同压力条件下混气温度下降速度基本一致。
图3-b反映了不同初始压力条件下激波管内混气爆炸压力变化过程。如图所示,随着初始压力提高混气爆炸压力也在提高。当初始压力为0.6kPa时,混气爆炸压力约为47kPa;初始压力为0.8kPa时,混气爆炸压力约为62kPa;初始压力为1.0kPa时,混气爆炸压力约为78kPa。通过以上2方面分析可知,引爆时间和爆炸压力均受到混气初始压力影响较大,在高压条件下更加容易引发灾难性爆炸事故。
3.3 空间尺寸对天然气爆炸特性分析
事故表明,可燃气体泄漏空间尺寸存在较大的随机性。链式反应理论认为,链反应中生成的活性基团在扩散过程中会因与壁面碰撞而消亡,活性基团销毁速度取决于链的有效碰撞数,因此爆炸反应过程与空间形状、尺寸有较大关联。图4给出了不同激波管内径在初始温度298K、0.6kPa初始压力条件下,对爆炸温度、压力变化的影响。本文采用3种管径进行计算比较,管径之比约为1:5:10,在激波管长度相等的情况下激波管内表面积之比约为1:25:100。管内壁对爆炸链式反应过程的影响主要体现在两个方面,包括对活性基团的销毁速度和体系向环境散热速度的影响。
图4-a表明,管径为10cm的激波管爆温明显高于另外两个激波管的爆温。原因在于,10cm管径激波管的表面积远小于另外两个(内表面积之比分别为1:25和1:100,而后两个的内表面积之比仅为1:4),因散热面积较小致使散热速度明显低于其他两个;另一方面,10cm管径激波管的空间较小实际上增加了活性基团与器壁之间的碰撞概率,导致单位而积销毁速度要大于后两者。综合比较两方面的作用可知,激波管空间尺寸对体系向外界散热作用的影响要高于活性基团销毁作用的影响。因此空间尺寸相对较小的激波管其爆炸温度相对较高。
图4-b给出了不同管径条件下激波管内混气爆炸压力变化过程。10cm管径激波管由于其爆炸温度较高其爆炸压力上升较快,这一点充分说明相对较小的爆炸空间可以获得更加迅速的爆炸升压速度,爆炸温度是影响爆炸压力的最直接因素。而55cm和100cm管径的激波管由于两者爆炸温度历程基本相同,因此影响其升压过程的主要因素转换为卒间尺寸。由于激波产生是由多个压缩波叠加形成,尺寸较大的激波管可以为激波产生提供更加有利的发展空间,使后面的压缩波有可能赶上前面的压缩波,较容易达到高的爆炸压力。当激波的强压缩作用使激波管内混气着火,经一段可用的时间和空间后火焰传播与激波导致燃烧过程重合时,便产生了爆轰。
4 结论
基于化学反应动力学基本方法,采用入射激波模型对受限空间内天然气爆炸过程反应动力学特征进行了研究,分别讨论了天然气在空气中燃烧化学反应过程、混气初始压力、空间尺寸等因素对爆炸过程的影响,研究得到以下结沦:
1)受限空间内天然气爆炸反应过程是由多步基元反应构成,在微观上具有反应历程多元性、基元反应可逆性以及燃烧不完全性等特点。
2)可燃混气燃烧过程随温度、压力的增加可以转换为爆轰过程,爆轰产生过程是一个典型的激波传播过程,当火焰传播与激波导致燃烧过程重合时,便产生了爆轰。
3)用入射激波点燃混气时,体系温度会首先出现跳跃式上升,然后由于反应热生成速度小于散热速度系统温度会出现向下扰动。当混气被引爆后,温度、压力将上升并趋于稳定,在温度达到峰值时压力随之提高。气相反应净热释放速度峰值出现在温度峰值之前,达至温度峰值时混气内可燃组分基本消耗殆尽。
4)提高初始压力会缩短町燃混气引爆时间,但爆炸温度峰值基本相同,高的初始压力对反应速度有加速作用,会导致更高的爆炸压力。
5)空间尺寸对散热作用的影响高于其对活性基团销毁作用的影响,爆炸温度直接影响着爆炸压力的大小,小空间可以获得更迅速的爆炸升压速度。
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