（化工过程机械专业论文）火灾环境下车用cng钢瓶热力响应及失效机理研究.pdf

摘要 摘要 在汽车保有量高速增长、世界能源格局变化和环保要求日益提高的背景下， 具有良好经济和环保效益的天然气( c n g ) 汽车得到大力推广和普及，c n g 气瓶 使用量随之增加，其中c n g 钢瓶占据c n g 气瓶比例的9 0 以上。c n g 钢瓶使 用过程中出现的燃烧、爆炸事故往往引发灾难性后果。由于火灾试验耗资大、 危险性高、结果重复性差等原因，数值模拟研究受到越来越广泛的重视。本文 对火灾环境下车用c n g 钢瓶的热及力学响应进行了数值模拟研究、失效机理分 析、失效时间预测和提出安全消防策略，具有一定的理论价值和现实意义。本 文主要内容如下： ( 1 ) 火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应数值模拟研究。基于分区求解、边 界耦合数值解法和流固耦合传热理论，按真实的火灾试验模型和合理的假设， 分别建立火灾环境和c n g 钢瓶的物理数学模型；然后利用大型流体动力学分析 软件f l u e n t 对无风和有风火灾环境进行三维数值模拟，计算得到火焰的流场、 温度场和钢瓶外壁的热流密度分布，证明无风环境下能提供相对均匀和充足的 热量。无风火灾环境下得到的钢瓶外壁的热流密度分布作为钢瓶模型的热边界； 同样运用f l u e n t 软件对钢瓶进行三维瞬态热响应过程进行数值模拟，计算得 到在4 2 0 秒内瓶内介质温度、压力及气瓶壁温度随时间的变化规律。 ( 2 ) 火灾环境下车用c n g 钢瓶的力学响应数值模拟研究。根据顺序热结构 耦合思想和弹塑性力学理论，运用a n s y sw o r k b e n c h1 3 0 集成流体力学分析模 块f l u e n t 和热结构静力模块a n s y sm e c h a n i c a l ，首先验证了有限元模型具 有良好的计算精度，然后对处在不同温度场和压力场共同作用下的气瓶壁进行 有限元应力分析，并进行强度校核，证明了钢瓶在4 2 0 秒前满足强度要求。 ( 3 ) 火灾环境下车用c n g 钢瓶的失效机理初步研究、失效预测和预防。通 过失效机理分析，提出了意外火灾环境下钢瓶爆破失效时间点与爆破失效压力 的理论预测方法。首先对钢瓶进行失效机理分析，提出失效准则，根据极限载 荷有限元分析法得到不同温度和性能条件下气瓶爆破压力的三次多项式拟合曲 线，继而根据f l u e n t 计算气瓶内压变化的热响应曲线，通过二曲线交汇点准 确预测意外火灾环境下气瓶爆破失效时间点与爆破失效压力，c n g 钢瓶气瓶的 失效时间在火烧4 2 0 秒左右；根据失效机理分析，提出了气瓶安全消防对策。 关键词：c n g 钢瓶；火灾环境；热响应；力学响应；失效 i a b s t r a c t a b s t r a c t m o t o rv e h i c l ep o p u l a t i o ni s i n c r e a s i n gr a p i d l y , t h ew o r l de n e r g yp i c t u r ei s r e s h a p i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t s a r er e i n f o r c e d o nt h e s e b a c k g r o u n d s ，t h en a t u r a lg a sv e h i c l e s 晰t hg o o de c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t sa r ew i d e l yp o p u l a r i z e da n ds p r e a d m e a n w h i l e ，t h eu s e so fc n gc y l i n d e r s a r ef a s t g r o w i n g ，c n ga l l s t e e lc y l i n d e r sa l eo v e r9 0 i nq u a n t i t y t h ef i r ea n d e x p l o s i o na c c i d e n t so fc n g a l l s t e e lc y l i n d e r so f t e nl e a dt od i s a s t r o u sc o n s e q u e n c e s d u