三种多分支结构坑道内油气爆炸过程的大涡模拟

王建 王冬 张培理 梁建军 刘冲 刘俊家

摘      要：多分支结构坑道在石油化工、天然气工业中应用十分广泛。研究多分支结构坑道内的油气爆炸过程，对避免或减小人员伤亡和财产损失、提高多分支结构坑道的安全防护水平具有重要意义。针对三种多分支结构坑道（一字分布型、交错分布型、相对分布型），采用 WALE 湍流模型和Zimout 预混燃烧模型对上述三种坑道内的油气爆炸过程进行了模拟分析，重点研究了火焰传播速度、火焰面积、超压峰值、超压上升速率等爆炸过程的关键参数。数值模拟结果表明：总容积不变时，一字分布型和交错分布型坑道内的火焰速度、升压速率均大于相对分布型坑道;支坑道数量不变时，一字分布型和交错分布型火焰传播规律相似，但交错型分布坑道内较一字型分布作用更强;数值分析结果表明，火焰传播速度、火焰面积与爆炸超压特性关系密切，三者之间相互耦合、相互激励，存在显著的正反馈机制。

关  键  词：分布形式; 多分支结构;密闭空间;油气;大涡模拟

中图分类号：TE88        文献标识码： A        文章编号：1671-0460（2019）08-1811-05

Abstract： Multi-branched structure tunnels are widely used in petrochemical and natural gas industries. Studying the oil and gas explosion process in multi-branch tunnels is of great significance to avoid or reduce casualties and property losses， and to improve the safety level of multi-branch tunnels. In this paper， the WALE turbulence model and the Zimont premixed combustion model were used to simulate the oil and gas explosion process in three kinds of multi-branched structure tunnels. The key parameters of the explosion process were studied， such as flame propagation speed， flame area， overpressure peak value， overpressure rise rate and so on. The numerical simulation results showed that： when the total volume was constant， the flame propagation speed， overpressure peak and boost rate in the one-line distribution and staggered-type tunnels were larger than those of the relative distribution tunnels; when the number of branch tunnels was unchanged， the flame propagation laws of one-line distribution and staggered-type tunnels were similar， but the staggered distribution tunnel had stronger effect than the one-line distribution tunnel. The numerical analysis results showed that the relationship among flame propagation speed， flame area and explosion overpressure characteristics was close， they were mutually coupled and mutually motivated， and there was a significant positive feedback mechanism.

Key words： Distribution form; Multi-branch structure; Confined space; Oil and gas; Large eddy simulation

在石油化工、天然氣工业中，多分支结构坑道（包括坑道、 巷道等）应用较为广泛，比如坑道工程、城市天然气管网、煤矿开采巷道等。 油气爆炸发生在具有多分支结构的受限空间中时，多分支结构会对燃烧爆炸过程中的热输运和组分输运等过程产生较大影响，与直管或球形容器中的油气爆炸不同，爆炸后爆炸波会往复叠加，压力会明显上升，在传播过程中很可能发展成爆轰波，造成了重大人员伤亡和财产损失[1]。例如，2017年7月，贵州省青龙沙区天然气隧道泄漏爆炸，造成8人死亡，35人受伤; 同年7月，天然气在吉林省松原市宁江区繁华路发生泄漏爆炸。因此，如何控制多分支结构坑道中油气爆燃事故的发生，降低油气爆燃的威胁，减少可能造成的人员伤亡和财产损失，是当前亟待解决的主要课题。

相关领域的专家学者对涉及分支结构的密闭空间可燃气体爆炸传播过程进行了大量研究，取得了一定的成果。王汉良等[2]研究了L型管道，杨志等[3]研究了Z型管道，ZHAI、ZHU等[4，5]研究了U型管道，杜扬、李国庆、蒋新生等[6-9]研究了T型管道，研究发现，上述涉分支结构均对爆炸强度、压力有强化作用，对火焰传播速度有明显加强，结果表明了分支空间结构与可燃气体爆炸特性密切相关。

上述涉分支结构容器内可燃气体爆炸研究，虽然部分涉及了分支坑道，但是，涉及的分支坑道数量较少、形式较单一，研究的系统性和深度也不足以推广至多分支结构坑道内的油气爆炸环境。因此，在实验的基础上，建立了多分支结构封闭坑道油气爆炸的数值模拟模型，深入研究了油气爆炸燃烧特性。这项研究将有助于探索多分支结构坑道中油气的爆炸、燃烧和传播过程规律，极大地丰富了油气爆炸燃烧领域的理论体系，为相关领域提供了理论参考。

1  数值模拟模型

1.1  基本假设

在具有复杂分支结构坑道内的油气爆炸燃烧过程是一个具有强湍流场特征和燃烧反应剧烈的过程，包括热传递和组分传输、流体流动、化学反应和许多其他影响因素。由于上述因素影响，难以建立数值模拟模型。为了保证数值模拟准确可行，在理论模型的构建中，本文做以下假设和简化[10]：

（1）封闭坑道内各组分气体均为理想气体，满足理想气体状态方程;

（2）油气燃烧反应涉及到复杂的多步基元反应，由Lawrence国家实验室发现的C1～C4详细反应机理包括155种成分、689个基元反应[11]。但是为了研究该过程中压力和火焰传播过程中的变化，需要根据烃类化合物燃烧模型的研究将燃烧反应简化为成两步反应：

