障碍物管道中H_2_CO_...爆炸特性影响的数值模拟研究_许宁.pdf

第 44 卷 第 3 期安全Vol44 No32023 年 3 月Safety SecurityMar 2023引用格式:许宁，杨锦，成俊平，等障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究 J 安全，2023，44(3):3642作者简介:许宁(1970)，本科，高级工程师，主要研究方向为燃气管道安全技术。Email:317070584qqcomDOI:1019737/jcnkiissn10023631202303006障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究许宁1高级工程师杨锦2成俊平2杨健1高级工程师郝永梅2教授(1常州港华燃气有限公司，江苏 常州 213299;2常州大学 安全科学与工程学院，江苏 常州 213164)【摘要】为掌握不同因素和不同条件对 H2/空气管道预混气体火焰传播的作用和影响，应用FLACS 软件在不同的当量比、燃料中的 CO2体积分数、障碍物数量和阻塞率等条件下，分别以火焰传播速度、超压、升压速率和温度等特征参数为表征，对半开口管道中 H2/空气预混火焰传播过程及其参数影响进行模拟研究。结果表明:当量比为 12 时，半开口管道中 H2/空气预混火焰最高温度最大，当量比为 1 时，H2/空气爆炸压力的最大超压和最大升压速率最大;CO2对 H2/空气预混火焰的传播具有明显的抑制作用，且随着燃料中 CO2体积分数的增加，抑制效果越突出，预混火焰最高温度、最大超压和最大升压速率也就越小;障碍物的存在对预混火焰的传播具有激励作用，且激励效果在一定程度内随着障碍物数量和阻塞率的增大而增大。【关键词】H2/空气混合气体;半开口管道;最大超压;最大升压速率;火焰传播速度中图分类号:X932;TU9969文献标识码:A文章编号:10023631(2023)03003607基金资助:国家重点研发计划子课题(2019YFC0810700);江苏省重点研发项目(BE2021642);常州市社会发展科技支撑项目(CE20225033)Numerical Simulation Study on the Influence of Hydrogen/AirPremixed Flame Propagation in PipelineXU Ning1YANG Jin2CHENG Junping2YANG Jian1HAO Yongmei2(1Changzhou Towngas China Company Limited，Changzhou Jiangsu 213299，China;2School of Safety Science and Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China)Abstract:In order to understand the effects and influences of different factors and conditions on flame propa-gation of hydrogen/air premixed gas in pipeline，the influence process of flame propagation of hydrogen/airpremixed gas was simulated Characterized by flame propagation velocity，overpressure，pressure boost rateand temperature，FLACS software was used to simulate the results of two scenarios with and without obsta-cles The effects of hydrogen/air premixed flame propagation in a semiopen pipeline were simulated underdifferent conditions such as equivalent ratio，volume fraction of CO2in fuel，number of obstacles and bloc-king rate The results show that when equivalent ratio is 12，the maximum temperature of hydrogen/airpremixed flame in semiopen pipeline is the maximum When equivalent