点火位置和障碍物对泄爆空间丙烷-空气爆炸荷载的影响.pdf

消防理论研究Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8点火位置和障碍物对泄爆空间丙烷-空气爆炸荷载的影响徐睿智1,唐柏鉴1,陈力2（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215000；2.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210000）摘要：为研究点火位置和障碍物对泄爆空间丙烷-空气爆炸的影响，基于 CFD 软件 FLACS 建立了丙烷泄爆空间数值模型，通过丙烷泄爆试验结果对模型进行了验证，数值模型的计算结果基本可靠。利用已验证的数值模型进一步研究点火位置和障碍物对泄爆空间丙烷-空气混合气体爆炸荷载特性的影响。结果表明：随着点火位置到泄爆口的距离增大，p1、p2和 pmax的峰值随之增大；障碍物的存在导致爆炸产生的湍流加剧，湍流燃烧增大了燃烧速度和燃烧面积，导致 p1峰值和升压速度增大，并在此过程中产生一个新的超压波峰 pobstacle。此外，p1和 pobstacle峰值的时间间隔随着泄爆阈值的增大而减小，两个超压波峰易合并成一个更大的超压波峰。关键词：丙烷爆炸；泄爆；点火位置；超压荷载中图分类号：X913.4；O381 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1038-08燃气爆炸的灾害形式主要为喷射火、热辐射和爆炸波，其中，爆炸冲击波传播速度快、范围广，极易造成人体耳膜和肺部的伤害1，同时会引起建筑物中起泄爆作用的玻璃、填充墙等构件发生破坏2-4。因此，系统地开展各种条件下泄爆空间丙烷-空气混合气体爆炸的相关研究，总结其爆炸荷载的产生机理与特征，完善修订爆炸荷载数值模型，为工程和结构设计提供指导，对燃气爆炸事故防护和灾害后果评估具有重要意义。为保证生产生活中建筑和设备的安全，众多学者对泄爆空间气体爆炸荷载进行了深入的试验研究。对于点火位置的变化，BAUWENS C R 等5利用 63.7 m3的泄爆试验装置研究点火位置对丙烷外爆导致的第二峰值 p2的影响，认为当点火点靠近泄爆口时，泄爆过程中的第二个超压峰值 p2较大。除了 p2，对于爆炸产生的其他超压波峰，BAO Q 等6利用自主研发的试验装置研究了点火位置对甲烷空气爆炸超压的影响，发现点火位置对 p1的升压速率基本没有影响，但对 p1峰值影响较大。王超强等7利用 BAO Q等的试验装置研究了点火位置对泄爆空间甲烷-空气爆炸火焰形态的影响，外部火焰发展过程可以分为火球阶段和火焰喷射阶段，外爆导致的第二峰值 p2对应火球阶段，“声振效应”引起的 p4对应火焰喷射阶段，尾部点火和中心点火时的火球大小及火焰喷射长度远大于前端点火；对于管道中的气体爆炸，WANG S P 等8发现管道中的气体爆炸可分为 3个阶段，即燃烧引起的上升阶段、振荡上升阶段和振荡下降阶段，而点火位置对压力振荡影响很大，HOU Z H 等9在半封闭管道中也发现了类似的规律。对于障碍物的影响，一般认为障碍物存在会增大爆燃 过 程 中 流 场 的 湍 流 程 度 和 气 体 燃 烧 速 率10-11。TOMLIN G 等12在 182 m3的建筑中进行了全尺寸甲烷-空气泄爆试验，探讨了 13 种障碍物布置方式对爆炸荷载基金项目：国家自然科学基金（51978166）；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室开放基金（2020ZA02）Southwest Jiaotong University,Sichuan Chengdu 610031,China)Abstract:In this paper,a series of experiments were performed over twin parallel polyethylene copper wires with inclination angles from 0 to 90 and spacing from 0 to 17 mm,to analyze the flame pattern,flame height,length and fire spread rate during the combustion process.The results show that:(1)The flame form of inclined