搜索基于FLUENT的天然氣燃燒爆炸數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)
2016-12-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
作者:陳升國
第一作者單位:重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)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(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)的健康發(fā)展,也給政府主管部門、城鎮(zhèn)燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)造成了嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面影響。天然氣安全一直是政府、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)樵诠艿纼?nèi)輸送的天然氣濃度很高,不在天然氣爆炸極限范圍內(nèi),且管道內(nèi)不含氧氣或其他氧化劑,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、地震或其他不可預(yù)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(jìn)入管道,形成天然氣與空氣的混合氣。當(dāng)該混合氣達(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。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)營企業(yè)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(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,發(fā)生燃爆時(shí)化學(xué)反應(yīng)方程式如下:
CH4+2O2→CO2+2H2O
根據(jù)文獻(xiàn)可知: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,隨著甲烷和空氣混合氣體反應(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)中傳播。
天然氣在管道中燃爆時(shí),火焰面開始呈球面向外界擴(kuò)張,并隨之向管道內(nèi)氣流方向傳播。由于管道壁面粗糙誘導(dǎo)湍流,使火焰發(fā)生皺褶,加快火焰的傳播,其運(yùn)動(dòng)速度將急劇增大,直到火焰竄出管道之后才會(huì)逐漸轉(zhuǎn)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(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。
3 管道天然氣燃爆數(shù)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(xué)反應(yīng)的工程問題都可以用它來進(jìn)行模擬,因此選用FLUENT軟件對(duì)管道天然氣燃爆過程進(jìn)行模擬。
3.1 建模和劃分網(wǎng)格
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。筆者使用Gambit軟件進(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
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)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。局部網(wǎng)格劃分見圖1。
圖1 局部網(wǎng)格劃分
3.1.2 模型初始條件和邊界條件設(shè)置
①初始?jí)毫l件:發(fā)生燃爆時(shí),火源位置產(chǎn)生的壓力相當(dāng)大。鑒于此,設(shè)置點(diǎn)火區(qū)域壓力為1 kPa,其他區(qū)域壓力為0 Pa。
②初始溫度條件:點(diǎn)火區(qū)域?yàn)?/span>1 600 K,其他區(qū)域?yàn)?/span>300 K。
③初始速度條件:整個(gè)區(qū)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?jǐn)?shù)為22%,氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)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(shè)定,模型左端設(shè)置為封閉端,右端設(shè)置為泄壓口,使之與實(shí)驗(yàn)裝置盡量保持一致。
3.2 壓力波發(fā)展傳播過程分析
天然氣燃爆壓力波發(fā)展傳播過程見圖2,顯示了從天然氣被點(diǎn)火開始,壓力波以球形波開始傳播,經(jīng)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(fā)展傳播過程
從圖2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,疊加后壓力明顯升高,如e、f中的紅色區(qū)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(chǎn)生了反射,這樣反射波對(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)。
3.3 火焰?zhèn)鞑ミ^程分析
圖3為從點(diǎn)火開始,火焰?zhèn)鞑サ某跏及l(fā)展變化情況。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)更強(qiáng)烈一些,因此右端的火焰區(qū)域要更大些。
圖3 初始階段火焰變化趨勢(shì)
4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析
實(shí)驗(yàn)和模擬一樣,管道內(nèi)天然氣體積分?jǐn)?shù)調(diào)至9.5%,選用DN 700 mm的圓形管道,長度為93 m,共布置9個(gè)壓力傳感器和9個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?壓力傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e在管道直徑的兩端相對(duì)布置,具體布置見圖4。圖4中相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置的尺寸標(biāo)注是指該測(cè)點(diǎn)距封閉端的距離。