ratio is 1，the maximum overpres-sure and maximum pressure boost rate of hydrogen/air explosion pressure are the maximum CO2has obvi-632023 年第 3 期专项研究障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究ous inhibitory effect on hydrogen/air premixed flame spread，and with the increase of CO2volume fraction inthe fuel，the more prominent the inhibition effect is，the smaller the maximum temperature，maximum over-pressure and maximum pressure boost rate of premixed flame are The existence of obstacles has an incentiveeffect on the propagation of premixed flame，and the incentive effect increases with the increase of blocknumber and blocking rate to a certain extentKeywords:hydrogen/air mixture gas;half open pipe;maximum overpressure;maximum voltage boostrate;flame propagation velocity0引言氢气作为一种清洁高效的新能源被世界关注和应用，尤其在管道输送中应用愈加广泛。但 H2/空气预混气体具有较高的燃烧速率和较低的爆炸极限，一旦遇到点火源，往往会导致火灾爆炸事故。由此，研究 H2/空气燃料爆炸预混火焰传播规律和爆炸特性，从而制定有效的事故预防和控制措施，是安全、高效地利用氢能必须首先解决的重要问题。近几年，国内外在管道输氢及甲烷等介质预混火焰传播规律、特性等方面取得较多成果，为预防管道爆炸提供了理论基础。如郑凯1 通过建立大涡模型，研究 H2体积分数对 H2/甲烷预混火焰传播规律的影响，表明不同 H2体积分数下火焰传播结构变化由传播过程中火焰前锋与已燃、未燃气体区域形成的逆向流动和涡旋之间的相互作用所决定;程方明等2 通过建立大涡模型，研究半封闭管道中多孔障碍物对甲烷/空气预混火焰传播的影响，得出障碍物是火焰增速和褶皱程度增强的主要原因，当火焰穿过障碍物后，传播速度与褶皱率明显增大，最大火焰传播速度可增加 587%，最大褶皱率可增加3927%;毛晨林等3 通过建立一维层流预混火焰模型，研究当量比和燃料混合物组分比例对NH3/H2预混火焰的影响，指出 NH3/H2预混层流火焰速度随着氨气含量增多单调减小，随着当量比的增大先增大后减小;Lukas 等4 通过建立 H2/空气二维预混火焰模型，研究当量比对 H2/空气预混火焰稳定性的影响，表明在贫氧情况下，随着当量比增加，H2/空气预混火焰越不稳定，燃烧速度和火焰的传播速度也越大;Li 等5 通过建立 LES 模型，研究不同障碍物数量对汽油空气预混火焰的影响，得出预混火焰的压力和传播速度随着气体浓度和障碍物数量的增大而增大。目前国内外针对预混火焰的研究大多集中于汽油、甲烷等传统燃料，对单纯的 H2管道燃烧爆炸研究也有，但大多从 H2管道燃烧爆炸的单一影响因素着手研究，而 H2管道爆炸过程中往往受到多种因素的影响。本文通过数值模拟，同时考虑当量比、燃料中 CO2浓度和障碍物等多种因素对半开口管道中 H2/空气预混火焰传播的影响，为预防和控制 H2/空气混合气体燃烧与爆炸事故的发生提供数据支持。1H2/空气爆炸特性影响因素H2/空气爆炸特性参数受多种因素的影响，如点火能量、初始温度、压力等。除此以外，当量比也是重要影响因素，极高或极低都会导致混气难点燃，也就是说混气燃烧存在浓度的上限和下限6;同样，CO2也能影响混气中的比例，且化学性质不活泼，直接降低燃烧反应速度7;而障碍物能加快火焰传播速度，这种激励作用主要是因为火焰遇到障碍物会在障碍物周围形成浓度较高的粘性边界层，从而转变为湍流，湍流进一步加快火焰和爆炸波的传播速度8。2数值模拟2 1FLACS 软件FLACS 作为 GexCon(CM/CMI)公司开发用于复杂生产区域通风、气体扩散、爆炸和连锁事故潜在可能性分析的模拟仿真软件，已得到全尺寸试验验证，在石油、化工等高危领域优化布局设计、降低燃爆风险、减少事故损失方面有着广泛的应用。