管道内可燃气体爆炸研究进展_梁春利

管道内可燃气体爆炸研究进展
梁春利*　李　芳
(大连理工大学化工学院)
摘　要　主要对管道内可燃气体爆炸近二十年来的实验和数值模拟研究的进展情况进行了评述,以便从整体上了解这一方向目前的研究程度、研究热点和研究方法。

并对管道内可燃气体爆炸研究的发展前景提出了展望。

关键词　气体爆炸　火焰传播　障碍物　火焰速度　数值模拟　管道
现代工矿业火灾大都起因于可燃气体的爆炸,而发生在管道及其类似结构内的爆炸占据相当大的比例。

对此类爆炸的研究,不仅可以为预防和控制火灾提供实用、可靠的依据,还可以探索管道内可燃气体爆炸过程中的功能转换问题,为可燃气体爆炸的应用开辟道路。

爆炸对工业装备和房屋建筑等产生的结构性破坏主要是可燃气体燃烧产生的压力波所致,因而对于可燃气体火焰阵面的加速传播的研究具有重要意义。

本文从实验和数值模拟两个方面对近二十年来的研究进展情况进行评述。

1　实验研究
19世纪20年代,就有人开始了管道内可燃气体爆炸的实验研究。

Chapma n开创了有障碍物管道中的火焰传播研究工作。

其结果表明,当火焰穿过管道中周期排列的圆环片时,由于这种节流障碍物对速度的扰动,火焰不断加速,甲烷/空气预混火焰速度可超过400 m/s,而在光管中其相应的速度只有6m/s。

而后, Evans等[1]在实验中发现,当火焰穿过金属丝网时,也发生火焰加速现象。

20世纪70年代末至90年代初,研究管道中的火焰加速现象出现一个高潮,人们在不同形状的管道中研究障碍物对火焰加速的影响。

其中M o en等[2]指出,即使是较小的障碍物也会由于障碍物的扰动而引起火焰加速,导致管内压力急剧上升,管内超压是无障碍物时的8.8倍。

此后管道内火焰加速现象引起了广泛的关注。

近些年来,研究者在前人工作的基础之上,对于管道内的可燃气体爆炸进行了大量深入的研究,实验涉及障碍物对火焰传播加速的影响、爆燃转爆轰过程和火焰倒置等方面内容。

1.1　障碍物对火焰传播加速的影响
K.-H.Oh等[3]在密闭方管中进行一系列的实验。

实验方案如下:在阻塞率为0、44.4%和66.7%的情况下,对浓度为4%、4.5%、5%和6%的L PG(液化石油气)进行组合实验。

实验结果表明,最后的爆炸压力及其上升速率不受内置障碍物阻塞率的影响,只与混合气体的浓度有关。

然而,密闭管道内可燃气体的爆炸情况与实际生产管道内的情况相差很大,主要是由于实际工程中的爆炸通常是在气体流动、管道敞开的情况下发生的,因而密闭管道内的实验研究相对少些。

