大型高压天然气管道喷火过程中火焰形态演变的机制与模型修正

《Fuel Communications》：Mechanism and model modification of flame morphology evolution in jet fires from large-scale high-pressure natural gas pipelines

高压天然气管道泄漏喷射火焰形态研究及其修正模型

　　自然气管道泄漏引发的喷射火焰对公共安全和周边基础设施构成严重威胁。当前关于喷射火焰的研究主要依赖于小型实验室实验，测试压力通常限制在70巴以内。然而，X80/X100等级的主干管道运行压力可达8至14兆帕，远高于实验室条件。因此，有必要进一步开展实验研究，以表征在全尺寸和高压力条件下的火焰形态。本研究结合了全尺寸喷射火焰实验（12兆帕，泄漏孔径范围25至200毫米）与系统性的FLACS模拟，分析了压力、泄漏孔径和风速对火焰形态及热辐射的影响。研究结果揭示了一个三元耦合机制：泄漏孔径主导垂直火焰高度，风速控制水平位移，而压力则在大孔径条件下发挥次要但增强的作用。基于这些发现，通过引入风速动量比和无量纲孔径比，建立了一个修正的火焰尺寸模型。与传统半经验模型相比，该修正模型将垂直火焰高度和水平位移的预测误差分别降低至6.5%和10.2%。本研究首次提供了针对大尺寸、高压力喷射火焰的集成数据集和预测框架，填补了文献中的重要空白。研究成果具有直接的工程应用价值，支持对天然气输送管道进行定量风险评估、安全距离确定和应急响应设计。

自然气作为全球向清洁能源结构转型的关键过渡性燃料，在能源消费中占据重要地位。根据英国能源研究机构发布的《世界能源统计年鉴2024》[1]，自然气占全球一次能源消费的23%，仅次于石油和煤炭。管道运输仍然是输送自然气最经济和高效的方式[2]。在中国，长距离自然气管道总长度已达到11.8万公里，每年新增超过3000公里[3]。随着高压力输配网络规模的不断扩大，泄漏和火灾的风险也日益显著。其中，管道喷射火灾具有高动量和连续释放的特点，对直接火焰冲击和强烈热辐射构成双重威胁，成为工业安全中的主要关注点[4,5]。研究火焰形态，尤其是火焰尺寸，是量化此类火灾后果的核心。准确确定火焰尺寸对于评估火灾影响区域和热辐射分布至关重要[6,7]。

早期研究中，Hawthorne和Hottel[8,9]首次识别了随着燃料注入速度增加，火焰长度的三阶段演变过程：层流增长、过渡和湍流稳定。他们还引入了喷射混合理论在强制对流火焰中的应用。此后，研究主要集中在无量纲参数系统上。Becker等人[10,11]基于理查德森数开发了一个隐式预测模型，而Kalghatgi[12]通过实验指出了空气卷吸在表征上的差异。Delichatsios[13]引入了火焰弗劳德数（Fr）以扩展模型适用于动量主导的区域（Fr ≥ 5），但这种方法并未解决尺寸效应的问题。目前，火焰尺寸预测主要依赖于两种类型的半经验模型：一种基于无量纲热释放率[[14], [15], [16]]，另一种基于喷嘴弗劳德数[[17], [18], [19]]。

随着进一步的实验研究，研究重点逐渐转向预测火焰尺寸，分析复杂环境条件和燃料成分的影响[[20], [21], [22], [23], [24]]。其中一个重要因素是注入倾斜角，它显著影响火焰传播路径[[24], [25], [26], [27], [28]]。Tao等人和Liu等人[29,30]观察到，喷射火焰的形态特征随倾斜角的变化而明显不同。Wang等人[31]在无风条件下研究了倾斜喷射火焰的传播，并建立了无量纲热释放率与火焰几何之间的相关性，以预测倾斜火焰的尺寸。其次，环境风对火焰形态有显著影响[[32], [33], [34]]。Kostiuk等人[35,36]研究了在横风条件下垂直向上喷射火焰的长度特征，并将火焰长度与流动时间尺度相关联。Lu等人[37]通过实验量化了在横向气流中垂直向下喷射火焰的几何参数。Kalghatgi[38]研究了水平风条件下喷射火焰的可见形态变化，并引入了动量比RRR来表征环境风的影响。Wang等人[32]使用3毫米直径的圆形喷嘴进行了丙烷喷射火焰实验，分析了风速和倾斜角对火焰形态的影响，并建立了水平火焰长度与垂直火焰高度之间的相关模型。随着人工智能技术的发展，新的火焰尺寸预测方法也逐渐出现[[39], [40], [41]]。Zhang等人[42]开发了一个混合CFD-机器学习模型以提高火焰尺寸预测的准确性，但其训练数据仍然基于亚音速、小型火焰。Emami和Fard[43]应用人工神经网络（ANN）技术来预测稳定层流火焰在湍流喷射条件下的行为。