2 2模型构建以(0，0，0)为原点，沿 X 轴正方向，建立长 2m，直径为 01m 的三维圆柱管道模型，如图 1。管道半开口式，正方向闭口，负方向开口。X 轴划分 230 个网格，Y 轴划分 18 个网格，Z 轴划分 18 个网格。分73专项研究2023 年第 3 期障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究别在(0，006，006)、(04，006，006)、(08，006，006)、(12，006，006)、(16，006，006)处设置 5个监测点，分别为监测点 15。监测点 13 主要监测障碍物工况下的压力等参数变化，监测点 35 主要用于监测 H2/CO2/空气不同浓度工况下的火焰温度、压力等参数变化。气体区域设置为以(17，003，003)为端点，长宽高分别为 03、006 和 006m的长方体区域;点火区域设置为以(18，004，004)为端点，边长为 001m 的正方体区域。障碍物为圆环状物体，厚度为 001m，第一个障碍物位于 X 轴的176m 处，第二个障碍物为 X 轴的 166m 处。图 1管道模型Fig1Pipeline model2 3模拟工况模拟工况信息，见表 1。工况 1、2、3 为不同当量比下的 H2/空气预混火焰模型，工况 2、4、5 为燃料中不同 CO2体积分数下的 H2/空气预混火焰模型，工况 6、7 为不同障碍物数量下的 H2/空气预混火焰模型，工况 6、8 为不同障碍物阻塞率下的 H2/空气预混火焰模型。表 1模拟工况设置Tab1Simulation case setting模型工况序号当量比H2体积分数/%CO2体积分数/%障碍物数量/个障碍物阻塞率/%1081000002101000003121000004109010005108020006101000150710100025081010001753模拟结果与分析3 1当量比对爆炸特征参数的影响不同当量比下监测点 5 的温度变化趋势，如图2。由图 2 可知，当量比为 12 情况下半开口管道中H2/空气预混火焰传播的最大温度峰值最大，10 情况下次之，08 情况下最小。模拟结果显示，监测点3、4 与监测点 5 一致。图 2不同当量比下监测点 5 的温度图Fig2Temperature of monitoring point 5 under different equivalence ratios不同当量比下监测点 3 的超压变化趋势，如图3。由图 3 可知，当量比为 1 时，半开口管道中 H2/空气预混火焰传播的最大超压峰值最大，且到达最大超压峰值的时间最短，12 情况下次之，08 情况下最小。模拟结果显示，监测点 1、2 与监测点 3 一致。图 3不同当量比下监测点 3 的超压图Fig3Overpressure of monitoring point 3 under different equivalence ratios半开口管道中监测点 3、4、5 所测得的 3 种情况下的最大升压速率，如图 4。由图 4 可知，当量比为1 的时候半开口管道中的 H2/空气预混火焰传播的最大升压速率最大，12 情况下次之，08 情况下最小。理论上应该是在当量比为 1 时 H2/空气混合气体燃烧放热达到最大，并且当量比越大，其放出的热量和生成产物的比热值就越小。但实际上在当量比为 12 时，H2/空气混合气体燃烧反应放出热量的减小速率小于生成产物的减小速率，虽然和当量832023 年第 3 期专项研究障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究比为 1 的情况相比较，其放出的热量较低，但单位放出的热量能够达到更高的温度，从平衡态上计算，得出的绝热温度相对于当量比为 1 的情况会略高。当量比为 12 时，H2在 H2/空气混合气体中的密度过大，此时 H2在贫氧环境中发生燃烧爆炸，就会导致反应速度下降，最终使最大超压峰值和最大升压速率降低。当量比为 08 时，H2在富氧环境中发生燃烧反应，由于此时的 H2/空气混合气体中 H2的浓度较低，最终导致最大超压峰值和最大升压速率小于当量比为 1 的情况。图 4不同当量比下各监测点的最大升压率图Fig4Maximum pressure rise rate of each monitoringpoint under different equivalence ratios3 2添加 CO2对爆炸特征参数的影响燃料中不同 CO2体积分数下监测点 5 的温度趋势变化，如图 5。由图 5 可知，H2/空气预混火焰在半开口管道中传播的温度峰值随着燃料中 CO2体积分数的上升而下降，且到达最大温度峰值的时图 5不同 CO2体积分数下监测点 5 的温度图Fig5Temperature of monitoring point 5 at different CO2volume fractions间越来越长。