et ot h eb o n f i r et e s th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ei n v e s t m e n t ，h i g hr i s ka n dp o o r r e p e a t a b i l i t y , e t c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i n gr e s e a r c hi sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h e n u m e r i c a lr e s e a r c ho nt h e r m a l - m e c h a n i c a lr e s p o n s ea n df a i l u r em e c h a n i s mo fc n g a l l - s t e e lc y l i n d e rs u b j e c t e dt of i r ee n v i r o n m e n t ，h a sc e r t a i nt h e o r e t i c a lv a l u ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi sc a r r i e do u t a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h en u m e r i c a ls t u d yo nt h e r m a lr e s p o n s eo fc n g a l l s t e e lc y l i n d e ri nr e a l f i r ee n v i r o n m e n t b a s e do nn u m e r i c a lm e t h o do fz o n i n gs o l u t i o n 、b o u n d a r yc o u p l i n g a n df l u i d - s o l i dc o u p l i n gh e a tt r a n s f e rt h e o r y , a c c o r d i n gt or e a lb o n f i r et e s ta n d r e a s o n a b l e a s s u m p t i o n s ，t h e n t h e p h y s i c a l a n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ff i r e e n v i r o n m e n ta n dc n gc y l i n d e ra r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y t h ec f ds o f t w a r e f l u e n ti su s e df o rt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw i n d l e s sa n dw i n d y f i r ee n v i r o n m e n t ，t h ef l a m ei n f o r m a t i o no ff l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dh e a tf l u x d i s t r i b u t i o ni s o b t a i n e d ，i t sa l s op r o v e dw i n d l e s se n v i r o n m e n tc a ns u p p l ym o r e e v e n l ya n ds u f f i c i e n th e a t t h ec y l i n d e r so u t s i d e s u r f a c eh e a tf l u xd i s t r i b u t i o n c a l c u l a t e db yf i r ee n v i r o n m e n ti s p r o v i d e dt h e r m a lb o u n d a r yf o rc n gc y l i n d e r f l u e n ti sa