汽车油罐车爆炸燃烧特性的数值模拟分析

汽车油罐车爆炸燃烧特性的数值模拟分析
陈超;周利坤
【摘要】汽车油罐车爆炸燃烧是一种发生在受限空间内的燃烧情形,研究汽车油罐车爆炸燃烧过程中湍流速度场和温度场的分布和发展对爆炸冲击波形成与传播的作用规律,对于加强汽车油罐车安全设计和防灾减灾具有积极作用.为探究汽车油罐车
在爆炸燃烧时油罐内部的火焰变化情况,建立了汽车油罐车爆炸燃烧模型,通过数值
模拟分析得到油罐爆炸燃烧时的温度场和燃气速度场分布情况,以此研究油罐内部
爆炸燃烧的发展过程.模拟结果与已有文献试验数据存在较好的吻合性,对汽车油罐
车油气爆炸燃烧特性规律的进一步研究及汽车用油罐防爆抑爆设计优化具有参考意义.
【期刊名称】《安全与环境工程》
【年(卷),期】2016(023)006
【总页数】8页(P148-154,159)
【关键词】汽车油罐车;爆炸燃烧特性;受限空间;数值模拟
【作者】陈超;周利坤
【作者单位】武警后勤学院,天津 300309;武警后勤学院,天津 300309
【正文语种】中文
【中图分类】X928.7;U469.6+1
汽车油罐车运输是油气运输的重要环节，由于当前对汽车油罐车在受限空间内油气爆炸燃烧机理与安全设计研究的滞后，很容易在油气运输中发生重大爆炸燃烧事故。

目前可燃气体爆炸的主要研究方法有数值模拟和试验研究，其中试验研究由于存在高危险性，且需要投入大量的人力物力、成本高、难度大，不容易实现；随着计算流体力学软件的不断完善，数值模拟因日趋简单准确且成本较低，已逐渐被研究者广泛采用。

在近几年的研究中，国外的研究者Ulrich等［1］利用火焰轨迹方法对密闭管道内可燃气体混合物爆炸过程进行了数值模拟，能够预测管道内最大爆炸压力和压力上升速率以及火焰到达管道内某处的时间；Eairweather等［2］对管道
内气体爆炸火焰传播进行了数值模拟研究，得出了管道中爆炸超压主要是由于障碍物产生的湍流燃烧引起的结论；国内的研究者高健丰等［3］、蒋新生等［4］对
油罐油气混合物进行了爆炸试验与数字仿真研究；游鹏飞等［5］、赵丹阳［6］、吕东等［7］对埋地油罐的爆炸发展情况及破坏性进行了数值模拟研究；王博［8］、王进旗等［9］利用数值模拟方法对可燃气体的爆炸燃烧规律进行了研究；马庆春等［10］对城市燃气管道泄漏火灾爆炸影响进行了数值模拟研究；滑帅等［11］针对巷道不同拐弯角度对瓦斯爆炸的影响进行了数值模拟研究。

通过检索
发现，目前针对诸如汽车油罐车这类移动储运载体的研究较少，对其爆炸燃烧的条件及其发展规律的认识还不够清晰，鉴于此，本文通过建立汽车油罐车中油蒸汽的湍流爆炸数学和物理模型，利用Eluent软件对局部燃烧引起爆炸燃烧中的温度场
和湍流速度场的发展情况进行了数值模拟研究，探究温度和湍流速度变化对火焰和爆炸冲击波传播的影响，为受限空间中可燃气体爆炸特性及规律的进一步研究以及汽车油罐车的防爆抑爆安全设计和关键参数设定提供依据。

本文基于试验研究和分析，建立模拟油罐可燃气体爆炸燃烧过程的湍流模型，并利用Eluent软件中的RNG k-ε湍流模型模拟爆炸燃烧过程中的湍流流动，采用EBU-Arrehnius燃烧模型对油气爆炸燃烧过程进行描述。

