郭丹彤，吕淑然
（首都经济贸易大学，北京100070）
摘要：为研究障碍物截面变化对混合气体爆炸特性参数的影响规律，运用3D动态流体动力学软件AutoReaG。。建立障碍物截面不同变化方式和趋势的爆炸模型，模拟分析截面不同变化方式（渐变、突变）和不同变化趋势（由大变小、由小变大）对气体爆炸特性参数（速度、压力场）的影响程度和规律。研究表明：改变障碍物的截面变化方式和趋势都会影响可燃气体的爆炸参数。对于爆炸压力场，截面变化情况下的爆炸超压大于截面不变的情况，截面渐变大于截面突变的情况，截面由大到小变化与截面由小到大变化下的爆炸超压呈现相反变化趋势。对于爆炸速度场，截面不同变化方式和趋势下的速度变化情况均为在开始的一小段时间内先减小然后逐渐增大。
关键词：气体爆炸；障碍物；AutoReaCas；超压；数值模拟
中图分类号：X932doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2016. 02. 015
0 引言
近年来我国经济高速发展，生产规模不断扩大使得新技术新产业的出现成为必然趋势，工业爆炸灾害隐患随之增加，爆炸事故危害程度也相应增加。由于工业爆炸涉及的范围面十分广泛，例如石油、化工、煤炭、冶金等领域，一旦发生工业爆炸事故很难在短时间内得到有效控制，后果十分严重。统计数据显示，全世界每年发生的各业界的工业爆炸事故有上百起，造成了巨大的不可忽视的人身财产损失。
由火焰燃烧加速机理可知，在点火源存在的情况下，工业生产环境中存在的约束物即理论研究中所说的障碍物会发生加速燃烧甚至引起爆炸。这些障碍物的形状各异，尺寸不等，截面变化方式和趋势更是不尽相同。目前，研究人员已经通过大量的实验、情境模拟等方法研究了障碍物形状、尺寸、阻塞比、截面形状、点火位置等因素对于爆炸参数的影响情况。例如冯长根通过实验模拟探究了独头巷道中影响瓦斯爆炸严重性的因素，并得出了动、静态超压与距离的正反比关系。蔺照东研究了障碍物数量、尺寸、表面情况对爆炸压力场的影响，得出随着障碍物数量、尺寸的增加，以及表面粗糙程度的增大，爆炸压力场的改变明显的结论。杨凡通过大量实验数据分析对比障碍物的阻塞程度及排列方式对爆炸超压的影响情况，并总结得出相应规律。候红霄通过实验探究了初始压力对密闭空间混合气体爆炸超压的影响规律，得出初始压力与预混气体密度以及超压呈正比关系的结论。秦涧着手研究管道内置障碍物的形状因素对于压力场的影响规律，得出各形状的内置障碍物中挡板状超压最大圆环状超压较小的结论。因液化石油气、天然气、沼气及瓦斯等常见易燃易爆混合气体中都含甲烷气体，且本篇是基于国家自然基金面上项目（城市排水涵道油气混合气体爆炸机理与防治）所写，城市排水涵道油汽混合气体的主要成分中甲烷气体所占比重较大，另外，在通常情况下甲烷性质比较稳定，与强酸强碱强氧化剂都不反应，基于上述原因本研究选用甲烷气体作为研究对象具有一定的通用性和实用性。
综上，分析目前研究者已经研究的可燃气体爆炸领域可知理论研究缺少评估受限空间混合气体爆炸的复杂性，障碍物截面的变化方式和趋势对气体爆炸参数的影响鲜有研究，研究者有必要深入具体研究障碍物截面突变与渐变的情况。故笔者通过运用AutoReaGas动力学软件建立不同截面变化方式和趋势的模型来找出规律，做出结论。本文对障碍物截面不同变化方式和趋势进行研究，为各业界工业生产的实际应用提供理论依据和数据基础。
1 障碍物场对气体爆炸的影响机理
破坏性的爆炸超压具有极大威力，它是由具有较高能量点燃的可燃气体发生强烈爆炸现象产生的，当障碍物不存在或者能量未达标时无法产生这种超压，从而使产生的爆炸得到相应控制。而在工业生产中，发生气体爆炸时周边往往存在一些机器、挡板等各类障碍物，从而产生破坏性极大的爆炸超压。
