董炳燕1，黄有波2，孟 江1，吕淑然2
（1．重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆401331;2．首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070）
摘要：为研究障碍物控制天然气喷射火对周围设施危害的有效性，基于流体力学基本原理与湍流模型，采用FDS模拟软件，分别研究高度为10 m的障碍物宽度和障碍物与泄漏孔间距对喷射火的影响。研究得出：障碍物对喷射火阻挡效果明显，减缓了火焰在速度方向的传播；障碍物越宽，控制火焰向前传播的效果越好，障碍物后方受火焰高温和热辐射危害越小，但随着宽度的增加，后方温度和热辐射下降率减小，障碍物宽3m时，对火焰控制效果最好；随着障碍物与泄漏孔间距增加，障碍物后方热辐射先增加后减小，间距为5m时，障碍物对火焰的控制效果最好，此时喷射火下游受保护的区域最宽。研究结果可为储气罐发生泄漏火灾事故处置及应急设施设计提供参考。
关键词：喷射火；障碍物；储罐火灾；热辐射；数值模拟
中图分类号：X932；X937 doi：10. 11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 021
0 引言
随着工业技术的发展，油气储罐容量和压力越来越大，导致大型储罐事故时常发生，如2015年7月16日，山东日照石大科技石化有限公司1 000rr13液态烃球罐起火发生连环爆炸。如今储罐已成为天然气储存的主要方式…，高压天然气储罐失效后，泄漏气体遇火源极
易发生火灾爆炸事故，导致严重的危害。根据API581，燃气泄漏发生安全排放、喷射火、火球火灾、蒸气云爆炸的概率分别为0.8、0.1、0.06、0.04，由此可知喷射火是最常见的燃气事故。喷射火是气体泄漏后，在泄漏口遇火源形成的喷射火焰。大容积天然气储罐泄漏后，遇火源容易形成稳态喷射火，火焰热辐射危害周围储罐设施，容易引起邻近罐体的损坏、坍塌，引发多米诺效应。
为预防喷射火事故，减少损失，已有学者对喷射火影响因素及火灾危害特性进行研究，Kalghatgi等在风洞内进行小尺寸喷射火实验，研究气体喷射角度和风速对喷射火特性的影响；Kielec等对喷射火焰的热冲击效应进行实验，对比分析了天然气和丙烷喷射火的温度场和辐射场；Lowesmith等通过实验对比研究甲烷和甲烷与氢气混合气体喷射火的温度场及危害区域；陈文江等考虑不同风向对喷射火的作用，构建不同风向下的喷射火三维模型；雷婷等应用火灾动态模拟软件FDS( firedynamics simulator)模拟分析两种泄漏孔直径的储罐喷射火危害半径；李占稳等利用数值模拟方法，获得井喷喷射火几何尺寸和伤害半径随采气井产气量的变化规律；陈杰等提出了CNG加气站喷射火危害半径的计算方法。
现有研究主要集中于完全开敞环境喷射火，环境中具有障碍物的相关研究很少，然而研究障碍物对喷射火的影响，有助于运用障碍物阻挡火势蔓延、防止发生多米诺效应，可根据建筑防火设计中移动式防火分隔设施阻挡火灾蔓延的原理，在储罐喷射火方向设置移动式不燃性材料障碍物阻挡喷射火焰的热效应，对于保护火灾下游储罐和最大程度减少事故损失具有重要作用。因此，笔者利用火灾动态模拟软件FDS研究障碍物对喷射火的影响，分别考虑障碍物宽度和障碍物与泄漏孔间距阻挡天然气喷射火对下游危害的有效性。
1 本构模型
1.1 软件简介
场模拟CFD软件FDS，由美国国家标准与技术研究院( National Institute of Standards and Technology, NIST)研发，主要求解火灾过程中状态参数的时空分布，其可靠性已得到大量实验验证。FDS进行火灾模拟时选用湍流模型中的大涡模拟，模型数值求解过程中受浮力驱动的低马赫数流动的Navie-Stokes方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。
1.2模型建立
