一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法

1.本发明涉及燃气管泄爆技术领域，尤其涉及一种燃气管道泄爆过 程中的数值模拟方法。


背景技术：

2.在我国，频发的地质灾害对城市公共基础设备设施具有非常大的 摧毁性和破坏性。城镇输气管道具有一定的压力，输送介质所属的易 燃易爆性，一旦地质灾害引发土壤运动和地表变形，可导致埋地管道 在土体的作用下变形或断裂，从而导致燃气泄漏。燃气泄漏易造成人 员伤亡及财产损毁，因此对地质灾害发生时燃气管道泄漏爆炸风险进 行评估十分具有必要性。
3.现有技术中关于地质灾害下燃气管道的风险评估多集中在地质 灾害导致燃气管道易损性、地质灾害对燃气管道的危害等方面，这些 方法虽然可以有效评估燃气管道受地质灾害的影响情况，但由于没有 充分考虑燃气管道内氢气的爆燃转爆轰及其抑制过程，对单个障碍物 管道中氢气
‑
空气混合物燃爆过程以及多级泄爆的问题，进而不能准 确的对燃气管道泄爆进行全面的分析。
4.为此，我们提出一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法来解决 上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种 燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法，包括以下步骤：
8.s1、模型的建立，气体泄爆过程是快速燃烧反应的过程，满足质 量守恒、动量守恒、能量守恒和化学组分平衡方程，由此基础上建立 基本模型；
9.s2、计算区域及条件设定，对气体爆炸实验进行数值模拟，分别 进行单个泄爆口泄爆和两个泄爆口泄爆；
10.s3、模拟结果及分析，数值模拟结果与气体爆炸试验数据进行比 较；
11.s4、得出结论：1)泄爆口的位置对管道中氢气空气混合物的爆 燃转爆轰过程有重要影响，当泄爆口位于管道中部时，能有效降低管 道内的爆轰超压，对管道起到一定保护作用；2)位于管道中部的单 个泄爆口泄爆，能降低管道内的爆轰超压，延后爆轰发生的位置；位 于管道中部的两个泄爆口泄爆能使爆轰衰减为爆燃，对管道后部分起 到保护作用；泄爆过程增大了燃烧火焰的面积，燃烧火焰在泄爆过程 中发生湍流，燃烧速度得到了极大地加速。
12.在上述的燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法中，所述步骤s1 中的基本模型包括湍流模型、燃烧模型和物理模型，其中：
13.湍流模型中的标准k－ε模型的湍动能k和耗散率ε方程表示为
[0014][0015][0016]
式中：g
k
是由平均速度梯度产生的湍动能；g
b
是由浮力产生的 湍动能；y
m
是可压缩湍流脉动膨胀所贡献的耗散速率；c
1g
，c
2g
和c
3g
是常数；σ
k
和σ
ε
分别是k，ε的湍流普朗特数。通常取c
1g
＝1.44， c
2g
＝1.92，σ
k
＝1.0，σ
ε
＝1.3；
[0017]
燃烧过程常常涉及众多的化学组分和一系列的基元反应机理，同 时也受湍流流动和化学反应之间的强烈耦合作用影响，pdf方法能够 精确模拟详细的化学动力学过程，pdf输运方程由navier
‑
stokes方 程推导出：
[0018][0019]
式中：p是favre联合pdf的组分；ρ是平均流体密度；u
i
是favre 平均流体矢量；s
k
表示组分k的反应速率；ψ是空间矢量；u
″
i是 流体速度波动矢量；ji，k是分子扩散通量矢量，方程的左边闭合， 方程右边两项未封闭，分别因湍流对流标量和分子混合而改变；
[0020]
物理模型主要模拟对象是化学当量比初始温度和初始压力 分别t0＝298.15k，p0＝101325pa的氢气
‑
空气预混气体在有单个障 碍物存在的圆管中的爆炸传播情况。
[0021]
在上述的燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法中，所述气体爆炸 实验模拟操作可以是将球型容器及泄爆导管简化为轴对称模型,球形 泄爆容器内径为350mm；泄爆导管内径为50mm，长165mm；外部空间 直径设为400mm，长660mm；容器内充满按照化学计量比混合的甲烷 和空气，容器外为空气；假设容器中心遇到点火源发生爆炸，点火温 度为2000k，点火瞬间点火区10％的燃料被消耗。
