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1、中国 青岛第二届 CCPS 中国过程安全会议基基于于 Fluent 的的管管道道火火焰焰传传播播的的数数值值模模拟拟研研究究韩丰磊 1 熊皓 2 孙龙珠 1（1. 中国石油大学（华东）化学工程学院，青岛 266580；2. 中国石油浙江销售分公司）摘摘要要：火焰是危险的，而火焰的传播能够造出更大的危害。然后火焰的产生和传播是有条件的，在封闭 或半封闭空间更容易实现，如管道。“1122”黄岛管道爆炸事故向人们展示了管道火焰的危害。本文通 过研究地下排水管道甲烷-空气预混燃烧火焰传播，利用 Fluent 软件进行数值模拟，并对模拟结果分析， 得出地下排水管道甲烷-空气预混燃烧火焰在不同条件下的传播
2、状态和对外部空间的影响。本研究可以 为管道爆炸事故的预防和应急措施的制定提供理论指导，具有一定的现实意义。 关关键键词词：数值模拟；火焰传播；预混燃烧；管道蠢忧The Stud刚ies of FlaCme P。ropagatiHon Si。mulationIin aNPipeAline 瞎ase on。Fluent SoftwareAbstract: The flame s dangerous, and flame propagation can create more damage. However, the genera ion and propagation of the flame i
3、s conditional, and its easier to realize in a closed or ha f closespace such as pipeline. That 11.22 Huandao pipeline explosion accident show d damage of the flame in a pipeline. By studying the flame of methane-air premixed in underground drains, using Fluent software for numerical simulation, and
4、then analyzing that results this article draw the flame propagation s ate of methane-air premixed in underground drains in different conditions and the impact on external space. Keywords: numericalsimulation; flame propagation; premixed combustion; pipeline1. 概概述述 2013 年 11 月 22 日， 山东省青岛经济技术开发区中国石油化
5、工股份有限公司管道储运 分公司东黄输油管道泄漏原油进入市政排水暗渠，在形成密闭空间的暗渠内油气积聚遇火 花发生爆炸，造成重大伤亡和经济损失1。 火焰的形成有 3 个因素：可燃物、助燃物和火源。火焰形成后会对设备设施产生破坏 性影响，发生爆炸。由于助燃物和可燃物不可避免，故控制火源就是重中之重。ON - 245 -中国 青岛第二届 CCPS 中国过程安全会议图 1 1122 事故现场图2. 数数值值计计算算模型模型2.1 物物理理模模型型以常见的地下排水管道为研究对象，选取其纵截面进行简化。根据燃烧的三要素，选 取一井口为点火处建立模拟模型，如图 2：图 2 模型简图整个布局以点火处为对称轴对称
6、。排水管道高度 a m，管道顶部到地面距离 b m，井口 宽 c m，两井口之间距离 d m。地面空间为空气，排水管道内为甲烷-空气预混气体，地面 上部空间为空气。本文选择两种排水管道建立模型：模型一具体参数：a=1，b=1，c=0.5， d=20； 上部空间取 18m， 模拟管道长度为 70m； 模型二具体参数： a=2.5， b=2， c=0.6， d=20。上部空间取 20m，模娈拟管三道长二度为二70m二。二二三二二二二二!一42.2 网网格格划划分分 考虑到火焰传播主要是在管道内部和井口处，两种排水管道模拟模型网格划分如图：一1=二乓=二=玉=o基垒堡、塑里!、壹里!、壹里!- 24
7、6 -中国 青岛第二届 CCPS 中国过程安全会议图 3 模型一网格划分情况图 4 模型二网格划分情况 2.3 Fluent 模模拟拟模模型型参参数数 使用 Fluent 对模拟模型进行求解时，需要对实际情况进行简化： (1) 空气组分简化为 79%N2，21%O2。 (2) 甲烷与氧气的反应为一步反应。 (3) 管道壁面为完全绝热壁面。 (4) 不考虑热辐射。 本文选用的是 Fluent 的 2ddp 求解器，采用非常定方式进行求解。标准 k-epsilon 双方 程模型就可以进行下水道管道甲烷-空气预混燃烧的火焰传播模拟， 甲烷与空气的反应过程 简化为一步反应。 运用 Fluent 的 p
8、atch 功能， 将上部空间组分初始化为 300K 的空气， 下水管中的组分初 始化为 300K 的甲烷-空气预混气体。 本文的甲烷-空气预混点火采用的是预先充入未燃的高温高压的甲烷-空气预混气进行 燃烧的点火，点火温度为 2000K。3 结结果果与讨论与讨论3.1 温温度度场场随时间随时间的的变化变化根据上述的描述建立好两种不同的物理模型，本文分别模拟了不同甲烷浓度条件下， 即甲烷浓度分比为时 5%，10%，15%，火焰在管道内传播时的温度场，浓度场。如图所示， 为模型一中，当甲烷浓度 5%时，随时间变化时温度场的分布图。根据管内甲烷浓度模拟 时间 10.00s。产生最高温度为 2224K。