parallel twin wires at different distances goes through three stages such as the integrated stage,the approached stage and the independent stage;(2)both flame height(except 90 inclination),flame length,and fire spread rate of twin wires all increase with increasing inclination,while increase and then decrease with increasing spacing;(3)the fire spread rate of the twin wires was initially smaller than that of the single,gradually increased with the wire spacing and reached a maximum in the late stage of integration,and then decreased and remained identical to that of the single in the independent stage;(4)the proportional relationship between the fire spread rate and the flame length is established,and the proportional coefficient is 0.078 for fire spread over twin parallel wires,which is slightly smaller than that for the single wire.Key words:wire fire;parallel twin wires;inclination angle;wire spacing;fire spread rate作者简介：张佩瑶(1999-)，女，陕西安康人，西南交通大学地球科学与环境工程学院，主要从事导线火蔓延原理方面的研究，四川省成都市西南交通大学犀浦校区，611731。通信作者：高云骥（1989-），西南交通大学地球科学与环境工程学院副教授，博士。收稿日期：2022-12-13（责任编辑：李艳娜）的影响规律，给出了随着障碍物比率增加，泄爆超压的最大峰值增大的结论；BAUWENS C R 等发现，无障碍物的爆炸，障碍物的存在会扰乱建筑物内部的声振传播，进而显著降低声振不稳定峰值 p4；同时 LI H W13发现，随着障碍物数量的增多，p3峰值线性增大；无障碍物泄爆装置 中 易 出 现 的 声 振 不 稳 定 性 引 发 的 超 压 峰 值，在TOMLIN G 等的试验中却并未发现。此外，XIAO G Q等14和 LI G Q 等15发现障碍物的形状和位置对爆炸荷载和火焰传播也有很大影响，比如有尖端的障碍物会促进湍流不稳定性的产生，并引起火焰燃烧加剧，当障碍物设置在某一特定位置时，超压峰值、超压上升速率以及爆燃指数会有大幅提升。由于建筑物内普遍存在相当于障碍物的各类设施，有障碍物条件下气体泄爆发展过程和荷载评估对工程设计具有重要意义。气体爆炸是一个链式反应过程，包括复杂的物理和化学现象，而气体爆炸冲击波的传播过程又包含火焰波的发展、冲击波的形成与传播、火焰波与冲击波的相互作用、湍流、非定常流动等一系列复杂过程。鉴于试验经费、试验环境和试验技术等因素的限制，仅通过试验并不能满足对气体爆炸研究的全部需要。随着计算流体力学（CFD）和计算机技术等学科的迅猛发展，数值模拟技术逐渐成为研究气体爆炸的重要手段，越来越多的研究人员利用数值模拟软件研究燃气爆炸荷载。其中，对于泄爆空间内甲烷爆炸，QIAN X M 等16运用 AutoReaGas软件研究了公寓内的燃气爆炸，分析了点火位置及泄放压力对爆炸超压的影响，发现泄放压力对室内燃爆强度的影响明显，但由于并不存在实际事故或真实试验，因此只能进行参数敏感性分析，模型的可靠性未得到验证；庞磊等17使用 AutoRedGas结合某室内燃气泄漏爆燃事故，对不同甲烷浓度下室内燃气爆燃过程，尤其是火焰波及范围，进行了深入研究。发现甲烷浓度对火焰波及范围有显著影响，浓度越大，火焰的波及范围越大；DI SARLI V 等18-19利用 Fluent数值模拟软件研究了障碍物对燃气泄爆过程的影响，发现模拟结果无法表征障碍物对火焰传播的影响，且这些影响尚不能通过数学方程准确表达。