可燃混合气体在点火源作用下生成层流火焰，火焰在运动扩散的途中遇障碍物作用转变成湍流后发生爆燃，障碍物使得爆燃的效果不断增强，图1即为湍流所引起的火焰加速理论步骤示意图。
由于影响爆燃波传播状态的因素很多，如反应物膨胀产生的稀疏波、二次冲击波和变截面等因素都会影响爆燃波的传播状态。当遇到变截面障碍物后，由于变截面的存在使得该区域内的火焰加速，这使得预压气体和燃烧气体混合更加充分，进而大大提升了化学反应的速率，从而使火焰强度增大。这说明变截面对爆燃波的传播具有促进作用，使得燃烧强度增大，从而使相应的爆炸特性参数（如压力场、速度场）有所改变，这就是障碍物截面变化对}昆合气体爆炸特性参数的影响机理。
2 研究方法与数值模拟设计
2.1 研究方法
现阶段可以模拟3D动态效果危害后果并且已被大尺寸实验验证证实的爆炸模拟软件主要有三种：Exsim，Flass，和AutoReagas。通常用来模拟相关火灾、泄露、爆炸或其中两者相结合的场景。AutoReagas以其较强的实用性和生动性著称，而设计环节的精细准确直接决定仿真结果的可靠性，因此本课题选定该软件模拟整个爆炸实验流程。
2.2数值模拟设计
模拟实验所用模型为一个10 mx10 m x10 m的正方体受限区域空间，空间内设置3种不同情形的障碍物布置方式，如图2所示。情形1，设置长为10 m、半径r=1 m的圆柱体；情形2，设置r=1 m的圆柱体，在长度为5m处突变为r=4 m的圆柱体，总长度为10 m；情形3，同样设置r =1 m的圆柱体，在长度为5m处开始渐变，在10 m处达到r=4 m的圆柱体。实验所模拟的甲烷浓度为9.5 010，点火点位于坐标(3，5，0)处。设置x方向上的5个测点，测点布置如图2所示。
模拟实验内容有三方面：
1)研究障碍物截面变化与否对混合气体爆炸特性参数（本篇主要研究压力场与速度场）的影响情况。进行混合气体爆炸模拟实验并对比障碍物在截面改变和不变两种情况下的爆炸压力场和速度场。设置观测记录点l~5，观测点从x方向的0点开始，每隔2m设置一个，共5个。
2)研究障碍物截面变化方式（突变与渐变）对混合气体爆炸特性参数（本篇主要研究压力场与速度场）的影响情况。在圆柱体长度为5m处开始改变障碍物截面的变化方式，情形1设置圆柱半径从1 m到4m突变，情形2设置圆柱半径从1 m到4m渐变。同样在x方向上设置间距为2m的5个测点。
3)研究障碍物截面变化趋势（由小变大、由大变小）对混合气体爆炸特性参数（压力场、速度场）的影响情况。通过在模型的相反方向设置点火点来观测，即将点火点的位置从原来截面由小变大的方向上更改到截面由大变小的方向上，同时测点也相应布置在相反方向上。
3建模与数据结果分析
3.1 障碍物截面无变化
1)障碍物截面无变化时的爆炸压力场
障碍物截面无变化时的超压云图如图3所示。
统一以圆柱5m处的截面为观测面，由图3可知，A截面最大超压值为5.4 Pa，图中切片的K区域为点火点位置，具体坐标为(3，5，0)。压力强度向周围扩散，爆炸超压普遍不大。测点1～5记录的超压峰值在0.8 Pa上下浮动，不超过0.1。
2)障碍物截面无变化时的爆炸速度场
障碍物截面无变化时测点1的速度曲线图如图4所示，从图上观测到速度变化趋势为在开始的一小段时间内先减小然后逐渐增大。测点2~5曲线图走势与测点1-致，绘制测点1~5的最大速度折线图如图5。其中测点2距离着火点的直线距离最短，相应速度值最大，测点1、3次之，测点4、5速度值最小。
3.2 障碍物截面突变
1)障碍物截面突变时的爆炸压力场