上述研究显著推进了对喷射火焰形态的理解。然而，当前研究仍面临一些局限。首先，实验规模存在限制。已有研究的综述显示，大多数研究集中在小型实验室实验上，泄漏孔径通常小于50毫米[[44], [45], [46]]。相比之下，自然气管道泄漏通常发生在高压力下，导致泄漏孔径的扩大。因此，有必要开展针对高压力和大孔径的喷射火焰大尺寸实验研究。其次，大多数现有的高压力实验最大压力限制在70巴（约7兆帕）[47,48]，而X80/X100等级主干管道的运行压力通常在8至14兆帕之间。因此，真实高压力条件下的火焰形态特征仍缺乏深入研究，需要进一步的实验探索。最后，目前针对大尺寸、高压力自然气管道喷射火焰的火焰尺寸预测模型仍缺乏全面的实验验证，需要进一步检验。

本研究旨在填补对大尺寸、高压力自然气管道喷射火焰形态预测实验验证的空白。通过整合FLACS数值模拟与现有的理论框架，建立了一个涵盖孔径范围5至200毫米、压力范围4至14兆帕、风速范围0至15米/秒的综合数据库。基于此，建立了一个考虑压力、孔径和风速三元耦合的火焰形态修正模型。此外，还进行了高压力管道的全尺寸现场测试。研究结果为高压力气体管道火灾的动态风险评估提供了关键的科学基础，并支持了火灾防护间距和应急响应策略的技术进步。

在本研究中，构建了一个用于大直径、高压力自然气管道的全尺寸测试平台，位于新疆哈密的管道断裂控制测试现场。测试平台主要由三个部分组成：管道输送系统、喷射火焰测试系统以及远程控制和监测系统。测试系统本身包括一个气体储存管道段、测试分支管道和阀门。通过该平台，能够真实模拟自然气管道泄漏场景，从而获得更准确的火焰形态数据。实验过程中，采用高分辨率高速摄像机记录火焰的演变过程，确保对火焰形态的详细捕捉。同时，通过FLACS数值模拟对实验数据进行补充，提高模型的准确性和适用性。

在火焰尺寸计算方面，目前主要依赖于基于火焰弗劳德数、火源无量纲热释放率和动量比等参数的拟合相关性。基于Delichatsios等人的研究，Schefer等人提出了一种基于火焰弗劳德数的通用拟合相关性[49]。火焰弗劳德数（Fr_f）的定义为：火焰弗劳德数与流体密度比、孔径和温度差等因素相关。具体而言，火焰弗劳德数的计算考虑了流体密度比（ρ_j/ρ_0）、孔径（f）以及温度差（ΔT_a/T_0）等因素。通过引入这些参数，能够更准确地描述火焰在不同环境条件下的行为。此外，研究还结合了实验数据与数值模拟结果，进一步验证了火焰尺寸预测模型的有效性。

在火焰形态分析中，高分辨率高速摄像机捕捉了火焰的发展过程。例如，图5展示了100毫米泄漏孔径下的火焰形态演变过程，而图6则展示了火焰倾斜角随图像序列的变化曲线。在点火初期，火焰由于环境风的影响而向风向倾斜。在泄漏初期，侧风主导，导致火焰逐渐向风的方向倾斜，增加火焰与水平面之间的夹角。随着泄漏的持续，火焰形态受到压力和风速的共同影响，呈现出不同的特征。研究还发现，不同孔径的泄漏会导致火焰形态的显著差异，例如，大孔径泄漏产生的火焰更宽，而小孔径泄漏产生的火焰更集中。此外，风速的增加会进一步改变火焰的传播路径，使其向风的方向扩展。通过对比不同孔径、压力和风速条件下的火焰形态，研究团队能够更全面地理解喷射火焰的行为规律。

研究还发现，环境风对火焰形态的影响具有显著的非线性特征。例如，在高风速条件下，火焰的传播路径会发生明显偏移，其形态会更加分散。而在低风速条件下，火焰形态则相对稳定，主要由泄漏孔径和压力主导。此外，研究还发现，不同倾斜角度的喷射火焰在风速和压力的影响下，其形态变化规律也有所不同。例如，倾斜角较大时，火焰的水平位移增加，而垂直高度则相对减少。倾斜角较小时，火焰的传播路径则更加垂直，且受风速影响较小。这些发现表明，火焰形态不仅受到单一因素的影响，还与多个因素之间存在复杂的耦合关系。

