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近年来,随着城市下水道爆炸事故频发,人们开始逐渐关注城市下水道的安全问题。然而,目前还没有主要针对城市下水道内可燃气体爆炸的研究理论。因此,本文针对重庆城市下水道内可燃气体的爆炸进行了系统研究。
研究通过对重庆市典型区域的城市下水道内气体进行采样分析,确认了管道内混合气体以甲烷-空气为主,兼有少量H2S与CO2,并由此搭建了爆炸模拟实验平台,同时,基于流体力学控制方程和层流有限速率燃烧模型,建立了管道内可燃气体爆炸的二维理论模型,分析了不同气体流速下甲烷燃烧/爆炸过程中的温度分布变化及压力分布变化。
在气体流速为0m/s时,模拟所得监测点的温度变化的动力学过程与实验结果基本吻合,并估算甲烷的爆炸阈值范围是5~17%,与文献报道一致,说明理论模型是可靠的。
研究发现,管道结构对爆炸波有显著的限制效应;在流动体系中,甲烷爆炸波位置会随气体流动向前移动,爆炸波形状也会显著变化,从而影响到爆炸阈值,如当气体流速为0.5m/s时,甲烷的爆炸阈值范围是6~14%;气体流动速度越大,甲烷安全阈值范围越宽,当流动速度足够大时,爆炸可以被有效抑制。
实验发现,少量H2S气体对爆炸阈值的影响不大;而惰性气体CO2对城市下水道内可燃气体爆炸有一定影响,且与甲烷的浓度有关。分析发现,甲烷浓度越高,惰性气体的影响越大,如当惰性气体CO2含量为2%时管道内混合气体的爆炸阈值范围是6~11%;惰性气体浓度越大,甲烷安全阈值范围越宽,当惰性气体浓度足够大时,爆炸基本不会发生。
研究结果表明,防治城市下水道内可燃气体爆炸,可以采用降低甲烷浓度、增大气体流动速度和提高惰性气体含量的办法。