l s ou s e dt om o d e lt h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tt h e r m a lr e s p o n s ep r o c e s s o fc n gc y l i n d e r , w h i c ho b t a i n sr e g u l a r i t yr e l a t i o n sb e t w e e nt h e f i l l i n g m e d i a t e m p e r a t u r e ，t h ef i l l i n gm e d i ap r e s s u r e ，t h ew a l lt e m p e r a t u r ea n d t i m ew i t h i n4 2 0 s ( 2 ) t h en u m e r i c a ls t u d yo nm e c h a n i c a lr e s p o n s eo fc n ga l l s t e e lc y l i n d e ri n f i r ee n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i sa n de l a s t i c - p l a s t i c t h e o r y , a n s y sw o r k b e n c h13 0 i se m p l o y e dt oi n t e g r a t ef l u i dd y n a m i ca n a l y s i s m o d u l e ( f l u e n t ) a n dt h e r m a l s t r u c t u r a ls t a t i cm o d u l e ( a n s y sm e c h a n i c a l ) ，t h e i i a b s t r a c t g o o da c c u r a c yo ft h i sf i n i t ee l e m e n tm o d e l i sv e r i f l e d ，t h e n ，t h ef i n i t ee l e m e n ts t r e s s a n a l y s i so fc n gc y l i n d e ri si m p l e m e n t e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e - p r e s s u r ef i e l d s c o u p l i n gc o n d i t i o na n dt h es t r e n g t ho fc n gc y l i n d e ri sc h e c k e d w i t h i n4 2 0s e c o n d s ( 3 ) t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo nc n gc y l i n d e r s f a i l u r em e c h a n i s mi nt h ef i r e e n v i r o n m e n t ，a n df a i l u r ep r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o n a c c o r d i n gt of a i l u r em e c h a n i s m ， t h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nm e t h o do ff a i l u r et i m ea n db u r s t i n gp r e s s u r eo ft h e s t e e l - m a d ec n gc y l i n d e ri sp u tf o r w a r di na na c c i d e n t a lf i r ee n v i r o n m e n t f i r s tt h e f a i l u r em e c h a n i s mi sa n a l y z e d ，t h e n ，t h ef a i l u r ec r i t e r i aa r ep r e s e n t e d t h ec u b i c p o l y n o