障礙物對天然氣噴射火影響的數(shù)值模擬研究*
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董炳燕1，黃有波2，孟 江1，呂淑然2
（1．重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331;2．首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京100070）
摘要：為研究障礙物控制天然氣噴射火對周圍設(shè)施危害的有效性，基于流體力學(xué)基本原理與湍流模型，采用FDS模擬軟件，分別研究高度為10 m的障礙物寬度和障礙物與泄漏孔間距對噴射火的影響。研究得出：障礙物對噴射火阻擋效果明顯，減緩了火焰在速度方向的傳播；障礙物越寬，控制火焰向前傳播的效果越好，障礙物后方受火焰高溫和熱輻射危害越小，但隨著寬度的增加，后方溫度和熱輻射下降率減小，障礙物寬3m時，對火焰控制效果最好；隨著障礙物與泄漏孔間距增加，障礙物后方熱輻射先增加后減小，間距為5m時，障礙物對火焰的控制效果最好，此時噴射火下游受保護(hù)的區(qū)域最寬。研究結(jié)果可為儲氣罐發(fā)生泄漏火災(zāi)事故處置及應(yīng)急設(shè)施設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：噴射火；障礙物；儲罐火災(zāi)；熱輻射；數(shù)值模擬
中圖分類號：X932；X937 doi：10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 021
0 引言
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，油氣儲罐容量和壓力越來越大，導(dǎo)致大型儲罐事故時常發(fā)生，如2015年7月16日，山東日照石大科技石化有限公司1 000rr13液態(tài)烴球罐起火發(fā)生連環(huán)爆炸。如今儲罐已成為天然氣儲存的主要方式…，高壓天然氣儲罐失效后，泄漏氣體遇火源極
易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，導(dǎo)致嚴(yán)重的危害。根據(jù)API581，燃?xì)庑孤┌l(fā)生安全排放、噴射火、火球火災(zāi)、蒸氣云爆炸的概率分別為0.8、0.1、0.06、0.04，由此可知噴射火是最常見的燃?xì)馐鹿�。噴射火是氣體泄漏后，在泄漏口遇火源形成的噴射火焰。大容積天然氣儲罐泄漏后，遇火源容易形成穩(wěn)態(tài)噴射火，火焰熱輻射危害周圍儲罐設(shè)施，容易引起鄰近罐體的損壞、坍塌，引發(fā)多米諾效應(yīng)。
為預(yù)防噴射火事故，減少損失，已有學(xué)者對噴射火影響因素及火災(zāi)危害特性進(jìn)行研究，Kalghatgi等在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行小尺寸噴射火實驗，研究氣體噴射角度和風(fēng)速對噴射火特性的影響；Kielec等對噴射火焰的熱沖擊效應(yīng)進(jìn)行實驗，對比分析了天然氣和丙烷噴射火的溫度場和輻射場；Lowesmith等通過實驗對比研究甲烷和甲烷與氫氣混合氣體噴射火的溫度場及危害區(qū)域；陳文江等考慮不同風(fēng)向?qū)娚浠鸬淖饔�，�?gòu)建不同風(fēng)向下的噴射火三維模型；雷婷等應(yīng)用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件FDS( firedynamics simulator)模擬分析兩種泄漏孔直徑的儲罐噴射火危害半徑；李占穩(wěn)等利用數(shù)值模擬方法，獲得井噴噴射火幾何尺寸和傷害半徑隨采氣井產(chǎn)氣量的變化規(guī)律；陳杰等提出了CNG加氣站噴射火危害半徑的計算方法。
