27002360_临街餐厅掺氢天然气泄漏爆炸模拟研究

ｂ．掺氢比例为１０％
７９３４ ＤＲＡＧ ３Ｄ（ＬＰａ）
６３００
，
寄号
４９．００
４２００
３５００
３０
２６０ｏ
２１．００
本号
ＲＶｕａｎ：： ｏＤ０Ｒ０Ａ０Ｇ２３２０
７００
０００
Ｔｉｍｅ．３８０．８０ ｍｓ ｛６６５）
ＰａｎｅＸＹ．Ｚ＝０挡ｍ
ｃ，掺氢比例为２０％
ＤＲＡＧ ３Ｄ（ｔＰａ） 当宅
８１００
７２００
为完全破坏、对爆炸无阻碍。
３ 结果与讨论
３．１ 掺氢比例对爆炸特性的影响
① 爆炸压力峰值、最高温度
餐厅门为关闭状态，点火位置为靠近餐厅门侧
（门里），计算域达到爆炸压力峰值时，不同掺氢比
例工况ｚ＝０．７５ｍ截面爆炸压力分布（软件截图）见
图４，计算时段计算域不同掺氢比例工况最高温度
见表１。
表１ 计算时段计算域不同掺氢比例工况最高温度
增大，爆炸强度越大；从监测点１达到爆炸压力峰值 时间看，掺氢比例增加，达到爆炸压力峰值时间不断
缩短，即爆炸压力上升速度提高。综上所述，掺氢对
天然气爆炸起到加速作用，掺氢比例越大，爆炸强度
越大，爆炸压力上升速度越快。 ③ 达到爆炸压力峰值时间
餐厅门为关闭状态，３种点火位置不同掺氢比
例下达到爆炸压力峰值时间见图６。可以看出，随
预混气爆燃特性的影响。
２０１９年我国共发生燃气事故７２２起，其中发生
第一作者简介；李亮，男，硕土生，主要从事天然气爆炸安全方面的研究。
收稿日期∶２０２１－０３－０５；修回日期∶２０２１－０７－１０
·Ｂ３３．
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第４２卷 第５期
煤气与热 力
体爆炸试验分析研究，得到由于障碍物的原因管道
内燃气爆炸压力峰值增加２０？？郑立刚等人【７－司
为研究不同点火位置下氢气／甲烷／空气预混气体的
爆燃特性，改变点火位置和氢气添加比例，在实验平
台上开展爆燃实验以及开展了氢气－空气预混气在 透明方管内的爆燃实验研究，分析在一端开口一端
封闭的狭长空间内，浓度和点火位置对氢气－空气
初始大气压力为１０１ ３２５ Ｐａ，初始温度为２０ ℃。
ｃ．设置模型边界条件
爆炸所有参数选择欧拉＂ＥＵＬＥＲ＂边界条
件——将无黏流动方程（Ｅｕｌｅｒ 方程）离散为边界
元。这意味着在流出情况下动量方程和连续方程在 边界上得到了求解。环境压力用作边界外的压力。
ｄ．气体组成设置
选择 ＣＨ．、Ｈ，并按掺氢比例分别为０？？１０？？
将燃气区域空间设置为整个餐厅。点火位置均 设在餐厅内部，分为靠近封闭侧、中部及靠近餐厅 门。具体参数设置情况如下。
ａ．监测点布置
采用中心布置并且考虑对人的损伤情况，选择
ｚ＝１．２ｍ的截面，餐厅内部每隔２ ｍ布置监测点，
餐厅外部每隔 ４ ｍ布置监测点。监测点坐标为∶ ＭＰＩ１（２，－４０，１．２），ＭＰ７（２，－３６，１．２）、ＭＰ５（２， －３２，１．２）、ＭＰ４（２，－２８，１．２）、ＭＰ（２，－２４，１．２）、
着掺氢比例增加，３ 种点火位置时达到爆炸压力峰
·Ｂ３５．
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煤 气与热 力