m i a lf i t t i n g c h i v eo fc n gc y l i n d e rb u r s t i n g p r e s s u r eu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n dp r o p e r t yc o n d i t i o n si so b t a i n e db yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f l i m i tl o a d ，t h e nt h et h e r m a lr e s p o n s ec u r v eo fc n gc y l i n d e ri n t e r n a lp r e s s u r ei s o b t a i n e db yt h ec a l c u l a t i o no ff l u e n t , t h ec n gc y l i n d e rb u r s tf a i l u r et i m ep o i n t a n db u r s tf a i l u r ep r e s s u r ei na na c c i d e n t a lf i r ee n v i r o n m e n ta l ea c c u r a t e l yp r e d i c t e d b yt h ei n t e r s e c t i o np o i n to ft h et w oc u r v e s t h i sc n gc y l i n d e rp r o b a b l yb u r s ta t4 2 0 s a r o u n d f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h ec n gc y l i n d e r , t h e a c c i d e n t a lf n es a f e t yc o u n t e r m e a s u r e so fc n g c y l i n d e ra r es u g g e s t e d k e y w o r d s ：c n gc y l i n d e r ；f i r ee n v i r o n m e n t ；t h e r m a lr e s p o n s e ；m e c h a n i c a lr e s p o n s e ； f a i l u r e i i i 第一章绪论 第一章绪论 压缩天然气( c o m p o s e dn a t u r eg a s ，简称c n g ) 是含有9 0 以上甲烷成 分的压缩气体燃料。压缩天然气气源符合国家标准天然气g b l 7 8 2 0 1 9 9 9 的 i i 类，在环境温度为4 0 至5 0 下，经加压站净化( 脱硫、脱轻油) 、脱水、 多级压缩至不大于2 5 m p a ；出站的压缩天然气质量必须严格符合国家标准车 用压缩天然气g b l 8 0 4 7 2 0 0 0 的各项规定。以车用压缩天然气为燃料的汽车称 为压缩天然气汽车，简称c n g 汽车。压缩天然气气瓶( 简称c n g 气瓶) 为c n g 汽车的关键设备，气瓶的安全可靠性直接影响到汽车的营运安全。 1 1c n g 汽车介绍 按照燃料的种类c n g 汽车可归类为单燃料车、两用燃料车和双燃料车。单 燃料车仅仅使用压缩天然气燃料。两用燃料车多为在现有的汽油车燃料系统上 增设一套天然气供给系统( 储气系统主要由c n g 气瓶、手动截止阀、高压接头、 高压管线、压力表组成，燃气供给系统主要由滤清器、减压阀、油气燃料转换 开关、混合器、化油器、电磁阀和e u c 电子控制单元组成) ，驾驶员可通过油 气燃料转换开关切换燃料，国内两用燃料车使用最为广泛。双燃料汽车同时使 用两种燃料，用少量柴油点燃天然气，一般在柴油机上加装c n g 供给系统，其 结构、控制复杂，天然气替代率低、成本相对较高【。 1 1 1c n g 汽车的特点1 2 4 j ( 1 ) 节能减排，环境效益好 c n g 是种热值高、燃烧比较完全、不易积碳的清洁能源。在同样热效率 下，c n g 汽车与汽油、柴油车相比，非甲烷烃类污染物降低5 2 8 ，c o 降低 9 0 ，c 0 2 降低2 5 ，h c 化合物降低8 0 ，s 0 2 低9 ，s o 低9 9 9 9 ，n o 。低 2 5 ，苯、铅等粉尘减少到零，噪音减少4 0 。