現(xiàn)有研究主要集中于完全開敞環(huán)境噴射火，環(huán)境中具有障礙物的相關(guān)研究很少，然而研究障礙物對噴射火的影響，有助于運用障礙物阻擋火勢蔓延、防止發(fā)生多米諾效應(yīng)，可根據(jù)建筑防火設(shè)計中移動式防火分隔設(shè)施阻擋火災(zāi)蔓延的原理，在儲罐噴射火方向設(shè)置移動式不燃性材料障礙物阻擋噴射火焰的熱效應(yīng)，對于保護(hù)火災(zāi)下游儲罐和最大程度減少事故損失具有重要作用。因此，筆者利用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件FDS研究障礙物對噴射火的影響，分別考慮障礙物寬度和障礙物與泄漏孔間距阻擋天然氣噴射火對下游危害的有效性。
1 本構(gòu)模型
1.1 軟件簡介
場模擬CFD軟件FDS，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院( National Institute of Standards and Technology, NIST)研發(fā)，主要求解火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的時空分布，其可靠性已得到大量實驗驗證。FDS進(jìn)行火災(zāi)模擬時選用湍流模型中的大渦模擬，模型數(shù)值求解過程中受浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的Navie-Stokes方程，重點計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程。
1.2模型建立
模擬場景為高壓天然氣儲罐噴射火，由于儲罐泄漏多為側(cè)面泄漏，并且側(cè)面噴射火熱輻射沖擊對周圍設(shè)施的危害大，因此將泄漏孔設(shè)置在側(cè)面，氣體泄漏方向為水平方向，設(shè)為x軸，水平面上垂直速度方向設(shè)為y軸，豎直方向為z軸。模擬環(huán)境為開敞空間無風(fēng)條件，模擬計算區(qū)域為40 mx40 m，模擬環(huán)境除地面外，其他邊界為開放( open)邊界。根據(jù)API581設(shè)置噴孔面積為0.25
m2，離地高3m，噴射速度為20 m/s，環(huán)境溫度設(shè)為200C，外界壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。設(shè)置障礙物為惰性(inert)擋板，高度為10 m，寬度由1m開始，每間隔1 m遞增到10 m;障礙物與噴孔間距由2m開始，每間隔1 m遞增至15 m，同時設(shè)置一組空白對照組。如圖1，為障礙
物高10 m、寬3m，距離泄漏孔8 m的模型示意圖。由于模擬場景對稱，因此監(jiān)測其中一側(cè)的數(shù)據(jù)，每個點位監(jiān)測1 000次，取其平均值。
2 結(jié)果分析
2.1 障礙物寬度的影響
在噴射速度和障礙物與泄漏孔間距不變的情況下，分析障礙物寬度對噴射火的影響，障礙物設(shè)置在噴射孔正前方5 m處。
2.1.1 火焰幾何尺寸
監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，障礙物阻礙了天然氣的射流，在擋板處截斷了水平方向的射流速度，使火焰不能直接到達(dá)障礙物后方，同時增大了火焰橫向?qū)挾龋够鹧娉叽缭趛軸方向被拉伸，并且隨著障礙物寬度增加，火焰橫向尺寸越來越大，如圖2。沒有障礙物時，火焰橫向?qū)挾葹?m;隨著障礙物寬度增加火焰寬度先有較大增加，當(dāng)火焰寬度達(dá)到一定值后隨著障礙物寬度的增加火焰橫向尺寸增加率減小，如圖3。造成此現(xiàn)象的主要原因是，泄漏氣體量為定值，適當(dāng)增加障礙物寬度，泄漏氣體橫向擴(kuò)散較寬并燃燒，繼續(xù)增加障礙物寬度，已沒有更多的
未燃?xì)怏w橫向擴(kuò)散參加燃燒，因此火焰寬度變化減緩。燃燒過程中，火焰首次撞擊障礙物形成的火焰尺寸最大，之后火焰尺寸變小并趨于穩(wěn)定，這是由于火焰到達(dá)擋板之前，在擋板兩側(cè)和后方形成渦旋結(jié)構(gòu)，這種渦旋結(jié)構(gòu)使天然氣噴射火產(chǎn)生強烈褶皺和伸展，增大燃燒表面積，使甲烷與空氣化學(xué)反應(yīng)速率和熱釋放速度增加，火焰尺寸增加。當(dāng)火焰燃燒達(dá)到最劇烈狀態(tài)時，周圍空氣被消耗掉，同時火焰產(chǎn)生煙氣，阻擋天然氣與周圍空氣的表面接觸，因此火焰尺寸有所衰減并趨于穩(wěn)定。
