基于FLUENT的天然氣燃燒爆炸數值模擬與實驗

2016-12-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

作者:陳升國

第一作者單位:重慶燃氣集團股份有限公司

摘自《煤氣與熱力》2015年8月刊

1 概述

近年來,天然氣燃燒爆炸(以下簡稱燃爆)事故頻繁發生,給人民生命安全和國家財產安全造成了極大威脅,嚴重影響天然氣行業的健康發展,也給政府主管部門、城鎮燃氣經營企業造成了嚴重的社會負面影響。天然氣安全一直是政府、企業、社會高度關注的焦點問題。

通常情況下天然氣輸送管道是安全的,因為在管道內輸送的天然氣濃度很高,不在天然氣爆炸極限范圍內,且管道內不含氧氣或其他氧化劑,火焰很難在管道內產生和傳播。但在特殊條件下,如施工不當、第三方破壞、地震或其他不可預見的意外事故,可能造成天然氣管道某處破裂,引起外界空氣進入管道,形成天然氣與空氣的混合氣。當該混合氣達到爆炸極限時,一旦遇上火源就具備了天然氣燃爆的必要條件。因此,如何預防和減少管道天然氣燃爆事故,已成為燃氣經營企業安全管理亟待解決的問題。

2 天然氣燃爆傳播理論分析

天然氣的主要成分為甲烷,具有易燃易爆特性,其燃爆的實質是甲烷和空氣組成的爆炸性混合氣體在高溫誘導下發生的一種劇烈的化學反應并伴有大量的熱量生成,發生燃爆時化學反應方程式如下:

CH4+2O2→CO2+2H2O

根據文獻可知:管道天然氣燃爆傳播實際上是以沖擊波方式傳播的,隨傳播時間和空間的推移,沖擊波結構發生了變化。在起始階段,以爆燃波(爆轟波)方式傳播,隨著甲烷和空氣混合氣體反應結束,最后演變為壓力波以當地聲速在單純空氣介質中傳播。

天然氣在管道中燃爆時,火焰面開始呈球面向外界擴張,并隨之向管道內氣流方向傳播。由于管道壁面粗糙誘導湍流,使火焰發生皺褶,加快火焰的傳播,其運動速度將急劇增大,直到火焰竄出管道之后才會逐漸轉化為緩慢燃燒。火焰附近氣體因火焰加熱壓力升高,到一定距離(與天然氣和空氣的混合氣體量有關)形成壓力波,壓力波在傳播過程中,碰到管道壁面后發生反射,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。

3 管道天然氣燃爆數值模擬

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包,只要涉及流體、熱傳遞及化學反應的工程問題都可以用它來進行模擬,因此選用FLUENT軟件對管道天然氣燃爆過程進行模擬。

3.1 建模和劃分網格

對管道天然氣燃爆過程的模擬計算采用流場模擬的方法,因此爆炸發生場所的幾何建模和計算網格劃分是必不可少的前處理工作。筆者使用Gambit軟件進行天然氣燃爆場所的幾何建模及網格劃分。

3.1.1 管道天然氣燃爆的幾何建模

考慮到天然氣燃爆發生場所的復雜性,本次模擬采用結構網格和非結構網格形成的混合網格,實際計算中采用了不規則四邊形網格處理點火區域,傳播區域則采用矩形網格。結構網格可以提供更好的結構邊界相容性,因此管道的邊界區域使用結構網格劃分。局部網格劃分見圖1。

圖1 局部網格劃分

3.1.2 模型初始條件和邊界條件設置

①初始壓力條件:發生燃爆時,火源位置產生的壓力相當大。鑒于此,設置點火區域壓力為1 kPa,其他區域壓力為0 Pa。

②初始溫度條件:點火區域為1 600 K,其他區域為300 K。

③初始速度條件:整個區域初始速度為0 m/s。

④初始組成條件:為了簡化問題,空氣組成定為氧氣體積分數為22%,氮氣體積分數為78%。

⑤為簡化初始條件,天然氣用CH4替代。

模擬管道壁面按典型的無滑移、無滲透邊界設定,模型左端設置為封閉端,右端設置為泄壓口,使之與實驗裝置盡量保持一致。

3.2 壓力波發展傳播過程分析

天然氣燃爆壓力波發展傳播過程見圖2,顯示了從天然氣被點火開始,壓力波以球形波開始傳播,經過多次疊加之后逐漸形成平面波的全過程。

圖2 天然氣燃爆壓力波發展傳播過程

從圖2可以看出,壓力波在點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,疊加后壓力明顯升高,如e、f中的紅色區域。隨著球形波不斷疊加,最終形成了平面波并向管道兩端傳播。左端壓力波在傳播到端頭后產生了反射,這樣反射波對原來向右端傳播的壓力波會起到一定的推動作用,最終導致右邊的壓力波逐漸增強。

3.3 火焰傳播過程分析

圖3為從點火開始,火焰傳播的初始發展變化情況。在天然氣被點火的初始階段,火焰以點火區域為中心向四周蔓延開來。其燃燒擴展是無規律性的,但是由于管道右端是開口,又受湍流機制影響,火焰向開口端發展的趨勢更強烈一些,因此右端的火焰區域要更大些。

