摘要:針對典型市政污水管網內可燃氣體爆燃過程，采用流體動力學軟件Fluidyn，建立了由頂端封閉、深度為4m的豎直檢查井和兩端開口、長度各為20m的水平井構成的管網模型，研究了不同點火位置(檢查井上部、中部和下部)對甲烷爆燃特性的影響。研究結果表明:不同位置點火時，管網內測點壓力時程呈現出亥姆霍茲振蕩，各壓力峰值曲線具有明顯的分段性，且相同測點的數值接近;爆炸溫度在點火位置附近出現最大值，其中上部點火時數值最大，中部點火時居中，下部點火時最小，但在水平井內溫度峰值近似呈線性衰減并在端口出現最小值;與下部點火相比，上部和中部點火時，檢查井和水平井連接處擴容效應造成火焰傳播速度衰減顯著，但在水平井內均近似呈線性增大并在端口出現最大值。

　　關鍵詞:氣體爆炸;點火位置;污水管網;爆燃特性;數值模擬

　　污水方向論文范文閱讀：污水處理在環境保護中的工作和問題

　　這篇污水處理論文發表了污水處理在環境保護中的工作和問題，　在城市污水處理過程中，合理使用污水處理技術極為重要。我國城市污水處理工作也成為城市建設方面的重點問題，日漸受到社會各行各業的廣泛關注。論文積極探索城市污水處理措施，提高環境保護工程建設發展效果，逐步改善城市生態環境。

　　0引言

　　市政污水管網是城市公共基礎設施的重要組成部分，由于尺度大、分支多、密閉性強，其內往往積聚可燃氣體，極易發生氣體爆炸事故并造成大量人員傷亡和財產損失。例如，2013年中國山東省青島市“11·22”中石化東黃地下輸油管道發生泄漏，揮發油氣在市政排水暗渠內積聚遇火花發生爆炸，造成62人死亡、136人受傷;2014年中國臺灣高雄“8·1”地下燃氣管道泄漏爆炸事故，泄漏燃氣沿排水箱涵擴散遇火源發生爆炸，造成30人死亡、310人受傷。針對市政污水管網開展可燃氣體爆炸災害防治研究尤為必要。目前，學者們對市政污水管網等典型受限空間氣體爆炸開展了一系列研究。

　　彭述娟[1]借助實驗和數值模擬手段，建立了基于風險矩陣的污水管道氣體爆炸風險評估模型;馮長根等[2]模擬研究了獨頭巷道中點火位置對瓦斯爆炸后果的影響，結果表明點火位置離封閉端越近，各個測點上的超壓越大;Kindracki等[3]實驗研究了在豎直密閉管道底部、中部和頂部點火對甲烷-氧氣混合氣體爆炸超壓的影響，發現中部點火時最大爆炸超壓最大，底部點火次之，頂部點火最小;Chao等[4]實驗研究了圓柱狀泄壓容器內點火位置對甲烷爆炸超壓峰值的影響，發現中部點火時超壓形成“雙峰值”現象;曹勇等[5]利用高速攝像、紋影技術和壓力測試系統對不同點火位置及不同破膜壓力條件下氫氣-空氣預混氣的泄爆特性進行研究，結果表明在前端點火條件下出現了聲學振蕩現象，對內部壓力產生顯著影響;李國慶等[6]研究了不同點火位置對油氣爆炸超壓特性的影響，結果表明中部和口部點火時，超壓曲線振蕩明顯。

　　Guo等[7]實驗研究了點火位置對小長徑比容器內氫氣-空氣混合氣泄爆過程的影響，發現中部點火能形成最大內部爆炸超壓，口部點火能形成最大外部爆炸超壓，而且2種情況下外部火焰長度比底部點火更為明顯;任少云[8]研究了密閉圓柱罐內甲烷-空氣不均勻分布對混合氣體燃燒的影響，發現在容器上部點火時，分層混合氣體的火焰傳播較快，其最大瞬態火焰傳播速度、超壓峰值均大于均勻混合氣體的數值;何學超等[9]通過自行設計的90°彎曲管道燃燒平臺，研究了不同點火位置對丙烷-空氣預混火焰傳播特性的影響，結果表明水平點火條件下火焰陣面從層流燃燒轉變為湍流燃燒，而垂直點火條件下，基本處于層流燃燒狀態;王濤等[10]研究了在半封閉實驗管道敞口端點火條件下甲烷-空氣爆炸火焰的形態變化，發現火焰傳播呈現出明顯的震蕩現象，火焰鋒面在正向-反向-正向的循環中不斷向管內傳播;王超強等[11]在12m3密閉空間內開展了甲烷-空氣預混氣體爆炸實驗，分析了有泄爆口時點火位置對爆炸火焰形態的影響，得出尾部點火和中心點火時火球大小和火焰噴射長度遠大于前端點火;孫從煌等[12]研究了點火位置對密閉管道中氫氣-空氣燃爆特性的影響，結果表明點火位置距管左端壁面越遠，中間節點處溫度越高，溫升越快。