周凯元等[4]对直管道内无障碍物的情况进行了研究。

对于相等的点火距离,密闭端点火比开口端点火的火焰速度大7倍,其中点火距离指火焰加速段的长度。

对于同样的气体和同样的点火距离情况,得出的结论是:较小管径的管道中火焰的传播速度也较小。

研究者还对管道中设置加速环的情况进行了实验研究。

实验结果表明:管道内障碍物对火焰加速度的影响主要取决于加速环个数,而环间距的影响居次要地位。

在同样的点火条件下,当管内有障碍物(加速环)时,与没有障碍物时相比,火焰速度增加了67%～177%,并且指出点火能量的影响仅限于火焰传播的初期。

以上实验是在激波管中进行的,管道内壁光滑,其结果比较理想。

*梁春利,男,1973年10月生,硕士研究生。

大连市,116012。

38管道内可燃气体爆炸研究进展
然而对于一个内壁产生腐蚀或被污垢污染并有大量凸起物附着在内表面的管道,将会比一个具有光滑内壁
的管道产生更大的火焰加速度。

目前,还没有人在这方面做出对比研究。

桂晓宏等[5]进行了一系列管道内瓦斯爆炸的实验研究。

实验结果见表1。

从表1中可以看出,随着障碍物的增多,火焰的传播速度明显增大,障碍物对火焰有显著的加速作用。

在障碍物相同的条件下,长径比为20时的火焰速度最大。

表1
瓦斯爆炸过程中火焰的传播规律测定结果
序号障碍物长径比L /D 速度m õs -1序号障碍物
长径比L /D 速度
m õs -11无2097.71420177.12无3673.22436125.03无5036.13450119.84无6030.6446096.45无7014.2547058.66220139.86620245.07236111.37636230.0825098.78650240.0926076.59660222.010
2
7037.810670201.0
研究者还发现冲击波阵面的强度与火焰的速度有关,即当火焰速度小于100m/s 时,超压较小,反映出冲击波阵面的强度较弱,此时冲击波可近似处理成声波,引起的结构破坏较小;一旦火焰加速达到200m/s 量级,则会引起严重的湍流效应,这种高速火焰的压力波所引起的爆炸波的破坏效应与爆轰波产生的破坏效应相当,产生的结构破坏的程度很大。

以上这些数据和结论对抑制矿井内瓦斯爆炸大有帮助。

K.-H.O h 等[3]采用截面为0.2×0.2m 、长度为
0.9m 的方管进行实验。

在管道中无障碍物的情况下,L PG 的火焰速度随着点火距离的增加而增大。

而后,研究者对管道内设置障碍物的爆炸过程进行研究,经分析得出结论:由于障碍物产生了旋涡,致使障碍物正后方的火焰速度有所下降。

随着旋涡的破碎和火焰阵面的拉伸,火焰的湍流和热扩散导致障碍物后面的火焰传播加速。

同时,研究者还指出开口管道内障碍物的阻塞率是一个非常重要的参数,它对火焰的传播速度和爆炸压力有很大的影响。

M asri 等[6]进行了一系列管道内可燃气体的爆炸实验,综合研究了障碍物的形状、尺寸和阻塞率对管道内可燃气体爆炸过程的影响。

障碍物形状包括圆形、三角形、方形、菱形、平板,阻塞率范围在10%～75%。

研究结果表明:(a )障碍物的形状对火焰初始发展阶段的影响不大。

火焰接近障碍物时的燃烧速度大约是层
流燃烧速度的1.5倍;(b )由于障碍物形状不同,火焰阵面前的未燃气体流动扭曲程度也不同。

扭曲导致火
焰在障碍物与容器侧壁之间的喷射,扭曲程度不同导致障碍物后的旋涡流速大小不同;(c)在各种形状的障碍物中,矩形横截面障碍物引起最大的火焰加速,而圆形横截面障碍物则引起最小的火焰加速。

对于存在圆形横截面障碍物的湍流燃烧,绕流后的火焰重新连接相当迅速,持续时间极短,所以障碍物后的火焰加速较低;(d)爆炸过程中的最大超压通常随阻塞率的增大而升高,但升高的比率取决于障碍物的几何形状,在各种形状的障碍物中,平板形障碍物引起的超压最高,圆柱形障碍物最低。

由此可见,障碍物的几何形状、阻塞率对可燃气体爆炸过程具有很大的影响。

1.2　爆燃转爆轰实验的研究
对于管道内可燃气体爆炸来说,爆燃过程对生产生活危害不大,而爆轰过程的破坏性极大,因而对爆燃转爆轰过程的研究具有实际意义。

Net tlet on [7]在其管道内可燃气体爆炸的实验中得出一个基本结论:在爆燃转爆轰的过程中,压力和火焰阵面的速度都达到最大值。

Chr isto ph [8]在其实验中定量分析了爆燃转爆轰过程。

为了拍摄到爆燃转爆轰的图片,实验在透明的聚碳酸酯管道中进行,管道(内径69mm,壁厚10mm,长25m )内的可燃气体为按化学计量组成的丙烷/空气预混气体,密闭端点火,火焰从左边向右边开口端传播。