9、从图中可以看到：0.00s 时点火，并开始数值模拟计- 247 -中国 青岛第二届 CCPS 中国过程安全会议算设置初始温度为 2000K；0.05s 时点火处预混气体被引燃。火焰延管内甲烷-空气预混气 向前传播：火焰呈现楔形，延下管壁传播；2.10s 时下部火焰接触上管壁，加快上管壁火焰 传播传播速度。3.00s 火焰传播到井口 1 处，在外部空间中在燃烧爆炸极限范围内的甲烷气 体燃烧；3.10s 火焰传播出井口 1 并向四周传播；3.30s 从井口 1 喷出的甲烷消耗到爆炸下 限以下，火焰停止传播。5.10s 火焰传播到井口 2，与井口 1 情况类似，7.10s 火焰传播到 井口 3，甲烷
10、浓度没有达到爆炸极限，不能使火焰传播。图 5 在 x=014m，y=02m 区域温度随时间变化分布图- 248 -；中国 青岛第二届 CCPS 中国过程安全会议- 249土-图 6 在 x=1624m，y=010m 区域温度分布图中国 青岛第二届 CCPS 中国过程安全会议3.2 各各模模型型火焰传火焰传播播速度对比分析速度对比分析各种情况下，点火处、井口 1、井口 2 和井口 3 之间的距离都为 20m，见表 1。表 1 火焰传播到各井口的时刻 模型 及 甲烷 浓度模型一模型 二 5%10%15%5%10%15%井口 12.85 s 5.10 s 7.15 s1.00s1.10s9.20s0
11、.95s0.95s井口 21.40s2.10s18.70 s 26.40 s1.50s1.65s井口 33.05s1.95s2.25s(注：模型一甲烷浓度 10%井口 2 处由于甲烷气体浓度过低使火焰熄灭)蠢忧(1) 通过刚火焰到达各C井口时。间的纵向比H较，火。焰是在加速I传播。N根据A模拟结瞎果，甲烷。在燃烧时释放的压力波推动管道中的预混气体流动，促进了火焰传播。 (2) 从甲烷浓度对火焰传播时间来看，可以发现甲烷浓度对火焰传播速度的影响 10%15%5%。 (3) 对比两种模型相同浓度甲烷气体的模拟结果，低浓度甲烷气体在模型 一中传播速度要大于模型二，而高浓度甲烷气体则相反。4. 结结论
12、论 本文运用甲烷-空气预混燃烧火焰特性， 利用 Fluent 软件对现实中排水管中甲烷气体被 点燃后，可能发生的情况进行数值模拟，并对结果进行分析，主要结论如下： （1）管道与外部空间通过井口连通，火焰传播过程中会发生气体流动：管中未燃混合 气体进入外部空间，浓度在爆炸极限范围内，会发生火焰传播；已燃高温气体产物从管道 进入外部空间，温度迅速扩散；外部低温空气进入已燃区域，降低管道温度；外部空气进 入未燃区域，稀释管中可燃气体浓度。 （ ）管道火焰传播过程中，管内温度对外界温度的影响，取决于管中甲烷的量。在甲2 烷浓度相同的情况下，各井口的最高温度是相近的，而持续时间递减，靠近点火处的持续 时
13、间长。 （3）管中火焰传播对外界的影响集中在各井口处，随火焰的传播时间，距离点火处越 近，影响越大；点火处的影响最大。5. 参参考考文献文献1 国务院安委会关于山东省青岛市“1122”中石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故的通报J.国家 安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局公告,2014,02:8-11. 2 陈志华, 叶经方, 范宝春, 等. 方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响J. 爆炸与冲击, 2006,(03): 208-213. 3 李宇红, 祁海鹰, 张宏武. 甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟J. 工程热物理学报, 2002,(01): 119-122. 4 何学超, 孙金华,
14、 陈先锋, 等. 管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究J. 中国 科学技术大学学报, 2009,(04): 419-423. 5 付倩倩, 周乐平, 石玉英. 甲烷/空气混合气燃爆特性的实验研究J. 工业安全与环保, 2009,(02):- 250 -ON中国 青岛第二届 CCPS 中国过程安全会议27-28. 6 喻健良, 周崇, 刘润杰. 管道内预混气体爆燃过程的实验研究J. 石油与天然气化工, 2004,(06): 453-455. 7 张雷. 管道中甲烷空气预混气体火焰加速实验研究与数值模拟D. 安徽理工大学, 2008. 8 汪泉. 管道中甲烷空气预混气爆炸火焰传播的
15、研究D. 安徽理工大学, 2006. 9 M.Gieras,R.Klemens,G.Rarata,P. Wolanski.Determination of explosion parameters of methane-air mixtures in the chamber of 40 dm at normal and elevated temperature.Journal of Loss Prevention in the Process Industries.2006(19): p. 263270. 10 Peter Naamansen, D.B.B. H., Solution adaptive CFD simulation of premixed flame propagation over various solid obstructions. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2002(15): p. 189197.蠢忧刚C。H。INA瞎。ON - 251 -