由此说明，c n g 可以减轻温室 效应、酸雨和光化学烟雾等的危害，应用c n g 可以治理汽车尾气污染，对改善 城市环境、提高人民生活质量和可持续发展具有重要意义。 ( 2 ) 经济效益好 目前，石油资源日益枯竭，国际汽油价格持续上升，而天然气储量丰富、 1 第一章绪论 分布广泛、价格稳定，油气差价将长期维持。天然气的使用改变能源格局缓解 能源紧张。国际上认为，在运行里程相同的情况下，压缩天然气的价格为汽油 的5 0 - - - 8 0 。c n g 抗爆性好、燃烧干净，不会稀释润滑油，运动部件损耗小， 大修的间隔里程相对汽油车延长2 - - 2 5 万公里，维修费用年均降低5 0 以上且 发动机的寿命延长2 3 倍，经济效益非常显著；同时国家给予c n g 汽车在税 收、价格、补贴方面的优惠政策，使得其经济效益更为可观1 5 】。 ( 3 ) 安全性高 天然气的燃点为6 5 0 * ( 2 左右，汽油的燃点为4 2 7 * ( 2 左右，两者相比天然气更 不容易被点燃；天然气的爆炸下限为5 ，汽油的爆炸下限为1 3 ，甲烷相对空 气密度较轻，天然气在发生泄漏时，能迅速向上逸散，泄漏点周围形成低温区， 在开放的环境中难以燃烧。因此与汽油相比，c n g 是一种安全性相当高的汽车 燃料。 c n g 气瓶属于高压容器，各国在对其材质、制造、检验试验都有严格的技 术标准控制，且安装防火防爆设施，确保气瓶供气系统安全，气瓶一般不会因 碰撞、颠覆而发生火灾或爆炸，但是汽油车的油箱不属于压力容器，着火后得 不到有效排除易引发爆炸。 1 1 2c n g 汽车的发展前景 随着汽车保有量的高速增长、能源结构的变化和环保要求的日益提高的严 峻形势，天然气作为一种清洁、经济和安全的燃料，得到世界范围内的大力普 及和推广。目前，世界c n g 汽车产业呈现欣欣向荣的发展趋势，燃气汽车总数 量达到8 0 0 万辆，而国内数量已经突破5 0 万辆【6 】。据相关分析报告，1 9 9 9 年我 国c n g 汽车数量占燃气汽车的9 3 ，到2 0 0 7 年c n g 汽车数量占燃气汽车比 例达到8 6 1 。根据国家清洁燃料办公室预测数据，到2 0 1 5 年我国c n g 汽车保 有量将达到7 3 4 万辆。 “十一五”期间，国务院颁布了国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ，其中表明国家将致力于组织实施涉及c n g 汽车在内的各种 低能耗、清洁新能源汽车及燃料电池技术等重大科技项目。我国已经逐步建立 和规划覆盖全国的天然气输送管网系统，近十年“西气东输一期”、“陕京二线”、 “川气东送”等一大批重大工程项目建成，天然气基础设施逐步完善，c n g 加气 站也将逐步形成网络。截止2 0 0 8 年底，中国正式确定重点推广应用清洁汽车的 2 第一章绪论 城市( 地区) 1 9 个，加气站数量达8 0 0 多座。现在使用c n g 汽车主要是公交车 和出租车，越来越多的私人中小汽车、公务用车、固定线路的长途客车及作业 车也慢慢发展成为c n g 汽车【7 1 。c n g 汽车有着巨大的市场和发展空间，未来 c n g 汽车在质量和数量上将有飞速的发展。 环境效益和经济效益是发展c n g 汽车的原动力，确保安全是c n g 汽车持 续发展的保障【8 】。c n g 气瓶技术关系到c n g 汽车的推广。 1 2 车用c n g 气瓶 天然气属于甲a 类易燃易爆品，c n g 气瓶的工作压力一般为2 0 - 2 5 m p a ， 属于第三类压力容器，具有潜在爆炸性危险。c n g 气瓶在充装和使用中存在很 多安全隐患，事故的表现形式为泄漏、燃烧和爆炸【9 1 。由于气瓶储存的高能量， 一旦气瓶发生事故将对人民的生命和财产造成巨大损失。 车用c n g 气瓶设计必须满足以下内容：足够高的压力以提供充足的能量， 在预计寿命内使用安全且控制气瓶的成本和重量。美国国家标准车用压缩天 然气燃料储罐基本要求a n s i a g a n g v 2 1 9 9 2 首次按通用的c n g 气瓶的材料 和结构划分，将其归为四类【lo 】： 1 型：金属( 铝或钢) 气瓶； 2 型：金属内胆( 铝或钢) 加筒体环向缠绕纤维加固的复合材料气瓶； 3 型：金属内胆全缠绕纤维加固复合材料气瓶； 4 型：塑料内胆全缠绕纤维加固复合材料气瓶； 金属气瓶出现在上世纪7 0 年代，经过几十年的发展，其技术和法规日渐完 善。