摘　要：為定量研究受限空間內(nèi)天然氣爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征，開展了3個(gè)方面的研究工作，①建立了基于激波管的天然氣爆炸過程數(shù)值分析模型；②將天然氣氣相燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)分解為53種反應(yīng)組分、325種基元反應(yīng)，給出了朗金一雨貢尼關(guān)系式和正激波的壓強(qiáng)比、密度比和溫度比計(jì)算方法；③利用化學(xué)反應(yīng)模擬軟件CHEMKIN構(gòu)建天然氣燃燒過程機(jī)理文件，對(duì)激波誘導(dǎo)受限空間內(nèi)天然氣混氣爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了反應(yīng)過程、初始?jí)毫涂臻g尺寸對(duì)天然氣爆炸過程的影響，并繪制了天然氣爆炸溫度、壓力變化特征曲線。結(jié)果表明：采用入射激波模擬混氣引爆過程中體系溫度會(huì)出現(xiàn)跳躍式上升隨之向下擾動(dòng)；混氣被引爆后溫度逐步提高，在溫度達(dá)到峰值時(shí)壓力隨之提高；提高初始?jí)毫⒖s短混氣引爆時(shí)間，高的初始?jí)毫梢缘玫礁鼮檠杆俚姆磻?yīng)速度和更高的爆炸壓力；空間尺寸對(duì)散熱作用的影響高于其對(duì)活性基團(tuán)消毀作用的影響，小尺寸空間條件下可以獲得更迅速的爆炸升壓速度。

關(guān)鍵詞：天然氣爆炸??受限空間??激波??基元反應(yīng)??可壓縮性氣體??數(shù)值分析??動(dòng)力學(xué)模型

Abstract：To quantify the kinetics features of natural gas explosion in a confined space，researches were conducted on three aspects．Firstly，a numerical model based on shock wave tubes was established to analyze the process of natural gas explosion．Secondly，kinetic reactions for the combustion of natural gas were divided into 53 reaction components and 325 types of elementary reaction，and the Rankine-Hugoniot Equation，together with methods for the calculation of pressure，density and temperature ratios of normal shocks．were proposed．Thirdly，gas combustion mechanisms were determined by using the chemical reaction simulation software CHEMKIN-PRO to perform numerical simulation of natural gas mixture explosion induced by shock waves in a confined space．Moreover，impacts of reaction process，initial pressure and spatial dimensions on natural gas explosion were reviewed，and characteristic curves for changes in temperatures and pressures during natural gas explosions were generated．Research results show that the system temperatures in the explosion of natural gas mixtures induced by feeding shock waves may increase in leap accompanied by downward disturbances．Upon detonation，temperatures of gas mixtures may increase gradually．Pressures may also increase as soon as the peak temperature is reached．Increases in initial pressures may shorten the detonation time of gas mixtures．In addition，higher initial pressures may generate higher reaction speeds and explosion pressures．With cooling effects of internal walls of the shock wave tubes stronger than the destruction of active groups due to collisions，minor spatial dimensions may generate higher speeds in pressure boosting induced by such explosions．

Keywords：Natural gas explosion；Confined space；Shock wave；Elementary reaction；Compressible gas；Numerical analysis；Kinetic model

可燃性油品或氣體泄漏后在地下暗渠等受限空間內(nèi)聚集遇點(diǎn)火源引發(fā)爆炸是長(zhǎng)輸管道輸送過程中主要事故模式之一。氣體或蒸氣爆炸反應(yīng)過程宏觀上受到空間尺寸、混氣濃度、溫度、壓力等因素的作用，致使爆炸壓力和溫度在時(shí)間、空間上具有較大的隨機(jī)性。由于微觀反應(yīng)過程的多元性、基元反應(yīng)的可逆性以及燃燒過程的不完全性，使得受限空間內(nèi)爆炸反應(yīng)特征研究工作主要依賴于實(shí)驗(yàn)及仿真模擬等方法。在多步基元反應(yīng)的基礎(chǔ)上研究混氣狀態(tài)和環(huán)境條件對(duì)爆炸特征的影響，對(duì)更加深入掌握受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w(蒸氣)爆炸規(guī)律具有較大的理論研究意義。