管道内可燃气体爆轰过程如图1所示。

图1　管道内丙烷/空气爆轰的过程
图1所示白色的平行实线为管壁,从第一幅图可以看到可燃气体点燃后的火焰,很微弱,勉强可以见到。

第二幅图为大约100L s 后,突然出现的相当明亮的火焰,此时表明爆燃转爆轰过程发生了。

其他四幅图为爆燃转爆轰后的过程。

由测定的结果得出的基本结论是:(a )爆燃转爆轰的过程发生在大约一个管径的很短范围内;(b)对于丙烷来说,在紧临转爆点的火焰阵面的速度不超过2300m /s ,对乙烯来说不超过2900m /s ,对氢气来说不超过2500m/s;(c)在爆燃转爆轰过程中,与火焰亮度的瞬间增加相比,火焰阵面速度增加相对平
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《化工装备技术》第27卷第2期2006年
缓,在正负5个管径的范围内只增加最大火焰速度的20%。

1.3　对火焰倒置现象的研究
在管道内可燃气体爆炸的研究中,还有一种奇怪的现象,即火焰阵面在传播过程中发生倒置,之后这种形状保持稳定传播,形状有如郁金香的花瓣,因而也形象地称为郁金香火焰。

文献中第一次有关这种火焰倒置现象的记载是1883年M allar d 在可燃气体爆炸实验中观察到的,而后于1928年Ellis 出版了第一张火焰倒置的照片。

在这之后,人们就试图用各种机制来解释倒置火焰的成因。

一种说法是这种倒置是弧形火焰与管壁相互挤压而形成的,还有的说是管内未燃气体的旋涡形成的等等。

其中Str ehlo w 认为这种火焰倒置现象是泰勒不稳定性产生的,但是缺乏有力的证据来证实
他们的观点。

图2　火焰倒置的形成过程
近来Cla net [9]等用高速摄像机研究倒置火焰的形成。

如图2所示,由左向右的发火焰阵面依次为倒置火焰形成之前、之中和之后,这三幅重叠的图片时间间隔都为2.2ms 。

研究者证明了St rehlow 的观点:火焰倒置现象是泰勒不稳定性的表现,这种不稳定是火焰阵面末端加速形成的,而在火焰倒置的形成过程中,流体的粘度和声波的影响并不是主要的。

在实验和分析的基础上,研究者用一个简单的几何模型解释了火焰传播和火焰形状的不同阶段的显著特征。

同时,得出只要火焰厚度相对于管道尺寸很小,火焰倒置的特征时间只与层流燃烧速度、管道半径和无量纲的气体爆炸系数有关。

研究者所建立的几何模型使人们更深入地认识了管道内可燃气体爆炸过程中火焰的发展阶段。

此外,还有许多研究者[10]对复杂、特定工况下的连通管道内可燃气体的爆炸进行了研究,得出很多有用的结论,值得参考。

2　数值模拟研究
2.1　数值模拟进展
早期Klein 等人就采用数值方法对管道内可燃气体爆炸中的层流火焰传播进行研究,当时他们已经不用近似步骤,而直接用迭代法寻求精确解。

但只是针对比较简单或笼统的反应动力学问题进行研究。

而后随着实验研究的深入和理论模型的成熟,以及计算机的出现和发展,数值模拟成为解决管道内可燃气体爆炸问题的重要手段之一。

目前范宝春研究组先后发表关于管道内可燃气体爆炸的一系列文章,其文章都是基于湍流的k-E 湍流模型和改进的EBU -Ar rihenius 燃烧模型,利用SI M PL E 格式对可燃混合气体进行数值求解。

陈志华等[11]针对大型卧式管中火焰加速诱导激波现象,建立了二维均相反应模型,并以戊烷/空气燃烧为例进行了数值求解。

其计算结果显示:在管内点火时,因燃烧产物膨胀推动火焰两侧质点流动导致火焰阵面附近湍流动能加强,从而使管内燃烧速率提高,而燃烧速率的提高推动燃烧产物膨胀加速。

杨宏伟等[12]模拟了障碍物和摩擦管壁在三维空间中导致火焰加速的现象并分析了导致火焰加速的机理。

结果表明,障碍物和管壁对火焰都有明显的加速作用,且障碍物的加速作用更明显。

障碍物的存在对火焰的形状影响很大,无障碍物时火焰阵面成“3”字形状,有障碍物时火焰阵面因障碍物的存在而变形。

姚海霞等[13]对有障碍物情况下的湍流加速火焰现象建立了二维均相反应模型。

障碍物对流
场的影响不仅考虑到采用空度函数,还考虑了障碍物对流动产生的附加阻力的作用。

壁面边界层区域则采用壁面函数法处理。

其计算结果模拟了障碍物诱导的湍流与燃烧耦合作用下的流场的发生和发展的全过程,揭示了障碍物、湍流、火焰之间相互加速的正反馈机理。

范宝春等对因障碍物的作用而发生的爆炸现象进行了三维空间的数值模拟,计算结果描述了火焰加速和激波生成的过程[14]。

以上文献都是基于标准k-E 湍流模型的,通过对可压缩压力的修正,提出可压缩湍流反应模型,模拟了大尺度管道中预混火焰的加速过程,取得了一些建设性的结果,但该模型没有考虑湍流马赫数的影响。

