摘　要：采用FLUENT軟件模擬了管道天然氣燃爆全過程，對(duì)天然氣燃爆傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值分析，并利用相似參數(shù)的天然氣燃爆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，為預(yù)防和減少天然氣燃爆事故提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管道天然氣；?燃爆；?傳播規(guī)律；?FLUENT

2013年11月22日，青島發(fā)生輸油管道泄漏爆炸事故，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失75172萬元。中新網(wǎng)紐約2014年3月13日?qǐng)?bào)道，紐約曼哈頓東哈萊姆區(qū)住宅樓l2日發(fā)生重大爆炸事故，夷平兩棟建筑物，且至少造成7人死亡，60多人受傷，9人失蹤。其爆炸原因已初步確認(rèn)為煤氣管道泄漏。近年來，天然氣燃爆事故頻繁發(fā)生，給人民生命安全和國家財(cái)產(chǎn)安全造成了極大威脅，嚴(yán)重影響天然氣行業(yè)健康發(fā)展，也給政府主管部門、相關(guān)管理單位以及城鎮(zhèn)燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)造成了嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面影響[1]。天然氣安全已成為政府、企業(yè)、社會(huì)高度關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

通常情況下天然氣輸送管道是安全的，因?yàn)樵诠芫W(wǎng)內(nèi)輸送的天然氣濃度很高，不在天然氣爆炸極限范同內(nèi)，且管道內(nèi)不含氧氣或其它氧化劑，火焰很難在管道內(nèi)產(chǎn)生和傳播。但在特殊條件下，如施工不當(dāng)、第三方破壞、地震、或其它不可預(yù)見的意外事故，就可能造成天然氣管道某處破裂，引起外界空氣進(jìn)入管道形成天然氣與空氣的預(yù)混氣。當(dāng)該預(yù)混氣體達(dá)到爆炸極限時(shí)，一旦遇上火源就具備了天然氣燃爆的必要條件[2]。因此，如何預(yù)防和減少管道天然氣燃爆事故，已成為燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)安全管理亟待解決的問題。本文使用FLUENT進(jìn)行管道天然氣燃爆數(shù)值模擬全過程，給出通過實(shí)驗(yàn)手段難以觀察到的信息。在數(shù)值仿真過程中，以天然氣燃爆傳播理論模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用連續(xù)相計(jì)算方法對(duì)天然氣燃爆在管道內(nèi)的傳播過程進(jìn)行數(shù)值仿真。由于模型尺寸過長(zhǎng)，計(jì)算量過大，特別是對(duì)帶化學(xué)反應(yīng)可壓縮流動(dòng)而言還存在時(shí)間步長(zhǎng)的限制和化學(xué)反應(yīng)帶來“剛性”對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)的限制，計(jì)算量呈數(shù)量級(jí)遞增，計(jì)算極其繁雜冗長(zhǎng)，因此只對(duì)天然氣最佳爆炸濃度9.5％的情況進(jìn)行了FLUENT數(shù)值分析。

天然氣的主要成分為甲烷，具有易燃易爆特性，其燃爆的實(shí)質(zhì)是甲烷和空氣組成的爆炸性混合氣體在高溫誘導(dǎo)下發(fā)生的一種劇烈的化學(xué)反應(yīng)并伴有大量的熱量生成[3]，發(fā)生燃爆時(shí)化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

CH4+2H2O→CO2+2H2O????(2-1)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所知^[4-7]：管道天然氣燃爆傳播實(shí)際上是以沖擊波方式傳播的，隨傳播時(shí)間和空間的推移，沖擊波結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在起始階段，以爆燃波(爆轟波)方式傳播，隨著甲烷&空氣混合氣體反應(yīng)結(jié)束，最后演變?yōu)閴毫Σㄒ援?dāng)?shù)芈曀僭趩渭兛諝饨橘|(zhì)中的傳播。

天然氣在管道中燃爆時(shí)，火焰面在開始呈球面向外界擴(kuò)張，火焰隨之向開口方向傳播。其它部分以壁面和端頭為反射面，反射后強(qiáng)度加大也向管道開口方向傳播?；鹧娓浇鼩怏w因火焰加熱壓力升高，到一定距離(與天然氣口空氣混合氣體暈有關(guān))形成壓力波，壓力波在傳播過程中，碰到管道壁面后發(fā)生反射，并在一定距離上形成平面壓力波。由此可以看出，天然氣燃爆傳播是火焰和壓力波共同傳播的過程^[8]。

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，只要涉及流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)的工程問題都可以用它來進(jìn)行解釋，因此選用FLUENT對(duì)管道天然氣燃爆過程進(jìn)行模擬。