圖4 傳感器布置
4.1 壓力波傳播模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析
天然氣體積分?jǐn)?shù)為9.5%的混合氣在管道內(nèi)燃爆時(shí),各測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)最大壓力和模擬最大壓力的對(duì)比見圖5。從圖5可以看出,壓力波的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定差異,模擬值在距離管道最左端10~50 m范圍內(nèi)以及55~65 m范圍內(nèi)要明顯大于實(shí)驗(yàn)值,可能與模擬時(shí)壁面條件的設(shè)定有關(guān),數(shù)值模擬中壁面設(shè)定為光滑,而實(shí)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(shí)驗(yàn)值逐漸升高的趨勢(shì)正好相反,這是由于實(shí)驗(yàn)中在出口處進(jìn)行了封膜處理,這就對(duì)出口附近的壓力波造成擾動(dòng),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(shì)來看,管道天然氣燃爆時(shí)最大壓力都是在爆源點(diǎn)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?jǐn)?shù)為9.5%的混合氣爆燃時(shí)各測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)最大壓力和模擬最大壓力的對(duì)比
4.2 火焰?zhèn)鞑ツM結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析
模擬和實(shí)驗(yàn)時(shí)火焰在各測(cè)點(diǎn)的呈現(xiàn)時(shí)間對(duì)比見圖6。從圖6可以看出,模擬時(shí)和實(shí)驗(yàn)時(shí)火焰呈現(xiàn)時(shí)間與測(cè)點(diǎn)距離的關(guān)系是一致的,都是隨著距離的增大,火焰呈現(xiàn)時(shí)間單調(diào)遞增,但是模擬的各測(cè)點(diǎn)火焰呈現(xiàn)時(shí)間要比實(shí)驗(yàn)時(shí)火焰呈現(xiàn)時(shí)間長,這可能與管壁的粗糙程度有關(guān)系。
圖6 模擬和實(shí)驗(yàn)時(shí)火焰在各測(cè)點(diǎn)的呈現(xiàn)時(shí)間對(duì)比
管道天然氣燃爆時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算公式為:
火焰?zhèn)鞑ニ俣妊毓艿赖淖兓闆r見圖7。由圖7可以看出,由于點(diǎn)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?zhèn)鞑ブ练忾]端口后形成了反射火焰,因此剛開始火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兴鶞p小,但是隨著傳播距離的增大,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?達(dá)到峰值后速度降低,在靠近出口處,實(shí)驗(yàn)值又有所上升,而模擬值降低。這可能是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)有封膜處理并且管壁粗糙以及測(cè)試處的極度凹凸造成了對(duì)火焰的擾動(dòng),而模擬時(shí)假設(shè)管壁光滑且無封膜處理,因此導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?shí)驗(yàn)值均大于模擬值。出口處模擬值下降而實(shí)驗(yàn)值上升是由于模擬時(shí)無封膜處理所致。因此整體來說,火焰?zhèn)鞑ニ俣饶M結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基本吻合的。
圖7 模擬和實(shí)驗(yàn)所得的各測(cè)點(diǎn)火焰?zhèn)鞑ニ俣?/span>
5 天然氣燃爆的微觀解釋
用Fluent軟件模擬出了隨著管道內(nèi)天然氣的逐漸消耗,其對(duì)應(yīng)的燃燒反應(yīng)速率、火焰波陣面以及壓力波陣面的變化趨勢(shì),這是實(shí)驗(yàn)無法觀測(cè)到的,見圖8。圖8a中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樘烊粴庖呀?jīng)消耗的區(qū)域,紅色區(qū)域?yàn)樘烊粴馕聪牡膮^(qū)域。
圖8 燃燒反應(yīng)速率、火焰波陣面及壓力波陣面與天然氣消耗量之間的關(guān)系
在模擬管道內(nèi)隨機(jī)截取了天然氣燃爆過程中5個(gè)不同時(shí)刻下各參數(shù)的云圖,時(shí)間分別為點(diǎn)火后第263、305、342、361、402 ms。由圖8可以看出,在某個(gè)時(shí)刻,當(dāng)管道內(nèi)燃燒的天然氣消耗量達(dá)到某位置時(shí),相對(duì)應(yīng)的天然氣燃燒反應(yīng)速率和火焰波陣面也到達(dá)同一位置,然而此時(shí)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(shí)傳播中的兩波三區(qū)結(jié)構(gòu),即火焰波陣面和壓力波陣面形成了三個(gè)區(qū)域,分別為天然氣和空氣混合氣體的初始狀態(tài)、前驅(qū)沖擊波通過后的狀態(tài)、爆燃波陣面通過后的狀態(tài),且壓力波陣面超前火焰波陣面。
6 結(jié)語
隨著天然氣市場(chǎng)的不斷開拓,龐大的管網(wǎng)系統(tǒng)和多樣化的用氣環(huán)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(jié)合模擬參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了天然氣燃爆時(shí)壓力和火焰的傳播規(guī)律,給出了實(shí)驗(yàn)無法觀測(cè)到的一些物理化學(xué)變化規(guī)律,為預(yù)防和減少天然氣燃爆事故提供了理論依據(jù),對(duì)天然氣行業(yè)安全技術(shù)研究具有一定的借鑒意義。
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