高建豐1,3 楊雨琳2 韓亞男1 邵曉軍2 吳陽(yáng)2

1.浙江海洋大學(xué)石油化工與環(huán)境學(xué)院； 2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運學(xué)院；3.臨港石油天然氣儲運技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心

摘要：為探究摻氫天然氣爆炸特殊機理及規律，預測和控制爆炸后果、減少或避免此類(lèi)事故可能造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失等，基于大渦模擬（LES）進(jìn)行了數值模擬，研究在管中內置不同高度矩形塊狀障礙物情況下，甲烷-氫氣預混氣體的爆炸特性。結果表明，障礙物后渦流的存在是促進(jìn)火焰拉伸的主要原因，并且障礙物高度越大，其后方的渦流范圍越明顯。障礙物越高，氣流速度越大，導致內部湍流的增加，促進(jìn)了反應過(guò)程，釋放了更多的能量，從而提高了爆炸超壓。障礙物的干擾也有助于可燃氣體云積聚，產(chǎn)生局部高壓區。

關(guān)鍵詞：甲烷氫氣預混氣體；矩形障礙物；超壓；火焰；流場(chǎng)

當輸送摻氫天然氣時(shí)，氫氣在管道法蘭、密封螺紋、閥門(mén)等處容易擴散滲漏到地下管廊中。由于結構或功能上的需要，地下管廊中往往含有不同類(lèi)型的障礙物，例如各類(lèi)斷面突縮結構等。研究表明，這些障礙物對爆燃流場(chǎng)的擾動(dòng)可能大幅增加火焰傳播速度和超壓上升速率，并且成為誘導爆燃向爆轟演變的關(guān)鍵控制因素。相比于純天然氣，混氫天然氣在長(cháng)距離管道運輸過(guò)程中滲漏量偏多。研究表明，含20%氫氣的混氫天然氣在傳輸過(guò)程中，氣體的滲漏量是純天然氣的2倍。因此，研究?jì)戎谜系K物管道中甲烷摻氫預混氣體爆炸特性，可為我國“雙碳”目標下的“西氫東送”建設提供參考。

在氫氣爆炸特性方面，早期已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。倪靖等的研究表明，氫氣的摻入對爆轟波的傳播速度有很大影響，隨著(zhù)摻氫濃度的提高，傳播速度進(jìn)一步加快[1]。Wang Y等的研究表明，隨著(zhù)氫氣含量的增加，火焰傳播速度顯著(zhù)增加。當氫氣含量為50%時(shí)，最大爆炸超壓是純甲烷燃燒壓力的2.25倍[2]。Zhang K等的研究表明，當氫氣濃度上升且甲烷氫氣混合物在遇到點(diǎn)火源后，會(huì )在管道外部引發(fā)兩次爆炸，從而產(chǎn)生兩個(gè)火球，使火焰的傳播速度降低。此外，第二次爆炸的強度和破壞力顯著(zhù)超過(guò)了第一次[3]。

盡管前人已經(jīng)對各類(lèi)可燃氣體的爆炸特性進(jìn)行了大量的研究，但大多數研究都是對于單一可燃氣體，不同濃度可燃氣體、不同著(zhù)火位置、不同管道形狀以及長(cháng)徑比的分析，關(guān)于內置障礙物對管內甲烷-氫氣預混氣體爆炸特性的影響研究較少。因此，本文在含有障礙物、20%體積分數的氫氣、80%體積分數的甲烷的管道中進(jìn)行了爆炸實(shí)驗，分析障礙物高度對甲烷-氫氣爆炸特性的影響規律，以期為后續研究提供參考。

1  實(shí)驗裝置及方法

內置障礙物的甲烷摻氫爆炸實(shí)驗裝置由管體、CY400數字壓力傳感器、動(dòng)態(tài)數據采集系統、KTGD-B型可調點(diǎn)火器、甲烷氣瓶、氫氣瓶、流量計和減壓閥等組成。為對比分析障礙物體積在當量比為1時(shí)對甲烷-氫氣預混氣體爆炸特性的影響，實(shí)驗設計了3個(gè)工況，其障礙物高度分別為40 mm、50 mm和60 mm，長(cháng)均為100 mm，寬均為50 mm。這三種工況下的障礙物均放置在距點(diǎn)火源200 mm處，而壓力傳感器放置在點(diǎn)火點(diǎn)右側30 mm處。預混氣體中氫氣體積分數為20%，甲烷的體積分數為80%。實(shí)驗是在長(cháng)1000 mm，截面面積為100 mm×100 mm的長(cháng)方形不銹鋼管道中進(jìn)行的。管道的右端作為泄爆端，不安裝鋼板，在充氣過(guò)程中使用聚氯乙烯薄膜密封，以防止氣體逸出。

