摘 要

采用入射激波模拟混气引爆过程中体系温度会出现跳跃式上升随之向下扰动；混气被引爆后温度逐步提高，在温度达到峰值时压力随之提高；提高初始压力将缩短混气引爆时间，高的初始压力可以得到更为迅速的反应速度和更高的爆炸压力；空间尺寸对散热作用的影响高于其对活性基团消毁作用的影响，小尺寸空间条件下可以获得更迅速的爆炸升压速度。

 摘　要：为定量研究受限空间内天然气爆炸反应动力学特征，开展了3个方面的研究工作，①建立了基于激波管的天然气爆炸过程数值分析模型；②将天然气气相燃烧动力学反应分解为53种反应组分、325种基元反应，给出了朗金一雨贡尼关系式和正激波的压强比、密度比和温度比计算方法；③利用化学反应模拟软件CHEMKIN构建天然气燃烧过程机理文件，对激波诱导受限空间内天然气混气爆炸过程进行数值模拟，讨论了反应过程、初始压力和空间尺寸对天然气爆炸过程的影响，并绘制了天然气爆炸温度、压力变化特征曲线。结果表明：采用入射激波模拟混气引爆过程中体系温度会出现跳跃式上升随之向下扰动；混气被引爆后温度逐步提高，在温度达到峰值时压力随之提高；提高初始压力将缩短混气引爆时间，高的初始压力可以得到更为迅速的反应速度和更高的爆炸压力；空间尺寸对散热作用的影响高于其对活性基团消毁作用的影响，小尺寸空间条件下可以获得更迅速的爆炸升压速度。

关键词：天然气爆炸  受限空间  激波  基元反应  可压缩性气体  数值分析  动力学模型

Simulation analysis of natural gas explosion within confined space

Abstract：To quantify the kinetics features of natural gas explosion in a confined space，researches were conducted on three aspects．Firstly，a numerical model based on shock wave tubes was established to analyze the process of natural gas explosion．Secondly，kinetic reactions for the combustion of natural gas were divided into 53 reaction components and 325 types of elementary reaction，and the Rankine-Hugoniot Equation，together with methods for the calculation of pressure，density and temperature ratios of normal shocks．were proposed．Thirdly，gas combustion mechanisms were determined by using the chemical reaction simulation software CHEMKIN-PRO to perform numerical simulation of natural gas mixture explosion induced by shock waves in a confined space．Moreover，impacts of reaction process，initial pressure and spatial dimensions on natural gas explosion were reviewed，and characteristic curves for changes in temperatures and pressures during natural gas explosions were generated．Research results show that the system temperatures in the explosion of natural gas mixtures induced by feeding shock waves may increase in leap accompanied by downward disturbances．Upon detonation，temperatures of gas mixtures may increase gradually．Pressures may also increase as soon as the peak temperature is reached．Increases in initial pressures may shorten the detonation time of gas mixtures．In addition，higher initial pressures may generate higher reaction speeds and explosion pressures．With cooling effects of internal walls of the shock wave tubes stronger than the destruction of active groups due to collisions，minor spatial dimensions may generate higher speeds in pressure boosting induced by such explosions．

Keywords：Natural gas explosion；Confined space；Shock wave；Elementary reaction；Compressible gas；Numerical analysis；Kinetic model

可燃性油品或气体泄漏后在地下暗渠等受限空间内聚集遇点火源引发爆炸是长输管道输送过程中主要事故模式之一。气体或蒸气爆炸反应过程宏观上受到空间尺寸、混气浓度、温度、压力等因素的作用，致使爆炸压力和温度在时间、空间上具有较大的随机性。由于微观反应过程的多元性、基元反应的可逆性以及燃烧过程的不完全性，使得受限空间内爆炸反应特征研究工作主要依赖于实验及仿真模拟等方法。在多步基元反应的基础上研究混气状态和环境条件对爆炸特征的影响，对更加深入掌握受限空间内可燃气体(蒸气)爆炸规律具有较大的理论研究意义。

