搜索基于FLUENT的天然气燃烧爆炸数值模拟与实验
2016-12-25 by:CAE仿真在线 来源:互联网
作者:陈升国
第一作者单位:重庆燃气集团股份有限公司
摘自《煤气与热力》2015年8月刊
1 概述
近年来,天然气燃烧爆炸(以下简称燃爆)事故频繁发生,给人民生命安全和国家财产安全造成了极大威胁,严重影响天然气行业的健康发展,也给政府主管部门、城镇燃气经营企业造成了严重的社会负面影响。天然气安全一直是政府、企业、社会高度关注的焦点问题。
通常情况下天然气输送管道是安全的,因为在管道内输送的天然气浓度很高,不在天然气爆炸极限范围内,且管道内不含氧气或其他氧化剂,火焰很难在管道内产生和传播。但在特殊条件下,如施工不当、第三方破坏、地震或其他不可预见的意外事故,可能造成天然气管道某处破裂,引起外界空气进入管道,形成天然气与空气的混合气。当该混合气达到爆炸极限时,一旦遇上火源就具备了天然气燃爆的必要条件。因此,如何预防和减少管道天然气燃爆事故,已成为燃气经营企业安全管理亟待解决的问题。
2 天然气燃爆传播理论分析
天然气的主要成分为甲烷,具有易燃易爆特性,其燃爆的实质是甲烷和空气组成的爆炸性混合气体在高温诱导下发生的一种剧烈的化学反应并伴有大量的热量生成,发生燃爆时化学反应方程式如下:
CH4+2O2→CO2+2H2O
根据文献可知:管道天然气燃爆传播实际上是以冲击波方式传播的,随传播时间和空间的推移,冲击波结构发生了变化。在起始阶段,以爆燃波(爆轰波)方式传播,随着甲烷和空气混合气体反应结束,最后演变为压力波以当地声速在单纯空气介质中传播。
天然气在管道中燃爆时,火焰面开始呈球面向外界扩张,并随之向管道内气流方向传播。由于管道壁面粗糙诱导湍流,使火焰发生皱褶,加快火焰的传播,其运动速度将急剧增大,直到火焰窜出管道之后才会逐渐转化为缓慢燃烧。火焰附近气体因火焰加热压力升高,到一定距离(与天然气和空气的混合气体量有关)形成压力波,压力波在传播过程中,碰到管道壁面后发生反射,并在一定距离上形成平面压力波。由此可以看出,天然气燃爆传播是火焰和压力波共同传播的过程。
3 管道天然气燃爆数值模拟
FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包,只要涉及流体、热传递及化学反应的工程问题都可以用它来进行模拟,因此选用FLUENT软件对管道天然气燃爆过程进行模拟。
3.1 建模和划分网格
对管道天然气燃爆过程的模拟计算采用流场模拟的方法,因此爆炸发生场所的几何建模和计算网格划分是必不可少的前处理工作。笔者使用Gambit软件进行天然气燃爆场所的几何建模及网格划分。
3.1.1 管道天然气燃爆的几何建模
考虑到天然气燃爆发生场所的复杂性,本次模拟采用结构网格和非结构网格形成的混合网格,实际计算中采用了不规则四边形网格处理点火区域,传播区域则采用矩形网格。结构网格可以提供更好的结构边界相容性,因此管道的边界区域使用结构网格划分。局部网格划分见图1。
图1 局部网格划分
3.1.2 模型初始条件和边界条件设置
①初始压力条件:发生燃爆时,火源位置产生的压力相当大。鉴于此,设置点火区域压力为1 kPa,其他区域压力为0 Pa。
②初始温度条件:点火区域为1 600 K,其他区域为300 K。
③初始速度条件:整个区域初始速度为0 m/s。
④初始组成条件:为了简化问题,空气组成定为氧气体积分数为22%,氮气体积分数为78%。
⑤为简化初始条件,天然气用CH4替代。
模拟管道壁面按典型的无滑移、无渗透边界设定,模型左端设置为封闭端,右端设置为泄压口,使之与实验装置尽量保持一致。
3.2 压力波发展传播过程分析
天然气燃爆压力波发展传播过程见图2,显示了从天然气被点火开始,压力波以球形波开始传播,经过多次叠加之后逐渐形成平面波的全过程。
图2 天然气燃爆压力波发展传播过程
从图2可以看出,压力波在点火源处以球形向四周传播;在碰到壁面反射后,反射波与传播过来的波相互叠加,叠加后压力明显升高,如e、f中的红色区域。随着球形波不断叠加,最终形成了平面波并向管道两端传播。左端压力波在传播到端头后产生了反射,这样反射波对原来向右端传播的压力波会起到一定的推动作用,最终导致右边的压力波逐渐增强。
3.3 火焰传播过程分析
