工业弯管泄爆位置对爆炸压力的影响规律研究.pdf
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1、消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期消防理论研究工业弯管泄爆位置对爆炸压力的影响规律研究田雷,毕海普(常州大学 安全科学与工程学院,江苏 常州 213164)摘要:为研究弯管泄爆对管内气体爆炸参数的影响,基于试验研究和数值模拟分析管道泄爆状态下爆炸压力的变化规律。研究结果表明:试验条件下,封闭管道弯头最大爆炸压力位于 4.727 m 处(达 0.437 MPa),泄爆后该点最大爆炸压力降低了13.5%。泄爆口位置变化对爆炸压力的最大影响点位于弯管内4.772 m 处,当泄爆口位于 4.757 m 时,4.8 m 处测得最大爆炸压力降低 9.84%,包含爆炸前期由于诱导爆炸
2、前驱波的明显泄放效果和爆炸后期由于冲击波反射叠加、压力积聚的泄放效果弱化。随着泄爆口位置和点火点之间的距离的增大,泄爆后弯管处最大爆炸压力先减小后增大,呈一维高斯函数分布,4.786 m之后泄爆后最大爆炸压力比封闭管道时降低;而泄爆口处最大爆炸压力随与点火源之间的距离增大而单调减小,呈指数函数分布。关键词:气体爆炸;爆炸压力;爆炸泄压;数值模拟;90弯曲管材中图分类号:X932;O381 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)11-1477-05液化石油气(LPG)由于其热值高、无烟尘、无炭渣,操作使用方便,作为燃料已广泛进入人们的生活领域。LPG 主要通过管道运输,输运管线
3、复杂,爆炸事故后果严重。弯管作为最常见的变向管道,在工业输送管网中被大量应用。因此,研究分析弯管对了解事故发生和防控尤为重要。田慧玲等1研究了不同转弯角度对管道内甲烷爆炸传播特性的影响。LIN B Q 等2研究了 U 形管道对可燃气体爆炸的影响,认为拐弯处的破坏力很大。刘斐斐等3模拟研究了管道内氢气爆燃转爆轰及其抑制过程,结果表明,泄爆口位于管道中部时能降低管道内爆轰超压,起到较好的泄爆效果。WAN S J 等4研究了侧面泄爆位置对甲烷-空气爆炸特性的影响,结果表明,随着侧排气口与着火点距离的增加,超压峰值逐渐增大,且达到超压峰值的时间被推迟。ALEXIOU A 等5研究了侧向泄爆口位置对容器
4、中气体爆炸的影响,发现侧向泄放超压峰值要大于末端泄爆工况。周宁等6研究了侧向泄爆口对预混氢气-空气燃爆特性的影响,结果表明,泄爆口附近产生的涡团使压力在泄爆后出现大幅度震荡。GUO J等7重点研究了泄爆口面积和位置分布对于压力积聚和火焰传播特性的影响,试验表明,泄爆口附近的压力可能会暂时超过内部压力。万少杰8和王泽9研究了侧向泄爆对甲烷爆炸特性影响规律,结果表明,泄放效果并不随泄爆口与点火源距离增加而增加。目前学者们对 90弯管的试验研究主要集中于弯曲结构对火焰传播特性的影响,或者是研究管道末端不同封闭情况对爆炸参数的影响,而对弯管处泄爆位置及泄爆后爆炸参数传播特性的研究较少。因此,笔者通过构
5、建管道模型,模拟弯管不同位置处侧壁开口泄爆对管内外爆炸压力的影响变化规律,以期为预防事故、优化管道结构参数提供支撑。1模拟仿真与验证基于可燃气体输运管道特点,搭建气体爆炸试验 90管道平台,并在 FLACS 21.0软件中建立等比数值模拟管道模型。计算模型包括基本控制方程、湍流模型、预混湍流燃烧模型、火焰模型、燃烧模型和热损失模型等一系列基本模型10。1.1基本控制方程本文研究质量、动量、能量控制方程如式(1)所示。t()+xj(ui)=xj(xj)+S(1)式中:为通用求解变量(包括质量、动量、能量等变量);t为时间坐标,s;为密度,kg/m3;xj为 j 方向上的积分;ui为 i方向上的速
6、度分量,m/s;为广义扩散系数;S为广义源项。标准双方程模型加速流动为完全湍流,分子黏性的影响可以忽略,并且它是一个涡黏模型,一种用于湍流动能,一种用于湍流动能的耗散,较适合本研究物理模型和研究工况,因此采用标准双方程 k-模型计算湍流,湍流动能及湍流动能的耗散方程定义,如式(2)式(3)所示。t(k)+xi(uik)=xj(effkkxi)+G-(2)t()+xi(ui)=xi(effRxi)+C1G-C22k(3)式中:k为湍流动能,m2/s2;eff为有效黏性;为湍流动能耗散率,m2/s3;C1、C2、k、R为模型常数,分别取值 1.44、1.92、1.30、1.00;G为湍动能的产生项
