20 升球罐中爆炸严重性参数的数值模拟：应用于传统和替代气体燃料

《Process Safety and Environmental Protection》：Numerical Modelling of Explosion Severity Parameters in the 20-L Sphere: Application to Conventional and Alternative Gaseous Fuels

　　

摘要

替代气体燃料爆炸严重性的数据稀缺且获取成本高；因此，本研究旨在仅通过混合物组成预测 20 升球体中的最大爆炸压力（P_max）、最大压力升速率（(dP/dt)_max）和爆燃指数（K_G）。

为此，开发了一个零维两区模型，其中层流燃烧速度是根据未燃烧混合物等熵线上的详细化学火焰计算的，损耗包括壁面淬熄和辐射，因此不需要针对爆炸数据拟合任何参数。该模型应用于五种纯燃料以及沼气、氢甲烷和合成气混合物。

层流燃烧速度的平均误差低于 3.5%，而 P_max 和 (dP/dt)_max 的误差分别为 2.44% 至 14.40% 和 9.87% 至 23.24%。关于合成气，氢富集使 K_G 增加了 5.7 倍，涵盖了三个危险等级；因此，针对成分变化的流体的保护措施应根据 K_G 设计。此外，K_G 与层流燃烧速度之间的二次相关性将 St 1/St 2 和 St 2/St 3 的边界置于 94 和 128 cm/s 处，为未测试的混合物提供了筛选准则。

引言

最大爆炸压力（P_max）、最大压力升速率（dP/dt)_max 和气体爆燃指数（K_G）是评估密闭容器中过程危害以及设计能够承受爆炸、泄压和抑制系统的封闭容器的关键参数 (Razus et al., 2010)。这些参数是根据 EN 15967:2022 (European Committee for Standardization CEN 2022) 和 EN 13673-1:2003 (European Committee for Standardization CEN 2003) 在标准条件下于 20 升球形容器中实验确定的。

虽然这些参数在化石燃料方面有广泛记载，但对于替代燃料，知识匮乏，在某些情况下甚至完全缺乏此类数据 (Schroeder and Holtappels, 2005)。通过气化过程获得的沼气、富氢天然气和合成气不是简单物质，而是由一系列化合物组成；因此，其爆炸严重性在这些范围内存在显著差异 (Dupont and Accorsi, 2006, Rusín et al., 2022)。就沼气而言，CO₂ 的体积百分比取决于底物和应用的处理工艺，通常在 45% 到 30% 之间。这种惰性气体的存在导致混合物稀释，从而降低爆炸严重性 (Dupont and Accorsi, 2006, Rusín et al., 2022)。关于氢甲烷混合物，添加氢气会显著改变混合物的层流燃烧速度；因此，不能仅基于甲烷的参数来估计爆炸严重性参数 (AL-Khafaji et al., 2023, Faghih et al., 2016, Hu et al., 2014, Theodorus Elisabeth Hermanns, 2007)。然而，对于通常由氢气和一氧化碳流组成的合成气，两者均可燃，这种流体的非受控泄漏构成特别严重的危害。实验可获得的数据往往集中在孤立的组成上，通常使用不同的装置和在不同的初始条件下获得，而整个组成空间的区域仍未表征。

然而，通过实验弥补这些差距并不简单。每种组成都需要在受控条件下进行完整的浓度扫描，对点火能量、混合物均匀性和注入压力有特定要求。因此，表征二元家族在其组成范围内所需的测试数量在时间和成本上相当可观。在这方面，数值模拟提供了一种有吸引力的替代方案，能够在无需实验测试的情况下预测整个组成范围内的这些参数，前提是误差可接受且反应物理化学性质得到密切保持。

为了实现此目的，采用了不同的数值方法。应用于 FLACS (Khan et al., 2019, Li et al., 2019, Vyazmina and Jallais, 2016, Zhou et al., 2025) 和 OpenFOAM (Bo et al., 2024, Lande et al., 2026) 等商业和开源代码中的计算流体力学模型已被用于重现 20 升容器内部发生的扩散和燃烧过程 (Rusín et al., 2022, Wang et al., 2020)。这些模型求解湍流场和火焰在时空中的传播，允许详细检查容器几何形状、点火位置和注入系统的影响。然而，其预测能力依赖于亚格子模型，其参数必须针对实验数据进行优化，而且涉及的计算成本使得在必须检查广泛组成范围时不切实际。