对于泄爆空间内丙烷爆炸，PEDERSON H H 等20利用 FLACS 软件对 BAUWENS C R 等的丙烷泄爆试验进行了数值重现，数值模拟捕捉到 p1和 p3两个峰值，且计算值大于试验值，认为 FLACS 软件对于有障碍物的气体爆炸的计算较为精确，但未能捕捉到爆燃过程中的声振峰值 p4；VYAZMINA E 等21利用 FLACS 软件研究了浓度、点火位置和泄爆面积对燃气爆炸的影响，并与试验曲线进行对比，结论认为 FALCS 软件的计算准确性较高，并对 FLACS 计算流体力学模型和工程模型的应用和适用范围提出了建议。即便如此，相比于试验来说，数值模拟仍有其独特的优点：采用数值模拟技术可以节省大量的试验成本，并且能够提供高要求的试验条件；可以提供任何试验条件下的所有试验数据，无限量地将试验结果的细节全部展现出来；能够快速变化试验条件，方便对一个问题进行系统的研究。因此，笔者采用 FLACS 计算软件对本文试验以及 BAUWENS C R 的丙烷泄爆试验进行数值模拟分析，验证 FLACS 计算模型的适用范围并确定计算参数。采用确定的数值模型开展数值模拟研究。1数值模拟1.1理论模型丙烷-空气混合气体的爆炸是一个快速释能的化学过程，FLACS 描述可压缩流体流动的数学模型包括质量守恒方程、动量守恒方程以及焓的输运方程。质量守恒方程如式（1）所示。t(V)+xj(jVuj)=m V（1）式中：V为体积孔隙率；为密度；为火焰模型（模型）中的转换系数；uj为j方向的平均速度。动量守恒方程如式（2）所示。t(Vui)+xj(uiuj)=-Vxi+xi(jij)+Foi+Fwi+V(-0)gi（2）式中：ui为 i方向的平均速度；ij为应力张量；Fwi为容器壁引起的流动阻力；Foi为亚网格阻塞引起的流动阻力。焓的输运方程如式（3）所示。t(Vh)+xj(jujh)=xj(jeffhhxj)+VDpDt+QV（3）式中：燃料扩散系数 D来源于燃料输运方程，见式（4）。D=efffuel（4）式中：eff为有效黏度；h和fuel为 Prandtl数。FLACS 的湍流模型为标准k-模型，属于涡黏模型中的两方程模型，湍动能k的运输方程如式（5）所示。(k)t+(kui)xj=xj(+tk)kxj+Gk+Gb-YM+Sk（5）耗散率的运输方程如式（6）所示。()t+(vui)xj=xj(+t)xj+C1k(Gk+C3Gb)-C22k+S（6）式中：t为湍动黏度，如式（7）所示。t=Ck2（7）式中：Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb1038消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期的影响规律，给出了随着障碍物比率增加，泄爆超压的最大峰值增大的结论；BAUWENS C R 等发现，无障碍物的爆炸，障碍物的存在会扰乱建筑物内部的声振传播，进而显著降低声振不稳定峰值 p4；同时 LI H W13发现，随着障碍物数量的增多，p3峰值线性增大；无障碍物泄爆装置 中 易 出 现 的 声 振 不 稳 定 性 引 发 的 超 压 峰 值，在TOMLIN G 等的试验中却并未发现。此外，XIAO G Q等14和 LI G Q 等15发现障碍物的形状和位置对爆炸荷载和火焰传播也有很大影响，比如有尖端的障碍物会促进湍流不稳定性的产生，并引起火焰燃烧加剧，当障碍物设置在某一特定位置时，超压峰值、超压上升速率以及爆燃指数会有大幅提升。由于建筑物内普遍存在相当于障碍物的各类设施，有障碍物条件下气体泄爆发展过程和荷载评估对工程设计具有重要意义。气体爆炸是一个链式反应过程，包括复杂的物理和化学现象，而气体爆炸冲击波的传播过程又包含火焰波的发展、冲击波的形成与传播、火焰波与冲击波的相互作用、湍流、非定常流动等一系列复杂过程。鉴于试验经费、试验环境和试验技术等因素的限制，仅通过试验并不能满足对气体爆炸研究的全部需要。随着计算流体力学（CFD）和计算机技术等学科的迅猛发展，数值模拟技术逐渐成为研究气体爆炸的重要手段，越来越多的研究人员利用数值模拟软件研究燃气爆炸荷载。其中，对于泄爆空间内甲烷爆炸，QIAN X M 等16运用 AutoReaGas软件研究了公寓内的燃气爆炸，分析了点火位置及泄放压力对爆炸超压的影响，发现泄放压力对室内燃爆强度的影响明显，但由于并不存在实际事故或真实试验，因此只能进行参数敏感性分析，模型的可靠性未得到验证；庞磊等17使用 AutoRedGas结合某室内燃气泄漏爆燃事故，对不同甲烷浓度下室内燃气爆燃过程，尤其是火焰波及范围，进行了深入研究。