基于FLENT的天然气燃爆数值分析

　　评论：　更新日期：2016年09月06日

摘　要：采用FLUENT软件模拟了管道天然气燃爆全过程，对天然气燃爆传播规律进行了数值分析，并利用相似参数的天然气燃爆实验进行了对比验证，为预防和减少天然气燃爆事故提供了理论依据。

关键词：管道天然气；燃爆；传播规律； FLUENT

1　引言

2013年11月22日，青岛发生输油管道泄漏爆炸事故，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失75172万元。中新网纽约2014年3月13日报道，纽约曼哈顿东哈莱姆区住宅楼l2日发生重大爆炸事故，夷平两栋建筑物，且至少造成7人死亡，60多人受伤，9人失踪。其爆炸原因已初步确认为煤气管道泄漏。近年来，天然气燃爆事故频繁发生，给人民生命安全和国家财产安全造成了极大威胁，严重影响天然气行业健康发展，也给政府主管部门、相关管理单位以及城镇燃气经营企业造成了严重的社会负面影响[1]。天然气安全已成为政府、企业、社会高度关注的焦点问题。

通常情况下天然气输送管道是安全的，因为在管网内输送的天然气浓度很高，不在天然气爆炸极限范同内，且管道内不含氧气或其它氧化剂，火焰很难在管道内产生和传播。但在特殊条件下，如施工不当、第三方破坏、地震、或其它不可预见的意外事故，就可能造成天然气管道某处破裂，引起外界空气进入管道形成天然气与空气的预混气。当该预混气体达到爆炸极限时，一旦遇上火源就具备了天然气燃爆的必要条件[2]。因此，如何预防和减少管道天然气燃爆事故，已成为燃气经营企业安全管理亟待解决的问题。本文使用FLUENT进行管道天然气燃爆数值模拟全过程，给出通过实验手段难以观察到的信息。在数值仿真过程中，以天然气燃爆传播理论模型为基础，应用连续相计算方法对天然气燃爆在管道内的传播过程进行数值仿真。由于模型尺寸过长，计算量过大，特别是对带化学反应可压缩流动而言还存在时间步长的限制和化学反应带来“刚性”对时间步长的限制，计算量呈数量级递增，计算极其繁杂冗长，因此只对天然气最佳爆炸浓度9.5％的情况进行了FLUENT数值分析。

2　天然气燃爆传播理论分析

天然气的主要成分为甲烷，具有易燃易爆特性，其燃爆的实质是甲烷和空气组成的爆炸性混合气体在高温诱导下发生的一种剧烈的化学反应并伴有大量的热量生成[3]，发生燃爆时化学反应方程式如下：

CH4+2H2O→CO2+2H2O (2-1)

根据相关文献所知^[4-7]：管道天然气燃爆传播实际上是以冲击波方式传播的，随传播时间和空间的推移，冲击波结构发生了变化。在起始阶段，以爆燃波(爆轰波)方式传播，随着甲烷&空气混合气体反应结束，最后演变为压力波以当地声速在单纯空气介质中的传播。

天然气在管道中燃爆时，火焰面在开始呈球面向外界扩张，火焰随之向开口方向传播。其它部分以壁面和端头为反射面，反射后强度加大也向管道开口方向传播。火焰附近气体因火焰加热压力升高，到一定距离(与天然气口空气混合气体晕有关)形成压力波，压力波在传播过程中，碰到管道壁面后发生反射，并在一定距离上形成平面压力波。由此可以看出，天然气燃爆传播是火焰和压力波共同传播的过程^[8]。

3　管道天然气燃爆数值模拟

FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，只要涉及流体、热传递及化学反应的工程问题都可以用它来进行解释，因此选用FLUENT对管道天然气燃爆过程进行模拟。

3．1　建模和划分网格

对管道天然气燃爆过程的模拟计算采用流场模拟的方法，因此爆炸发生场所的几何建模和计算网格划分是必不可少的前处理工作。笔者以Gambit为基础进行天然气燃爆场所的几何建模及网格划分。

3．1．1管道天然气燃爆的几何建模

本次模拟研究以DN700mm的圆形管道为原型，建立了长度为93m，直径为700mm的二维矩形模型。模型由点火区域和传播区域两部分构成。在模型中共布置了9个火焰监测点和9个压力监测点。

考虑到天然气燃爆发生场所的复杂性，本次模拟采用结构网格和非结构网格形成的混合网格，实际计算中采用了不规则四边形网格处理点火区域，传播区域则采用矩形网格。结构网格可以提供更好的结构边界相容性，因此管道的边界区域音量使用结构网格划分。下图是局部网格划分情况：

3．1．2模型初始条件和边界条件设

(1)初始压力条件为：点火区域超压设置为P=1000Pa；其他区域超压为P0=0Pa

(2)初始温度条件为：点火区域：T0=1600K；其他区域：T0=300K

(3)初始速度条件为：整个区域初速为零，即V0=0m／s

(4)初始组分条件为：为了简化问题，空气组分定为：氧气体积分数：22％，氮气体积分数：78％。

模拟管道壁面按典型的无滑移、无渗透边界设定，模型左端设置为封闭端，右端设置为泄压口。

3．2　压力波传播过程分析

下图为从天然气被点火开始，压力波以球形波形式开始传播，然后经过多次叠加之后逐渐形成了平面波的全过程。

从图2中可以看出，压力波在点火源处以球形向四周传播；在碰到壁面反射后，反射波与传播过来的波相互叠加，叠加后压力明显有所升高，如E、F中的红色区域所示。随着球形波不断卺加，最终形成了平面波并向管道两段传播。左端压力波在传播到端头后产生了反射，这样发射波对原来向右端传播的压力波会起到一定的推动作用，最终导致右边的压力波逐渐增强。

3．3　火焰传播过程分析

下图为从点火开始，火焰传播的初始发展变化情况。随着程序升温，环境温度不断升高，天然气温度也随之升高，在此条件下，氧化反应越发剧烈，同时释放出的生成物气体随即增加，呈现一定的增长规律。

在天然气被点火的初始阶段，火焰以点火区域为中心向四周蔓延开来。其燃烧扩展是无规律性的，但是由于管道右端是开口，又受湍流机制影响，火焰向开口端发展的趋势要更强烈一些，因此右端的火焰区域要更大些。

4　数值模拟结果与实验结果的对比分析

为了验证管道天然气燃爆数值模拟的可行性和对比性，笔者在张延松博士等指导下，在中煤科工集团重庆研究院气体粉尘爆炸防治技术实验室进行了相似参数的天然气燃爆实验。实验大致分为六步：第一步需精确，测试系统的调试、校准，压力和火焰传感器的标定和安装；第二步需严实，在管道一端进行封膜处理，并在此端口附近摆放3-5只隔爆水槽，以免压力波损坏设备设施及环境；第三步需准确，进行实验用天然气—空气混合气体充气搅拌(大约搅拌35分钟左右)并不断测量其浓度；第四步需及时，点火起爆，进行数据采集；第五步需彻底，开启防爆门对管道内进行通风，以免造成不必要的危害；第六步需牢记，拆回实验装置，并进行定期检查和保养。

实验和模拟一样，天然气浓度调至9.5％，管径选用DN700mm的圆形管道，长度为93m，共布置9个压力传感器和9个火焰传感器。