　　此外，杜揚等[13]、李國慶等[14]將點火位置設置在水平管道一端，對水平管道和豎直管道組成的T型結構管道開展油氣爆炸特性實驗研究。綜合目前研究成果發現，盡管對不同點火位置條件下可燃氣體在復雜結構管道中的爆燃特性開展了研究，但未充分結合市政污水管網結構和尺寸特點，對其內可燃氣體的爆燃特性、災害演化等研究相對不足，而且針對在豎直管道內點火，開展氣體爆炸由豎直管道向水平管道傳播的過程及規律研究目前較少涉及，制約了市政污水管網爆燃災害機理的揭示及防治技術的發展。鑒于此，本文結合市政污水管網實際特點，研究了不同點火位置對甲烷爆燃壓力、溫度和火焰傳播速度的影響，為市政污水管網甲烷爆燃事故預防及相關標準制定提供依據。

　　1數值模型

　　1.1數值方法

　　研究不同點火位置對市政污水管網甲烷爆燃特性的影響，借助三維流體動力學模擬軟件Fluidyn-MP進行模擬，該軟件是由法國Fluidyn公司開發的多物理場仿真軟件，可用于三維受限、半受限和開放空間爆炸仿真，軟件中假設可燃氣體爆炸為單步不可逆化學反應，采用有限體積法對包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程組進行求解來解決氣體爆炸過程中的氣體動力學行為，并通過湍流模型模擬氣體爆炸中的湍流行為。

　　1.2數值模型實驗驗證

　　為了驗證數值方法的有效性，本文將數值模擬結果與課題組前期開展的實驗結果[15]進行對比。實驗是在管道內進行的甲烷-空氣混合物的爆燃。該管道由5段圓形短管組成，編號依次為1，2，3，4，5，其中1號短管長度為0.4975m，其余4段長度均為0.995m，各段短管之間通過圓形法蘭連接，構成1根總長為4.4775m的直管。

　　管道內徑為0.199m，壁厚為0.01m，最大耐壓約為5MPa。實驗時管道左側開口、右側封閉且為點火端，在2號和3號短管之間夾1層塑料薄膜，并在1號和2號短管內充入甲烷后靜置，確保管道內空氣與甲烷混合良好，甲烷的體積濃度約為10.2%。在管道上安裝5個壓力傳感器，距離右側點火位置的距離與管道內徑的比值(L/D)分別為1.25，5，10，15，20。根據實驗條件，利用流體動力學軟件Fluidyn-MP建立數值模型，保證管道尺寸、測點位置與實驗一致，在管道內充滿10.2%的甲烷，將管壁設置為絕熱光滑，初始壓力為0.1MPa，初始溫度為298K。

　　將數值模擬結果與實驗結果進行對比如圖2所示。由圖2可知，數值模擬與實驗峰值超壓曲線相近，均隨著L/D的增加呈現先增大后減小的變化趨勢，其中絕對誤差均值為1.5kPa，相對誤差均值為7.9%，其原因與實驗管道的粗糙度、壁面散熱、壓力傳感器的精度和靈敏度等因素有關。通過數值模擬與實驗的對比驗證，本文的數值模擬結果具有較高的置信度，采用的數值方法較為可行。