影響可燃性氣體(蒸氣)爆炸溫度、壓力變化的主要因素包括化學(xué)反應(yīng)過程和環(huán)境條件等2個(gè)方面。難點(diǎn)在于燃燒反應(yīng)過程的構(gòu)建，多數(shù)可燃物質(zhì)燃燒反應(yīng)過程較為復(fù)雜，一般通過多步基元反應(yīng)實(shí)現(xiàn)且每一步基元反應(yīng)在微觀上具有可逆性和不完全反應(yīng)性，表現(xiàn)為燃燒產(chǎn)物會(huì)熱分解為初始反應(yīng)物質(zhì)，不完全燃燒產(chǎn)物中含有氫、一氧化碳、甲烷等多種產(chǎn)物^[1-2]。在理論模型研究及數(shù)值模擬方面，物質(zhì)燃燒過程中能量釋放速度計(jì)算的基礎(chǔ)為Arrhenius燃燒模型。王博等在研究密閉受限空間可燃?xì)怏w爆炸特性過程中采用了Arrhenius燃燒模型來計(jì)算k-e湍流模型中的源項(xiàng)，但假設(shè)反應(yīng)過程為單步不可逆反應(yīng)，瞬時(shí)反應(yīng)速度遵守雙分子碰撞模型^[3]。在工程應(yīng)用方面，能量釋放過程計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，通過估算可燃?xì)庠茍F(tuán)體積乘以烴／空氣混合物在化學(xué)計(jì)量濃度下的燃燒熱值得到可燃混氣的爆炸能量，或者通過TNT當(dāng)量法計(jì)算^[4-5]。已有分析方法的局限性在于不能對(duì)燃燒反應(yīng)過程的多步性、可逆性給予很好的詮釋。實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量方法則回避了燃燒反應(yīng)過程微觀復(fù)雜性這一難點(diǎn)，將研究重點(diǎn)放在宏觀條件對(duì)爆炸后果的影響。在眾多燃燒爆炸實(shí)驗(yàn)裝置中，激波管是一種廣泛用于研究爆炸沖擊波在受限空間內(nèi)部傳播規(guī)律的實(shí)驗(yàn)設(shè)備^[6-8]。通過激波管實(shí)驗(yàn)，研究人員可以較為直觀地分析出可燃混氣狀態(tài)對(duì)爆炸特征的影響，如可燃?xì)怏w的組分、惰性氣體含量對(duì)爆炸極限范圍的影響^[9]。王健等在對(duì)比了N2等惰性氣體對(duì)H2／O2混合氣體爆速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算結(jié)果的差異，使用20個(gè)基元反應(yīng)表征氫氧混合氣體反應(yīng)過程，驗(yàn)證了不同惰性氣體對(duì)可燃混氣爆炸過程阻尼性能的差異^[10]。梁運(yùn)濤等在模擬計(jì)算瓦斯混合氣初始?jí)毫?、溫度、組成對(duì)激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸動(dòng)力學(xué)特性的影響過程中，將瓦斯爆炸反應(yīng)過程分解為53種組分、325個(gè)反應(yīng)，得到了較為詳細(xì)的瓦斯爆炸過程影響規(guī)律^[11]。張博等實(shí)驗(yàn)分析了臨界起爆能量、空間尺寸等參數(shù)與氣體爆燃波特征的關(guān)聯(lián)^[12]。沈偉等實(shí)驗(yàn)研究了不同空間尺度下爆燃波的傳播速度、爆炸壓力變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)小尺寸空間中爆燃波速發(fā)展更為迅速、壓力峰值位置較近、壓力波易疊加為沖擊波^[13]。

為了量化研究爆炸性氣體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征以及混氣初始條件對(duì)爆炸波特征時(shí)序變化規(guī)律，本文將以激波管內(nèi)可燃混氣爆炸實(shí)驗(yàn)裝置為原型，以不同化學(xué)計(jì)量比的預(yù)混天然氣混合氣體為對(duì)象，比較不同混氣初始條件下氣體爆炸產(chǎn)物升壓(溫)以及氣體產(chǎn)物生成量的差異，采用數(shù)值模擬方法對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)歷程、初始條件對(duì)爆炸沖擊波時(shí)序特征變化影響機(jī)理進(jìn)行研究。