7、11。1.2物理模型建立根 据 工 业 管 道 特 点 设 置 内 径 为 0.125 m、外 径 为基金项目:江苏省科技副总项目(FZ20211438);江苏省产学研合作项目(BY20221168);泰州市科技项目(TS202209);常州市科技项目(CE20205051)1477Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.110.185 m的带有 90弯头的模型管道见图 1。模型的建立:首先在 Add menu 中借助“Cylinder”以及布尔操作等组合命令进行基础模型的构建,利用坐标确定位置,通过 CASD 执行对图 1(a)
8、的几何模型建立任务,然后借助“Grid-Simulation Volume”确定仿真区域,此区 域 通 常 比 模 型 所 在 区 域 大,继 而 借 助“Region-No_of_control_volumes”对 x 轴、y 轴和 z 轴进行网格数据的填写,以此完成对网格的划分。为确保模拟的精准度,采 用 均 匀 网 格 划 分,网 格 密 度 为 13 mm13 mm13 mm,计算区域中 x、y 与 z 轴上的网格数分别为 489、253、21,管道模型及网格划分如图 1(a)所示。其中长直管段A 长度为 4.6 m,短直管段 B 长度为 1.8 m,弯曲处 C 长度为 0.7 m。A
9、 段前端 2.1 m 设置为燃料区,燃料填充 0.125 m 的管内空间,并在 2.1 m 处设置爆破片,类型为 Popout的泄爆膜,泄爆膜功能与实际状态接近。并在数值模拟中设置管道的热交换,使其更接近工业实际。数值模拟的监测点数量和位置与试验布置相同,初始参数设置如下:丙烷体积分数为 4%,室内温度为 20,初始压力为0.1 MPa,边界条件选用 Eluer方程。数值模拟主要通过前处理器 CASD、求解器 Runmanager 与后处理模块 Flowvis 等进行模拟计算。后处理模块能够通过一维、二维与三维可视化方式展示相应的计算结果12。1.3计算结果分析本文基于数值模拟管道模型搭建试验
10、平台,试验平台主要由 5大系统构成:数据采集系统、点火系统、配气系统、管道试验系统以及其他辅助设施。试验管道内径为0.125 m,如图 1(b)所示。数据采集系统包括火焰传感器、压力传感器和 TST3406数据采集处理系统;其中火焰传感器设置在弯管外侧弧线管壁上,型号为 CKG100,可以将光信号转换为电信号。压力传感器设置在管道平面上侧管壁上,火焰传感器设置在距离点火点 1.25、2.70、4.20、4.80、5.20 m 处,见图 1(a)中 15。压力传感器设置在 1.25、2.70、4.20、4.80、6.80 m 处,见图 1(a)中 1、2、3、4和 6。点火系统设置在 A 段端口
11、处,可产生 18 J的点火能量。本文以丙烷作为试验气体,丙烷-空气预混气体的体积分数为 4%,取 3次试验的平均值作为试验数据。监 测 点 处 试 验 数 据 和 数 值 模 拟 数 据 结 果 对 比见图 2。试验管道和数值模拟设置的压力传感器和火焰传感器的测量值如图 2所示。由图 2(a)可得,试验和数值模拟所得的最大爆炸压力相差不超过 0.037 9 MPa,相对误差为 12.43%。由图 2(b)可得,试验的火焰传播速度略大于数值模拟的,但总体变化趋势相同,相对误差为 17.06%,根据 LIU Z 等13将误差控制在 20%,可以得出物理模型是合理的。因此,数值模拟与试验测试结果比较
12、吻合。2弯管泄爆口位置对爆炸参数的影响研究以 90管道弯头为例,研究管内爆炸冲击波超压导致弯头处侧壁破损泄爆情况下,可燃气体爆炸事故参数衰减规律变化。基于试验测试和数值模拟得到管内压力分布规律,首先在弯头最大承压处开口,即(4.727,-0.038)处,泄爆口形状为圆形,R=0.02 m,研究泄爆前后状态下对最大点火源1A2320C475B6yx压力传感器(管道上壁):1、2、3、4、6火焰传感器(管道外弧侧壁):1、2、3、4、5(a)数值模拟管道模型(b)气体试验管道模型图 1模型管道与试验管道Fig.1Model pipeline and experimental pipeline距点火