本實(shí)驗主要測量爆炸壓力數據。首先，確保壓力傳感器、數據采集系統、點(diǎn)火系統處于待機狀態(tài)。其次，打開(kāi)氫氣鋼瓶和甲烷氣瓶，并同時(shí)啟動(dòng)循環(huán)系統，使氣體在管道中混合均勻。通過(guò)流量計控制出氣量，甲烷出氣量為0.6 L/min，氫氣出氣量為0.3 L/min，甲烷出氣時(shí)長(cháng)為88 s，氫氣出氣時(shí)長(cháng)為44 s。充氣和循環(huán)結束后，立即啟動(dòng)點(diǎn)火系統，點(diǎn)火能量為20 J。為了保證實(shí)驗壓力數據的有效性，爆炸實(shí)驗重復了3組。

2  結果與討論

通過(guò)實(shí)驗結果和爆炸超壓數值模擬結果的比較（圖 1），模擬測得的峰值超壓比實(shí)驗測得高約10%。原因是模擬假設是在半封閉空間內發(fā)生絕熱爆炸，沒(méi)有考慮爆炸過(guò)程中管道內外的能量交換。由于管道頂端的聚氯乙烯薄膜預計會(huì )在外壓作用下破裂，因此在計算過(guò)程中忽略了聚氯乙烯薄膜對爆炸結果的影響。特別是，實(shí)驗數據中捕捉到了火焰沖出聚氯乙烯薄膜時(shí)的壓力P1在33.7 ms時(shí)達到超壓峰值27.597 kPa，然后開(kāi)始下降，在36.972 ms時(shí)出現負壓峰Pneg。產(chǎn)生負壓是因為火焰沖出管子后，管子內的氣體被迅速消耗。綜上所述，數值模擬結果與實(shí)驗結果吻合較好，說(shuō)明本文所采用的數值模型和算法是合理的。因此，借助該模型，對不同體積障礙物工況下爆炸火焰的傳播機理和超壓進(jìn)行了研究。

圖 1 實(shí)驗超壓與模擬超壓的比較

為了更好地分析不同高度障礙物對管道內火焰、壓力和流場(chǎng)的影響，通過(guò)數值模擬得到了不同時(shí)刻火焰—超壓—流動(dòng)區的流線(xiàn)耦合分布。該耦合分布與圖 1壓力曲線(xiàn)相結合，進(jìn)一步揭示了潛在的關(guān)系。在模擬的三種情況下初始火焰均以球形傳播，且垂直方向上面積很小，未接觸上下管壁。當火焰開(kāi)始出現指形傳播且未接觸障礙物時(shí)，障礙物的后方就產(chǎn)生了渦流，但在火焰前沿幾乎不存在，并且障礙物高度越大，其后方的渦流范圍越明顯。當火焰面積開(kāi)始增加，Rayleigh-Taylor不穩定性和Kelvin-Helmholtz不穩定性變得更加明顯，火焰鋒面變得不穩定并變形，導致湍流增加。當障礙物高度為60 mm時(shí)，爆炸峰值壓力為37.352 kPa，遠大于障礙物高度為40 mm和50 mm時(shí)的壓力。原因是內部湍流的增加加速了反應過(guò)程，釋放了更多的能量，從而增加了超壓。超壓值的增大加速了火焰的傳播（圖 2），當量比為1，障礙物高度為60 mm時(shí)，火焰傳播速度明顯比障礙物高度為40 mm、50 mm快。特別是火焰鋒面在23 ms時(shí)越過(guò)障礙物，并在障礙物的后方和上方均產(chǎn)生了渦流，原因是氣流流動(dòng)速度的增大促進(jìn)了高速流動(dòng)剪切效應的發(fā)展，增加了Kelvin-Helmholtz不穩定性和渦量。且由于渦流的存在，使得火焰鋒面與障礙物之間形成不規則空洞。在管道內可燃氣體消耗完畢后，可觀(guān)察到有細小的火焰泡在管道中來(lái)回擺動(dòng)，這是由于半封閉管道發(fā)生瓦斯爆炸后，氣室開(kāi)口端出現明顯的空氣回流現象，導致管道內外存在壓力差引起的，這也是實(shí)驗壓力在出現負壓后反復震蕩的原因。