[0022]
在上述的燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法中，所述气体爆炸 实验模拟操作也可以是采用爆炸容器为长4m、内径为0.106m的封闭 圆管，一端点火，距点火端1m的地方有阻塞比为0.92、内径开口0.03m 的环形障碍物，在管道上障碍物后每隔0.5m设置1个压力传感器来 监测压力变化，物理模型的建立与实验装置完全一致。
[0023]
在上述的燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法中，所述步骤s2 中单个泄爆口泄爆中泄爆口的位置分别为距离点火端0.4，1.6，2.0m， 密闭管道无泄爆时，在距点火端约1.5m处爆燃转为爆轰，受单个泄 爆口的泄放面积和泄放速率的限制，未能阻止爆轰的发生，同时由于 泄爆口的存在，增加了管道内气体的扰动，产生湍流，增加火焰有效 面积。
[0024]
在上述的燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法中，所述步骤s2 中两个泄爆口泄爆中，当两个泄爆口都位于距离点火端较近时，即距 点火端0.4m和0.8m，使得湍流加剧，湍流作用使得压力的增量大于 泄爆口对压力的泄放量，在经过障碍物之后，湍流进一步加剧，火焰 在到达第一个泄爆口之前，管道内混合气体就已经以爆轰传播，通过 两个泄爆口对管道内已燃气体和压力的泄放，火焰传播速度减小，压 力降低，爆轰未能持续传播，逐渐衰减为爆燃。
[0025]
在上述的燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法中，所述步骤s3 中模拟结果分析
得出，当泄爆口开启后，容器内压力均先增大，到达 一个峰值后减小，但泄放导管越短，泄放引起的压力增大幅值越小， 完成泄压的时间也越短，表明安装泄爆导管越长越不利于气体的高压 泄爆。
[0026]
与现有技术相比，本一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法的 优点在于：
[0027]
1、本发明在对数值模拟过程中采用多种模型结合的方式，满足 质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学组分平衡方程，提高数值模拟 的准确性，进而有助于后续对数值模拟结果的评估。
[0028]
2、本发明针对单个和两个泄爆口的情况分别进行数值模拟，确 定不同数量泄爆口对泄爆过程的影响，并得出相应的结论，即受单个 泄爆口的泄放面积和泄放速率的限制，未能阻止爆轰的发生，同时由 于泄爆口的存在，增加了管道内气体的扰动，产生湍流，增加火焰有 效面积；通过两个泄爆口对管道内已燃气体和压力的泄放，火焰传播 速度减小，压力降低，爆轰未能持续传播，逐渐衰减为爆燃。
附图说明
[0029]
图1为本发明提出的一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法 的方法流程图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。
[0031]
实施例
[0032]
参照图1，一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法，包括以下 步骤：
[0033]
s1、模型的建立，气体泄爆过程是快速燃烧反应的过程，满足质 量守恒、动量守恒、能量守恒和化学组分平衡方程，由此基础上建立 基本模型；
[0034]
s2、计算区域及条件设定，对气体爆炸实验进行数值模拟，分别 进行单个泄爆口泄爆和两个泄爆口泄爆；
[0035]
s3、模拟结果及分析，数值模拟结果与气体爆炸试验数据进行比 较；
[0036]
s4、得出结论：1)泄爆口的位置对管道中氢气空气混合物的爆 燃转爆轰过程有重要影响，当泄爆口位于管道中部时，能有效降低管 道内的爆轰超压，对管道起到一定保护作用；2)位于管道中部的单 个泄爆口泄爆，能降低管道内的爆轰超压，延后爆轰发生的位置；位 于管道中部的两个泄爆口泄爆能使爆轰衰减为爆燃，对管道后部分起 到保护作用；泄爆过程增大了燃烧火焰的面积，燃烧火焰在泄爆过程 中发生湍流，燃烧速度得到了极大地加速。
[0037]
其中，步骤s1中的基本模型包括湍流模型、燃烧模型和物理模 型，其中：