发现甲烷浓度对火焰波及范围有显著影响，浓度越大，火焰的波及范围越大；DI SARLI V 等18-19利用 Fluent数值模拟软件研究了障碍物对燃气泄爆过程的影响，发现模拟结果无法表征障碍物对火焰传播的影响，且这些影响尚不能通过数学方程准确表达。对于泄爆空间内丙烷爆炸，PEDERSON H H 等20利用 FLACS 软件对 BAUWENS C R 等的丙烷泄爆试验进行了数值重现，数值模拟捕捉到 p1和 p3两个峰值，且计算值大于试验值，认为 FLACS 软件对于有障碍物的气体爆炸的计算较为精确，但未能捕捉到爆燃过程中的声振峰值 p4；VYAZMINA E 等21利用 FLACS 软件研究了浓度、点火位置和泄爆面积对燃气爆炸的影响，并与试验曲线进行对比，结论认为 FALCS 软件的计算准确性较高，并对 FLACS 计算流体力学模型和工程模型的应用和适用范围提出了建议。即便如此，相比于试验来说，数值模拟仍有其独特的优点：采用数值模拟技术可以节省大量的试验成本，并且能够提供高要求的试验条件；可以提供任何试验条件下的所有试验数据，无限量地将试验结果的细节全部展现出来；能够快速变化试验条件，方便对一个问题进行系统的研究。因此，笔者采用 FLACS 计算软件对本文试验以及 BAUWENS C R 的丙烷泄爆试验进行数值模拟分析，验证 FLACS 计算模型的适用范围并确定计算参数。采用确定的数值模型开展数值模拟研究。1数值模拟1.1理论模型丙烷-空气混合气体的爆炸是一个快速释能的化学过程，FLACS 描述可压缩流体流动的数学模型包括质量守恒方程、动量守恒方程以及焓的输运方程。质量守恒方程如式（1）所示。t(V)+xj(jVuj)=m V（1）式中：V为体积孔隙率；为密度；为火焰模型（模型）中的转换系数；uj为j方向的平均速度。动量守恒方程如式（2）所示。t(Vui)+xj(uiuj)=-Vxi+xi(jij)+Foi+Fwi+V(-0)gi（2）式中：ui为 i方向的平均速度；ij为应力张量；Fwi为容器壁引起的流动阻力；Foi为亚网格阻塞引起的流动阻力。焓的输运方程如式（3）所示。t(Vh)+xj(jujh)=xj(jeffhhxj)+VDpDt+QV（3）式中：燃料扩散系数 D来源于燃料输运方程，见式（4）。D=efffuel（4）式中：eff为有效黏度；h和fuel为 Prandtl数。FLACS 的湍流模型为标准k-模型，属于涡黏模型中的两方程模型，湍动能k的运输方程如式（5）所示。(k)t+(kui)xj=xj(+tk)kxj+Gk+Gb-YM+Sk（5）耗散率的运输方程如式（6）所示。()t+(vui)xj=xj(+t)xj+C1k(Gk+C3Gb)-C22k+S（6）式中：t为湍动黏度，如式（7）所示。t=Ck2（7）式中：Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb1039Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8为由浮力引起的湍动能k的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的贡献；k为湍动能k对应的 Prandtl数，取为 1.0；为耗散率对应的 Prandtl数，取为 1.3；Sk和S为用户定义的源项；C1、C2、C3和C为经验常数，FLACS 分别取1.44、1.92、0.80、0.09。FLACS 燃烧模型由火焰模型和燃烧速度模型组成。火焰模型采用模型，通过定义扩散系数 D 和反应速率RF（kgm-3s-1）确定了燃烧标准和反应速率在数值火焰区域的空间分布，FLACS 采用体积加权平均法估算燃料空气混合气体的层流燃烧速度，并通过简化方法使原本与压力和温度相关的层流燃烧速度只取决于压力值，如式（8）所示。SL=S0L(pp0)P（8）式中：P为与燃料有关的参数。火焰最开始以层流向外传播，但流体动力学特性和热扩散火焰的不稳定性将使其在临界火焰半径处出现蜂窝状表面。FLACS 假设火焰表面呈破碎形状，且所有固有不稳定性的影响都发生在亚网格，从而估算出蜂窝状火焰表面面积的增加值。使用准层流燃烧速度SQL模拟蜂窝状火焰的传播规则如式（9）所示。SQL=SL(1+min(R3)a,1)（9）式中：R 为火焰半径；为一个依赖燃料的模型常数；a 为一般模型常数，根据试验设置为 0.5。