摘　要：為定量研究受限空間內天然氣爆炸反應動力學特征，開展了3個方面的研究工作，①建立了基于激波管的天然氣爆炸過程數值分析模型；②將天然氣氣相燃燒動力學反應分解為53種反應組分、325種基元反應，給出了朗金一雨貢尼關系式和正激波的壓強比、密度比和溫度比計算方法；③利用化學反應模擬軟件CHEMKIN構建天然氣燃燒過程機理文件，對激波誘導受限空間內天然氣混氣爆炸過程進行數值模擬，討論了反應過程、初始壓力和空間尺寸對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。結果表明：采用入射激波模擬混氣引爆過程中體系溫度會出現(xiàn)跳躍式上升隨之向下擾動；混氣被引爆后溫度逐步提高，在溫度達到峰值時壓力隨之提高；提高初始壓力將縮短混氣引爆時間，高的初始壓力可以得到更為迅速的反應速度和更高的爆炸壓力；空間尺寸對散熱作用的影響高于其對活性基團消毀作用的影響，小尺寸空間條件下可以獲得更迅速的爆炸升壓速度。

關鍵詞：天然氣爆炸??受限空間??激波??基元反應??可壓縮性氣體??數值分析??動力學模型

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聚集遇點火源引發(fā)爆炸是長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間、空間上具有較大的隨機性。由于微觀反應過程的多元性、基元反應的可逆性以及燃燒過程的不完全性，使得受限空間內爆炸反應特征研究工作主要依賴于實驗及仿真模擬等方法。在多步基元反應的基礎上研究混氣狀態(tài)和環(huán)境條件對爆炸特征的影響，對更加深入掌握受限空間內可燃氣體(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反應過程和環(huán)境條件等2個方面。難點在于燃燒反應過程的構建，多數可燃物質燃燒反應過程較為復雜，一般通過多步基元反應實現(xiàn)且每一步基元反應在微觀上具有可逆性和不完全反應性，表現(xiàn)為燃燒產物會熱分解為初始反應物質，不完全燃燒產物中含有氫、一氧化碳、甲烷等多種產物^[1-2]。在理論模型研究及數值模擬方面，物質燃燒過程中能量釋放速度計算的基礎為Arrhenius燃燒模型。王博等在研究密閉受限空間可燃氣體爆炸特性過程中采用了Arrhenius燃燒模型來計算k-e湍流模型中的源項，但假設反應過程為單步不可逆反應，瞬時反應速度遵守雙分子碰撞模型^[3]。在工程應用方面，能量釋放過程計算相對簡單，通過估算可燃氣云團體積乘以烴／空氣混合物在化學計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當量法計算^[4-5]。已有分析方法的局限性在于不能對燃燒反應過程的多步性、可逆性給予很好的詮釋。實驗直接測量方法則回避了燃燒反應過程微觀復雜性這一難點，將研究重點放在宏觀條件對爆炸后果的影響。在眾多燃燒爆炸實驗裝置中，激波管是一種廣泛用于研究爆炸沖擊波在受限空間內部傳播規(guī)律的實驗設備^[6-8]。通過激波管實驗，研究人員可以較為直觀地分析出可燃混氣狀態(tài)對爆炸特征的影響，如可燃氣體的組分、惰性氣體含量對爆炸極限范圍的影響^[9]。王健等在對比了N2等惰性氣體對H2／O2混合氣體爆速實驗數據和模擬計算結果的差異，使用20個基元反應表征氫氧混合氣體反應過程，驗證了不同惰性氣體對可燃混氣爆炸過程阻尼性能的差異^[10]。梁運濤等在模擬計算瓦斯混合氣初始壓力、溫度、組成對激波誘導瓦斯爆炸動力學特性的影響過程中，將瓦斯爆炸反應過程分解為53種組分、325個反應，得到了較為詳細的瓦斯爆炸過程影響規(guī)律^[11]。張博等實驗分析了臨界起爆能量、空間尺寸等參數與氣體爆燃波特征的關聯(lián)^[12]。沈偉等實驗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動力學特征以及混氣初始條件對爆炸波特征時序變化規(guī)律，本文將以激波管內可燃混氣爆炸實驗裝置為原型，以不同化學計量比的預混天然氣混合氣體為對象，比較不同混氣初始條件下氣體爆炸產物升壓(溫)以及氣體產物生成量的差異，采用數值模擬方法對反應動力學歷程、初始條件對爆炸沖擊波時序特征變化影響機理進行研究。