影响可燃性气体(蒸气)爆炸温度、压力变化的主要因素包括化学反应过程和环境条件等2个方面。难点在于燃烧反应过程的构建，多数可燃物质燃烧反应过程较为复杂，一般通过多步基元反应实现且每一步基元反应在微观上具有可逆性和不完全反应性，表现为燃烧产物会热分解为初始反应物质，不完全燃烧产物中含有氢、一氧化碳、甲烷等多种产物[1-2]。在理论模型研究及数值模拟方面，物质燃烧过程中能量释放速度计算的基础为Arrhenius燃烧模型。王博等在研究密闭受限空间可燃气体爆炸特性过程中采用了Arrhenius燃烧模型来计算k-e湍流模型中的源项，但假设反应过程为单步不可逆反应，瞬时反应速度遵守双分子碰撞模型[3]。在工程应用方面，能量释放过程计算相对简单，通过估算可燃气云团体积乘以烃／空气混合物在化学计量浓度下的燃烧热值得到可燃混气的爆炸能量，或者通过TNT当量法计算[4-5]。已有分析方法的局限性在于不能对燃烧反应过程的多步性、可逆性给予很好的诠释。实验直接测量方法则回避了燃烧反应过程微观复杂性这一难点，将研究重点放在宏观条件对爆炸后果的影响。在众多燃烧爆炸实验装置中，激波管是一种广泛用于研究爆炸冲击波在受限空间内部传播规律的实验设备[6-8]。通过激波管实验，研究人员可以较为直观地分析出可燃混气状态对爆炸特征的影响，如可燃气体的组分、惰性气体含量对爆炸极限范围的影响[9]。王健等在对比了N2等惰性气体对H2／O2混合气体爆速实验数据和模拟计算结果的差异，使用20个基元反应表征氢氧混合气体反应过程，验证了不同惰性气体对可燃混气爆炸过程阻尼性能的差异[10]。梁运涛等在模拟计算瓦斯混合气初始压力、温度、组成对激波诱导瓦斯爆炸动力学特性的影响过程中，将瓦斯爆炸反应过程分解为53种组分、325个反应，得到了较为详细的瓦斯爆炸过程影响规律[11]。张博等实验分析了临界起爆能量、空间尺寸等参数与气体爆燃波特征的关联[12]。沈伟等实验研究了不同空间尺度下爆燃波的传播速度、爆炸压力变化规律，研究发现小尺寸空间中爆燃波速发展更为迅速、压力峰值位置较近、压力波易叠加为冲击波[13]。

为了量化研究爆炸性气体反应动力学特征以及混气初始条件对爆炸波特征时序变化规律，本文将以激波管内可燃混气爆炸实验装置为原型，以不同化学计量比的预混天然气混合气体为对象，比较不同混气初始条件下气体爆炸产物升压(温)以及气体产物生成量的差异，采用数值模拟方法对反应动力学历程、初始条件对爆炸冲击波时序特征变化影响机理进行研究。

1　模型构建

1．1　物理模型

笔者针对激波管中天然气－空气预混气体爆炸反应过程动力学特征进行数值模拟。激波管广泛用于受限空间气相爆炸过程研究，激波由弱压缩波在传播过程中叠加形成的使介质状态参数突跃变化的强压缩波[14-15]。激波管分为惰性高压传动气体区、低压反应气体区2部分，中间由金属薄膜或其他材料的膜隔开。当薄膜破裂后，膨胀高压气体以1～10马赫(1Ma约相当于340.3m／s)的速度向低压区传播，低压区气体被绝热压缩，在波阵面上产生高温，当温度、压力达到一定阈值时燃烧反应随之发生。激波管内气体区域划分如图1所示[16]。图1中入射激波前部未受扰动的低压试验气体区称为①区，入射激波后部对应②区；随着激波向右侧试验气体移动，同时产生稀疏波以声速向左侧高压气体区移动，左行稀疏波后部区域对应③区，前部对应④区；高压驱动气体与低压试验气体之间的交界面，称为接触面；右行入射激波到达右侧端面后将产生反射激波，反射激波后部区域称为⑤区。各区内部气体压力、温度分别为pi和Ti，i对应区域编号，如①区未受扰动的低压试验气体的初始压力、温度分别为pi和Ti。

 

1．2　化学反应模型

天然气化学组成及理化特性凶地而异，主要成分是甲烷，可能还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。天然气实际燃烧反应由许多相继发生或平行发生的基元反应构成。根据劳伦斯·利弗莫尔国家实验室化学动力学数据，构建的天然气气相燃烧动力学反应包含Ar、C、H、O和N等5个元素、53种反应组分、325种基元反应。表1列出了其中部分基元反应的反应式和指前因子Ai，温度指数bi和反应活化能Ei。

 