1.1 模拟流场湍流模型
k-ε模型是双方程中的一种经典模型，被广泛应用于工程实践中，其基本方程如下：
湍动能k方程为
湍动耗散率ε方程为
式中：下标i、j、k代表第i、j、k个；下标l、t分别代表层流和湍流；ρ为密度（kg／m3）；u为粒子速度（m／s）；μ为动力黏性系数（Pa·s）；μe为有效黏性系数（Pa·s）；δij为单位张量，当i＝j时，δij＝1，否则δij＝0；σk、σl、C1、C2、Cμ均为常数，取值分别为1.0、1.3、1.44、1.92、0.09。

在标准k-ε模型的基础上，经过统计分析修正并对ε方程进行改进，得到RNG k-ε湍流模型，该模型具有湍流模拟精度高和计算量小的优势，相比标准k-ε模型，RNG k-ε湍流模型更适合于高压力、高湍流速度的环境，因此以RNG k-ε模型作为本次爆炸流场的湍流模型。

其基本方程如下：
湍动能k方程为
湍动耗散率ε方程为
式中：Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能；αk和αε分别代表k方程和ε方程的湍流普朗特数；C1ε、C2ε为经验常数，其值分别为1.42、1.68。

1.2 模拟流场爆炸燃烧模型
由于油气成分复杂，为了便于研究，本文以C16H29蒸汽和空气的混合气体为爆炸介质，初始条件设定如下：
（1）油罐为封闭空间，内部充满均匀的油蒸汽与空气混合的气体，且处于常压静止状态。

（2）混合气体爆炸反应为单步、不可逆反应，反应方程为
其中，Q为反应释放的能量（kJ）。

（3）由于反应过程时间极短，故不考虑油罐内外的热量交换，整个过程处于绝热状态。

（4）油罐壁面默认为刚性壁面，不考虑发生变形的情形。

EBU-Arrehnius燃烧模型重点关注了湍流对燃烧反应速率的影响，对油气爆炸模
拟具有较好的适用性及较高精度，因此本文采用EBU-Arrehnius燃烧模型来计算
油气爆炸燃烧过程。

其基本方程如下：
式中：R代表普氏气体常数（J／mol·K）；B为数前因子系数；E为活化能（J／mol）；Rfu，A为Arrehnius类型燃烧速率（J／s）；Rfu，T为湍流燃烧速率（J／s）；CEBU为经验常数，本文取值为0.4；Y1代表C16H29质量分数（%）；Y2代表O2质量分数（%）；Y3代表燃烧产物CO2质量分数（%）；Y4代表燃烧产物H2O的质量分数（%）。

1.3 模拟油罐物理模型
为了便于计算，将汽车油罐车油罐的模型化简为如图1所示的图形，其高度为1.2 m、宽度为1.6 m、长度为5 m，油罐罐口尺寸为0.4 m×0.4 m，在模拟油罐口
正中心位置有一高温启爆源，其长宽高均为0.01 m，罐口中心长短轴截面见图2
和图3。

由于模拟油罐相对于罐口中心长轴截面呈对称结构，因此本次模拟取该中心截面为研究对象，对截面进行几何结构网格划分，即采用以四边形网格为主、三角形网格为辅的方式对计算区域进行网格划分，根据经验罐口处湍流速度和强度均较大，因此对此处网格进行加密处理，罐口处四边形网格大小为1 cm2，罐底处网格大小
为4 cm2，壁面处的网格采用自适应加密处理，总网格数为35 008个。

利用Eluent软件进行模拟计算时，边界条件设置为无滑移、无传热，此外还要考
虑压力梯度的影响和边界区域对k因子和ε因子的影响，确保在压力梯度较大的
流场模拟中仍能得到较为准确的模拟结果，因此本文采用非平衡壁面函数法处理壁面边界条件，并采用SIMPLE算法即压力耦合方程组的半隐式方法进行计算。

爆炸燃烧模型初始条件设置如下：C16H29油气浓度分数为2.5%，并且与空气均匀混合；启爆源T＝2 000 K，高温火源诱导爆炸，其他区域T＝300 K；参考压力
为常压101.325 k Pa；边界条件设定为固定无滑移、无形变的绝热壁面。

其模拟结果如下：分别取较有代表性的速度场分布云图、温度场分布云图、
C16H29浓度场分布云图和CO2浓度场分布云图作为分析依据，能够较为清晰地说明爆炸燃烧的发展变化情况。