ｗｗ． ｇａｓｈｅａｔ．ｃｎ
１６３４２
ｓ４００
４８００
４２００
３６００
３０００
０
２４００ １８００１２００ NhomakorabeaＸ（ｍ）
Ｒｕｎｔ ０００２０
ＶａｒＯＲＡＧ ｊｏ
ｗｗ．ｇａｓｈｅａｔ． ｃｎ
在餐厅等商户的事故逾１００ 起【９】。临街餐厅通常将
就餐区域布置在临街一侧，而厨房位于内侧，出于地
形或者建筑功能布局的考虑，许多临街餐饮店只在
临街侧设置餐厅门．其厨房属于没有直接对外门窗
的内厨房，此类型空间自然通风不畅。
研究掺氢对临街餐厅内天然气泄漏爆炸的影
响，对天然气掺氢系统运行的安全管理有积极意义，
掺氢燃气管道以及送排风管道均牵引至厨房，
送排风管道均长６．５６ ｍ，宽０．３５ｍ，高０．２５ ｍ，灶
台高度为０．８ｍ。上方安有吸油烟机，高度０．４ ｍ。
餐厅门中心点坐标为（２，０，１），高２ ｍ，宽２ ｍ。窗
口位于门的正上方，上边缘与餐厅顶平齐，常开状
态，宽１ｍ，高０．３ ｍ。厨房另一边为储物柜（高２
现有文献尚未发现此方面的研究，因此本文尝试采
用数值模拟方法对餐厅空间掺氢天然气泄漏爆炸进
行定量研究。
２ 研究方法
① 研究对象
临街餐厅由就餐区和厨房组成。餐厅总长度Ｌ
为９ｍ（其中就餐区长Ｌ为４．９４ ｍ，厨房长Ｌ为
３．９４ｍ，隔墙厚度Ｌ为０．１２ ｍ），宽度为４ｍ，高３
－ｍ。餐厅模型（软件截图）见图１。点火源为点源。
研究掺氢比例对可燃气体爆炸特性的影响时，
假定掺氢天然气在餐厅内均匀分布，４种掺氢比例 （在氢气和甲烷的混合气中氢气体积分数分别为 ０？？１０？？２０？？３０？？、餐厅门关闭条件下，分析靠 近餐厅门点火时爆炸压力峰值和最高温度的变化、 中部点火时餐厅门外４ ｍ 处监测点爆炸压力的变
化、３种点火位置（靠近封闭侧点火、中部点火、靠近
临街方向称为前，远离街道方向称为后，厨房后墙称
为封闭侧。
④ 网格划分与参数设置 根据所建模型的尺寸设置计算域，爆炸模拟的 计算域不仅包括餐厅内部，还对餐厅外部压力波可
能到达的范围进行网格划分．保证计算域完整地覆
盖餐厅系统模型。在整个计算域内设置均匀网格， 设置３个方向上的网格尺寸为０．１ ｍ。在餐厅内部 以及餐厅门外等关键部位设置监测点，监测爆炸反
分守恒方程，配合边界条件求解，可计算得出爆炸压
力、火焰传播速度、温度、反应物浓度等多个爆炸参
数。
③ 模型的建立
为了解爆炸对餐厅外部空间的影响程度，在餐
厅物理模型（见图１）的基础上扩大餐厅外部空间模
拟区域，该区域长×宽×高为４９ ｍ×２４ ｍ×７ ｍ。
爆炸模拟物理模型（软件截图）见图２。餐厅门所处 的平面为零界面（图中黑色部分），坐标原点位置见 图１ｂ，餐厅地面为ｚ＝０平面，ｚ正方向为竖直向上。
ｍ）、材料桌（高０．８ ｍ）、清洁台（高０．８ｍ），其他具
体尺寸见图１ｂ。
ｗ口、
排风口
风雪
风Ｌ
个
神瓶则代管酒
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ａ．餐厅物理模型
驰量 额城 争饰制要 Ｍ移ｅ
ｆＡＵ连毛ＥｏＱ迎＿１９３＿视＿ｉｇｅＪ００３
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ｂ．餐厅俯视图