金属气瓶价格低廉( 成本小于缠绕气瓶的5 0 ) 、工作可靠、密封性好、疲 劳寿命长，占据目前市场份额的9 0 以上；但其耐蚀性不足、结构笨重及占空 间大等缺点影响了在轻型车和轿车上的使用，市场需求促进纤维缠绕的复合材 料气瓶的研究和制造【1 1 。12 1 。 国内车用c n g 钢瓶的设计、制造必须符合汽车压缩天然气钢瓶 g b l 7 2 5 8 - 1 9 9 8 的行业标准，以及按照汽车用压缩压缩天然气钢瓶定期检验与 评定g b l 9 5 3 3 - 2 0 0 4 的技术要求在规定的检验周期内对气瓶进行检测。 3 第一章绪论 图1 1 车用c n g 钢瓶图1 2 天然气卡车( 四个钢瓶并联使用) 1 3 国内外研究概况 c n g 汽车使用高压天然气作为燃料，近年来，气瓶燃烧、爆炸事故频繁发 生，c n g 气瓶安全问题成为人们关注的焦点。在火灾环境下的压力容器事故的 危险性远大于正常情况，从上世界7 0 年代开始，国外在该领域进行了广泛深入 的研究。国内对该领域的研究起步于9 0 年代，主要依靠计算机数值模拟研究和 国外试验数据或经验来验证以进行机理研究。经过几十年的发展，国内外在该 领域积累了大量有价值的数据和经验。 1 3 1 国外研究概况 1 3 1 1 实验研究 德国、加拿大等一些工业发达国家，投入了大量的人力和物力，针对不同 的工质、火灾环境与储罐类型进行了大量的实验室试验或者室外现场试验，获 得了大量极有价值的数据如储罐壁温、内压、气相温度和液相温度的变化规律， 集中研究了火灾环境影响下各种参数( 储罐大小、火焰类型、燃料类型等) 对 压力容器失效时间的影响及是否发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸( b l e v e ) ，内部介 质的传热、传质规律，从而详细了解火灾环境下压力容器的失效机理。通过实 验数据的研究，探讨了爆炸现象及其危害形式的过程和机理，为压力容器在工 业生产、日常的安全应用和进一步的学术研究提供了宝贵的理论和经验。 文献 13 】，m o o d i e 和c o w l e y 对有绝缘保护的初始填充量为2 2 至7 5 的5 4 第一章绪论 个5 吨丙烷储罐进行室外煤油池火燃烧环境下的热响应试验，保证泄压阀的运 行可靠，燃烧时间长达3 0 分钟，对内外金属壁温度和热流密度、液化气( 蒸汽 区、液体区和边界层) 温度、内部压力等参数进行多测点测量。这些试验数据 与o 2 5 吨和1 吨的储罐的热响应，提供了不同大小和不同填充水平的热响应模 型，为储罐火灾最全面的系列试验。 文献 1 4 】，d r o s t e 和s c h o e n 对初始填充量为5 0 ，体积为4 8 5 m 3 的无隔热 层的液化气储罐进行了3 组室外丙烷喷射燃烧全包围火灾试验，同样对同样型 号和相同充装量、有隔热层保护的储罐进行了2 组室外丙烷喷射燃烧全包围火 灾试验，试验结果表明受火灾环境影响温度和压力升高越快，发生破裂失效的 时间越短。他们还对具有喷水装置( w s s ) 的液化丙烷储罐进行全包围丙烷喷 射火火灾试验( 1 5 】，比较传统的w s s 喷水量为1 0 0 01 ( m 2 h ) 和改进后的w s s 喷水量为4 0 01 ( m 2 h ) 的抗断裂能力。 文献 1 6 1 9 ，加拿大q u e e n 大学的b i r k ，研究不同加热方式、不同火焰包 围程度、不同储罐尺寸大小及机械损伤等方面对液化气储罐爆炸的影响，此火 灾试验的规模最大，研究对象最多。 1 3 1 2 数值研究 加拿大q u e e n 大学的b i r k 开发了t c t c m 模型1 2 0 ( t a n k c a l t h e r m a l c o m p u t e rm o d e l ) ，该模型研究处于全包围或部分包围火焰下，并可以考虑具有 压力泄放装置( p r v ) 、隔热层、辐射屏蔽、温度传感安全阀或内部散热模块等 保护系统的影响，水平圆柱形液化气储罐的热响应过程、火焰热流密度及储罐 失效时间。2 0 0 4 年，b i r k 等人完善t c t c m 二维模型，升级为t a n k2 0 0 4 三维模 型1 2 1 - 2 2 】。 