管道中瓦斯爆炸过程的数值模拟
蔺伟，赵永耀，黄风雷
（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室.北京100081）
摘要：利用AutoReaGas 软件对封闭的长直管道内瓦斯爆炸进行了数值模拟，研究了瓦斯的浓度对爆姓超压影 响的规律，在此基础上，进一步研究了障碍物个数和阻塞比对瓦斯爆炸超压和火焰传插速度的影响，数值结果表明、在无障碍物的管道中，当瓦斯浓度为化学当量浓度时，爆炸超压值最大：在带有障碍物的管道中，火始速度值随着障碍物数量的增加先增大后减小：当障碍物个数一定时，最大爆炸超压和火焰速度随阻塞比增大面增加.
关键调：瓦斯爆炸：长直管道：障码物：数值模拟
中图分类号：U455.6文献标志码：A文章编号：1001-0645（2013）增刊2-0089-04
Numerical Simulation of Methane Explosion Propagation in the Pipe
LIN Wei ZHAO Yong-yao. HUANG Feng-lei
(State Key Laboratory of Explosion Science and Tchnology . Besjing Institute of Tezhnology Beijing 10o081 China)
Abstraet: The propagation of methane explosion in a long closed pipe was sinulated by the AutoReaGas software and the effect of methane concentration on explosion overpressure wasstudied. The effect of the number of obstacles and the blocking rate on the explosionoverpressure and law of flame propagation were investigated. The numerical simulation resultsshow that in the pipe without obstacles the overpressure of the methane explosion is maximal initially increases and then decreases with the number of obstacles increasing. When the number when the gas concentration is stoichiometric; in the pipe with obstacles the flame velocityof obstaeles is fixed the maximum explosion overpressure and the flame velocity increase withthe blocking ratio increasing.
Key words: gas explosion; long straight pipe: obstacles: numerical simulation
近年来，瓦斯爆炸事故颠繁发生，造成惨痛的人和研究机构在大量的实验工作与理论分析的基础上爆炸过程中火焰传播规律及其加速机理.Quan等数值模拟了半封闭方管中设置不同障碍物时甲烷-空气预混气体的爆炸情况.王成等-结合实验研究采用迎风型WENO格式和两阶段化学反应焰的影响规律进行了数值研究.D.A.Kessler等研究工作，近年来，随着计算机的发展，国内外学者对有障碍物的长管道内甲烷-空气混合气体燃烧时
员伤亡和财产损失.2005年2月，辽宁省阜新矿业也开展了对气体爆炸数值模拟研究，且获得了很大的孙家湾煤矿海州立井发生一起特别重大瓦斯爆炸的进展.林柏泉等在实验的基础上，研究了瓦斯事故，造成214人死亡，30人受伤，直接经济损失 4968.9万元.2009年2月22日，山西屯兰煤矿瓦斯爆炸，导致78人死亡.因此，开展对瓦斯爆炸规律的研究对预防瓦斯爆炸事故的发生显得尤为重要.
很多学者对瓦斯爆炸进行了大量的理论和实验
1控制方程
其中
2计算模型
的火焰加速以及爆燃转爆轰进行了数值模拟.
本文利用AutoReaGas软件对大口径、长距离管道内瓦斯爆炸进行了模拟，研究了在空管道中，火焰在不同浓度的瓦斯中的传播规律；模拟了障碍物数量和阻塞比对火焰速度和爆炸超压的影响.
在该软件中，所采用的带化学反应的流体控制方程组包括质量、动量、能守恒方程以及k-当流模型，具体形式如下
式中：p为密度；x为i方向粒子速度；a为j方向粒子速度；P为静压；E为内能；为淄流动能：为流动能的耗散率；为燃料的质量分数：μ为端流黏度，μ=Cpk²/e；R为体积燃烧速率；r为输运 特性的当流耗散系数：C、C：、C，为滿流模型常数.主要模型参数如下：P，=1.01×10²Pa，T.=293K，y=1.25、R=8.31 J/(mol K) C =70，C=1. 44，C=1.79，C =0.09μ=2.5×10-
管道两端封闭，长为40m，横截面积为0.35m×0.35m.距点火端1m起，在中心轴线上每隔2m布置一个测点，共20个测点.管道的模型
(1)
(2 )
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( 4 )
(5 )
(6)
中产生的爆炸超压和温度. 及监测点位置见图1，测点用来探测瓦斯爆炸过程
Fig. 1Stbematic of gas explosion smulation im the pipe 图1瓦斯爆炸模拟管通示意图
13%9种情况.在有障码物的情况下，瓦斯浓度设 在不加障碍物时，瓦斯的浓度设置为5%～置为10%，即瓦斯爆炸的化学当量浓度，距点火端0.5m起，依次设置了3、6、9个障碍物的3种情况，障碍物间距为0.5m.本文选取了障码物阻塞比分别为0.56和0.75两种情况
3数值模拟结果及其分析
3.1无障碍物管道中瓦斯浓度对爆炸过程的影响
瓦斯的爆炸极限约为4.6%~14.3%，在管道中，不同浓度的瓦斯爆炸参数有显著不同，理论表 明，化学当量浓度对应着最大爆炸参数.
图2为不同浓度下最大爆炸超压随距离的变化规律，在浓度为10%，爆炸超压值最高，最大值达到1.3MPa.对于不同浓度的瓦斯爆炸情况，浓度越接 近当量的浓度，气体反应越充分，放出的能量越多，最大爆炸超压越大.瓦斯浓度远离当量浓度时，管道内各测点最大爆炸超压值趋于相等：瓦斯浓度接近当量浓度时，最大爆炸超压值出现在管道两端.
