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通风口尺寸对氢气-空气混合气体爆炸的影响
张思泓，张琦
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室
摘要
本文通过数值模拟研究了通风口尺寸对室内氢气爆炸的影响。通过对不同通风口尺寸下的爆炸温度、超压、动压和风速的分析，表明这些爆炸参数在室内外有不同的变化规律。室内通风口尺寸对爆炸温度、动压、风影响不大，但它对爆炸超压有显著影响。当缩放通风口尺寸Kv（Av/V2/3）从0.1增加到0.3时，最大内部峰值超压差为87.8%。而在室外，随着通风口尺寸的增大，高温范围（800k以上）先减小后增大，爆炸风引起的爆炸动压和飓风区逐渐减小。最大高温范围（Kv=0.1为32.5m）和飓风区（41.1m，适用于Kv=0.1）可分别达到房间长度的7.0倍和8.9倍。在同一通风口尺寸下，爆炸动压力可达到与爆炸超压相同的量级。因此，这些损坏影响在房间外是不容忽视的。在通风口尺寸变化过程中，Kv =0.3的爆炸参数发生了较大变化，灾害影响显著。例如，发生影响内部爆炸超压释放的外部爆炸；砌体结构发生爆炸会破坏砖墙的结构完整性。因此，Kv=0.3可作为氢气放空安全设计的参考。
关键字：爆炸泄放；氢气；通风口尺寸；外部爆炸
1.引言
氢气作为一种清洁能源，可以有效地解决温室效应、空气污染和能源危机等问题[1]。然而，由于氢能爆炸极限较宽，最小点火能量（MIE）较低，导致氢能在生产和使用过程中存在爆炸安全问题[2,3]，当氢-空气混合物在受限空间内爆炸时，会产生较高的超压和温度，造成巨大的人身和财产损失[4]。爆炸泄放能迅速释放氢气-空气爆炸过程中产生的能量，是保护设备和建筑物免受爆炸破坏的有效方法[5-8]。对于爆炸泄放的安全设计，美国国家消防协会（NFPA）制定了标准NFPA 68[9]。然而，本标准主要适用于碳氢化合物，如天然气，不能直接用于氢气[10-12]。氢气比碳氢化合物具有更高的反应活性，因此氢气-空气爆炸泄放过程往往发生在较短的时间内，其现象更为复杂。因此，充分认识氢气爆炸泄放的特性，对船舶和建筑物的结构安全设计具有重要的参考价值，对保护个人和财产也具有重要意义。
在氢气-空气爆炸过程中，通风口尺寸是一个重要因素。库珀等人[13]发现，在泄爆过程中，压力-时间曲线有四个主要峰值。对于第一个、第三个和第四个压力峰值，相应的峰值压力随着通风口的增加而增加尺寸减小。第二个压力峰值与外部燃烧有关。随着通风口尺寸的减小，第二个压力峰值先增大后减小。在Rocourt等人[14]的小体积排气氢气-空气爆炸实验中，测量的超压随着通风口尺寸的减小而增大。库兹涅佐夫等人[15]通过一系列的爆炸泄放实验，发现最大爆炸泄放压力随着放空尺寸的增大而增大但是当氢气浓度低于10%时，由于局部淬火的发生，最大泄爆压力与泄爆口尺寸无关。Vyazmina和Jallais[8]的数值模拟结果也表明，在相同的点火位置和氢气浓度下，氢气-空气排气压力随着通风口尺寸的减小而增大。Liang[16]分别研究了静态和湍流条件下，在稀薄可燃极限附近，通风口尺寸对氢气-空气爆燃的影响。
在静态条件下，对于给定的氢气浓度和容器容积，超压峰值随通风口尺寸的减小而增大。在放空氢气-空气爆炸过程中，一些未燃烧的气体扩散出去，形成可燃气体云[17,18]。 当内部火焰从通风口扩散出来时，气体云就会被点燃。有些学者已经对这一现象做了一些研究，但主要是关于通风口尺寸对外部可燃气体云形成的影响。 Proust和Leprette[19] 在体积从1到100m3的容器中进行了一系列排气氢气-空气爆炸试验。数据表明，与容器体积相比，可燃气体云的半径与通风口的大小更密切相关。 此外，气体云的形 成也受到火焰膨胀率和流速的影响。 Daubech等人[20,21]在4m3长方体室中进行了氢气-空气爆炸实验。 他们发现通风口的大小对外部可燃气体云的形成有显著的影响。 随着通风口尺寸的减小，气云的形状出现射流结构。