图１ 餐厅模型（软件截图）
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李 亮，等∶临街餐厅掺氢天然气泄漏爆炸模拟研究
第４２卷 第５期
图 ２ 爆炸模拟物理模型（软件截图）
应过程爆炸压力、爆炸压力上升速率、温度和火焰传 播速度的变化，监测点分布见图３。
：
图３ 监测点分布
０ 掺氢比例／％
１０ ２０ ３０
最高温度／℃２４１７．５３２４５．７３２ ４７３．７５２ ５０５．５９
由图４可知，随着掺氢比例增加，发生点火爆炸
后，爆炸压力峰值随之增大，爆炸压力峰值时间缩
短。在整个模拟中，靠近餐厅门点火时，首先引发室
内气体爆炸，室内压力骤增，导致餐厅门开启，压力
波向室外传播，部分工况室内甚至会出现负压，在图
采用 ＦＬＡＣＳ软件进行爆炸模拟研究，该软件由 挪威Ｇｅｘ Ｃｏｎ（ＣＭＲ／ＣＭＩ）公司开发，可以通过建 立精确的燃烧、爆炸物理模型，研究爆炸压力、温度
等多个参数在整个爆炸过程中的变化情况。该软件 基于有限体积法在三维笛卡尔网格下求解可压缩 Ｎ
－Ｓ方程。使用标准的湍流模型，并利用ＳＩＭＰＬＥ算 法，通过建立描述流体特性的质量、动量、能量及组
中改变掺氢比例（氢气－天然气混合气中氢气体积分数分别为０？？１０？？２０？？３０？？、点火位置
（靠近封闭侧点火、中部点火、靠近餐厅门点火）、餐厅门启闭状态分析掺氢对爆炸特性的影响。模
拟结果表明∶４种掺氢比例、餐厅门关闭条件下∶靠近餐厅门点火时，随着掺氢比例增加，爆炸压力 峰值增大，达到爆炸压力峰值时间缩短，最高温度增加；中部点火时，掺氢对天然气爆炸起到加速作 用，掺氢比例越大，爆炸强度越大，爆炸压力上升速度越快；３种点火位置下，靠近封闭侧点火达到
爆炸压力峰值时间最长。掺氢比例为２０？？餐厅门开启条件下；点火位置不同．相同监测点爆炸压
力差别较大。４种掺氢比例、中部点火条件下∶餐厅门关闭状态餐厅门外４ ｍ处监测点爆炸压力峰 值明显高于餐厅门开启状态。
关键词∶掺氢天然气； 临街餐厅；爆炸特性； 掺氢比例 中图分类号∶ＴＵ９９６．９ 文献标志码∶Ａ 文章编号∶１０００－４４１６（２０２２）０５－０Ｂ３３－０６
４ 所示时刻计算域的爆炸压力峰值均出现在向室外
传播的过程中。由表１可知，餐厅内发生点火爆炸
后，最高温度随掺氢比例增加而增加，说明掺氢比例 增加会增大爆炸的危害程度。
② 监测点１爆炸压力变化
餐厅门为关闭状态，中部点火时不同掺氢比例
监测点１爆炸压力变化见图５。从监测点１爆炸压 力峰值的角度看，掺氢比例增加，爆炸压力峰值不断
人【３】提出了一种用ＦＬＡＣＳ模拟封闭空间内湍流火
焰的ＣＦＤ模拟方法，并用ＦＬＵＥＮＴ软件计算了低湍
流爆炸波在自由空气中的传播，将其应用于预测由 外部爆炸引起的爆炸室内的爆炸压力峰值，计算结 果与实验结果吻合较好。Ｂａａｌｉｓａｍｐａｎｇ 等人【４】建立 分析模型，评估火灾、爆炸产生的压力和热辐射对人 体形成的危害后果。李红培【５】利用爆炸仿直软件 建立了开放式厨房爆炸模型，并进行爆炸模拟，分析 燃气浓度、泄压板尺寸、泄压压力等对爆炸压力的影 响。卢捷等人【以】通过对有无障碍物的管道进行气