图3为从点火开始,火焰传播的初始发展变化情况。在天然气被点火的初始阶段,火焰以点火区域为中心向四周蔓延开来。其燃烧扩展是无规律性的,但是由于管道右端是开口,又受湍流机制影响,火焰向开口端发展的趋势更强烈一些,因此右端的火焰区域要更大些。
图3 初始阶段火焰变化趋势
4 数值模拟结果与实验结果的对比分析
实验和模拟一样,管道内天然气体积分数调至9.5%,选用DN 700 mm的圆形管道,长度为93 m,共布置9个压力传感器和9个火焰传感器,压力传感器和火焰传感器分别在管道直径的两端相对布置,具体布置见图4。图4中相应的测点位置的尺寸标注是指该测点距封闭端的距离。
图4 传感器布置
4.1 压力波传播模拟结果和实验结果的对比分析
天然气体积分数为9.5%的混合气在管道内燃爆时,各测点实验最大压力和模拟最大压力的对比见图5。从图5可以看出,压力波的模拟结果与实验结果存在一定差异,模拟值在距离管道最左端10~50 m范围内以及55~65 m范围内要明显大于实验值,可能与模拟时壁面条件的设定有关,数值模拟中壁面设定为光滑,而实际管道的壁面粗糙,因此天然气燃爆传播过程中损耗了部分能量,使得压力有所降低。而在出口附近模拟值逐渐降低,这与实验值逐渐升高的趋势正好相反,这是由于实验中在出口处进行了封膜处理,这就对出口附近的压力波造成扰动,使得压力升高,而模拟中出口处没有做任何处理,因此泄压后压力是降低的。从曲线的变化趋势来看,管道天然气燃爆时最大压力都是在爆源点附近先降低,然后上升到某一峰值后再逐渐衰减。
图5 天然气体积分数为9.5%的混合气爆燃时各测点实验最大压力和模拟最大压力的对比
4.2 火焰传播模拟结果和实验结果的对比分析
模拟和实验时火焰在各测点的呈现时间对比见图6。从图6可以看出,模拟时和实验时火焰呈现时间与测点距离的关系是一致的,都是随着距离的增大,火焰呈现时间单调递增,但是模拟的各测点火焰呈现时间要比实验时火焰呈现时间长,这可能与管壁的粗糙程度有关系。
图6 模拟和实验时火焰在各测点的呈现时间对比
管道天然气燃爆时火焰传播速度计算公式为:
火焰传播速度沿管道的变化情况见图7。由图7可以看出,由于点火位置不是在封闭端口中央而是在管壁靠近封闭端1.3 m处,造成火焰传播至封闭端口后形成了反射火焰,因此刚开始火焰传播速度有所减小,但是随着传播距离的增大,火焰传播速度增大,达到峰值后速度降低,在靠近出口处,实验值又有所上升,而模拟值降低。这可能是由于实验时有封膜处理并且管壁粗糙以及测试处的极度凹凸造成了对火焰的扰动,而模拟时假设管壁光滑且无封膜处理,因此导致火焰传播速度实验值均大于模拟值。出口处模拟值下降而实验值上升是由于模拟时无封膜处理所致。因此整体来说,火焰传播速度模拟结果和实验结果是基本吻合的。
图7 模拟和实验所得的各测点火焰传播速度
5 天然气燃爆的微观解释
用Fluent软件模拟出了随着管道内天然气的逐渐消耗,其对应的燃烧反应速率、火焰波阵面以及压力波阵面的变化趋势,这是实验无法观测到的,见图8。图8a中蓝色区域为天然气已经消耗的区域,红色区域为天然气未消耗的区域。
图8 燃烧反应速率、火焰波阵面及压力波阵面与天然气消耗量之间的关系
在模拟管道内随机截取了天然气燃爆过程中5个不同时刻下各参数的云图,时间分别为点火后第263、305、342、361、402 ms。由图8可以看出,在某个时刻,当管道内燃烧的天然气消耗量达到某位置时,相对应的天然气燃烧反应速率和火焰波阵面也到达同一位置,然而此时压力波阵面是超前此位置的。这正好从模拟的角度合理解释了管道天然气燃爆时传播中的两波三区结构,即火焰波阵面和压力波阵面形成了三个区域,分别为天然气和空气混合气体的初始状态、前驱冲击波通过后的状态、爆燃波阵面通过后的状态,且压力波阵面超前火焰波阵面。
6 结语
随着天然气市场的不断开拓,庞大的管网系统和多样化的用气环境给安全管理工作提出了更高的要求。笔者采用FLUENT软件模拟出了管道天然气燃爆的全过程,并结合模拟参数下的实验数据对比分析了天然气燃爆时压力和火焰的传播规律,给出了实验无法观测到的一些物理化学变化规律,为预防和减少天然气燃爆事故提供了理论依据,对天然气行业安全技术研究具有一定的借鉴意义。
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