图2不同涨度下最大爆炸超压随胞离的变化Fig. 2 Explosion overpressure at diferent concentration variation with distance
3.2障碍物对管道内瓦斯爆炸的影响
影响管道内瓦斯爆炸的诸多因素中，障碍物的影响显著，火焰速度和爆炸超压在有障碍物的情况情况下障碍物的个数依次为3、6和9时爆炸超压随 下增加非常明显.图3~图5显示了两种阻塞比的时间变化曲线.
由图3（a），图4（a），图5（a）中的分析可知，3个障碍物时，r=0.257s时出现最大爆炸超压，6个障码物时，=0.178s时出现最大爆炸超压，9个障码
物时，=0.175s时出现最大爆炸超压.这说明随着 障碍物数量的增加，火焰持续受到扰动的时间增长，火焰失稳更加严重，反应速率增加，单位时间放出的能量越高，最大爆炸超压到达的时间越来越短；障碍物个数增加到一定数量时，达到最大超压的时间不再发生变化.障碍物个数增加到一定数量的时候， 最大爆炸超压不再继续增加面是略有下降.
障碍物数量一定时，比较不同阻塞比的爆炸超压随时间变化曲线可以看到，阻塞比由0.56增加到0.75时，最大爆炸超压有所增加，这是因为阻塞比 越高，障碍片引起的当流混合效应越大，进而使下游的爆炸强度增大.
Fig. 3 Explosion overpressure at different times (3 obstacles)
3.3障碍物对爆炸过程中管道内火焰速度的影响
图3爆昨超压随时间的变化（3个陈码物）
火焰速度是通过相邻测点之间的距离除以温度达到最大值的时间差求得，当测点处的湿度突然上 升时，可以认为火焰传播到了该测点处，随着障碍物个数的增加，相邻测点的温度上升的时间间隔逐渐减小，又因为相邻测点之间的距离相等，可以得出火焰速度是增加的.
和火焰速度最大值，但障碍物增加到一定数量时火 障碍物数量的增加能明显增大火焰的燃烧速率焰速度的最大值略有下降，这是因为障碍物数量的增加抑制了管道内气体流速，影响了火焰传播，
表1列出了不同阻塞比条件下不同数量的障碍物时最大火焰速度.其中N表示障碍物个数，R 表示阻塞比.两种阻塞比情况相比较，可以看出高阻塞比的情况下火焰速度较大，与阻塞比相比，障碍物的数量对火焰的加速效果更为明显.
图4爆件超压随时间的变化（6个障码物）
Fig. 4 Explosion overpressure at different times (6 obstacles)
表1不同阻塞比不同数量障碍物时的最大火焰速度Tab 1 Maximum flame velocity with different blocking ratio and mmber of obstacles
/(m • s7)0 56 R N-2 250 N=3 500 N=6 526 N9 752 N=12 5000 75 333 542 600 760 500
4 结 论
炸传播规律，通过对研究结果的分析，可以得出如 本文系统研究了瓦斯浓度以及障碍物对瓦斯爆下结论：
①长管道内不同浓度的瓦斯和管道内有障碍物存在条件下对气体爆炸超压和火焰速度有着显著地影响；
Fig. 5 Explosion overpressure at different times (9 obstacles)
图5爆炸超压随时间的座化（9个障的物）
最大；有障碍物存在时，最大爆炸超压和火焰速度值 ②当瓦斯浓度约为10%时.管道内爆炸超压值随者障碍物数量的增加而增大：
[3]王成，马天宝，卢捷，管道内障碍物扰动对煤气爆炸特性 397 403.影响的数值模拟[J].中国科学（G辑：物理学，力学天Wang Cheng. Ma Tianbao Lu Jjie Influenee of obstacle 文学) 2009 39(9);1248 1257.disturbance in a duet on explosion characteristics of coal8.Astronomy). 2009 39(9) 1248 1257. (in Chinese) gas]. Science in China Series G: Physies Mechanics[4] Wang Cheng Han Wenhu Ning Jianguo. et al Highresolution numerical simulation of methane explosion in[5] Kessler D A Gamezo V N Oran E S Simulation of bend duetsJ]. Safety Seience 201250(4) =709 717 flame acceleration and deflagration to detonationtransition in methane-nir systems J]. Comhustion and[6] Century Dynamics and TNO AutoReagas theory manual Flame* 2010(157) ;2063 2077.[M]. [≤. 1]: The Interactive Sofrware for Renetive GasDynamic and Blast Analysis 1996.
③障碍物数量一定时，火焰在高阻塞比的条件下传播速度较快，这对生产生活中瓦斯爆炸的研究具有重要的指导意义.
参考文藏：
[1]林柏泉张仁贵昌恒宏，瓦斯爆炸过程中火焰传播规律 及其加速机理的研究[J].煤炭学报，1999 24（1）:56-59.Lin Boquan. Zhang Rengui Chang Hengbong.Research on accelerating mechanism and flame transmission in gas explosion[J]. Journal of China CoalSociety 1999 24(1);56 59. (in Chinese)[2] Wang Quann Ma Honghao. Shen Zhaowu. et al.Nurmerical simulation of premixed methane-air flame propagating parameters in square tube with differentsolid obstacles J]. Procedia Engineering. 2013 (62)
（责任编辑：刘芳）
