关于具有浓度梯度的天然气在储层中爆炸特性的研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Study on explosion characteristics of natural gas with concentration gradient in residence

自然气浓度梯度显著影响爆炸火焰形态与超压分布，形成非对称 tulip 火焰及压力波动态演化特征，厨房区域超压呈现四峰现象而客厅为两峰。

　　本研究旨在提升对天然气爆炸事故调查的准确性，深入探讨不同浓度梯度对天然气爆炸特性的影响。通过实验和数值模拟相结合的方式，分析了天然气在住宅建筑内部发生爆炸时，浓度梯度对火焰形态演化路径、爆炸超压发展以及压力上升速率等关键参数的影响。研究发现，浓度梯度的存在显著改变了火焰的演化方式，导致火焰形态出现不对称的郁金香状和拉伸的郁金香状，这与均匀浓度下的火焰形态形成了鲜明对比。同时，浓度梯度还影响了涡旋的生成，涡旋的形成是导致火焰呈现不对称形态的关键因素。与均匀浓度相比，当存在浓度梯度时，涡旋的生成更加容易，且逆流现象出现的时间更晚。随着浓度梯度的增加，爆炸产生的超压和压力上升速率均出现明显下降的趋势。

此外，空间位置对超压分布具有重要影响。在厨房区域，超压表现出剧烈的波动，呈现出四个明显的峰值，而在客厅区域，超压则相对平稳，仅出现两个峰值。这一现象表明，住宅内部的结构布局和通风条件对爆炸过程中气体浓度的分布具有重要影响。厨房通常空间较小，且通风条件较差，因此在气体泄漏后，容易形成局部高浓度区域，从而加剧爆炸的破坏性。而客厅由于空间较大，空气流动更为充分，超压波动幅度相对较小。因此，在实际的住宅建筑中，需要综合考虑空间结构和通风条件，以评估不同区域在爆炸事故中的风险等级。

在住宅建筑中，天然气泄漏后往往呈现出非均匀的浓度分布，尤其是在存在家具、墙壁等障碍物的情况下，气体容易在某些区域形成局部高浓度，从而影响爆炸的传播路径和破坏范围。现有的研究多集中在管道和小型实验平台，虽然揭示了部分爆炸演化规律，但在实际住宅环境中的应用仍存在一定的偏差。因此，本研究基于真实住宅结构，结合计算流体力学（CFD）数值模拟和全尺寸实验验证，系统地探讨了天然气在住宅建筑中发生爆炸时的特性。通过这一研究，可以更准确地理解浓度梯度对爆炸火焰传播、空间流场演化、超压峰值及压力上升速率变化的影响机制，从而揭示天然气在住宅建筑中的爆炸演化规律。

本研究的成果不仅具有重要的理论价值，还为住宅建筑中天然气爆炸事故的预防和调查提供了坚实的理论基础。通过深入分析浓度梯度对爆炸过程的影响，可以为建筑设计和安全防护措施提供科学依据。例如，在住宅建筑中合理设置通风口、优化空间布局，以及在易发生气体泄漏的区域加强监测和防护，都是降低爆炸风险的重要手段。此外，研究还表明，浓度梯度的存在可能导致爆炸机制的改变，如从缓慢燃烧向快速燃烧的转变，甚至可能引发从爆燃向爆轰的过渡。因此，在设计和评估住宅建筑的安全性时，需要充分考虑这些复杂因素，以确保在发生气体泄漏时能够有效控制爆炸的发展，减少对人员和财产的损害。

为了验证模型的准确性，研究团队选择了住宅厨房区域进行网格独立性分析。厨房的实际尺寸为3.7米长、2.0米宽、2.8米高，如图2(a)所示。采用多面体网格结构对厨房进行划分，分别使用了0.05米、0.1米和0.2米三种不同网格尺寸，对应的网格数量分别为296,692、45,369和8,108。通过设置靠近厨房窗户的测量点，监测爆炸过程中超压的变化情况，以评估不同网格尺寸对模拟结果的影响。结果显示，随着网格尺寸的增加，模拟结果的波动逐渐减小，表明模型在较大网格尺寸下已达到计算独立性，从而确保了研究结果的可靠性。

在火焰形态演化方面，研究团队通过图5展示了不同浓度梯度下爆炸火焰前沿随时间的变化特征。火焰形态的演化不仅受到浓度梯度的影响，还进一步调节了压力波的生成和传播过程。由于住宅房间的长宽比较大（4.77），在没有浓度梯度的情况下，火焰前沿呈现出球形火焰、手指状火焰、扁平火焰、对称郁金香状火焰和拉伸郁金香状火焰等典型形态。而在存在浓度梯度的情况下，火焰的裙部区域表现出更加明显的涡旋形状。这种涡旋的形成主要源于燃烧速率在顶部富燃料区域和底部贫燃料区域之间的差异，从而导致火焰形态的不对称性。这一发现表明，浓度梯度不仅改变了火焰的形态，还影响了火焰的传播路径和压力波的分布特征。