模拟结果显示，监测点 3、4 与监测点5 一致。燃料中不同 CO2体积分数下监测点 3 的超压趋势变化，如图 6。由图 6 可知，随着燃料中 CO2的体积分数逐渐增大，H2/空气预混火焰传播最大超压峰值越来越小，同时，半开口管道中 H2/空气混合气体爆炸所产生的最大超压峰值的时间也越来越长。模拟结果显示，监测点 1、2 与监测点 3 一致。图 6不同 CO2体积分数下监测点 3 的超压图Fig6Overpressure of monitoring point 3 underdifferent CO2volume fractions燃料中不同 CO2体积分数下监测点 3、4、5 的最大升压速率，如图 7。由图 7 可知，半开口管道中H2/空气预混火焰传播的最大升压速率随着燃料中CO2体积分数的增加而降低。图 7不同 CO2体积分数下各监测点的最大升压速率图Fig7Maximum pressure rise rate of each monitoring pointunder different CO2volume fraction随着在燃料中添加 CO2，会进一步占据 O2所占的空间，使 O2含量降低，最终导致 H2/空气混合气93专项研究2023 年第 3 期障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究体不能得到充分氧化，而当添加的 CO2越来越多时，半开口管道中只有较小部分 H2/空气混合气体能够和 O2氧化，在该部分气体区域点火以后，会很快耗尽其中的 O2，从而造成上述结果。3 3障碍物数量对爆炸特征参数的影响45ms 时不同障碍物数量下的预混火焰结构，如图 8。由图 8 可知，在相同时间内，半开口管道中障碍物数量为 2 时火焰传播的距离最大，为 1时次之，无障碍物时最短。这意味着障碍物数量为 2 时火焰传播速度最快，为 1 时次之，为 0 时最慢。图 8不同障碍物数量 45ms 下的预混火焰结构Fig8Structure of premixed flame with differentnumber of obstacles of 45ms不同数量障碍物下监测点 1、2、3 的最大超压，如图 9。由图 9 可知，半开口管道中 H2/空气预混火焰传播的最大超压峰值在有障碍物情况下高于无障碍物情况下，且随着障碍物数量的增多，最大超压峰值也逐渐上升。图 9不同数量障碍物下各监测点的最大超压柱状图Fig9Maximum overpressure of each monitoring pointunder different number of obstacles不同数量障碍物下监测点1、2、3 的最大升压速率，如图 10。由图 10 可知，半开口管道中 H2/空气预混火焰传播的最大升压速率在有障碍物情况下大于无障碍物情况下，且随着管道中障碍物数量的增多，最大升压速率也越来越大。图 10不同障碍物数量下各监测点的最大升压速率柱状图Fig10Maximum pressure rise rate at each monitoring pointwith different number of obstacles障碍物的存在会进一步增强湍流效应，湍流和火焰相互作用，彼此互相促进，从而使火焰传播速度增加，同时，因为压力进一步增大，H2/空气燃烧反应的速度也随之增强，所以升压速率会大于没有障碍物的情况。随着障碍物数量的增多，湍流和火焰的相互作用加强，对火焰加速的效果也强于障碍物数量少的情况，所以火焰传播速度和燃烧速率也大于障碍物数量少的情况，进而提高最大升压速率。3 4障碍物阻塞率对爆炸特征参数的影响45ms 时不同障碍物阻塞率下的预混火焰结构，如图 11。由图 11 可知，在相同时间内，半开口管道中障碍物阻塞率为 75%时火焰传播距离最大，为 50%时次之，为 0 时最短。可知障碍物阻塞率为75%时火焰传播速度最快，为 50%时次之，为 0 时最慢。不同障碍物阻塞率下监测点 1、2、3 的最大超压，如图 12。由图 12 可知，当障碍物位于火焰传播中后期时，半开口管道中 H2/空气预混火焰传播的最大超压随着阻塞率的增大而增大。不同障碍物阻塞率下监测点 1、2、3 的最大升压速率，如图 13。由图 13 可知，半开口管道中障碍物阻塞率为 75%042023 年第 3 期专项研究障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究时在 3 个监测点的最大升压速率都最大，为 50%时次之，为 0 时最小。由此可得，半开口管道中 H2/空气混合气体燃烧反应产生的最大升压速率随着障碍物阻塞率的增大而增大。