[0038]
湍流模型中的标准k－ε模型的湍动能k和耗散率ε方程表示为
[0039][0040]
[0041]
式中：g
k
是由平均速度梯度产生的湍动能；g
b
是由浮力产生的 湍动能；y
m
是可压缩湍流脉动膨胀所贡献的耗散速率；c
1g
，c
2g
和c
3g
是常数；σ
k
和σ
ε
分别是k，ε的湍流普朗特数。通常取c
1g
＝1.44， c
2g
＝1.92，σ
k
＝1.0，σ
ε
＝1.3；
[0042]
燃烧过程常常涉及众多的化学组分和一系列的基元反应机理，同 时也受湍流流动和化学反应之间的强烈耦合作用影响，pdf方法能够 精确模拟详细的化学动力学过程，pdf输运方程由navier
‑
stokes方 程推导出：
[0043][0044]
式中：p是favre联合pdf的组分；ρ是平均流体密度；u
i
是favre 平均流体矢量；s
k
表示组分k的反应速率；ψ是空间矢量；u
″
i是 流体速度波动矢量；ji，k是分子扩散通量矢量，方程的左边闭合， 方程右边两项未封闭，分别因湍流对流标量和分子混合而改变；
[0045]
物理模型主要模拟对象是化学当量比初始温度和初始压力 分别t0＝298.15k，p0＝101325pa的氢气
‑
空气预混气体在有单个障 碍物存在的圆管中的爆炸传播情况。
[0046]
具体的，实施例一：
[0047]
气体爆炸实验模拟操作可以是将球型容器及泄爆导管简化为轴 对称模型,球形泄爆容器内径为350mm；泄爆导管内径为50mm，长 165mm；外部空间直径设为400mm，长660mm；容器内充满按照化学计 量比混合的甲烷和空气，容器外为空气；假设容器中心遇到点火源发 生爆炸，点火温度为2000k，点火瞬间点火区10％的燃料被消耗。
[0048]
步骤s2中单个泄爆口泄爆中泄爆口的位置分别为距离点火端 0.4，1.6，2.0m，密闭管道无泄爆时，在距点火端约1.5m处爆燃转 为爆轰，受单个泄爆口的泄放面积和泄放速率的限制，未能阻止爆轰 的发生，同时由于泄爆口的存在，增加了管道内气体的扰动，产生湍 流，增加火焰有效面积。
[0049]
进一步的，步骤s2中两个泄爆口泄爆中，当两个泄爆口都位于 距离点火端较近时，即距点火端0.4m和0.8m，使得湍流加剧，湍流 作用使得压力的增量大于泄爆口对压力的泄放量，在经过障碍物之 后，湍流进一步加剧，火焰在到达第一个泄爆口之前，管道内混合气 体就已经以爆轰传播，通过两个泄爆口对管道内已燃气体和压力的泄 放，火焰传播速度减小，压力降低，爆轰未能持续传播，逐渐衰减为 爆燃。
[0050]
其中，步骤s3中模拟结果分析得出，当泄爆口开启后，容器内 压力均先增大，到达一个峰值后减小，但泄放导管越短，泄放引起的 压力增大幅值越小，完成泄压的时间也越短，表明安装泄爆导管越长 越不利于气体的高压泄爆。
[0051]
实施例二：
[0052]
气体爆炸实验模拟操作也可以是采用爆炸容器为长4m、内径为 0.106m的封闭圆管，一端点火，距点火端1m的地方有阻塞比为0.92、 内径开口0.03m的环形障碍物，在管道上障碍物后每隔0.5m设置1 个压力传感器来监测压力变化，物理模型的建立与实验装置完全一 致。
[0053]
步骤s2中单个泄爆口泄爆中泄爆口的位置分别为距离点火端 0.4，1.6，2.0m，密闭管道无泄爆时，在距点火端约1.5m处爆燃转 为爆轰，受单个泄爆口的泄放面积和泄放速
率的限制，未能阻止爆轰 的发生，同时由于泄爆口的存在，增加了管道内气体的扰动，产生湍 流，增加火焰有效面积。
[0054]
进一步的，步骤s2中两个泄爆口泄爆中，当两个泄爆口都位于 距离点火端较近时，即距点火端0.4m和0.8m，使得湍流加剧，湍流 作用使得压力的增量大于泄爆口对压力的泄放量，在经过障碍物之 后，湍流进一步加剧，火焰在到达第一个泄爆口之前，管道内混合气 体就已经以爆轰传播，通过两个泄爆口对管道内已燃气体和压力的泄 放，火焰传播速度减小，压力降低，爆轰未能持续传播，逐渐衰减为 爆燃。
[0055]
其中，步骤s3中模拟结果分析得出，当泄爆口开启后，容器内 压力均先增大，到达一个峰值后减小，但泄放导管越短，泄放引起的 压力增大幅值越小，完成泄压的时间也越短，表明安装泄爆导管越长 越不利于气体的高压泄爆。
[0056]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。