由气体爆炸在大规模密闭管道中产生的超压振荡

《Process Safety and Environmental Protection》：Overpressure oscillations generated by gas explosions in large-scale confined tubes

天然气爆炸过压载荷及振荡特性研究在大型管状结构中展开。通过实验获取超压载荷及振荡数据，并基于FLACS软件建立数值模型进行验证。研究表明管长直径比（L/D）＞18.75且浓度8%-12.5%时出现显著振荡，耦合火焰与压力波会加剧振荡幅度与压力上升速率，管长缩短和温度升高将提高振荡频率。

　　

詹莉|青芳|严海春|王森培|刘洋

中国人民解放军陆军工程大学爆炸与冲击灾害防治国家重点实验室，江苏省南京市210007

摘要

在长径比（L/D）较大的封闭空间中可能发生气体爆炸事故，导致人员伤亡和财产损失。准确预测气体爆炸载荷对于减轻潜在危险至关重要。本研究在大型封闭管道中进行了甲烷-空气混合物爆炸的现场测试，并获取了超压载荷及其波动的测试数据。基于CFD软件FLACS，开发了气体爆炸的数值模型，并通过将数值结果与测试数据进行比较进行了验证。通过参数研究探讨了气体体积、L/D比、气体浓度和点火位置的影响。研究发现，封闭管道中气体爆炸的压力波动是由管道内部的压力波反射和传播引起的。气体体积、L/D比、气体浓度和点火位置对超压载荷和波动有显著影响。当管道的L/D比大于18.75且气体浓度在8.0%至12.5%范围内时，会出现压力波动。火焰与压力波之间的耦合效应会显著增加大型管道中气体爆炸的波动幅度和压力上升速率。此外，管道内气体产物的温度升高和管道长度的减小会提高波动频率。

引言

在长径比（L/D）较大的封闭空间中可能发生气体爆炸事故，由于特定的封闭环境和条件，会对公共安全造成严重危害。气体爆炸产生的超压可能导致结构损坏和巨大的经济损失（Bjerketvedt等人，1997年；Chen等人，2022年；Li等人，2017年；Li等人，2019年；Wang等人，2021年；Wang等人，2022年）。在长径比较大的封闭空间中，气体爆炸的超压载荷总是伴随着显著的波动。这些波动会增加超压峰值和上升速率，增强流场的湍流，并导致容器和结构的蠕变破坏和共振（Han等人，2015年；Phylaktou和Andrews，1991年；Schiavetti和Carcassi，2017年；Xing等人，2020年）。为了减少气体爆炸事故的潜在危险，有必要研究长径比较大封闭空间中气体爆炸产生的超压波动特性。

大型管道中气体爆炸的危害效应引起了广泛关注。许多因素显著影响气体爆炸载荷，包括气体浓度、气体云体积、通风条件和障碍物布置（Sapko等人，1987年）在全长分别为396.2米和514.2米的隧道中进行了端部通风的气体爆炸测试。观察到，在初始阶段快速传播的火焰导致了超压的迅速积聚。由于通风作用，随着距离封闭端的增加，峰值压力逐渐降低。Li等人（2025年）在直径为7.2米的700米长隧道中进行了现场测试，使用不同体积的气体云（50立方米、100立方米和200立方米），发现爆炸强度随气体体积的增加而增强，超压分布也随之变化。在同一隧道中，Chen等人（2024年）进行了两次全尺寸天然气爆炸测试，考虑了多个管道作为障碍物。研究表明障碍物显著增强了超压，而从拥挤区域移动到开阔区域则产生了负反馈效应，降低了气体爆炸的火焰速度和超压。随着障碍物的增加和点火条件的变化，气体爆燃可能转变为爆轰。Zipf等人（2013年）和Oran等人（2015年）在长73.2米、直径1.05米的端部通风管道中进行了大规模测试，发现高爆炸药点燃的甲烷-空气混合物（浓度5.3-15.5%）产生了稳定的爆轰。上述大多数大规模测试采用了端部通风或侧面通风的配置，未观察到压力波动。然而，Li等人（2021b）在尺寸为0.8米×0.8米×30米的封闭管道中进行了现场测试，观察到了显著的超压波动，但未对此现象进行深入分析。为了确保爆炸安全设计，需要进一步研究大型封闭管道中压力波动的特性和机制。