因为在有障碍物的管道中,火焰速度很容易达到声速或超声速,故必须考虑湍流马赫数的影响。

现有的研究表明[15],随着湍流马赫数的增大,流体的可压缩性会引起湍流结构及湍流动力性能的变化,如果忽略湍流马赫数效应,将难以准确估计湍流的影响,从而不能准确模拟高速及超高速湍流流动。

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余立新等[16]正是基于以上的考虑,用湍流马赫数修正的非稳态可压缩性k-E-f-gr四方程湍流模型,模拟半开口狭长管道中重复布置障碍物引起的湍流火焰加速现象。

结果表明:(1)由于障碍物的存在,火焰穿过障碍物时发生变形,火焰阵面严重扭曲,反应区越来越长,临近出口处(第24个障碍物附近),反应区长度达1m,而在第一个障碍物附近,反应区只有5cm左右,前者为后者的20倍,充分说明障碍物产生的扰动对加强燃烧和湍流输运的影响很大。

(2)随着火焰向前传播,气体急剧膨胀,火焰速度逐渐上升。

Huld[17]模拟了密闭管道内氢气/空气的火焰阵面的火焰倒置的形成过程,计算过程中把自适应网格机制应用于火焰阵面,把温度作为调整网格粗细的依据。

这样可以大大提高计算效率,这种自适应网格机制也为模拟工业级、大尺度的管道内可燃气体爆炸提供参考。

P eter[18]对M asri[6]的实验进行二维数值模拟。

从大量的模拟结果中得出结论:超压的最大值出现在两个喷射状火焰在障碍物后面的通道中间合二为一时。

模拟中详细地描述了可燃气体被点燃以后,以层流机制开始向前传播,遇到障碍物后,火焰在障碍物与管侧壁之间以喷射状传播。

随着火焰与障碍物后面的回流区域相互作用,火焰由层流变为湍流,在此过程中超压也随着增加。

当两个喷射状火焰在障碍物后的通道中间合二为一时,超压达到最大值。

模拟的结果与M asr i[6]的实验所拍摄的图片相符合。

以上研究者采用CF D代码对管道内可燃气体爆炸进行了研究,除了范宝春[14]提及激波的形成之外,文献中均未对爆燃转爆轰过程进行模拟。

可见,在管道内可燃气体爆炸过程中,爆燃转爆轰过程的数值模拟尚需进一步的研究。

2.2　数值解法
本文所指的数值模拟就是建立一个可以用来描述管道内可燃气体爆炸过程的方程组,然后利用各种数值算法进行求解的过程。

方程组包括:质量方程、动量方程、能量方程、组分方程、湍流方程、燃烧模型方程以及理想气体状态方程。

求解上述方程组的数值解法有有限差分法、有限容积法和有限分析法等。

其中有限差分法是求得偏微分方程数值解的最古老的方法,在气体爆炸数值计算中得到广泛采用。

总的来说,在规则区域的结构网格上,有限差分是十分简单而有效的,而且很容易引入对流项的高阶格式。

其不足是离散方程的守恒性难以保证,而最严重的缺点则是对不规则区域的适应性差。

尽管如此,目前还有许多研究者在应用这种方法解决一
些管道内可燃气体爆炸问题。

而有限容积法是20世纪60年代由Spalding和P atanker共同形成的研究数值传热和流体流动的计算方法。

用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守
恒性,对区域形状的适应性也比有限差分法要好,且由于其概念简明、实施过程简单、数值特性优良而获得了
广泛的应用。