13、端距离/m1.25 2.70 4.20 4.800.400.320.240.160.080.00最大爆炸压力/MPa试验模拟(a)最大爆炸压力验证距点火端距离/m1 2 3 4 5 65004003002001000火焰传播平均速度/m/s试验模拟S1S2S2S3S3S4S4 S5(b)火焰传播速度验证图 2数值模拟和气体试验结果验证Fig.2Numerical simulation and verification of gas experimental results爆炸压力的影响规律。2.1弯管泄爆前后最大爆炸压力对比首先仅选择在最大承压处设置泄爆口,研究弯头处泄爆前后对最大爆炸压力的影
14、响,见图 3。图 3(a)是两种状态下测得的最大爆炸压力,可以明显看出,封闭管道的最大爆炸压力为 0.437 MPa,大于泄爆状态下 0.378 MPa 的最大爆炸压力,增幅为 13.5%,说明在弯头处设置泄爆口对降低此处的最大爆炸压力作用明显。因泄爆口的存在和管道结构特殊,冲击波状态由层流改为紊流,冲击波由泄爆口冲出,此时压力泄放起主要作用,导致压力降低,图 3(b)中测量的数据和图 5也佐证了这一现象。由图 3(b)可以看出,在点火端附近,即图 1(a)中 1和2 处,两种管道状态下的爆炸压力大致相同,在直管段 A末端的差值仅为 0.004 MPa,因管壁光滑,且火焰初期以层流状态传播,产
15、生的压力较为稳定。越接近泄爆口处,最大爆炸压力变化幅度越大,火焰阵面到达弯头及泄爆口处,压力泄放起主要作用,且弯头结构改变了火焰阵面的燃烧面积和冲击波流动状态,产生了附加湍流,使其爆炸强度增加。p5处测得的爆炸压力明显高于其余 4处,正常管道测得的最大爆炸压力为 0.804 MPa,而泄爆状态下的最大爆炸压力为 0.786 MPa,降低了 0.018 MPa,降幅为2.23%,因泄爆口的存在,导致部分压力冲出,造成爆炸超压损失降低。在前驱波和管壁约束二者共同作用下,大量未燃气体集中在末端,其压强、温度和气体密度急剧升高,当火焰阵面到达时,点燃未燃气体,发生化学反应并释放大量热量,压力迅速回升。
16、2.2泄爆口位置对爆炸压力的影响在 2.1 的基础上,依同样方法在距离点火源 4.696、4.727、4.757、4.786、4.815、4.839、4.862、4.874 m 处管道上设置 8 个泄爆口,均为 R=0.02 m 的圆形泄爆口,得到泄爆口位置与爆炸压力的变化曲线,见图 4。由图 4(a)可以看出,泄爆口对爆炸压力的影响体现在管道弯头处 p4监测点。其中,当泄爆口位置设在 4.757 m 时,监 测 点 的 爆 炸 压 力 最 大,而 当 泄 爆 口 位 置 选 在4.786 m 时,监测点的爆炸压力最小,说明泄爆口位置的变化对爆炸压力的降低有直接影响。由图 4(b)可以看出,监
17、测点 p4 处最大爆炸压力随泄爆口位置距点火点距离增大而先增大后减小,再以较缓慢的趋势增长。此工况下,传感器测得最大爆炸压力为0.394 MPa,相较于封闭管道最大爆炸压力降低 9.84%,进一步说明泄爆口位置直接影响爆炸压力降低程度。当泄爆口位于 4.757 m 之前,泄爆口并不在前驱冲击波的前进方向上,泄爆口的诱导作用对火焰阵面和前驱波流动传播的影响程度较轻,压力释放不明显,以压力积聚效应为主,爆炸压力增强。当泄爆口设在 4.757 m 之后,因前驱波倾向于向管外低压区域传播,泄爆口诱导作0.40.200.00 0.05 0.10 0.15爆炸压力/MPa时间/s0.00 0.05 0.1
18、0 0.15(b)泄爆后泄爆管道监测点爆炸压力变化图(a)泄爆前封闭管道监测点爆炸压力变化图爆炸压力/MPa0.40.20时间/s监测点编号p1 p2 p3 p4 p51.00.80.60.40.20.0最大爆炸压力/MPa封闭管道泄爆管道(c)管内监测点处最大爆炸压力图 3两种工况下监测点处最大爆炸压力对比Fig.3Comparison of maximum explosion pressure at the monitoring point under two working conditions泄爆口工况0 1 2 3 4 5 6 7 80.400.390.380.370.360.350
19、.340.33最大爆炸压力/MPa(a)不同工况下监测点 p4处最大爆炸压力监测点位置/m0 2 4 60.80.60.40.2最大爆炸压力/MPa(b)不同工况下爆炸压力随位置变化曲线4.696 m4.727 m4.757 m4.786 m4.815 m4.839 m4.862 m4.874 m监测点位置/m最大爆炸压力/MPa0.420.390.360.330.303.0 3.3 3.6 3.9 4.2图 4不同工况下的爆炸压力变化Fig.4Changes in explosion pressure under different working conditions1478消防科学与技术