半开口管道中的 H2/空气混合气体燃烧产生的压力波遇到障碍物后会有压力损失，这种压力损失是因为障碍物本身的节流作用，气流易在障碍物周围形成较高的局部压力，火焰在传播过程中因局部高压影响，会加快传播速度，而圆环障碍物后面还存在一些未燃烧的可燃混合气体。在火焰传播速度加快的同时，半开口管道中的压力也随之增加。半开口管道中的压力受压力损失和增强共同的影响，但随着阻塞率的不断增大，火焰传播速度加快导致的增强的压力大于圆环障碍物后未燃烧的可燃气体损失的压力，因此，导致管道中的最大超压和最大升压速率随着阻塞率的增加而增大。图 11不同障碍物阻塞率 45ms 下的预混火焰结构图Fig11Premixed flame structure at different obstacleblockage ratios of 45ms图 12不同障碍物阻塞率下各监测点的最大超压柱状图Fig12The maximum overpressure of each monitoring pointunder different obstacle blocking rates图 13不同障碍物阻塞比下各监测点的最大升压速率Fig13Maximum pressure increasing rate of each monitoringpoint under different obstacle blocking ratios4结论本文应用 FLACS 软件通过数值模拟对半开口管道中的 H2/空气预混火焰传播影响进行研究，通过数值模拟后的数据分析，对 H2/空气混合气体在半开口管道中的预混火焰传播影响有了进一步的认识，并得出以下结论:(1)在当量比为 08、10 和 12 这 3 种情况下，当量比为 12 时，半开口管道中 H2/空气混合气体燃烧反应后，管道中预混火焰传播的最大温度峰值是最大的;当量比为 1 时，半开口管道中的最大超压峰值是最大的，且到达最大超压峰值的时间最短，同时，当量比为 1 时的最大升压速率在 3 种情况中是最大的。(2)在燃料中的 CO2的体积分数为 0%、10%和20%这 3 种情况下，半开口管道中 H2/空气混合气体燃烧反应后，CO2体积分数为 20%时，管道中同点的温度最低，到达最大温度峰值的时间也最长，同时，此体积分数下管道中的最大超压和最大升压速率也小于其他 2 种情况，到达最大超压的时间也最长，说明 CO2对 H2/空气混合气体具有抑爆作用，燃料中 CO2体积分数越大，对 H2/空气混合气体的抑爆效果就越强。(3)当障碍物位于火焰传播中后期时，障碍物的存在会进一步增强湍流效应，在一定条件下，随着障碍物数量的增多和阻塞率的增大，半开口管道内 H2/空气预混火焰传播速度、最大超压和最大升压增大。14专项研究2023 年第 3 期障碍物管道中 H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究参考文献 1 郑凯管道中氢气/甲烷混合燃料爆燃预混火焰传播特征研究 D 重庆:重庆大学，2017 2 程方明，常助川，史合，等多孔障碍物对预混火焰传播的影响 J 爆炸与冲击，2020，40(8):3341 3 毛晨林，王平，何宏凯，等含氨燃料预混火焰的层流火焰速度及 NO 排放特性J 化工学报，2021，72(10):53305343 4LUKAS B，ANTONIO A，HEINZ A Intrinsic instabilities in premixed hydrogen flames:parametric variation of pres-sure，equivalence ratio，and temperature Part 1Dispersion relations in the linear regime J Combustion and flame，2022，240DOI:101016/jcombustflame2021111935 5LI Guoqing，DU Yang，WANG Shiming，et al Large eddy simulation and experimental study on vented gasolineairmixture explosions in a semiconfined obstructed pipe J Journal of hazardous materials，2017，339:131142 6 肖华华管道中氢空气预混火焰传播动力学实验与数值模拟研究 D 合肥:中国科学技术大学，2013 7 张迎新，吴强，刘传海，等惰性气体 N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究 J 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