FLACS 对 BRAY K N22提出的湍流燃烧速度模型进行了简化，并给出了湍流燃烧速度和层流燃烧速度的关系式，如式（10）所示。ST=1.81u0.412L0.196SL0.784-0.196（10）低湍流度时，湍流燃烧速度见式（11）。ST=SL+Cltu0.912SL0.284L20.196-0.196（11）式中：运动黏度为假定常数；L为积分长度标度；Clt为模型常数。最后，FLACS将燃烧速度确定为式（12）。Su=max(SQL,ST)（12）1.2数值模型的建立本节采用 FLACS 计算软件进行数值建模，并对两个丙烷泄爆试验进行模型验证，验证试验 1为本团队自主独立进行的丙烷泄爆试验，验证试验 2 为 BAUWENS C R团队的丙烷泄爆试验。通过验证 FLACS 计算模型的适用范围并确定计算参数，采用确定的数值模型开展数值模拟研究。为简化建模并排除潜在的干扰因素，在 FLACS 中建模时对爆室数值模型进行了以下简化处理：（1）爆室壁面为刚性壁面，不考虑其变形和损坏。（2）爆炸为绝热爆炸，不考虑由爆室壁面散热引起的能量损失。（3）忽略模型爆室壁上的各种可关闭预留孔口、传感器以及钢板与墙体的连接部位等细节，忽略爆室壁面对压力波的阻碍作用，认为爆室壁面光滑。建立与试验装置相同的数值模型。对于验证试验 1，如图 1 所示，模拟爆室内部尺寸为 4.8 m2.0 m2.8 m，充入体积为 4.8 m2.0 m2.8 m、体积分数为 4%的丙烷空气混合气体。点火点设置于爆室中央（1.2 m，2.6 m，1.4 m），压力测点与试验设置一致，依次编为 S1S3。压力测点压力测点图 1验证试验 1的数值模型Fig.1Numerical model of validation test 1网格全部设为核心区，计算域为 10.1 m5.4 m3.1 m，核心区分别计算 0.10、0.05、0.03 m 的 3种尺寸的网格，以确定最佳网格尺寸。声速尺度（CFLC）与流速尺度（CFLV）分别取为 5和0.5。初始条件设置如下：初始温度 20，压强 100 kPa，相对湍流强度和湍流长度尺度均为 0，其他设置均采用默认值。由于爆室密闭，z轴负方向为地面，设置为 EULER边 界，其 余 方 向 为 开 敞 空 间，设 置 为 PLANE_WAVE边界。对于验证试验 2，建立了 2个数值模型，对应 2种不同工况，工况 1和工况 2区别在于有无障碍物。如图 2所示，模拟爆室内部尺寸为 4.6 m4.6 m3.0 m。(a)工况 1zy(b)工况 2zyx图 2验证试验 2的数值模型Fig.2Numerical model of validation test 21040消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期在爆室内充入体积为 4.6 m4.6 m3.0 m、体积分数为 4%的丙烷-空气混合气体。点火点设置于爆室中央（2.3 m，2.3 m，1.5 m），泄爆面积为 2.7 m2，压力测点与试验设置一致，依次编为 S1S4。其他计算参数设置同验证试验 1数值模型一致。1.3网格收敛性分析FLACS 对容器内部爆炸的模拟须使用至少 15 个网格单元来划分容器内的气体云，但网格尺寸不应低于0.02 m，否则预混燃烧的亚网格模型不再适用。为验证研究网格尺寸对模拟准确性的影响，选用验证试验 2中的工况 4 为网格收敛性分析的算例，模拟的网格尺寸分别为0.10、0.05、0.04、0.03、0.02 m 的 5 种工况。网格尺寸对超压时程曲线计算结果的影响如图 3所示，5种尺寸的网格均能较好地模拟出泄爆空间燃气爆炸超压随时间变化的特征。时间/s0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2超压/kPa543210-1试验0.1 m0.05 m0.04 m0.03 m0.02 m图 3网格尺寸对超压时程曲线计算结果的影响Fig.3Influence of grid size on the calculation results of overpressure time history curve5 种尺寸的网格计算的超压峰值结果与试验结果的对比如表 1所示，0.05 m 网格计算峰值为 3.4 kPa，计算误差为 9.6%，计算准确度优于其他 4 种网格。综上所述，0.05 m 网格模拟最为准确，综合考虑模拟准确性和计算成本，采用 0.05 m的网格进行数值模拟。