自1 9 8 4 年以来，加拿大n e wb r u n s w i c k 大学火焰科学中心相继开发了 p l g s 1 ，p l g s 一2 和p l g s 3 模型1 2 3 - 2 5 】，其中p l g s 1 和p l g s 2 均可以正确模 拟均匀全包围火焰下水平圆柱形储罐( 无被抛掷或滚动) 的热响应过程，主要 用于安全阀第一次打开之前储罐内的全过程，两种模型中都考虑了储罐内边界 层从自然对流到沸腾全过程，以及气液两相之间分层区，当容器内压力达到安 全阀的设定压力时，阀门打开，燃烧的激烈程度和火焰分布状态、阀门的几何 形状、位置、装料多少等因素决定阀门喷出的是气体、液体还是气液两相物质； p l g s - 3 考虑安全阀的作用，可以准确模拟在全包围或部分包围下水平圆柱形储 5 第一章绪论 罐的热响应过程，但液相区仅考虑自然对流，相对p l g s 1 和p l g s 2 更好地模 拟了阀门从开启到关闭期间的复杂热响应过程。 加拿大q u e e n 大学的m a n u 在b r i k 的热响应基础上，考虑材料性能变化( 尤 其是蠕变) 的影响，分别对处于全包围和部分火焰包围下的体积为5 0 0 ，1 0 0 0 和3 3 0 0 0 加仑的液化丙烷储罐进行力学分析，研究不同储罐体积大小、火焰类 型、最高温度和内压的影响预测失效时间和失效部位以更好地认识意外火灾环 境下压力容器失效机理，数值模拟的失效时间和失效部位和火灾试验相吻合1 2 6 j 。 1 3 2 国内研究进展 国内的研究，因为资金投入、技术水平等原因，极少进行火灾燃烧试验， 主要依靠经验和国外数据进行数值模拟和机理探讨研究，但这种技术方法对压 力容器储存、使用的安全具有重要意义。 上海交通大学的弓燕舞等人进行了用电加热或水域加热代替真实火焰的小 型液化石油气储罐的蒸汽爆炸模拟试验，得到分层区对爆炸的影响和分析了不 同热流密度和充装率对压力的影响【2 7 2 引。 南京工业大学的邢志祥等人对体积为3 5 5 l 的液化石油气储罐进行了大量 的小型池火灾和喷射火的燃烧试验，得到不同储罐类型( 立式、卧式) 、充装水 平的内部介质的温度和压力以及壁面温度的变化规律，以及爆破压力和爆破时 间【2 9 3 0 1 。同时应用流体力学软件( f l u e n t ) 对液化气球罐进行了数值模拟研究， 对压力时间曲线应用二次多项式拟合，温度时间曲线采用三次或四次多项式拟 合，并定量的分析不同火灾类型、热流密度、充装水平和储罐直径的影响1 3 。 浙江大学的郑津洋等人对3 5 m p a 、7 4 l 车用纤维全缠绕高压氢气瓶进行了 火烧试验研究，在以此为基础对氢气瓶进行三维数值模拟，试验结果和模拟结 果的内部气体的温度、压力随时间的变化规律吻合较好，为车用氢气瓶火烧试 验的进一步研究打下基础l j 2 j 。 大连理工大学的车威【3 4 】利用c f d 软件f l u e n t 分别对处在池火和喷射火条 件下的水平圆柱形液化石油气储罐进行了三维热响应数值模拟研究，并考虑主 要因素在两种火焰条件下，对储罐热响应的影响。 南京工业大学的牛蕴【3 5 】利用有限元分析软件a n s y s 对火灾环境下液化气 球罐，首先进行瞬态热响应有限元分析，继而根据顺序耦合思想进行热一结构分 析，得到不同时刻下温度载荷和压力载荷共同作用的应力分布，最后根据应力 6 第一章绪论 分类方法，评价高温环境下的球罐的安全性，预测球罐破裂时间。中北大学李 骁骅【3 6 】运用同样的方法对球罐进行了应力分析，并在此基础上考虑破片撞击的 影响，分别探讨液化石油气的失效过程，初步分析了球罐的失效机理。 郑州大学的弋明涛3 7 】利用f l u e n t 软件研究在池火和喷射火的联合作用下 液化气罐车的热响应，然后利用a n s y sw o r k b e n c h 软件进行热结构耦合分析得 到罐体的应力分布，最后根据应力分类方法进行强度校核，评价罐体的安全性。 1 3 3 存在问题 火灾试验耗资大、危险性高，且火焰燃烧复杂容易受到环境因素和人为因 素的影响。实施火灾试验非常困难。近年来随着计算流体动力学、有限元等学 科的发展和计算机运算水平的极大提高，数值模拟得到了广泛的应用。火灾环 境下的压力容器热响应通常被分为：火灾环境、容器壁面的热传导和内部介质 的传质传热。通过阅读大量的国内外文献，对热响应的研究进行了如下的简化： ( 1 ) 对火灾环境的简化，一般假设压力容器处在全包围的均匀火焰中，火焰 的温度和热流密度不随时间和空间变化； ( 2 ) 对容器壁面间的热传导的简化，一般假设为二维热传导，不考虑沿轴向 的热传导； ( 3 ) 对内部介质的传质传热进行简化，一般假设不考虑分层区和相变的影 响。 根据燃烧特性，实际上不可能存在均匀的意外火灾环境，火灾环境的不均 匀性导致容器壁轴向一定存在热传导，而火灾过程的火焰温度、容器壁、内部 介质的传热是相互耦合的。对于要精确地模拟意外火灾环境下压力容器的热响 应规律，需考虑不均匀的火灾环境，采用三维热传导方程和进行耦合计算。 