對(duì)管道天然氣燃爆過程的模擬計(jì)算采用流場(chǎng)模擬的方法，因此爆炸發(fā)生場(chǎng)所的幾何建模和計(jì)算網(wǎng)格劃分是必不可少的前處理工作。筆者以Gambit為基礎(chǔ)進(jìn)行天然氣燃爆場(chǎng)所的幾何建模及網(wǎng)格劃分。

3．1．1管道天然氣燃爆的幾何建模

本次模擬研究以DN700mm的圓形管道為原型，建立了長(zhǎng)度為93m，直徑為700mm的二維矩形模型。模型由點(diǎn)火區(qū)域和傳播區(qū)域兩部分構(gòu)成。在模型中共布置了9個(gè)火焰監(jiān)測(cè)點(diǎn)和9個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

考慮到天然氣燃爆發(fā)生場(chǎng)所的復(fù)雜性，本次模擬采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格形成的混合網(wǎng)格，實(shí)際計(jì)算中采用了不規(guī)則四邊形網(wǎng)格處理點(diǎn)火區(qū)域，傳播區(qū)域則采用矩形網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以提供更好的結(jié)構(gòu)邊界相容性，因此管道的邊界區(qū)域音量使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。下圖是局部網(wǎng)格劃分情況：

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3．1．2模型初始條件和邊界條件設(shè)

(1)初始?jí)毫l件為：點(diǎn)火區(qū)域超壓設(shè)置為P=1000Pa；其他區(qū)域超壓為P0=0Pa

(2)初始溫度條件為：點(diǎn)火區(qū)域：T0=1600K；其他區(qū)域：T0=300K

(3)初始速度條件為：整個(gè)區(qū)域初速為零，即V0=0m／s

(4)初始組分條件為：為了簡(jiǎn)化問題，空氣組分定為：氧氣體積分?jǐn)?shù)：22％，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)：78％。

模擬管道壁面按典型的無滑移、無滲透邊界設(shè)定，模型左端設(shè)置為封閉端，右端設(shè)置為泄壓口。

下圖為從天然氣被點(diǎn)火開始，壓力波以球形波形式開始傳播，然后經(jīng)過多次疊加之后逐漸形成了平面波的全過程。

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從圖2中可以看出，壓力波在點(diǎn)火源處以球形向四周傳播；在碰到壁面反射后，反射波與傳播過來的波相互疊加，疊加后壓力明顯有所升高，如E、F中的紅色區(qū)域所示。隨著球形波不斷巹加，最終形成了平面波并向管道兩段傳播。左端壓力波在傳播到端頭后產(chǎn)生了反射，這樣發(fā)射波對(duì)原來向右端傳播的壓力波會(huì)起到一定的推動(dòng)作用，最終導(dǎo)致右邊的壓力波逐漸增強(qiáng)。

下圖為從點(diǎn)火開始，火焰?zhèn)鞑サ某跏及l(fā)展變化情況。隨著程序升溫，環(huán)境溫度不斷升高，天然氣溫度也隨之升高，在此條件下，氧化反應(yīng)越發(fā)劇烈，同時(shí)釋放出的生成物氣體隨即增加，呈現(xiàn)一定的增長(zhǎng)規(guī)律。

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在天然氣被點(diǎn)火的初始階段，火焰以點(diǎn)火區(qū)域?yàn)橹行南蛩闹苈娱_來。其燃燒擴(kuò)展是無規(guī)律性的，但是由于管道右端是開口，又受湍流機(jī)制影響，火焰向開口端發(fā)展的趨勢(shì)要更強(qiáng)烈一些，因此右端的火焰區(qū)域要更大些。

為了驗(yàn)證管道天然氣燃爆數(shù)值模擬的可行性和對(duì)比性，筆者在張延松博士等指導(dǎo)下，在中煤科工集團(tuán)重慶研究院氣體粉塵爆炸防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相似參數(shù)的天然氣燃爆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)大致分為六步：第一步需精確，測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試、校準(zhǔn)，壓力和火焰?zhèn)鞲衅鞯臉?biāo)定和安裝；第二步需嚴(yán)實(shí)，在管道一端進(jìn)行封膜處理，并在此端口附近擺放3-5只隔爆水槽，以免壓力波損壞設(shè)備設(shè)施及環(huán)境；第三步需準(zhǔn)確，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)用天然氣—空氣混合氣體充氣攪拌(大約攪拌35分鐘左右)并不斷測(cè)量其濃度；第四步需及時(shí)，點(diǎn)火起爆，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；第五步需徹底，開啟防爆門對(duì)管道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，以免造成不必要的危害；第六步需牢記，拆回實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行定期檢查和保養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)和模擬一樣，天然氣濃度調(diào)至9.5％，管徑選用DN700mm的圓形管道，長(zhǎng)度為93m，共布置9個(gè)壓力傳感器和9個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鳌?/div>