表 1不同大小的网格计算的超压峰值与试验结果的对比Table 1Comparison of calculated overpressure peak values with experimental results for grids of different sizes网格类型试验结果0.10 m网格0.05 m网格0.04 m网格0.03 m网格0.02 m网格超压峰值/kPa3.104.303.402.542.422.65误差-38.7%9.6%18.0%21.9%14.5%1.4数值模型的验证依据燃气泄爆荷载机理，将由泄爆板破坏引起的第一个峰值定义为 p1，这是因为，开始时，室内均匀混合的可燃气体被点燃，引起压力上升，当压力达到泄爆阈值时，泄压口打开，大量未燃气体及燃烧产物快速泄放到室外，致使室内压力下降，因此产生了 p1。将泄放到室外的未燃气体被引爆引起的第二个峰值定义为 p2，这是因为，随着燃烧的继续，火焰逐步向外扩展，当火焰传播至泄压口时，之前泄放到室外的未燃气体被引爆，因此产生了 p2。将由障碍物引起的峰值定义为 p3，将由声振不稳定性引起的峰值定义为 p4。对于验证试验 1，试验和模拟的超压时程曲线对比如图 4 所示，数值模拟同试验一样，有 2 个超压波峰 p1和p2。模拟超压峰值 p1为 4.5 kPa，相比较试验值 4.1 kPa略大，数值模拟的 p1峰值误差为 9%。模拟超压峰值 p2为 5.8 kPa，相比较试验值 5.3 kPa略大，数值模拟的 p2峰值误差为 10%，波形与试验结果基本吻合，在时间上略有差异。可以看到，数值模拟的超压时程曲线在峰值 p4之前，即 p1和 p2的升压阶段，与试验曲线的吻合度较好。此外，试验中的 p4是由爆室内反射声波不断加强的不稳定燃烧产生的。但 FLACS 数值模型并不能考虑声波反射，因此难以模拟出 p4的产生。所以，数值模拟的超压时程曲线中并未出现 p4。时间/s0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4超压/kPa302520151050试验结果数值结果p1p2p4图 4验证试验 1结果与数值模拟的对比Fig.4Comparison between the results of validation test 1 and numerical simulation对于验证试验 2，工况 1 的数值模拟和试验的超压时程曲线对比如图 5（a）所示。可以看到，模拟的超压时程曲线在升压阶段与试验曲线吻合度较高。此外，如表 2所示，无障碍物不同泄爆面积下数值模拟对超压峰值的计算与试验值也基本一致，模拟值为 2.7 kPa，略大于试验值2.5 kPa，误差为 8%，在可接受范围之内。发现数值模型能较好模拟无障碍物工况下泄爆空间燃气爆炸超压随时间变化的特征。工况 2 的数值模拟和试验的超压时程曲线对比如图5（b）所示，数值模拟捕捉到超压波峰 p1以及由障碍物引起的超压波峰 p3，p1和 p3的升压阶段和峰值与试验结果吻合度较高。如表 2 所示，模拟超压峰值 p1为 6.5 kPa，相比较试验值 6 kPa 略大，数值模拟的 p1峰值误差为 8.3%。模拟超压峰值 p3为 11.2 kPa，相比较试验值10.4 kPa略大，数值模拟的 p3峰值误差为 7.7%。对于由“声振效应”引起的不稳定燃烧产生的 p2，FLACS 数值模型未能捕捉到。1041Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8时间/s0.0 0.2 0.4 0.6 0.8超压/kPa3210-1试验结果数值结果p1（a）工况 1时间/s0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2超压/kPa14121086420-2试验结果数值结果p1p2p3（b）工况 2图 5验证试验 2中试验结果与数值模拟的对比Fig.5Comparison between test results and numerical simulation in validation test 2表 2验证试验 2中各工况数值模拟计算的超压峰值与试验值的对比Table 2Comparison between the peak value of overpressure calculated by numerical simulation under various working conditions and the test value in validation test 2工况12泄爆面积/m22.72.7障碍物无有试验结果/kPa2.56/10.4数值结果/kPa2.76.5/11.2误差8%8.3%/7.7%通过上述讨论，可以看到，基于 FLACS 的数值模型能够反映出超压波峰 p1的产生机理，且计算结果与试验结果总体吻合较好。