（3）充斥密闭空间内的油气混合物处于常温常压状态，呈均匀分布;

（4）将壁面边界视为刚性、绝热、光滑和密闭的。

1.2  湍流模型

目前，求解可燃气体爆炸问题的数值方法主要有有直接模拟法（DNS）、雷诺平均法（RANS）和大涡模拟法（LES）[12-14]。在针对可燃气体爆炸的数值模拟计算中，RANS模型和 LES 模型都被广泛采用，为更精确爆燃过程和精细化流场特征，项目组前期对fluent软件的四种常用湍流模型（WALE模型、Dynamic magorinsky-Lilly 模型、RNG k-ε模型和 Reynolds Stress 模型）进行试运算，并将这四种湍流模型的计算结果同相应的实验结果进行对比，以此判定这四种湍流模型的精确度。结果表明，WALE大涡模型计算所得各特征参数与实验结果相比较，误差比其余三种湍流模型计算结果最小[15，16]。因此下文将选用LES计算方法对爆燃过程的湍流信息和流场精细化特征进行仿真研究。

预混气体燃烧中大涡模拟的基本原理是模拟复杂的燃烧化学反应过程和复杂爆炸压力波系统的形成。大涡模型主要由连续性方程、动量方程、能量方程、反应进程变量方程和理想气体状态方程组成：

2  几何模型构建和网格划分

为全面反映不同分布形式的多分支结构坑道油气爆炸火焰-流场-超压的耦合机理以及火焰特殊形态结构特征形成机理，在本文的数值模拟部分，主要建立了3个几何模型工况形式：分别为一字分布型（the lined layout）、相对分布型（the relative layout）、交错分布型（the staggered layout），如图1-a、1-b、1-c所示。

在执行模拟计算之前对计算的几何模型进行网格划分。为保证求解精度，本文采用边长为4 mm 的六面体结构网格对坑道模型进行区域划分，总网格数量为 125 万个。由于爆炸反应持续时间极短，坑道的壁面与火焰锋面之间的热交换极其有限，因而将坑道壁面边界（Wall）都设置为绝热无滑移。初始条件设为：计算区域压力为大气压力，即超压P0=0 Pa;初始反应物选用体积浓度为1.5%的汽油蒸气，层流火焰速度假设为定值0.34 m/s;点火区域的初始温度T0设置为3 000 K，其他区域初始温度T0=300 K;流场初速度以及反应进程变量均初始化为0。在左侧坑道中心位置的封闭端，Patch设定半径为2 mm的半球形（Sphere）点火区域（反应进度变量c=1），用以模拟点火功能[17]。

3  结果分析

3.1  火焰传播过程分析

图2、图3为三种分布形式的多分支坑道内油气爆炸火焰锋面位置以及火焰传播速度的仿真结果的对比，如图所示。从火焰锋面位置曲线可见，三种分布形式的变化趋势相对均匀和一致。随着坑道内反应进程的进行，坑道内火焰前锋距离右侧点火端的距离逐渐增大，增长趋势均呈现单调递增规律，一字分布型和交错分布型曲线近似重合0～40 ms（即火焰从点火段传播到第三个分支的时间区间）一字分布型斜率略大，60 ms（火焰从点火段传播到第四个分支的时间区间）后两者重合，两者斜率皆大于相对分布型。

一字分布型和交错分布型曲线变化趋势相似，火焰传播速度产生四个峰值，对应四个分支结构处的条件变化，其中一字分布型速度峰值高于交错分布型，且20～60 ms区间的锋面位置早于交错分布型，根据仿真结果推测火焰徑向传播至某一侧管壁产生的涡旋会影响火焰的径向传播速度和轻微阻碍火焰的轴向传播速度，因此使得同侧分布分支比交错两侧分布分支的主坑道火焰先传播到下一个分支位置，因此交错分布型主坑道火焰速度峰值大于一字分布型。相对分布型较前两种分布形式主坑道火焰传播速度明显更小，说明总容积不变时，说明总容积不变时，一字分布型和交错分布型较相对分布型火焰爆炸传播过程显著加强。

3.2  爆炸超压与火焰传播耦合关系

结合图4、5进行讨论分析，根据压力上升速率的变化规律曲线来分析，火焰传播过程可划分为从点火到发展的三个阶段。

第一阶段（0到20 ms）为点火初期，火焰锋面还未接触多分支结构坑道，此时反应初始，仅在点火头周围反应，升压速率较低，超压变化幅度非常小。三种分布形式的变化规律呈现单调递增规律，一字分布型和交错分布型升压速率均大于相对分布型。第二阶段（20～126 ms），一字分布型和交错分布型两者曲线基本一致，将其视为等同一并分析。20 ms时，此时一字分布型和交错分布型的火焰锋面前端恰好传播至第一个分支，火焰形状开始变得不规则。并且在20～60 ms 之间，随着火焰传播经过分支数量的增多，超压上升速率也逐渐增大。并且当火焰传播经过四个分支之后，两者的升压速率于70 ms处达到最大峰值。相对分布型轴向火焰传播速度慢于前两者，故升压速率加速过程慢于前两者，于126 ms达到峰值。第三阶段（126 ms之后）由于从该时刻后火焰只在主坑道内传播且多分支结构坑道未燃气体减少引起的火焰局部熄灭，使得火焰面积大幅减少，导致火焰传播速度迅速减小，从而使得升压速率骤然下降，相对分布型升压速率小于于前两者。