20、2023年 11 月第 42 卷第 11 期爆炸压力的影响规律。2.1弯管泄爆前后最大爆炸压力对比首先仅选择在最大承压处设置泄爆口,研究弯头处泄爆前后对最大爆炸压力的影响,见图 3。图 3(a)是两种状态下测得的最大爆炸压力,可以明显看出,封闭管道的最大爆炸压力为 0.437 MPa,大于泄爆状态下 0.378 MPa 的最大爆炸压力,增幅为 13.5%,说明在弯头处设置泄爆口对降低此处的最大爆炸压力作用明显。因泄爆口的存在和管道结构特殊,冲击波状态由层流改为紊流,冲击波由泄爆口冲出,此时压力泄放起主要作用,导致压力降低,图 3(b)中测量的数据和图 5也佐证了这一现象。由图 3(b)可以看出
21、,在点火端附近,即图 1(a)中 1和2 处,两种管道状态下的爆炸压力大致相同,在直管段 A末端的差值仅为 0.004 MPa,因管壁光滑,且火焰初期以层流状态传播,产生的压力较为稳定。越接近泄爆口处,最大爆炸压力变化幅度越大,火焰阵面到达弯头及泄爆口处,压力泄放起主要作用,且弯头结构改变了火焰阵面的燃烧面积和冲击波流动状态,产生了附加湍流,使其爆炸强度增加。p5处测得的爆炸压力明显高于其余 4处,正常管道测得的最大爆炸压力为 0.804 MPa,而泄爆状态下的最大爆炸压力为 0.786 MPa,降低了 0.018 MPa,降幅为2.23%,因泄爆口的存在,导致部分压力冲出,造成爆炸超压损失降
22、低。在前驱波和管壁约束二者共同作用下,大量未燃气体集中在末端,其压强、温度和气体密度急剧升高,当火焰阵面到达时,点燃未燃气体,发生化学反应并释放大量热量,压力迅速回升。2.2泄爆口位置对爆炸压力的影响在 2.1 的基础上,依同样方法在距离点火源 4.696、4.727、4.757、4.786、4.815、4.839、4.862、4.874 m 处管道上设置 8 个泄爆口,均为 R=0.02 m 的圆形泄爆口,得到泄爆口位置与爆炸压力的变化曲线,见图 4。由图 4(a)可以看出,泄爆口对爆炸压力的影响体现在管道弯头处 p4监测点。其中,当泄爆口位置设在 4.757 m 时,监 测 点 的 爆 炸
23、 压 力 最 大,而 当 泄 爆 口 位 置 选 在4.786 m 时,监测点的爆炸压力最小,说明泄爆口位置的变化对爆炸压力的降低有直接影响。由图 4(b)可以看出,监测点 p4 处最大爆炸压力随泄爆口位置距点火点距离增大而先增大后减小,再以较缓慢的趋势增长。此工况下,传感器测得最大爆炸压力为0.394 MPa,相较于封闭管道最大爆炸压力降低 9.84%,进一步说明泄爆口位置直接影响爆炸压力降低程度。当泄爆口位于 4.757 m 之前,泄爆口并不在前驱冲击波的前进方向上,泄爆口的诱导作用对火焰阵面和前驱波流动传播的影响程度较轻,压力释放不明显,以压力积聚效应为主,爆炸压力增强。当泄爆口设在 4
24、.757 m 之后,因前驱波倾向于向管外低压区域传播,泄爆口诱导作0.40.200.00 0.05 0.10 0.15爆炸压力/MPa时间/s0.00 0.05 0.10 0.15(b)泄爆后泄爆管道监测点爆炸压力变化图(a)泄爆前封闭管道监测点爆炸压力变化图爆炸压力/MPa0.40.20时间/s监测点编号p1 p2 p3 p4 p51.00.80.60.40.20.0最大爆炸压力/MPa封闭管道泄爆管道(c)管内监测点处最大爆炸压力图 3两种工况下监测点处最大爆炸压力对比Fig.3Comparison of maximum explosion pressure at the monitori
25、ng point under two working conditions泄爆口工况0 1 2 3 4 5 6 7 80.400.390.380.370.360.350.340.33最大爆炸压力/MPa(a)不同工况下监测点 p4处最大爆炸压力监测点位置/m0 2 4 60.80.60.40.2最大爆炸压力/MPa(b)不同工况下爆炸压力随位置变化曲线4.696 m4.727 m4.757 m4.786 m4.815 m4.839 m4.862 m4.874 m监测点位置/m最大爆炸压力/MPa0.420.390.360.330.303.0 3.3 3.6 3.9 4.2图 4不同工况下的爆炸
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