由于无法考虑声波的反射与振荡，FLACS 数值模型不能反映出爆炸过程中声波加强的不稳定燃烧现象，因而 FLACS 计算软件不适合计算振荡上升引起的超压峰值 p4的工况。但对于爆室内设障碍物的气体爆炸，爆炸过程中不会产生声波加强的不稳定燃烧现象，FLACS 数值模型基本可以真实地反映障碍物条件下的气体爆炸过程。结合上述两个数值模型的验证，发现模拟超压峰值（正向）空间分布规律与试验值基本一致，但模拟值比试验值更高，试验值与模拟值之间的误差与数值模型的绝热、光滑假设有关，相比于数值模拟，试验爆室内燃气爆炸过程中存在热量的散失，燃烧剧烈程度更低，一方面使升压时间变长，爆炸超压变高，另一方面减小了气流速度，进而降低了压力振荡频率。综上所述，数值模拟基本能够正确反映泄爆空间内丙烷-空气混合气体爆炸超压随时间变化的规律，模拟爆炸超压的误差在可接受范围内，可以认为数值模型在一定程度上是可靠的。2参数分析2.1点火位置的影响为研究点火位置对爆炸荷载的影响，进行了泄爆空间不同点火位置下丙烷-空气混合气体爆炸的数值模拟。如图 6 所示，试验中点火位置分别位于试验房间的前端、中心和后端，3 种点火位置距离爆室左右两边壁面各 2.4 m，前端点火位置距离泄爆口中心 0.2 m，中心点火位置距离泄爆口中心和爆室背面各 1 m，后端点火位置距离爆室背面 0.2 m。丙烷体积分数为 4%，泄爆板为聚乙烯薄膜，泄爆面积为 1.8 m2。泄爆口5 200 mm200 mm200 mm前端点火中心点火1 000 mm200 mm200 mm200 mm200 mm1 200 mm2 400 mm1 000 mm2 400 mm2 400 mm后端点火图 6点火位置平面示意图Fig.6Schematic plan of ignition position图 7为不同点火位置下的超压时程曲线，发现在泄爆口开启之前，3个不同的点火位置下超压上升曲线几乎重叠。可知前端点火对应的 p1的峰值为 0.52 kPa，而中心点火和后端点火对应的 p1的峰值一样，为 0.87 kPa。前端点火产生的 p1峰值小于中心点火和后端点火产生的p1峰值，这是因为前端点火在聚乙烯薄膜附近产生的高温气体，使得薄膜开始熔化，加速了聚乙烯薄膜的破裂，因此，薄膜的抗爆能力减弱，泄爆阈值减小，p1减小。此外，前端点火产生的 p2峰值为 0.7 kPa，中心点火产生的 p2峰值为 1.91 kPa，后端点火产生的 p2峰值为4.83 kPa。发现随着点火位置到泄爆口的距离越远，p2时间/s0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0超压/kPa6543210-1前端点火中心点火后端点火p1p2图 7不同点火位置下的超压-时程曲线Fig.7Overpressure-time histories with different ignition positions1042消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期的峰值越大。这是因为点火位置到泄爆口的距离越远，当泄爆口开启后，越多的可燃气体被泄放至爆室外，随着燃烧的继续，室内火焰传播至泄爆口附近，引燃外部可燃气体，超压增大。而前端点火时，由于点火位置距离泄爆口很近，使得室内火焰更早地传播至泄爆口附近，消耗了泄爆口附近更多的可燃气体，导致泄放至爆室外的可燃气体变少，最终导致超压减小。此外，在大量可燃气体泄爆试验中也可以观察到这个现象：在 BAO Q 的甲烷泄爆试验中，前端点火对应的 p2几乎观察不到，BAUWENS C R的丙烷泄爆试验也观察到同样的现象。前端点火产生的 pmax为 2.21 kPa，中心点火产生的pmax为 2.43 kPa，后端点火产生的 pmax为 4.83 kPa。发现爆炸产生的 pmax随着点火位置距离泄爆口的增加而增大。由于 FLACS 并不能模拟出试验中产生的 p4，因此数值模拟产生的 pmax可能与实际爆炸产生的 pmax有一定出入。但在 BAO Q 和 ROCOURT X23等的试验中，都发现前端点火产生的 p4峰值小于中心点火和后端点火产生的p4。