其中，a1、b1、c1、d1至a9、b9、c9、d9分别为t1至t9时刻湍流气体的速度场分布云图、温度场分布云图、C16H29浓度场分布云图、CO2浓度场分布云图，详见图5至图8；不同时刻（t1～t9）湍流气体最高速度、最高温度、C16H29质量分数、CO2质量分数见表1至表4，t1～t9时间步长为0.5 s。

由图5和表1可以看出：在爆炸燃烧过程中，可燃气体在罐口处流速最高，且在爆炸燃烧过程中流速不断升高后趋于稳定，可燃气体最高流速出现在t6时刻，并在稳定燃烧的后期流速开始逐渐降低。

由于在计算过程中设置环境温度为300 K，而爆炸燃烧的时间极短，计算过程中不考虑热辐射和耗散，因此在计算区域的边缘出现与环境温度趋同的现象，见图6。

由于模拟过程中始终有油气不断从罐底进入燃烧区域，因此在远离压力出口的罐底区域出现高质量分数的油气，在经过壁面湍流效应发展的壁面附近和氧气含量丰富的压力出口附近可燃气体含量基本为零（见图7），说明燃烧进行得较为充分。

这与前面温度场的分布情况相吻合。

由图8可以看出：CO2质量分数分布情况与油气燃烧情况相吻合，在氧气含量高的罐口和在经过壁面湍流效应充分发展的转角处CO2含量较高，说明燃烧进行得较为充分。

通过本次模拟试验可知，在接近化学反应系数的浓度下油气爆炸燃烧产生的压力和温度均为最大，危害性也最高。

爆炸瞬间油罐的燃气瞬间高温达到4 000 K，高速从罐口喷出，对罐口产生伤害，具有较高的破坏性；在爆炸后半阶段，剧烈燃烧发生在距离罐口较远的油罐壁面转角处，此处气流流动发生转向，容易产生湍流扰动
加剧燃烧，说明此时湍流对火焰的发展成为主要影响因素。

可见，爆炸燃烧对油罐的罐口处和两端的拐角处产生的破坏性最大，且距离罐口越远的地方壁面湍流对火焰发展增益效果越明显，导致破坏性越强，因此在油罐安全设计过程中应重点加强此位置的设计强度，并应尽量将油罐开口设计在距离两端等距的中心位置，以降低壁面对火焰的湍流增强效果，减少危害和损失。

【相关文献】
［1］Ulrich B，Martin S.Numerical simulation of premixed combustion processes in closed tubes［J］.Combustion and Elame，1998，114（3）：397-419.
［2］Eairweather M，Hargrave C K，Ibrahim S S，et al.Studies of premixed flame propagation in explosion tubes［J］.Combustion and Elame，2012，116（4）：504-518. ［3］高健丰，杜扬，蒋新生，等.模拟油罐油气混合物爆炸实验与数值仿真研究［J］.后勤工程学
院学报，2007（1）：79-83.
［4］蒋新生，王波，严欣，等.油料火灾爆炸模拟实验系统与测试技术［J］.后勤工程学院学报，2012，28（3）：24-29.
［5］游鹏飞，寇玮华，魏丹.加油站地下储油罐爆炸能量伤害结果模拟评价［J］.工业安全与环保，2008，34（10）：36-38.
［6］赵丹阳.加油站埋地储油罐爆炸的数值模拟［J］.应用力学学报，2014，8（31）：573-577. ［7］吕东，张网，张健中，等.埋地油罐点火爆炸火焰发展研究［J］.消防科学与技术，2012，31（9）：910-912.
［8］王博.密闭受限空间可燃气体爆炸特性数值模拟研究［J］.工业安全与环保，2008，34（2）：28-30.
［9］王进旗，强锡富，谢中立，等.基于数字仿真的储油罐爆炸过程的研究［J］.计算机仿真，2013，20（3）：112-113.
［10］马庆春，张博.基于ALOHA的城市燃气管道泄漏火灾爆炸影响区域的数值模拟［J］.安全与环境工程，2016，23（2）：75-79.
［11］滑帅，梁金燕，王莉霞，等.巷道拐弯对瓦斯爆炸影响的数值模拟研究［J］.安全与环境工程，2013，20（3）：135-138.。