在上述研究中，通风口尺寸对排气氢气-空气爆炸的影响主集中体现在超压上。 通风口尺寸对外部可燃气体云的影响仅集中在外部气体云的形成上。外部可燃气体云的爆炸不仅会对周围环境造成危害，而且剧烈的外部爆炸会影响容器内部。此外，高温燃烧产物在排气过程中引起的温升、爆炸动压和风速的影响[22] 对周围的设备和人员，以及冲击波与建筑结构之间的相互作用[23]所有的安全问题都是在氢气-空气爆炸泄放期间不可忽视的。 然而，对这些方面的研究却被忽视了。
本文通过数值模拟，研究了通风口口尺寸对室内空气爆炸的影响。 室内，讨论了通风口尺寸与爆炸峰值超压的定量关系，从而可以定量预测不同通风口尺寸的爆炸峰值超压。 在室外，讨论了排气过程中的安全问题，包括：排气尺寸对高温范围的影响；外部爆炸与排气尺寸之间的关系，及其对内部超压的影响；不同排气尺寸下爆炸动态压力和风速的影响区域；相互作用在爆炸冲击波和建筑结构之间。研究代表了氢能利用过程中建筑安全设计方向的第一步。
|
命名法 |
T |
温度（K） |
|
|
Av |
通风面积（m2） |
ui |
方向i上的流速（m / s） |
|
Ct |
无量纲常数 |
ut |
湍流强度（m / s） |
|
Cv |
定容比热（J/kg/K） |
V |
房间容积（m3） |
|
Cmu; |
K-ε模型的常数（m2 / s） |
x |
空间坐标 |
|
C1，C2 |
K-ε模型的常数 |
希腊符号 |
|
|
E |
能量（J） |
delta;ij |
克罗内克delta; |
|
Hc |
燃烧热（kJ / mol） |
ε |
湍动能耗散率（m2 / s3） |
|
K |
湍动能（m2 / s2） |
εc0 |
单轴压缩下的准静态应变 |
|
Kv |
缩放的通风口尺寸，Kv=Av/V2/3 |
εt0 |
单轴张力作用下的准静态应变 |
|
Lt |
湍流尺度（m） |
Г |
湍流扩散系数（m2/s） |
|
Mfu |
燃料质量分数 |
mu; |
泊松比 |
|
p |
静压（Pa） |
mu;t |
湍流运动过程中的粘度系数 |
|
Pmax |
最大峰值超压（kPa） |
nu; |
运动粘度(m2/s） |
|
Rfu |
体积燃烧率（kg / m3 / s） |
rho; |
混合物密度（kg/m3） |
|
Rmin |
最小质量分数 |
sigma;sc0 |
单轴压缩(MPa)下的准静态强度 |
|
Sl |
层流燃烧速度（m / s） |
sigma;sttt0 |
水张力(MPa)下的准静态强度 |
|
St |
湍流燃烧速度（m / s） |
sigma;st0 |
单轴拉伸(MPa)下的准静态强度 |
|
t |
火焰到达时间（秒） |
||
研究方法
2.1数学模型
利用计算流体动力学软件Auto Rea Gas进行了放空氢气-空气爆炸过程。 用有限体积公式求解动量、质量和能量守恒方程。 这些方程用笛卡尔张量表示法表示：
（1）
其中rho;为密度，u为流速，t为时间，x为空间坐标，p为静压，i和j为坐标方向。
tau;ij是粘性应力张量，其表达
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