根据不同的统计资料,世界上每年发表的计算传热学的论文中有50%～70%是用有限容积法完
成的,笔者提到的数值模拟工作大多基于此种方法完成。

其它的数值算法如有限分析法和有限元法等,由于自身的特点,不适合对管道内可燃气体爆炸问题进
行求解。

另外,对于管道内可燃气体爆炸过程也可以用一些商业软件如著名的Fluent、Sta r-CD和P hoenix等来求解,但由于这类软件毕竟是基于现今计算流体力学的研究成果开发的,因而对于探索性的研究不适合,
只适于完成一些工程上的问题。

3　结束语
目前,对于管道内可燃气体爆炸,人们已经清楚地认识到火焰传播加速的传播机理,而对某些新的过程
和某些特定的工况下的可燃气体爆炸还有待研究,而爆燃转爆轰的过程在管道内可燃气体爆炸研究中处于
非常重要的位置,并且逐渐成为研究热点,同时火焰倒置现象使人们更加深入地认识了管内可燃气体爆炸过
程中火焰形状的发展变化。

对于管道内可燃气体爆炸,实验研究是研究一种
新的基本现象的唯一方法。

其目的,一是为理论研究提供基础数据或验证理论结果的正确性,二是希望通过
真实的工业可燃气体爆炸试验得出具有工程意义的结论。

而数值研究作为一种成本低、速度快、具有模拟真
实条件的能力的研究手段,还要进一步寻求更加合理的数学模型和数值解法,把合理性、经济性同工程问题
结合起来,解决实际问题。

只有把实验研究和数值模拟结合起来,发挥各自的优势,形成互补,才能对管道内
可燃气体爆炸进行更深入的研究。

参　考　文　献
1　E vans M W,Sch eer M D,Schoen L J,et al.A s tudy of
h igh velocity flames d eveloped by g rids in tubes.Ind Proc
of3rd Sym posium(Internation al)on Combus tion th e
C om bustion Institute.Pittsbu rgh:1949:168-185
2　M oen I O,Lee J H S.Pr ess ure development du e to turbulent flame propagation in larg e-scale methane-air exp bus tion and Flam e,1982,47:31-52
(下转第64页)
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《化工装备技术》第27卷第2期2006年
溶解氧扩散到这一点的速度减漫,形成了在腐蚀点四周的溶解氧浓度大于此腐蚀点的溶解氧浓度的情况,这样,它的四周便成为阴极,腐蚀点本身成为阳极,腐蚀将继续进行。

此时腐蚀所产生的Fe2+会通过疏松的二次产物层慢慢向外扩散,当它遇到水中的OH-或O2等时,便又产生新的二次产物,积累在原有的二次产物层中。

所以,二次产物越积越厚,形成了鼓包,鼓包下面则越腐蚀越深,形成陷坑直到穿孔。

4.4　材料组织的因素
从材质鉴定试验结果表明,该炉的材质性能符合GB713-86《锅炉用碳素钢和低合金钢板》中相应的规定,但在金相分析中发现的6级带状组织是一种组织缺陷,这也是加速金属腐蚀的影响因素之一。

5　预防措施
5.1　加强水质管理
修复钠离子交换器,加强水处理人员培训。

在使用锅炉时,不仅要监督给水质量,同时还要监测炉水的Cl-含量、碱度和pH值,遇有超标时,应查明原因,及时采取相应的补救措施,使锅炉给水和炉水均符合国家标准。

5.2　加强给水除氧处理
增设除氧装置,或采用化学除氧法,如亚硫酸钠除氧、海绵铁除氧、有机药剂除氧、催化树脂除氧等等。

5.3　加强停炉保养工作
短期停炉可采用湿法保护,长期停炉可采用干法保护或气相缓蚀剂法保护等。

防止空气进入停用的锅炉内,保持锅炉的金属表面充分干燥。

5.4　加强对烟管的定期检查
当发现烟管有腐蚀破裂倾向时,应及时更换,以免运行中爆管。

参　考　文　献
　1　GB1576-2001工业锅炉水质标准.
　2　张辉,等.工业锅炉水处理技术.上海:学苑出版社, 2004:340-360
　3　肖作善,等.热力发电厂水处理.北京:中国电力出版社,2000:428-431
(收稿日期:2005-10-11)
(上接第41页)
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(收稿日期:2005-04-30)
64一台锅炉因腐蚀引起烟管爆管事故原因分析和预防措施。