模拟场景为高压天然气储罐喷射火，由于储罐泄漏多为侧面泄漏，并且侧面喷射火热辐射冲击对周围设施的危害大，因此将泄漏孔设置在侧面，气体泄漏方向为水平方向，设为x轴，水平面上垂直速度方向设为y轴，竖直方向为z轴。模拟环境为开敞空间无风条件，模拟计算区域为40 mx40 m，模拟环境除地面外，其他边界为开放( open)边界。根据API581设置喷孔面积为0.25
m2，离地高3m，喷射速度为20 m/s，环境温度设为200C，外界压力为标准大气压。设置障碍物为惰性(inert)挡板，高度为10 m，宽度由1m开始，每间隔1 m递增到10 m;障碍物与喷孔间距由2m开始，每间隔1 m递增至15 m，同时设置一组空白对照组。如图1，为障碍
物高10 m、宽3m，距离泄漏孔8 m的模型示意图。由于模拟场景对称，因此监测其中一侧的数据，每个点位监测1 000次，取其平均值。
2 结果分析
2.1 障碍物宽度的影响
在喷射速度和障碍物与泄漏孔间距不变的情况下，分析障碍物宽度对喷射火的影响，障碍物设置在喷射孔正前方5 m处。
2.1.1 火焰几何尺寸
监测数据显示，障碍物阻碍了天然气的射流，在挡板处截断了水平方向的射流速度，使火焰不能直接到达障碍物后方，同时增大了火焰横向宽度，使火焰尺寸在y轴方向被拉伸，并且随着障碍物宽度增加，火焰横向尺寸越来越大，如图2。没有障碍物时，火焰横向宽度为4m;随着障碍物宽度增加火焰宽度先有较大增加，当火焰宽度达到一定值后随着障碍物宽度的增加火焰横向尺寸增加率减小，如图3。造成此现象的主要原因是，泄漏气体量为定值，适当增加障碍物宽度，泄漏气体横向扩散较宽并燃烧，继续增加障碍物宽度，已没有更多的
未燃气体横向扩散参加燃烧，因此火焰宽度变化减缓。燃烧过程中，火焰首次撞击障碍物形成的火焰尺寸最大，之后火焰尺寸变小并趋于稳定，这是由于火焰到达挡板之前，在挡板两侧和后方形成涡旋结构，这种涡旋结构使天然气喷射火产生强烈褶皱和伸展，增大燃烧表面积，使甲烷与空气化学反应速率和热释放速度增加，火焰尺寸增加。当火焰燃烧达到最剧烈状态时，周围空气被消耗掉，同时火焰产生烟气，阻挡天然气与周围空气的表面接触，因此火焰尺寸有所衰减并趋于稳定。
喷射火燃烧趋于稳定状态后，火焰尺寸在某范围内波动，出现这种现象是由于间歇性火焰的存在。间歇性火焰是由于在燃烧过程中受空气动力学特性的影响，甲烷与空气形成自然对流，同时由于火焰高温产生温差使气流之间形成压力差，压力差产生浮力，可燃气体受浮
力驱动与空气接触，卷吸空气形成，并具有周期性。
2.1.2 温度分析
火焰中心温度超过1 500℃，当障碍物宽度为1 m时，1 000℃高温在竖直方向的传播距离超过40 m，随着障碍物宽度的增加，高温在竖直方向的传播距离下降。没有障碍物时，水平轴线上火焰平均温度先增加后减小，在泄漏口前方7m处达到最大值1 500℃。当有障
碍物时，障碍物后方温度明显下降，如图4为离地9m高处障碍物后方轴线上的平均温度，轴线上离障碍物3m处平均温度最大。障碍物宽1 m时，后方最高温度为894℃，障碍物宽度继续增加，后方温度迅速下降，当障碍物宽度由3 m继续增加时，后方温度下降缓慢，这说明挡板宽3m时对火焰的阻挡效果已经较好；随着障碍物宽度的增加后方温度越来越小，但先有较大下降，随后下降幅度较小，温度趋于稳定，障碍物宽10 m时后方最高温度为273℃。
2.1.3 热辐射分析
监测障碍物前方0.2 m处热流量平均值见表1。由表1可知，障碍物使喷射火在横截面上的热流量增加，并且随着障碍物宽度的增加，横截面上热流量值越来越大。但障碍物宽度小于3m时增加幅度较大，宽度大于3m时，热流量增加较小，主要原因是由于泄漏气体和气体燃烧热为定值，因此当障碍物宽度达到一定值继续增加时，火焰在横截面上的热流量值变化较小。