圖 2 火焰前沿、壓力和流線(xiàn)的耦合關(guān)系 

根據各工況下的壓力隨時(shí)間變化規律曲線(xiàn)（圖 3），三條壓力曲線(xiàn)沒(méi)有顯示出泄爆壓力，原因可能是管道中的氫氣體積分數較小導致的。爆炸開(kāi)始時(shí)，火焰由于與管道壁面的摩擦，由層流轉變?yōu)轳薨檶恿�。隨著(zhù)反應的進(jìn)行，化學(xué)反應速率和產(chǎn)生的熱量增加，迫使氣體膨脹。聲波振蕩增強了火焰的擾動(dòng)，褶皺層流火焰轉變?yōu)橥牧骰鹧�。當火焰進(jìn)一步傳播時(shí)，能量在管道中積累，管道中的火焰由湍流火焰轉變?yōu)楸�燃火焰，從而最大程度地加速了火焰的傳播過(guò)程。障礙物后方的渦旋擴展和消散推動(dòng)火焰融合，火焰邊界的湍流強度在火焰融合過(guò)程中更大，兩者相互促進(jìn)發(fā)展。隨著(zhù)可燃氣體的消耗，由于火焰與壁面接觸而在壁面附近滅火，火焰面積減小。管道壁面的摩擦阻礙了火焰前沿。因此，火焰傳播減小。在振蕩變化階段，擾動(dòng)對火焰的影響也越來(lái)越大，導致火焰傳播減小。點(diǎn)燃后，預混氣體開(kāi)始進(jìn)入較短的燃燒誘導期。爆炸壓力迅速上升，達到最大值后又緩慢下降。由于氫反應釋放能量，爆燃發(fā)生區域的溫度升高，導致氣體膨脹。此外，流體動(dòng)力不穩定和湍流的結合導致火焰不穩定，增加了壓力上升的速度。因為可燃物和助燃物燃燒后產(chǎn)生的熱量通過(guò)管壁與外界環(huán)境交換，爆炸壓力降低。在反應初期，鏈式反應中產(chǎn)生的羥基自由基（OH）數量較少，整個(gè)體系的升壓速率較慢。但隨著(zhù)鏈式反應的進(jìn)行，OH含量迅速增加，鏈式反應速率也隨之增加，反應放出的熱量急劇增加，導致溫度升高，進(jìn)而導致壓力升高。隨著(zhù)反應進(jìn)行到后期，氫逐漸被消耗，其濃度達到了不能維持化學(xué)反應的程度�；鹧媾c管道壁面之間存在熱傳導現象，反應系統放出的熱量減少。一些自由基也與管道壁發(fā)生碰撞，導致鏈式反應速率降低，放熱減少，這反過(guò)來(lái)又降低了爆炸壓力。障礙物的干擾也有助于可燃氣體云積聚，增加爆炸超壓的峰值。幾種布局結構下壓力曲線(xiàn)整體并沒(méi)有明顯的差異性。局部峰值階段壓力曲線(xiàn)開(kāi)始出現差異性，不同的結構使壓力曲線(xiàn)的斜率和峰值不同，這是因為障礙物高度的變化以及管道壁面的存在，使壓力波在狹長(cháng)的管道內出現復雜的反射波與衍射波，反射波與衍射波在特定的區域內疊加，產(chǎn)生局部高壓區。結合壓力隨時(shí)間變化規律曲線(xiàn)、火焰面積隨時(shí)間變化規律曲線(xiàn)（圖 4）可發(fā)現，與矩形障礙物接觸后，超壓增長(cháng)速度明顯加快。該時(shí)刻與火焰接觸矩形障礙物后火焰前沿、超壓和火焰面積的突變時(shí)間重合。

圖 3 壓力隨時(shí)間變化規律曲線(xiàn)

圖 4 火焰面積隨時(shí)間變化規律曲線(xiàn) 

3  結論

為應對“西氫東送”過(guò)程中摻氫天然氣在管廊中的泄漏爆炸問(wèn)題，在保證障礙物與點(diǎn)火源之間距離、氫氣體積分數、點(diǎn)火能量相同的前提下，通過(guò)改變矩形障礙物高度，研究了三種工況下甲烷-氫氣預混氣體爆炸特性的影響。研究發(fā)現，如果摻氫天然氣在管廊中發(fā)生爆炸事故，障礙物（管廊中的設備）對火焰形態(tài)，流場(chǎng)、超壓、火焰面積均有很大的影響，危險系數將會(huì )直線(xiàn)上升。因此，在實(shí)際工程中應避免或合理布置障礙物。本文研究的管道屬于常規小尺寸的矩形管道，未來(lái)還可以研究變徑管、圓管等實(shí)際生產(chǎn)生活中存在的狹長(cháng)密閉空間，并將研究結果運用到大尺寸實(shí)驗中。

參考文獻：

[1]倪靖，潘劍鋒，姜超，等. 摻氫比對甲烷-氧氣爆轟特性的影響[J]. 爆炸與沖擊，2020，40(04)：25-33.

[2]Wang Y,Zhang X,Li Y. Numerical simulation of methane-hydrogen-air premixed combustion in turbulence [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2023, 48(19): 7122-7133.

[3]Zhang K,Du S,Chen H,Wang J,Zhang J. Effect of hydrogen concentration on the vented explosion of hydrogen–air mixtures in a 5-m-long duct [J]. Process Safety and Environmental Protection, 2022,162：978-986.

作者簡(jiǎn)介：高建豐，1966年生，研究生學(xué)歷，工學(xué)博士，教授，碩士生導師，主要從事油氣儲運安全技術(shù)的教學(xué)和研究工作。聯(lián)系方式：13567693952，gaojf309@126.com。