近年来，研究人员也关注了管道中气体爆炸的超压载荷和压力波动问题。实验和数值研究考虑了管道尺寸、截面形状和可燃气体类型的变化，如表1所示。研究了甲烷、乙炔、氢气、丙烷和汽油在管道中的爆炸现象。通过高速摄影技术和小规模测试，深入研究了气体爆炸过程中冲击波的传播和燃烧火焰的蔓延。Phylaktou等人（1991年、1990年）使用L/D比大于6.2的圆柱形管道进行了甲烷-空气爆炸的实验研究，发现波动阶段约占总爆炸时间的35%。Andrews等人（1990年）在直径76毫米、长1.65米的垂直封闭管道中进行了甲烷/空气混合物的爆炸测试，发现接近化学计量比的混合物在压力时间历史中出现了波动。Xing等人（2020年）使用内径为70毫米的2米长圆柱形管道进行了实验研究，发现当甲烷浓度在9.5%至12.5%之间时，封闭管道中出现了剧烈的压力波动。端部点火和增加通风面积可以在一定程度上减少压力波动。Zhu等人和Hong等人（2016年、2013年）使用Autoreagas软件研究了封闭管道中甲烷/空气爆炸的波动效应，发现波动使得封闭管道中的峰值超压高于开放式管道。管道长度显著影响波动周期，而截面面积的影响有限。大多数先前的实验是在小规模管道中进行的，但由于复杂的缩放效应，测试数据无法直接应用于大规模场景，这仍然是一个严峻的挑战。

管道中气体爆炸的超压及其波动机制是一个复杂的问题。Gonzalez（1996年）进行了数值模拟，捕捉了L/D比为6的管道中气体爆炸时的详细火焰动态。研究表明，超压的波动与火焰前沿形状有关，可归因于泰勒不稳定性。更多研究人员认为，管道中气体爆炸超压的波动是由压力波的反射引起的（Hong等人，2016年；Li等人，2021b年；Xing等人，2020年；Zhu等人，2013年）。然而，火焰对压力波动的影响也不能忽视。Xiao等人（2014a年、2012年、2014b年）基于氢气/空气混合物在管道中的实验和数值研究指出，压力波的反复反射与燃烧火焰的耦合导致了火焰和超压的波动。Hong等人（2016年、Zhu等人，2013年）指出，压力波的反射和压缩波的叠加是压力波动的主要原因，火焰与压力波之间的正耦合会增强波动。此外，Li等人（2021a年）发现管道的特定边界也会增强压力波动。当火焰到达管道侧壁时，热传导导致的热量损失和火焰熄灭显著增加了压力波动的幅度。从上述研究中可以看出，实验和数值研究中都观察到了超压的波动，但对气体爆炸超压及其波动机制的理解尚不统一，相关影响因素的研究也有限。

本研究在大型封闭管道中进行了甲烷-空气混合物的爆炸测试。基于CFD软件FLACS开发了数值模型来模拟大规模测试，并通过测试数据验证了该模型。此外，还进行了参数研究，以探讨气体体积、管道长度、气体浓度和点火位置对超压及其波动的影响。

测试装置

测试在如图1所示的大型管道中进行，该管道是一个尺寸为30米×0.8米×0.8米的立方体结构，由厚度为30毫米的低碳钢板制成。测试管道由十个部分组成，每个部分的内部尺寸为3米×0.8米×0.8米。其中包含带有观察窗口的部分，观察窗口的尺寸为300毫米×100毫米。观察窗口上安装了50毫米厚的有机玻璃板，以防止测试过程中气体混合物泄漏。

使用的商业甲烷浓度为99.9%

数值研究

使用商业CFD软件FLACS（版本10.4）和有限体积法（FVM）对封闭测试管道中的气体爆炸进行了数值模拟。

结论

通过现场测试和数值模拟，研究了大型封闭管道中甲烷-空气混合物爆炸的超压载荷和波动。结论总结如下：

(1).

在大型封闭管道中的气体爆炸过程中可以观察到高频压力波动。根据实验数据，与过滤后的超压-时间曲线相比，波动的存在使超压峰值提高了81%（见第10节）

未引用参考文献

(Li等人，2016年)

CRediT作者贡献声明

刘洋：撰写——原始草案、可视化、验证、软件使用、数据整理。王森培：软件使用、正式分析、数据整理。严海春：监督、概念构思。青芳：监督、概念构思。詹莉：项目管理、方法论、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

我们声明与本工作没有利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52278544和52008392）的财政支持。

利益冲突声明：

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。