１ 概述
氢气燃烧速度快、燃烧界限宽、质量热值高，天
然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性。天然 气掺氢是降低碳排放和实现大规模氢能运输的重要
手段，但高成本、高安全隐患以及大众对氢认知度不
够等是制约其发展的重要因素。
在理论和数值模拟研究领域，由于受限空间气
体爆炸过程显示出了极强的复杂性和极大的破坏 性，各项研究已对受限空间可燃气体爆源性质、爆炸 过程、传播规律、影响因素等方面进行了深入广泛细
致的研究。Ｓｕｎ 等人【１在钢制燃烧室中进行甲烷－
空气混合物的爆炸试验，研究了初始压力、浓度、初
始湍流对火焰发展的影响。Ｐｅｄｅｒｓｅｎ 等人【２采用
ＣＦＤ方法对两室封闭空间内天然气爆炸进行模拟
研究，结果表明压力曲线有两个爆炸压力峰值。第
１个爆炸压力峰值与防爆通风板泄压有关，第２个 爆炸压力峰值随排气口结构、填充程度变化。Ｌｉ等
９
６３００
５４００
４５００
到
３６００ ２７００
１８００
Ｘｔｍ］
Ｒｕｎ： ００００２３ Ｖａｒ ＤＲＡＧ＿
９００ ｏ００
ＴＩｉａｍｎｅｅ ：３Ｘ６Ｙ ．０Ｚ１＝ｍ０ｓ ７（５５ｍ８８
ＭＰ１５（２，－２０，１．２）、ＭＰ１３（２，－１６，１．２）、ＭＰ１４（２，
－１２，１．２）、ＭＰ１２（２，－８，１．２）、ＭＰ１（２，－４，１．２）、 ＭＰ３（２，０，１．２）、ＭＰ６（２，２，１．２）、ＭＰ８（２，４，１．２）、
ＭＰ９（２，６，１．２）、ＭＰ１０（２，８，１．２）。 ｂ．初始条件设置
６．０
０．８０
Ｔｉｒｅ：４７６００ ｍｓ（８１８）
Ｈａｎｅ ＸＹ，Ｚ－０７５ｍ
ａ．掺氢比例为０％
ＤＲＡＧ３Ｄ（Ｐａ１ ６９Ａ０
５４００
４８００
４２００
３６００
３０００
个
２４．００
１８００
１２００
Ｘ（ｍ
Ｒ００ｏｏ２１
Ｖａｒ ＤＲＡＧ ｉｏ
初ｏ０图０
ＴＰｉａｍｎｅｅ． ×４１６，．Ｚ８－１０ｍ７ｓ５［７ｍ６）
２０？？３０的体积分数比设置掺氢天然气。
ｅ．点火条件设置
当掺氢天然气泄漏，达到爆炸下限时，点火。点
火源坐标为靠近封闭侧（２，８．８，１）、中部（２，４．４，
１）、靠近餐厅门（２，０，１）。延迟时间∶０ ｍｓ。
ｆ．泄压板
餐厅门关闭工况，将餐厅门设置成 ＰＯＰＯＵＴ泄
压板，开启压力为１０ ｋＰａ，超过该压力，则餐厅门视
第４２．卷 第５期
２０２２ 年５月
煤ＧＡ气ｓ 与＆ 热ＨＥ Ａ力Ｔ
ＶＭｌａ．ｙ４ ２２ ０Ｎ２．２５，时
临街餐厅掺氢天然气泄漏爆炸模拟研究
李 亮， 臧子璇， 漆 琦， 李 杜，黄小美
（重庆大学 土木工程学院，重庆 ４０００４５）
摘 要∶ 采用 ＦＬＡＣＳ软件对天然气掺氢在临街餐厅受限空间中的爆炸行为进行研究，模拟
餐厅门点火）达到爆炸压力峰值时间的变化。 研究点火位置对可燃气体爆炸特性的影响时，
掺氢比例为２０？？餐厅门开启条件下，分析３种点 火位置部分监测点爆炸压力的变化。
研究餐厅门启闭状态对可燃气体爆炸特性的影
响时，４种掺氢比例、中部点火条件下，分析餐厅门 开启和关闭时餐厅门外４ ｍ 处监测点爆炸压力的变
化。 ② 模拟软件