1．3　受限空间内可燃混气爆炸模型

受限空间内天然气混气爆炸压力、温度、密度等状态参数均发生较大变化，在计算过程中应充分考虑可燃混气的可压缩性和高温下气体热力学性质。采用入射激波模型模拟一维受限空间内可燃气体爆燃过程符合朗金－雨贡尼关系式，揭示了激波前后气流参数的变化关系，即压强比、密度比、温度比之间的关联[17-19]。在模拟过程中一般忽略激波厚度，设激波前后的气体状态分别为区域①和区域②，可得到激波前后的气体状态连续方程、动量方程和能量方程。

连续方程：

us(r1-r2)=r2u2-r1u1 　　　     (1)

动量方程：

us(r2u2-r1u1)=(r 2u22+p2)-(r1u12-p1)       (2)

能量方程：

us(r2E2-r1E1)=[r2u2(e2+1/2u22+p2/r2)]-[r1u1(e1+1/2u12+p1/r1)]　　　(3)

其中

 

式中us为激波波速，m／s，c1为在区域①内的声速[20-21]；r为激波区域流体的质量密度，kg／m3；u为气体速度，m／s；p为激波前后区域流体压强，Pa；E为单位质量流体的总能量，为流体内能e、动能0.5u2和静压能p／r之和，J／kg。下标1、2分别对应激波前后区域号。

朗金－雨贡尼关系式给出了激波的压强比与密度比和温度比之间的关联，推导得到正激波计算公式。即

 

式中g为流体绝热指数，对于可压缩过程该指数与温度有关；Ma1为来流马赫数；T为气体温度，K；由上述3式可以看出激波过程为一压缩过程，气流经过激波后压强、温度和密度均有所增大。

2　模拟气体及条件设置

2．1　模拟样本混气

我国陆上开采天然气中含一定量的可燃气体组分(主要为H2S、H2、CO)和惰性气体组分(CO2和N2)，这些气体均会对天然气爆炸特征产生影响[9，22-23]。为了研究不同气体组成和初始温度、压力对天然气爆炸过程的影响，本文采用的模拟实验天然气混气初始组成如表2所示。

 

2．2　模拟装置与初始条件

采用化学动力学计算软件CHEMKIN-PRO中的垂直入射激波模型对激波诱导天然气爆炸反应动力学特性进行模拟计算[16]。激波管内天然气混合气初始条件为：混气初始压力为0.6kPa，初始温度为25℃，激波管内径为10cm。

3　模拟结果与分析

3．1　气相爆炸动力学过程分析

采用入射激波代替点火装置引燃激波管内(直径10cm、初始压力0.6kPa、温度298K条件下)天然气混气在20ms时间段内管内压力、温度变化过程如图2所示。从图2-a可以看出，由于采用了入射激波代替点火源，在入射激波到达混气区域时混气温度出现跳跃式提升瞬间温度超过3100K。然后温度出现一个向下扰动过程，原因在于根据热爆炸理论此时系统内反应热生成速度小于向外界环境散热速度。随着气体反应速度不断提高，当时间到达约1.4ms时系统温度开始快速升高，此时混气被引爆且反应处于不断加速的过程。该过程一直持续至约4.4ms，对应温度最大值3221K。当到达温度峰值时混气内甲烷等可燃气体摩尔数已接近零，且气相反应净热释放速度已通过峰值(发生在约3ms，对应链式反应活性基团净牛成速度最大)，并保持基本稳定。此后，温度逐渐趋于稳定并达到一定值。

 

图2-b给出了混气爆炸压力的变化过程。可以看出，在反应初期由于受到入射激波的冲击压力瞬间拉高，随之受到燃烧反应过程的影响压力又有所降低。当混气温度达到峰值时，爆炸压力随之开始逐步提升，在这一过程中气相反应净热释放速度基本稳定。在温度达到峰值、压力开始上升的时刻(约4.4ms)，激波管内激波速度也达到峰值，约406m／s，随之逐渐下降。

3．2　初始压力对天然气爆炸特性影响分析

受限空间内可燃气体泄漏后，环境压力会存在一定的差异。图3-a给出了不同初始压力对激波管内混气温度变化过程的影响。随着初始压力提高混气爆炸发生时刻逐渐提前，分别为1.4ms、1.0ms、0.8ms。原因在于一方面高压条件下气相反应速度较快、热释放速度提高，另一方面混气热传导性能降低导致热损失减小，从而使爆炸反应更加容易进行。在不同初始压力条件下混气引爆后的温度峰值基本一致，但达到峰值所用时间存在差异。当初始压力为1.0kPa时，达到温度峰值所需时间约为2.8ms；而初始压力为0.8kPa时，达到温度峰值所需时间约为3.4ms；初始压力为0.6kPa时，达到温度峰值所需时间约为4.4ms。计算结果表明，提高初始压力使反应速度加速、升压速度提高，会更迅速达到峰值温度。此后，在不同压力条件下混气温度下降速度基本一致。