噴射火燃燒趨于穩(wěn)定狀態(tài)后，火焰尺寸在某范圍內(nèi)波動，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于間歇性火焰的存在。間歇性火焰是由于在燃燒過程中受空氣動力學(xué)特性的影響，甲烷與空氣形成自然對流，同時由于火焰高溫產(chǎn)生溫差使氣流之間形成壓力差，壓力差產(chǎn)生浮力，可燃?xì)怏w受浮
力驅(qū)動與空氣接觸，卷吸空氣形成，并具有周期性。
2.1.2 溫度分析
火焰中心溫度超過1 500℃，當(dāng)障礙物寬度為1 m時，1 000℃高溫在豎直方向的傳播距離超過40 m，隨著障礙物寬度的增加，高溫在豎直方向的傳播距離下降。沒有障礙物時，水平軸線上火焰平均溫度先增加后減小，在泄漏口前方7m處達(dá)到最大值1 500℃。當(dāng)有障
礙物時，障礙物后方溫度明顯下降，如圖4為離地9m高處障礙物后方軸線上的平均溫度，軸線上離障礙物3m處平均溫度最大。障礙物寬1 m時，后方最高溫度為894℃，障礙物寬度繼續(xù)增加，后方溫度迅速下降，當(dāng)障礙物寬度由3 m繼續(xù)增加時，后方溫度下降緩慢，這說明擋板寬3m時對火焰的阻擋效果已經(jīng)較好；隨著障礙物寬度的增加后方溫度越來越小，但先有較大下降，隨后下降幅度較小，溫度趨于穩(wěn)定，障礙物寬10 m時后方最高溫度為273℃。
2.1.3 熱輻射分析
監(jiān)測障礙物前方0.2 m處熱流量平均值見表1。由表1可知，障礙物使噴射火在橫截面上的熱流量增加，并且隨著障礙物寬度的增加，橫截面上熱流量值越來越大。但障礙物寬度小于3m時增加幅度較大，寬度大于3m時，熱流量增加較小，主要原因是由于泄漏氣體和氣體燃燒熱為定值，因此當(dāng)障礙物寬度達(dá)到一定值繼續(xù)增加時，火焰在橫截面上的熱流量值變化較小。
監(jiān)測水平軸線上的熱通量得出，當(dāng)有障礙物時，軸線上的熱通量明顯減小，隨著障礙物寬度增加熱通量減小，但減小率逐漸下降，如圖5；障礙物寬度為1m時，熱通量值仍然較大，障礙物寬度大于3m時，隨著障礙物寬度增加，熱通量值下降較小，說明3m寬的障礙物對噴射火阻擋效果已經(jīng)較好，繼續(xù)增加障礙物寬度控制火焰效果并不明顯。障礙物后方熱通量有一個升高的過程，在距離擋板3m處升高到最大值，然后逐漸下降，此現(xiàn)象是由于燃料由擋板兩側(cè)形成射流渦旋擴(kuò)散到后方，在后方燃燒造成。綜合溫度分析和熱輻射分析，10 m高的障礙物寬度為3m時，為控制噴射火焰的最佳寬度。
2.2 障礙物與噴射孔距離的影響
在噴射速度和障礙物寬度不變的情況下，改變障礙物與泄漏孔的間距來分析噴射火對障礙物后方的影響，設(shè)置障礙物寬度為3m。由模擬結(jié)果得出當(dāng)障礙物與泄漏孔間距為5 m時，火焰沿y軸的橫向尺寸最寬，其他間距時橫向尺寸較小，但都大于沒有障礙物的情況，障
礙物與泄漏孔間距小于5m時有火焰沿障礙物兩側(cè)擴(kuò)散到障礙物后方，當(dāng)間距大于5m時，障礙物后方火焰不明顯。
2. 2.1 溫度分析
監(jiān)測得出，在障礙物后方有一個圍繞障礙物的伴隨流場，并且障礙物與泄漏孔間距越小，流場越明顯，天然氣被障礙物形成的剪切流拉伸的越長。因此，障礙物越靠近泄漏孔，障礙物后方的可燃?xì)怏w越多，危險性越大。障礙物后方溫度先升高后下降，擋板后方2.5 m處溫度達(dá)到最大值，這是由于可燃?xì)怏w繞擋板兩側(cè)擴(kuò)散到后方燃燒造成，但該處溫度遠(yuǎn)小于沒有障礙物時的情況。如圖6所示。
2.2.2熱輻射分析
障礙物與泄漏孔不同間距時，障礙物前方0.2 m處豎直切面上通過的熱流量見表2，變化趨勢如圖7。
隨著與泄漏孔間距的增加，障礙物前方熱流量先增加后減小，當(dāng)障礙物與泄漏孔間距為5 m時，障礙物前方通過的熱流量值最大，此情況下火焰被障礙物拉伸的最寬。當(dāng)障礙物與泄漏孔間距為2m時，由于可燃?xì)怏w圍繞障礙物兩側(cè)擴(kuò)散到后方，被縱向拉長，所以可燃?xì)?