筆者針對(duì)激波管中天然氣－空氣預(yù)混氣體爆炸反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行數(shù)值模擬。激波管廣泛用于受限空間氣相爆炸過程研究，激波由弱壓縮波在傳播過程中疊加形成的使介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)突躍變化的強(qiáng)壓縮波^[14-15]。激波管分為惰性高壓傳動(dòng)氣體區(qū)、低壓反應(yīng)氣體區(qū)2部分，中間由金屬薄膜或其他材料的膜隔開。當(dāng)薄膜破裂后，膨脹高壓氣體以1～10馬赫(1Ma約相當(dāng)于340.3m／s)的速度向低壓區(qū)傳播，低壓區(qū)氣體被絕熱壓縮，在波陣面上產(chǎn)生高溫，當(dāng)溫度、壓力達(dá)到一定閾值時(shí)燃燒反應(yīng)隨之發(fā)生。激波管內(nèi)氣體區(qū)域劃分如圖1所示^[16]。圖1中入射激波前部未受擾動(dòng)的低壓試驗(yàn)氣體區(qū)稱為①區(qū)，入射激波后部對(duì)應(yīng)②區(qū)；隨著激波向右側(cè)試驗(yàn)氣體移動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生稀疏波以聲速向左側(cè)高壓氣體區(qū)移動(dòng)，左行稀疏波后部區(qū)域?qū)?yīng)③區(qū)，前部對(duì)應(yīng)④區(qū)；高壓驅(qū)動(dòng)氣體與低壓試驗(yàn)氣體之間的交界面，稱為接觸面；右行入射激波到達(dá)右側(cè)端面后將產(chǎn)生反射激波，反射激波后部區(qū)域稱為⑤區(qū)。各區(qū)內(nèi)部氣體壓力、溫度分別為pi和Ti，i對(duì)應(yīng)區(qū)域編號(hào)，如①區(qū)未受擾動(dòng)的低壓試驗(yàn)氣體的初始?jí)毫Α囟确謩e為pi和Ti。

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天然氣化學(xué)組成及理化特性兇地而異，主要成分是甲烷，可能還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等。天然氣實(shí)際燃燒反應(yīng)由許多相繼發(fā)生或平行發(fā)生的基元反應(yīng)構(gòu)成。根據(jù)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建的天然氣氣相燃燒動(dòng)力學(xué)反應(yīng)包含Ar、C、H、O和N等5個(gè)元素、53種反應(yīng)組分、325種基元反應(yīng)。表1列出了其中部分基元反應(yīng)的反應(yīng)式和指前因子Ai，溫度指數(shù)bi和反應(yīng)活化能Ei。

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受限空間內(nèi)天然氣混氣爆炸壓力、溫度、密度等狀態(tài)參數(shù)均發(fā)生較大變化，在計(jì)算過程中應(yīng)充分考慮可燃混氣的可壓縮性和高溫下氣體熱力學(xué)性質(zhì)。采用入射激波模型模擬一維受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃過程符合朗金－雨貢尼關(guān)系式，揭示了激波前后氣流參數(shù)的變化關(guān)系，即壓強(qiáng)比、密度比、溫度比之間的關(guān)聯(lián)^[17-19]。在模擬過程中一般忽略激波厚度，設(shè)激波前后的氣體狀態(tài)分別為區(qū)域①和區(qū)域②，可得到激波前后的氣體狀態(tài)連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。

連續(xù)方程：

us(r1-r2)=r2u2-r1u1?　　　?????(1)

動(dòng)量方程：

us(r2u2-r1u1)=(r?2u2²+p2)-(r1u1²-p1)???????(2)

能量方程：

us(r2E2-r1E1)=[r2u2(e2+1/2u2²+p2/r2)]-[r1u1(e1+1/2u1²+p1/r1)]　　　(3)

其中

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式中us為激波波速，m／s，c1為在區(qū)域①內(nèi)的聲速^[20-21]；r為激波區(qū)域流體的質(zhì)量密度，kg／m³；u為氣體速度，m／s；p為激波前后區(qū)域流體壓強(qiáng)，Pa；E為單位質(zhì)量流體的總能量，為流體內(nèi)能e、動(dòng)能0.5u²和靜壓能p／r之和，J／kg。下標(biāo)1、2分別對(duì)應(yīng)激波前后區(qū)域號(hào)。

朗金－雨貢尼關(guān)系式給出了激波的壓強(qiáng)比與密度比和溫度比之間的關(guān)聯(lián)，推導(dǎo)得到正激波計(jì)算公式。即

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式中g(shù)為流體絕熱指數(shù)，對(duì)于可壓縮過程該指數(shù)與溫度有關(guān)；Ma1為來流馬赫數(shù)；T為氣體溫度，K；由上述3式可以看出激波過程為一壓縮過程，氣流經(jīng)過激波后壓強(qiáng)、溫度和密度均有所增大。

我國(guó)陸上開采天然氣中含一定量的可燃?xì)怏w組分(主要為H2S、H2、CO)和惰性氣體組分(CO2和N2)，這些氣體均會(huì)對(duì)天然氣爆炸特征產(chǎn)生影響^[9，22-23]。為了研究不同氣體組成和初始溫度、壓力對(duì)天然氣爆炸過程的影響，本文采用的模擬實(shí)驗(yàn)天然氣混氣初始組成如表2所示。

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采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件CHEMKIN-PRO中的垂直入射激波模型對(duì)激波誘導(dǎo)天然氣爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行模擬計(jì)算^[16]。激波管內(nèi)天然氣混合氣初始條件為：混氣初始?jí)毫?.6kPa，初始溫度為25℃，激波管內(nèi)徑為10cm。