　　1.3模擬方案

　　市政污水管網廣泛存在于城市的道路支線上，普遍由豎直檢查井和水平井構成。其中檢查井直徑約為0.7m，深度一般為2～6m，2個檢查井間距為50m左右，水平井直徑為0.4～1.0m。污水管網內往往積聚甲烷等可燃氣體，在點火源作用下極易發生爆炸事故。此外，受施工環境和條件的影響，實際市政污水管網極其復雜，往往存在轉彎、分支、交叉等復雜結構形式，不同位置管網尺寸差異較大。為便于分析，數值模擬時對市政污水管網進行簡化，利用對稱性建立了由頂端封閉、深度為4m的豎直檢查井和兩端開口、左右兩側長度均為20m的水平井構成的數值模型，檢查井和水平井的截面尺寸均為0.7m×0.7m。

　　在模型內設置測點用于監測爆燃壓力、溫度等數據，其中測點1～11布置在水平井內，相鄰測點間距為2m，測點12布置在水平井與檢查井中心線相交處，測點13～21布置在豎直檢查井內，相鄰測點間距為0.5m。為研究不同點火位置對市政污水管網甲烷爆燃特性的影響，設計3種模擬方案，其中點火位置分別在檢查井上部(監測點21)、中部(監測點17)和下部(監測點13)。考慮到污水管網內可燃性氣體主要成分為甲烷，模擬時對氣體成分進行簡化處理，將檢查井和水平井內充滿9.5%的甲烷，采用絕熱光滑邊界面條件，初始壓力為101.325kPa，初始溫度為298K。

　　2結果與討論

　　2.1爆燃壓力影響分析

　　選取水平井左側端口測點1、中間測點6、水平井和檢查井相交測點12、檢查井中部測點17作為考察點，根據模擬結果，得到點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時各測點壓力時程變化曲線當檢查井上部點火時各測點的壓力時程變化趨勢相似，隨著時間的增加爆燃壓力逐漸增大到峰值而后迅速衰減，這主要是因為甲烷被點燃后，加速燃燒膨脹放出巨大的能量，爆燃壓力上升并達到最大值，隨后甲烷燃燒完全，產生的能量在兩側端口泄放造成爆燃壓力衰減。0.3s后爆燃壓力出現反復振蕩，分析認為爆炸波從左側端口傳出使水平井和檢查井內部負壓增大，空氣倒吸造成壓力振蕩，各測點表現為明顯的亥姆霍茲振蕩，此現象Hisken等[16]、Wan等[17]通過實驗也得到了驗證。

　　當檢查井中部和下部點火時，壓力時程變化與表現出類似的特征。為進一步對比分析，根據模擬結果得到檢查井上部、中部和下部點火時各測點壓力峰值變化檢查井上部、中部和下部點火時，各壓力峰值曲線變化趨勢一致，并以測點7為臨界點呈現出明顯的分段性。其中測點7～1壓力峰值逐漸下降，并在測點1(水平井左側端口)處出現最小值，3條曲線基本保持重疊;測點8～21的壓力峰值處于平穩狀態，當在檢查井上部點火時，峰值壓力保持在154.9kPa左右;當在檢查井中部點火時，峰值壓力保持在152kPa左右;當在檢查井下部點火時，峰值壓力保持在156.6kPa左右。分析認為，當在檢查井上部、中部和下部點火時，隨著爆炸反應的進行壓力逐漸增大，由于檢查井頂端封閉，造成檢查井及其相連的水平井內部分區域(測點8～21)可燃氣體分子間的碰撞幾率增加，化學反應程度加劇，爆燃壓力峰值維持在較高水平，而在水平井左側端口及附近區域(測點1～7)，受端口泄壓效應的影響，爆炸過程中釋放出大量的壓力，同時，未燃氣體從端口處泄放減少了反應物含量，造成壓力峰值出現不同程度的衰減。

　　2.2爆炸溫度影響分析

　　在不同點火位置條件下，選取水平井左側端口至點火位置區域作為考察范圍，得到點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時測點爆炸溫度峰值變化曲線，當點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，各溫度峰值曲線變化趨勢基本一致。其中在點火位置附近，爆炸溫度峰值維持在較高水平并出現最大值，分別為2414，2385和2338K，可見上部點火時數值最大，中部點火時數值居中，下部點火時數值最小。分析認為，由于檢查井和水平井內充滿9.5%的甲烷，處于化學當量濃度，當點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，點火后甲烷在較短時間內快速反應，并釋放大量的熱，溫度迅速增加到峰值。