 

图3-b反映了不同初始压力条件下激波管内混气爆炸压力变化过程。如图所示，随着初始压力提高混气爆炸压力也在提高。当初始压力为0.6kPa时，混气爆炸压力约为47kPa；初始压力为0.8kPa时，混气爆炸压力约为62kPa；初始压力为1.0kPa时，混气爆炸压力约为78kPa。通过以上2方面分析可知，引爆时间和爆炸压力均受到混气初始压力影响较大，在高压条件下更加容易引发灾难性爆炸事故。

3．3　空间尺寸对天然气爆炸特性分析

事故表明，可燃气体泄漏空间尺寸存在较大的随机性。链式反应理论认为，链反应中生成的活性基团在扩散过程中会因与壁面碰撞而消亡，活性基团销毁速度取决于链的有效碰撞数，因此爆炸反应过程与空间形状、尺寸有较大关联。图4给出了不同激波管内径在初始温度298K、0.6kPa初始压力条件下，对爆炸温度、压力变化的影响。本文采用3种管径进行计算比较，管径之比约为1：5：10，在激波管长度相等的情况下激波管内表面积之比约为1：25：100。管内壁对爆炸链式反应过程的影响主要体现在两个方面，包括对活性基团的销毁速度和体系向环境散热速度的影响。

 

图4-a表明，管径为10cm的激波管爆温明显高于另外两个激波管的爆温。原因在于，10cm管径激波管的表面积远小于另外两个(内表面积之比分别为1：25和1：100，而后两个的内表面积之比仅为1：4)，因散热面积较小致使散热速度明显低于其他两个；另一方面，10cm管径激波管的空间较小实际上增加了活性基团与器壁之间的碰撞概率，导致单位而积销毁速度要大于后两者。综合比较两方面的作用可知，激波管空间尺寸对体系向外界散热作用的影响要高于活性基团销毁作用的影响。因此空间尺寸相对较小的激波管其爆炸温度相对较高。

图4-b给出了不同管径条件下激波管内混气爆炸压力变化过程。10cm管径激波管由于其爆炸温度较高其爆炸压力上升较快，这一点充分说明相对较小的爆炸空间可以获得更加迅速的爆炸升压速度，爆炸温度是影响爆炸压力的最直接因素。而55cm和100cm管径的激波管由于两者爆炸温度历程基本相同，因此影响其升压过程的主要因素转换为卒间尺寸。由于激波产生是由多个压缩波叠加形成，尺寸较大的激波管可以为激波产生提供更加有利的发展空间，使后面的压缩波有可能赶上前面的压缩波，较容易达到高的爆炸压力。当激波的强压缩作用使激波管内混气着火，经一段可用的时间和空间后火焰传播与激波导致燃烧过程重合时，便产生了爆轰。

4　结论

基于化学反应动力学基本方法，采用入射激波模型对受限空间内天然气爆炸过程反应动力学特征进行了研究，分别讨论了天然气在空气中燃烧化学反应过程、混气初始压力、空间尺寸等因素对爆炸过程的影响，研究得到以下结沦：

1)受限空间内天然气爆炸反应过程是由多步基元反应构成，在微观上具有反应历程多元性、基元反应可逆性以及燃烧不完全性等特点。

2)可燃混气燃烧过程随温度、压力的增加可以转换为爆轰过程，爆轰产生过程是一个典型的激波传播过程，当火焰传播与激波导致燃烧过程重合时，便产生了爆轰。

3)用入射激波点燃混气时，体系温度会首先出现跳跃式上升，然后由于反应热生成速度小于散热速度系统温度会出现向下扰动。当混气被引爆后，温度、压力将上升并趋于稳定，在温度达到峰值时压力随之提高。气相反应净热释放速度峰值出现在温度峰值之前，达至温度峰值时混气内可燃组分基本消耗殆尽。

4)提高初始压力会缩短町燃混气引爆时间，但爆炸温度峰值基本相同，高的初始压力对反应速度有加速作用，会导致更高的爆炸压力。

5)空间尺寸对散热作用的影响高于其对活性基团销毁作用的影响，爆炸温度直接影响着爆炸压力的大小，小空间可以获得更迅速的爆炸升压速度。

 

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本文作者：左哲  姚志强  高进东  马世海  石杰红

作者单位：中国安全生产科学研究院安全评价中心