在本研究中，修正模型的建立不仅考虑了压力、孔径和风速的三元耦合关系，还引入了新的无量纲参数来提高模型的适用性。例如，通过引入风速动量比和无量纲孔径比，模型能够更准确地描述不同环境条件下火焰的行为。此外，研究还发现，传统的半经验模型在预测大尺寸、高压力喷射火焰时存在一定的误差，尤其是在垂直火焰高度和水平位移的预测上。修正模型通过引入新的参数和修正公式，将这些预测误差显著降低，从而提高了模型的准确性。

在结论部分，研究团队指出，通过全尺寸实验和FLACS模拟，系统地分析了高压力自然气管道喷射火焰的火焰形态和热辐射特征。研究发现，泄漏孔径、管道压力和风速是影响火焰形态的三个关键参数，其中泄漏孔径对垂直火焰高度具有最显著的控制作用，而风速则主导水平位移。压力在大孔径条件下起到次要但增强的作用，从而进一步影响火焰的传播路径和热辐射范围。此外，修正模型的建立为高压力喷射火焰的预测提供了更科学的依据，支持了对天然气管道进行定量风险评估、安全距离确定和应急响应设计。

尽管本研究在预测模型的准确性方面取得了显著进展，但仍然存在一些局限。首先，模型的适用范围仍有一定的限制。目前的模型在4至14兆帕的压力范围内得到了验证，涵盖了当前管道运行的压力范围，但其在更高压力条件下的可靠性仍需进一步实验验证。此外，极端风速（超过15米/秒）或极小孔径（小于5毫米）的条件下，火焰与风的耦合机制可能发生变化，因此需要进一步研究。其次，数值方法的准确性也受到一定限制。尽管FLACS模拟在预测火焰形态方面表现出色，但在某些复杂条件下，模拟结果可能与实验数据存在偏差，需要进一步优化。此外，实验数据的获取仍然受到一定限制，尤其是在高压力和大孔径条件下的实验，由于设备和技术的限制，难以全面覆盖所有可能的泄漏场景。

本研究的修正模型在预测大尺寸、高压力自然气管道喷射火焰时表现出更高的准确性，但仍然需要进一步的实验验证和应用测试。未来的研究可以关注更高压力条件下的实验，以进一步验证模型的适用性。此外，还可以探索更复杂环境条件下的火焰形态，例如，不同风向、风速和温度条件下的火焰传播路径。同时，研究团队建议，未来的工作可以结合更多的实验数据和数值模拟结果，以建立更加全面和准确的火焰形态预测模型。此外，还可以进一步研究不同燃料成分对火焰形态的影响，以提高模型的通用性和适用性。

本研究的成果不仅在学术领域具有重要意义，还具有实际的工程应用价值。通过建立更加准确的火焰形态预测模型，可以为天然气管道的安全设计和应急响应提供科学依据。例如，在管道泄漏发生时，可以快速评估火焰的传播范围和热辐射强度，从而制定相应的应急措施。此外，修正模型还可以用于优化管道的安全距离，确保在发生火灾时，人员和设备能够处于安全范围内。同时，该模型还可以用于指导管道的设计和维护，以降低火灾风险并提高安全水平。

在本研究中，作者团队对各自的研究贡献进行了明确的说明。Jiahang Li负责写作、审阅与编辑、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析和概念设计。Shengzhu Zhang则在写作、审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理和概念设计方面做出了贡献。Kuirong Liu参与了写作、审阅与编辑、监督、资源、项目管理等方面的工作。这些分工表明，研究团队在多个方面进行了深入的探讨和合作，确保了研究的全面性和准确性。

最后，研究团队声明他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这表明研究的客观性和独立性。此外，本研究得到了国家自然科学基金（52574278）和国家重点研发计划（2022YFC3070100）的资助，支持了实验设备的购置和研究工作的开展。这些资助为研究提供了必要的资源，确保了实验的顺利进行和结果的准确性。

综上所述，本研究通过全尺寸实验和FLACS模拟，系统地分析了高压力自然气管道喷射火焰的火焰形态和热辐射特征。研究揭示了泄漏孔径、压力和风速之间的三元耦合机制，并建立了修正的火焰尺寸模型。该模型在预测垂直火焰高度和水平位移方面表现出更高的准确性，为天然气管道的安全设计和应急响应提供了科学依据。尽管研究仍存在一些局限，但其成果为未来的研究提供了重要的方向和参考，同时也为实际工程应用提供了重要的支持。通过不断优化模型和实验方法，未来有望进一步提高对喷射火焰的预测能力和应对水平，从而保障天然气管道的安全运行和公众安全。