　　由于檢查井頂端封閉，抑制了爆炸能量的逸散，而且對檢查井內爆炸溫度的維持起主導作用，而水平井兩端開口，促進了爆炸能量的逸散，“抑制”和“促進”雙重作用造成爆炸溫度峰值出現在點火點附近。此外，當點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，檢查井抑制爆炸能量的逸散作用逐漸減弱，而水平井促進爆炸能量的逸散作用逐漸增強，但檢查井抑制爆炸能量的逸散作用對點火點附近爆炸溫度的維持仍然占主導地位，因此，造成爆炸溫度峰值逐漸減小但相差不大。

　　此外，在水平井內，隨著爆炸過程向左側端口發展，爆炸溫度峰值逐漸減小，在水平井內近似呈線性衰減并在端口處出現最小值，3種情況下分別為2012.4，2012和2093K。分析認為，隨著測點與水平井左側端口距離的逐漸減小，水平井促進爆炸能量的逸散作用逐漸增強，并對爆炸溫度的影響起主導作用，因此，造成水平井內溫度峰值近似呈線性衰減并在左側端口出現最小值。

　　2.3火焰傳播速度影響分析

　　選取水平井左側端口至點火位置區域作為考察范圍，得到點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時各測點火焰傳播速度變化曲線，當點火位置在檢查井上部(測點21)和中部(測點17)時，兩者火焰傳播速度變化趨勢相似，隨著與點火位置距離的增加火焰傳播速度逐漸增大，但在檢查井拐角附近(測點13～11)出現下降，而后沿水平井至左側端口(測點11～1)火焰傳播速度又逐漸增大。當點火位置在檢查井下部時，在檢查井拐角附近火焰傳播速度先增大后小幅減小，而后沿水平井至左側端口又逐漸增大。

　　分析認為，可燃氣體在檢查井內點火后，反應初期火焰緩慢發展，在點火位置附近傳播速度較小，與點火位置在檢查井下部相比，當點火位置在檢查井上部和中部時，檢查井為爆炸反應的加劇和火焰的快速發展提供了較長的物理空間，造成火焰傳播速度明顯增大。同時，當火焰由檢查井底部傳播到水平井時(測點13～11)，由于截面面積突然增大，擴容現象明顯，造成火焰傳播速度衰減顯著，分別由125m/s減小到63m/s，由71.4m/s減小到41.2m/s，降幅分別為49.6%和42.3%。

　　而點火位置在檢查井下部時，由于點火位置與水平井垂直距離較短，火焰發展后的速度相對較低，在檢查井和水平井交界面的擴容現象對火焰傳播速度影響較小，因此由測點13～11火焰傳播速度呈現出先增大后小幅減小，即由0m/s增加到5.65m/s而后減小到4.25m/s。此后，當爆炸由豎直檢查井發展到水平井并在其內傳播時，前驅爆炸沖擊波對水平井內未燃氣體進行壓縮，使其向前運動并產生湍流，加速了燃燒過程，造成火焰傳播速度逐漸增大。

　　此外，由于水平井左右兩端開口且長度均為20m，為爆炸火焰的發展提供一個半開敞空間，端口處的泄爆過程造成火焰進一步加速，因此，沿水平井至左側端口火焰傳播速度呈線性增長，并在端口處出現最大值，在檢查井上部、中部和下部點火3種情況下速度分別為306，306.2，331.7m/s。

　　3結論

　　1)當點火位置分別在檢查井上部、中部和下部時，管網內測點壓力時程變化曲線相似，均表現為亥姆霍茲振蕩，相同測點的爆燃壓力相近。表明點火位置的不同未造成爆燃壓力的顯著差異。2)在檢查井不同位置點火時，爆炸溫度均在點火位置附近出現最大值，但上部點火時數值最大為2414K，中部點火時居中為2385K，下部點火時最小為2338K，而在水平井內溫度峰值均近似呈線性衰減并在左側端口出現最小值，表明點火位置的不同造成爆炸溫度存在不同程度的差異。3)與下部點火相比，上部和中部點火時檢查井內火焰傳播速度呈線性增大，但在檢查井和水平井連接處擴容效應造成火焰傳播速度衰減顯著，降幅分別為49.6%和42.3%，而在水平井內，不同位置點火時火焰傳播速度均近似呈線性增大并在端口出現最大值。可見點火位置的不同造成火焰傳播速度的明顯差異。

　　參考文獻

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