因此，在实际生活中，如果发生燃气爆炸，点火位置距离泄爆口越近，爆炸产生的危害可能会越小。2.2障碍物的影响国内外大量学者针对有障碍物条件下的燃气泄爆荷载开展了试验和数值模拟研究，讨论了障碍物存在、形状、数量等因素对泄爆过程和超压荷载的影响，得到了很多有益的结论。为具体研究障碍物对丙烷-空气混合气体爆炸荷载的影响，本节进行了有障碍物条件下泄爆空间丙烷-空气混合气体爆炸的数值模拟。障碍物共 2 种，一种截面尺寸为 40 cm40 cm，高 2 m，另一种截面尺寸为 20 cm20 cm，高 1 m。试验中障碍物布置如图 8、图 9所示，内部障碍物比率为 8.48%。数值模拟中的丙烷体积分数为 4%，泄爆面积为 1.8 m2。数值模拟中设置了与前文试验中一样的 3种泄爆板：聚乙烯薄膜、5 mm 浮法玻璃和 8 mm 浮法玻璃。为了提高分析的准确性，采用无障碍物的试验数据和有障碍物的数值模拟数据进行对比。障碍物对泄爆空间丙烷空气混合气体爆炸荷载的影响如图 10所示。图 10中对比了丙烷-体积分数为 4%，中心点火，泄爆板为 5 mm 浮法玻璃时，无障碍物和有障碍物条件下的爆炸荷载。发现有障碍物的超压时程曲线比无障碍的超压时程曲线多出一个超压峰值，本文将之定义为 pobstacle。这是因为障碍物的存在使得燃气爆燃过程中湍流加剧，湍流燃烧增大了燃烧速度和燃烧面积，进而导致爆室内部燃烧速率大大增加形成 pobstacle。时间/s0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2超压/kPa201612840-4p1p4p1pobstacle无障碍物（试验）有障碍物（数值）图 10有无障碍物条件下典型泄爆荷载对比Fig.10Comparison of typical explosion discharge load with or without obstacles在增设障碍物的条件下，p1的峰值增大。这是由于障碍物的存在会加剧爆炸过程中流场的湍流程度，进而导致房间内部火焰面面积和燃烧速度越大，最终引起压力上升；此外，当泄爆板为 5 mm 玻璃时，p1与 pobstacle之间的时间间隔很小，有合并成一个峰值的趋势。而当泄爆板从 5 mm 玻璃更换到 8 mm 玻璃时，p1与 pobstacle就合并为一个超压峰值，导致超压峰值增大。此外，p1与 pobstacle之间的时间间隔随着泄爆阈值的增大而减小，这与气体爆燃过程中火焰面的发展和障碍物的位置有关，随着泄爆阈值增大，p1增大，房间内部火焰面传播半径越大、越接近障碍物；而泄爆后房间内部流场也更加扰乱，火焰面传播速度变快。这两个因素引起p1和 pobstacle峰值的时间间隔明显降低。同时，如图 11所示，当泄爆板由 5 mm 玻璃换为 8 mm玻璃时，p1的升压速度由 40.2 kPa/s 增大到 177.6 kPa/s。在有障碍物的条件下，当泄爆阈值较大时（8 mm 玻璃），p1的升压曲线更陡峭，p1的升压速度更大。这是由泄爆压力、火焰面发展过程和障碍物位置联合作用引起的。当泄爆压力较小（5 mm 玻璃）时，房间内部火焰面未接触到障碍物便开始泄爆，此时 p1的升压速度受障碍物的影响不大；当泄爆压力较大（8 mm 浮法玻璃）时，房泄爆口5 200 mm200 mm200 mm200 mm2 400 mm200 mm200 mm200 mm400 mm500 mm500 mm400 mm700 mm700 mm700 mm700 mm图 8障碍物平面布置示意图Fig.8Schematic diagram of obstacle layoutzy图 9障碍物立体布置示意图Fig.9Stereoscopic layout of obstacles1043Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8间内部火焰在爆炸初始阶段未接触到障碍物，压力时程不受障碍物影响，随着火焰面扩展到障碍物区域，障碍物造成的湍流，引起火焰面面积和燃烧速度急剧增大，进而显著提高 p1的升压速度。对于火焰的发展情况，由于 FLACS 无法直接计算火焰面随时间的变化，本文通过燃烧产物前端的位置和形状对火焰进行近似描述。点火开始后，室内可燃气体的火焰呈球形发展，火焰锋面光滑，呈现层流燃烧状态，室内超压逐渐上升；当 t=36 ms 时，如图 12 所示，火焰前锋率先到达障碍物位置，火焰前锋在障碍物作用下开始向外挤压，此时湍流加剧，火焰呈半球形发展，火焰燃烧速度也开始增大；当 t=