监测水平轴线上的热通量得出，当有障碍物时，轴线上的热通量明显减小，随着障碍物宽度增加热通量减小，但减小率逐渐下降，如图5；障碍物宽度为1m时，热通量值仍然较大，障碍物宽度大于3m时，随着障碍物宽度增加，热通量值下降较小，说明3m宽的障碍物对喷射火阻挡效果已经较好，继续增加障碍物宽度控制火焰效果并不明显。障碍物后方热通量有一个升高的过程，在距离挡板3m处升高到最大值，然后逐渐下降，此现象是由于燃料由挡板两侧形成射流涡旋扩散到后方，在后方燃烧造成。综合温度分析和热辐射分析，10 m高的障碍物宽度为3m时，为控制喷射火焰的最佳宽度。
2.2 障碍物与喷射孔距离的影响
在喷射速度和障碍物宽度不变的情况下，改变障碍物与泄漏孔的间距来分析喷射火对障碍物后方的影响，设置障碍物宽度为3m。由模拟结果得出当障碍物与泄漏孔间距为5 m时，火焰沿y轴的横向尺寸最宽，其他间距时横向尺寸较小，但都大于没有障碍物的情况，障
碍物与泄漏孔间距小于5m时有火焰沿障碍物两侧扩散到障碍物后方，当间距大于5m时，障碍物后方火焰不明显。
2. 2.1 温度分析
监测得出，在障碍物后方有一个围绕障碍物的伴随流场，并且障碍物与泄漏孔间距越小，流场越明显，天然气被障碍物形成的剪切流拉伸的越长。因此，障碍物越靠近泄漏孔，障碍物后方的可燃气体越多，危险性越大。障碍物后方温度先升高后下降，挡板后方2.5 m处温度达到最大值，这是由于可燃气体绕挡板两侧扩散到后方燃烧造成，但该处温度远小于没有障碍物时的情况。如图6所示。
2.2.2热辐射分析
障碍物与泄漏孔不同间距时，障碍物前方0.2 m处竖直切面上通过的热流量见表2，变化趋势如图7。
随着与泄漏孔间距的增加，障碍物前方热流量先增加后减小，当障碍物与泄漏孔间距为5 m时，障碍物前方通过的热流量值最大，此情况下火焰被障碍物拉伸的最宽。当障碍物与泄漏孔间距为2m时，由于可燃气体围绕障碍物两侧扩散到后方，被纵向拉长，所以可燃气
体横向分布较少，障碍物前方横截面上的热流量值较小；当障碍物与泄漏孔间距大于5m时，可燃气体在前方区域已进行了较充分燃烧，并由于浮力和空气阻力作用，大量气体横向速度衰减，竖直方向扩散高度超过挡板高度10 m，火焰蔓延出挡板向前传播，因此，该工况下
障碍物前方监测到的热流量值较小。当障碍物与泄漏孔间距为5m时，障碍物阻挡了大量正向前传播的可燃气体，使气体撞击挡板失去水平方向的速度，在挡板前方纵向和横向传播，因此，该工况下火焰被拉伸的较宽，障碍物前方热流量值最大。
如图8为障碍物前方0.2 m处，y轴方向热通量平均值分布图。由图可知，障碍物与泄漏孔间距增加时，y轴方向热通量先增加后减小，当障碍物与泄漏孔间距为5m时，沿y轴方向的热通量平均值最大，说明此工况下，火焰被横向拉伸的最宽，障碍物对火焰的阻挡效果最好。障碍物与泄漏孔间距小于10 m时，横向距离泄漏孔2m处热通量值最大，大于火焰中心轴线上热通量值，说明挡板对火焰起到了阻挡作用，使火焰横向扩散；当障碍物与泄漏孔间距大于10 m时，火焰中心轴线上的热通量为横向最大值，此时挡板对火焰的阻挡效果不明显。
综上分析，障碍物与泄漏孔间距为2m时，障碍物后方可燃气体较多，后方火焰温度容易再次升高；障碍物与泄漏孔间距为5m时，火焰尺寸横向拉伸较宽，障碍物对火焰的控制效果较好；障碍物与泄漏孔间距大于10 m时，挡板对火焰的阻挡效果不明显，但这主要是由于火焰传播到此处本身已经衰减，火焰在前方10 m内燃烧充分，危害较大，如果该范围内有人员和设施，将受到严重危害。因此，10 m高的障碍物与泄漏孔间距为5m时，障碍物对天然气喷射火的控制效果最好。
3 结论
1)障碍物能够有效的减缓喷射火对喷射下游的危害，阻挡火焰在速度方向的传播，使障碍物后方的温度和热辐射远远低于没有障碍物的情况，但火焰横向宽度变大。
2)障碍物宽度增加，挡板后方火焰温度和热辐射下降，但下降率逐渐变小，10 m高的障碍物宽度为3m时，是喷射火最佳控制宽度。
3)障碍物与泄漏孔间距越小，可燃气体扩散到障碍物后方的涡团浓度越大，越容易在后方发生燃烧使温度升高，但温度小于没有障碍物的情况。当10 m高的障碍物与泄漏孔间距为5m时，障碍物对喷射火下游的控制效果最好。
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