相反，零维模型将容器分为由薄火焰前锋隔开的两个均匀区域，避免了这种成本，并广泛用于重现密闭容器中的压力演化 (Dahoe and de Goey, 2003, Razus et al., 2006)。Bradley 和 Mitcheson (Bradley and Mitcheson, 1976) 建立了这种球形容器方法的理论基础，他们指出了在爆炸过程中未燃烧气体被压缩时准确燃烧速度值的重要性。

Dahoe et al. (Dahoe et al., 1996) 随后开发了一个考虑火焰厚度的三区模型，因为当相对火焰厚度超过 1% 时，立方根定律变得不准确，同时这些积分平衡模型也被反向使用，以压力 - 时间曲线作为确定层流燃烧速度所需的唯一实验输入 (Dahoe and de Goey, 2003)。

最近，Rudy et al. (Rudy et al., 2021) 提出了一种多现象模型，包括燃烧速度对压力和温度的依赖性、前导点概念、火焰前锋产生的湍流以及火焰面积的分形增加，其参数可以优化，使模拟的压力曲线满足实验瞬态。因此，后一种方法利用测量的压力数据作为输入或校准目标，这可能将其预测能力限制在已测试的范围内，并防止区分每个物理机制的单独贡献。

据我们所知，还没有提出任何统一模型能在不对爆炸测量进行调整任何参数的情况下预测这些燃料家族的 P_max 和 (dP/dt)_max。在本工作中，开发了 20 升球体的零维两区模型以实现此目的。燃烧区保持在多组分平衡状态，未燃烧区等熵压缩，同时层流燃烧速度是从沿等熵线求解的详细化学一维自由传播火焰获得的。热损失通过通过淬熄佩克莱准则 (Yu et al., 2023) 施加的壁面淬熄和来自燃烧区的辐射 (Grosshandler, 1993) 来考虑。

相反，不包括火焰褶皱机制，因此模型仅限于光滑的层流前锋。该模型应用于几种组成，包括五种纯燃料 (CH₄, C₂H₆, C₃H₈, H₂ 和 CO) 和三个代表沼气 (BG; 55 至 99 vol. % CH₄)、氢甲烷混合物 (HCNG; 20 至 80 vol. % H₂) 和合成气 (SG; 10 至 90 vol. % H₂) 的二元家族，并在有可用数据时与已发表的数据进行验证。最后，为完整数据集提出了 K_G 与层流燃烧速度之间的相关性，这为未测试的混合物提供了筛选准则。

章节片段

气体燃料

研究考虑了一组具有代表性的传统和替代气体燃料，涵盖广泛的燃烧行为。纯燃料包括甲烷 (CH₄)、乙烷 (C₂H₆)、丙烷 (C₃H₈)、氢气 (H₂) 和一氧化碳 (CO)。还研究了二元混合物：沼气被建模为 CH₄/CO₂ 混合物，甲烷体积分数为五种 (55、60、65、70 和 99 vol. % 作为生物甲烷)，氢 - 天然气 (HCNG, 天然气作为纯甲烷) 混合物在四个氢气体积分数的情况下

结果与讨论

本节展示了五种纯燃料和三种替代燃料家族的建模爆炸严重性参数，在有可用数据时与实验数据进行比较，并以它们之间的相关性分析作为结论。

使用"20 升装置手册"(Cesana and Siwek, 2025) 中规定的公差来讨论实验结果并将其与模型预测进行比较。公差列于表 2 中。

应注意的是，实验值

结论

开发了一个 20 升球体的零维两区模型，旨在仅根据其组成预测五种纯燃料和沼气、氢 - 甲烷和合成气混合物的爆炸严重性，而不针对爆炸数据调整任何参数。纯燃料、沼气和 HCNG 的层流燃烧速度平均误差低于 3.5%，而 P_max 的平均误差在 2.44% 到 14.40% 之间，(dP/dt)_max 在 9.87% 到 23.24% 之间，具体取决于燃料

CRediT 作者贡献声明

CASTELLS Blanca: 写作 – 审阅与编辑，验证，软件，项目管理，概念化。PAREDES Roberto: 写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

Roberto Paredes|Blanca Castells