圖3 初始階段火焰變化趨勢

4 數值模擬結果與實驗結果的對比分析

實驗和模擬一樣,管道內天然氣體積分數調至9.5%,選用DN 700 mm的圓形管道,長度為93 m,共布置9個壓力傳感器和9個火焰傳感器,壓力傳感器和火焰傳感器分別在管道直徑的兩端相對布置,具體布置見圖4。圖4中相應的測點位置的尺寸標注是指該測點距封閉端的距離。

圖4 傳感器布置

4.1 壓力波傳播模擬結果和實驗結果的對比分析

天然氣體積分數為9.5%的混合氣在管道內燃爆時,各測點實驗最大壓力和模擬最大壓力的對比見圖5。從圖5可以看出,壓力波的模擬結果與實驗結果存在一定差異,模擬值在距離管道最左端10~50 m范圍內以及55~65 m范圍內要明顯大于實驗值,可能與模擬時壁面條件的設定有關,數值模擬中壁面設定為光滑,而實際管道的壁面粗糙,因此天然氣燃爆傳播過程中損耗了部分能量,使得壓力有所降低。而在出口附近模擬值逐漸降低,這與實驗值逐漸升高的趨勢正好相反,這是由于實驗中在出口處進行了封膜處理,這就對出口附近的壓力波造成擾動,使得壓力升高,而模擬中出口處沒有做任何處理,因此泄壓后壓力是降低的。從曲線的變化趨勢來看,管道天然氣燃爆時最大壓力都是在爆源點附近先降低,然后上升到某一峰值后再逐漸衰減。

圖5 天然氣體積分數為9.5%的混合氣爆燃時各測點實驗最大壓力和模擬最大壓力的對比

4.2 火焰傳播模擬結果和實驗結果的對比分析

模擬和實驗時火焰在各測點的呈現時間對比見圖6。從圖6可以看出,模擬時和實驗時火焰呈現時間與測點距離的關系是一致的,都是隨著距離的增大,火焰呈現時間單調遞增,但是模擬的各測點火焰呈現時間要比實驗時火焰呈現時間長,這可能與管壁的粗糙程度有關系。

圖6 模擬和實驗時火焰在各測點的呈現時間對比

管道天然氣燃爆時火焰傳播速度計算公式為:

火焰傳播速度沿管道的變化情況見圖7。由圖7可以看出,由于點火位置不是在封閉端口中央而是在管壁靠近封閉端1.3 m處,造成火焰傳播至封閉端口后形成了反射火焰,因此剛開始火焰傳播速度有所減小,但是隨著傳播距離的增大,火焰傳播速度增大,達到峰值后速度降低,在靠近出口處,實驗值又有所上升,而模擬值降低。這可能是由于實驗時有封膜處理并且管壁粗糙以及測試處的極度凹凸造成了對火焰的擾動,而模擬時假設管壁光滑且無封膜處理,因此導致火焰傳播速度實驗值均大于模擬值。出口處模擬值下降而實驗值上升是由于模擬時無封膜處理所致。因此整體來說,火焰傳播速度模擬結果和實驗結果是基本吻合的。

圖7 模擬和實驗所得的各測點火焰傳播速度

5 天然氣燃爆的微觀解釋

用Fluent軟件模擬出了隨著管道內天然氣的逐漸消耗,其對應的燃燒反應速率、火焰波陣面以及壓力波陣面的變化趨勢,這是實驗無法觀測到的,見圖8。圖8a中藍色區域為天然氣已經消耗的區域,紅色區域為天然氣未消耗的區域。

圖8 燃燒反應速率、火焰波陣面及壓力波陣面與天然氣消耗量之間的關系

在模擬管道內隨機截取了天然氣燃爆過程中5個不同時刻下各參數的云圖,時間分別為點火后第263、305、342、361、402 ms。由圖8可以看出,在某個時刻,當管道內燃燒的天然氣消耗量達到某位置時,相對應的天然氣燃燒反應速率和火焰波陣面也到達同一位置,然而此時壓力波陣面是超前此位置的。這正好從模擬的角度合理解釋了管道天然氣燃爆時傳播中的兩波三區結構,即火焰波陣面和壓力波陣面形成了三個區域,分別為天然氣和空氣混合氣體的初始狀態、前驅沖擊波通過后的狀態、爆燃波陣面通過后的狀態,且壓力波陣面超前火焰波陣面。

6 結語

隨著天然氣市場的不斷開拓,龐大的管網系統和多樣化的用氣環境給安全管理工作提出了更高的要求。筆者采用FLUENT軟件模擬出了管道天然氣燃爆的全過程,并結合模擬參數下的實驗數據對比分析了天然氣燃爆時壓力和火焰的傳播規律,給出了實驗無法觀測到的一些物理化學變化規律,為預防和減少天然氣燃爆事故提供了理論依據,對天然氣行業安全技術研究具有一定的借鑒意義。

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