筆者針對激波管中天然氣－空氣預混氣體爆炸反應過程動力學特征進行數值模擬。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狀態(tài)參數突躍變化的強壓縮波^[14-15]。激波管分為惰性高壓傳動氣體區(qū)、低壓反應氣體區(qū)2部分，中間由金屬薄膜或其他材料的膜隔開。當薄膜破裂后，膨脹高壓氣體以1～10馬赫(1Ma約相當于340.3m／s)的速度向低壓區(qū)傳播，低壓區(qū)氣體被絕熱壓縮，在波陣面上產生高溫，當溫度、壓力達到一定閾值時燃燒反應隨之發(fā)生。激波管內氣體區(qū)域劃分如圖1所示^[16]。圖1中入射激波前部未受擾動的低壓試驗氣體區(qū)稱為①區(qū)，入射激波后部對應②區(qū)；隨著激波向右側試驗氣體移動，同時產生稀疏波以聲速向左側高壓氣體區(qū)移動，左行稀疏波后部區(qū)域對應③區(qū)，前部對應④區(qū)；高壓驅動氣體與低壓試驗氣體之間的交界面，稱為接觸面；右行入射激波到達右側端面后將產生反射激波，反射激波后部區(qū)域稱為⑤區(qū)。各區(qū)內部氣體壓力、溫度分別為pi和Ti，i對應區(qū)域編號，如①區(qū)未受擾動的低壓試驗氣體的初始壓力、溫度分別為pi和Ti。

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天然氣化學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。天然氣實際燃燒反應由許多相繼發(fā)生或平行發(fā)生的基元反應構成。根據勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室化學動力學數據，構建的天然氣氣相燃燒動力學反應包含Ar、C、H、O和N等5個元素、53種反應組分、325種基元反應。表1列出了其中部分基元反應的反應式和指前因子Ai，溫度指數bi和反應活化能Ei。

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受限空間內天然氣混氣爆炸壓力、溫度、密度等狀態(tài)參數均發(fā)生較大變化，在計算過程中應充分考慮可燃混氣的可壓縮性和高溫下氣體熱力學性質。采用入射激波模型模擬一維受限空間內可燃氣體爆燃過程符合朗金－雨貢尼關系式，揭示了激波前后氣流參數的變化關系，即壓強比、密度比、溫度比之間的關聯(lián)^[17-19]。在模擬過程中一般忽略激波厚度，設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、動量方程和能量方程。

連續(xù)方程：

us(r1-r2)=r2u2-r1u1?　　　?????(1)

動量方程：

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內的聲速^[20-21]；r為激波區(qū)域流體的質量密度，kg／m³；u為氣體速度，m／s；p為激波前后區(qū)域流體壓強，Pa；E為單位質量流體的總能量，為流體內能e、動能0.5u²和靜壓能p／r之和，J／kg。下標1、2分別對應激波前后區(qū)域號。

朗金－雨貢尼關系式給出了激波的壓強比與密度比和溫度比之間的關聯(lián)，推導得到正激波計算公式。即

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式中g為流體絕熱指數，對于可壓縮過程該指數與溫度有關；Ma1為來流馬赫數；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，氣流經過激波后壓強、溫度和密度均有所增大。

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

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采用化學動力學計算軟件CHEMKIN-PRO中的垂直入射激波模型對激波誘導天然氣爆炸反應動力學特性進行模擬計算^[16]。激波管內天然氣混合氣初始條件為：混氣初始壓力為0.6kPa，初始溫度為25℃，激波管內徑為10cm。