建立截面突变的障碍物模型，在圆柱体长度5m处开始改变障碍物截面的变化方式，圆柱半径从1 m突变至4m，点火点位置同样设置在坐标(3，5，0)处，其他参数固定不变，记录此时的爆炸超压云图如图6。
统一以圆柱5m处的截面为观测面，由图6可知，I截面最大超压值为6.4 Pa，图中切片的G区域为点火点 位置，具体坐标为(3，5，0)。压力强度向周围扩散，爆炸超压相对障碍物无变化时要大一些。
2)障碍物截面突变时的爆炸速度场
障碍物截面突变时测点1的速度曲线图如图7所示，从图上观测到速度变化趋势为在开始的一小段时间内先减小然后逐渐增大，这与障碍物截面无变化时的情况是一致的。测点2~5曲线图走势与测点1一致。
3.3 障碍物截面渐变
1)障碍物截面渐变时的爆炸压力场
建立截面渐变的障碍物模型，在圆柱体长度5m处开始改变障碍物截面的变化方式，圆柱半径从1 m渐变至4m，点火点位置同样设置在坐标(3，5，0)处，其他参数固定不变，记录此时的爆炸超压云图如图8。
统一以圆柱5m处的截面为观测面，由图8可知，K截面最大超压值为7.2 Pa，图中切片的K区域为点火点位置，具体坐标为(3，5，0)。压力强度向周围扩散，爆炸超压相对障碍物截面突变时要大一些。此时改变点火点的位置，将火源放置在相反位置，即障碍物截面由大到小的方向，可观测到爆炸超压呈相反趋势变化，图9为障碍物截面两种变化趋势下的爆炸超压对比图。
2)障碍物截面渐变时的爆炸速度场
障碍物截面突变时测点1的速度曲线图如图10所示，从图上观测到速度变化趋势为在开始的一小段时间内先减小然后逐渐增大，这与障碍物截面无变化以及突变的情况是一致的。测点2~5曲线图走势与测点1一致。
3.4 结果与讨论
1)比较障碍物截面有无变化对混合气体爆炸特性参数（本篇主要研究压力场与速度场）的影响情况，分析对比图3、6、8，得知障碍物截面发生改变条件下的爆炸超压明显大于障碍物截面无变化的情况，可用图1湍流引起的火焰加速机理解释障碍物截面改变的加速作用。对于速度场的影响而言，障碍物截面改变后各测点采集到的的最大速度值明显小于障碍物截面不变的情况。
2)比较障碍物截面不同变化方式对混合气体爆炸特性参数的影响情况，分析对比图6、8，障碍物截面渐变条件下的爆炸超压为7.2 Pa，而障碍物截面突变条件下的爆炸超压最高达到6.4 Pa，可知障碍物截面渐变方式下的爆炸超压明显大于截面突变的情况。这点在实际中有应用价值，比如在爆炸发生时根据现场障碍物截面结构可判断出爆炸事故伤害的大小，为爆炸伤害评估提供理论依据。但截面变化方式对于对于速度场的影响不明显，测点1采集到的两种变化方式下的速度最大值都在0.01 m/s左右。
3)比较障碍物截面变化趋势对混合气体爆炸特性参数的影响情况，分析图9，通过在截面渐变的条件下设置反方向着火点结构达到改变截面变化趋势的目的。观测到当障碍物截面由大到小变化时爆炸超压与障碍物截面由小到大的情况呈相反的趋势变化，变化幅度基本一致。
4 结论
1)障碍物截面是否发生变化对于爆炸压力场和速度扬均有一定影响。障碍物截面发生改变条件下的爆炸超压明显大于障碍物截面不变的情况，而障碍物截面改变后各测点采集到的速度最大值明显小于障碍物截面不变的情况。
2)障碍物截面渐变条件下的爆炸超压大于障碍物截面突变的情况，可见障碍物截面的变化方式（突变与渐变）对于爆炸压力场有一定影响，但截面变化方式对于爆炸速度场的影响不明显。这点在实际中有应用价值，比如在爆炸发生时根据现场障碍物截面结构（其截面变化方式）可判断出爆炸事故伤害的大小，为爆炸伤害评估提供理论依据。
3)障碍物截面由大到小变化时爆炸超压与障碍物截面由小到大的情况呈相反的趋势变化，变化幅度基本一致。可见障碍物截面变化趋势也在一定程度上对爆炸特性参数有影响。