體橫向分布較少，障礙物前方橫截面上的熱流量值較��；當(dāng)障礙物與泄漏孔間距大于5m時，可燃?xì)怏w在前方區(qū)域已進(jìn)行了較充分燃燒，并由于浮力和空氣阻力作用，大量氣體橫向速度衰減，豎直方向擴(kuò)散高度超過擋板高度10 m，火焰蔓延出擋板向前傳播，因此，該工況下
障礙物前方監(jiān)測到的熱流量值較小。當(dāng)障礙物與泄漏孔間距為5m時，障礙物阻擋了大量正向前傳播的可燃?xì)怏w，使氣體撞擊擋板失去水平方向的速度，在擋板前方縱向和橫向傳播，因此，該工況下火焰被拉伸的較寬，障礙物前方熱流量值最大。
如圖8為障礙物前方0.2 m處，y軸方向熱通量平均值分布圖。由圖可知，障礙物與泄漏孔間距增加時，y軸方向熱通量先增加后減小，當(dāng)障礙物與泄漏孔間距為5m時，沿y軸方向的熱通量平均值最大，說明此工況下，火焰被橫向拉伸的最寬，障礙物對火焰的阻擋效果最好。障礙物與泄漏孔間距小于10 m時，橫向距離泄漏孔2m處熱通量值最大，大于火焰中心軸線上熱通量值，說明擋板對火焰起到了阻擋作用，使火焰橫向擴(kuò)散；當(dāng)障礙物與泄漏孔間距大于10 m時，火焰中心軸線上的熱通量為橫向最大值，此時擋板對火焰的阻擋效果不明顯。
綜上分析，障礙物與泄漏孔間距為2m時，障礙物后方可燃?xì)怏w較多，后方火焰溫度容易再次升高；障礙物與泄漏孔間距為5m時，火焰尺寸橫向拉伸較寬，障礙物對火焰的控制效果較好；障礙物與泄漏孔間距大于10 m時，擋板對火焰的阻擋效果不明顯，但這主要是由于火焰?zhèn)鞑サ酱颂幈旧硪呀?jīng)衰減，火焰在前方10 m內(nèi)燃燒充分，危害較大，如果該范圍內(nèi)有人員和設(shè)施，將受到嚴(yán)重危害。因此，10 m高的障礙物與泄漏孔間距為5m時，障礙物對天然氣噴射火的控制效果最好。
3 結(jié)論
1)障礙物能夠有效的減緩噴射火對噴射下游的危害，阻擋火焰在速度方向的傳播，使障礙物后方的溫度和熱輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沒有障礙物的情況，但火焰橫向?qū)挾茸兇蟆?
2)障礙物寬度增加，擋板后方火焰溫度和熱輻射下降，但下降率逐漸變小，10 m高的障礙物寬度為3m時，是噴射火最佳控制寬度。
3)障礙物與泄漏孔間距越小，可燃?xì)怏w擴(kuò)散到障礙物后方的渦團(tuán)濃度越大，越容易在后方發(fā)生燃燒使溫度升高，但溫度小于沒有障礙物的情況。當(dāng)10 m高的障礙物與泄漏孔間距為5m時，障礙物對噴射火下游的控制效果最好。