研究还指出，浓度梯度对爆炸过程中的压力波传播具有显著的调节作用。在均匀浓度条件下，压力波的传播较为稳定，而在存在浓度梯度的情况下，压力波的传播路径和速度会受到显著影响。例如，当浓度梯度较小时，压力波的传播相对平稳，而当浓度梯度较大时，压力波的传播会变得更加复杂，甚至可能出现局部的衰减或增强现象。这一现象的出现，与浓度梯度对燃烧速率的影响密切相关。燃烧速率的不均匀性会导致压力波的传播速度发生变化，从而影响整个爆炸过程的动态特性。因此，在实际的住宅建筑中，需要综合考虑浓度梯度对爆炸过程的影响，以制定更加科学和有效的安全防护措施。

本研究的实验和模拟结果表明，浓度梯度的存在不仅改变了火焰的形态，还对爆炸过程中的关键参数产生了深远影响。首先，浓度梯度显著改变了火焰的演化路径，使得火焰在传播过程中呈现出不对称的郁金香状和拉伸的郁金香状，这种现象在均匀浓度条件下并不明显。其次，浓度梯度影响了涡旋的生成，使得火焰在传播过程中更容易形成涡旋结构，从而改变火焰的传播速度和方向。此外，浓度梯度还导致了压力波传播的不稳定性，使得爆炸过程中超压的变化更加复杂。这些发现为理解天然气爆炸的复杂机制提供了新的视角，并为住宅建筑中天然气爆炸事故的预防和调查提供了重要的理论支持。

在实际应用中，这些研究成果可以为住宅建筑的设计和安全评估提供科学依据。例如，在住宅建筑中合理设置通风系统，确保气体泄漏后能够迅速扩散，减少局部高浓度区域的形成，从而降低爆炸的风险。同时，通过优化空间布局，避免障碍物对气体流动的阻碍，有助于改善气体的扩散条件，减少爆炸的破坏性。此外，研究还表明，浓度梯度的存在可能导致爆炸机制的改变，如从爆燃向爆轰的过渡，这在实际的爆炸事故中可能具有重要意义。因此，在住宅建筑的安全设计中，需要充分考虑浓度梯度对爆炸过程的影响，以确保在发生气体泄漏时能够有效控制爆炸的发展，减少对人员和财产的损害。

本研究的结论还表明，浓度梯度对爆炸过程中的火焰形态、压力波传播和超压变化具有显著的调节作用。在均匀浓度条件下，火焰的传播路径和形态较为稳定，而在存在浓度梯度的情况下，火焰的传播路径和形态则更加复杂。这种复杂性主要体现在火焰的不对称性上，即火焰在不同区域的燃烧速率存在差异，导致火焰形态的不对称演化。同时，浓度梯度还影响了涡旋的生成，使得火焰在传播过程中更容易形成涡旋结构，从而改变火焰的传播速度和方向。这些发现不仅加深了对天然气爆炸机制的理解，还为住宅建筑中天然气爆炸事故的预防和调查提供了重要的理论依据。

此外，研究还指出，浓度梯度的存在可能导致爆炸过程中压力波的传播路径发生变化，从而影响整个爆炸过程的动态特性。例如，在均匀浓度条件下，压力波的传播较为稳定，而在存在浓度梯度的情况下，压力波的传播路径可能会变得更加复杂，甚至出现局部的衰减或增强现象。这种现象的出现，与浓度梯度对燃烧速率的影响密切相关。燃烧速率的不均匀性会导致压力波的传播速度发生变化，从而影响整个爆炸过程的稳定性。因此，在实际的住宅建筑中，需要充分考虑浓度梯度对爆炸过程的影响，以制定更加科学和有效的安全防护措施。

综上所述，本研究通过实验和数值模拟相结合的方式，系统地探讨了天然气在住宅建筑中发生爆炸时的特性，特别是浓度梯度对火焰形态演化、爆炸超压发展以及压力上升速率变化的影响。研究发现，浓度梯度不仅显著改变了火焰的演化路径，还影响了涡旋的生成和压力波的传播，使得爆炸过程更加复杂和动态。这些发现为理解天然气爆炸的复杂机制提供了新的视角，并为住宅建筑中天然气爆炸事故的预防和调查提供了重要的理论支持。未来的研究可以进一步探讨浓度梯度与其他因素（如通风条件、空间布局等）的相互作用，以期为住宅建筑的安全设计和爆炸事故的防控提供更加全面的科学依据。