国内外意外火灾环境下的压力容器的研究集中在热响应方面，涉及到力学 响应方面的研究不多且相对简单。高温环境下，容器内压和材料的性能发生变 化，不同时刻对应不同的应力分布。目前对压力容器力学响应的研究主要在以 下两个方面：忽略温度变化仅考虑裂纹、疲劳的影响【3 8 。3 9 】；忽略压力变化只考 虑材料强度变化【4 0 1 。国内对压力容器的安全评定方法，大部分采用应力分类法， 由于火灾下的应力状态复杂且瞬态变化，材料的本构关系为非线性，应力分类 法不但不适用于非线性分析，而且工作量巨大【4 1 1 。 7 第一章绪论 1 4 研究内容与方法 1 4 1 研究内容 本课题主要对火灾环境下车用c n g 钢瓶的热及力学响应过程进行三维数值 模拟计算，并在此基础上初步探讨钢瓶的失效机理。通过阅读的国内外的相关 文献，本文拟在以下几个方面进行研究工作： ( 1 ) c n g 钢瓶的真实火灾环境的三维数值模拟研究。火灾环境为钢瓶的热响 应提供热边界条件，是钢瓶热力响应的基础。根据实际条件提出部分假设，建 立火灾环境的物理数学模型，然后进行模拟计算，得到火焰的温度、热流密度 分布，考虑气象条件因素的影响。 ( 2 ) c n g 钢瓶的热响应数值模拟研究。提出合理假设和简化，建立对应的物 理模型和数学模型。对钢瓶进行非稳态的流固耦合数值模拟计算，得到内部介 质的流场、温度场和压力场以及钢瓶壁的温度场。 ( 3 ) c n g 钢瓶的力学响应数值模拟。在热响应的基础上，考虑材料性能的变 化，在温度载荷和压力载荷共同作用下，讨论不同时刻下钢瓶的应力状态并进 行强度校核。 ( 4 ) c n g 钢瓶的失效机理分析、失效预测和预防。在热力响应的基础上，根 据失效形式和失效过程，对失效机理进行分析；提出失效的判断准则，对钢瓶 进行极限载荷分析，得到爆破压力，预测火灾环境下钢瓶的失效时间，并提出 预防失效的相关对策。 1 4 2 研究方法 基于分区求解、边界耦合数值解法和流固耦合传热理论，利用c f d 软件 f l u e n t 对火灾环境和火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应进行三维模拟求解。 在a n s y sw o r k b e n c h1 2 0 框架中集成流体力学模块f l u e n t 和热结构分析模 块m e c h a n i c a l ( 包括热分析s t e a d y s t a t et h e r m a l 和结构静力分析s t a t i cs t r u c t u r a l 两个子模块) ，根据单向流固耦合和顺序热结构耦合的思想，把f l u e n t 中瞬 态的温度边界和压力边界无缝转化到m e c h a n i c a l 模块中，用m e c h a n i c a l 模块计 算对应时刻的温度载荷和压力载荷共同作用下的总应力分布。根据弹塑性力学 理论和极限载荷有限元分析方珐，得到高温下的爆破压力，最后判断钢瓶的失 效时间。 8 第一章绪论 1 5 研究目的及意义 由于c n g 汽车保有量的不断增长，c n g 钢瓶的生产和使用量越来越多，钢 瓶的安全可靠性关系到c n g 汽车的运营安全。近年来，c n g 钢瓶的燃烧、爆炸 事故屡屡发生，往往造成车毁人亡的严重后果；同时c n g 汽车一般都在市区内 运行，人口、建筑物等集中，当发生爆炸事故时，还会对周围的人员、建筑物 和设备构成巨大的威胁。 本文通过火灾环境下车用c n g 钢瓶的热及力学响应研究，探讨失效过程， 从模拟结果中推导失效的机理，提出失效准则，预测失效时间与提出相关的消 防安全策略。火灾环境下压力容器类似本课题研究的相关报道还不多见，本课 题不仅可以进一步了解高温环境下车用c n g 钢瓶的失效机理，而且为车用c n g 钢瓶的火灾预防和救治提供了理论参考，具有重要的经济和现实意义。 9 第2 章火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应物理数学模型 第2 章火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应物理数学模型 2 1 火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应物理模型 意外火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应问题可以分为三个部分：包围钢瓶 的火灾环境，钢瓶壁，充装在钢瓶内部的压缩天然气。高温火灾环境的燃烧火 焰通过对流和热辐射方式向钢瓶外壁传热，燃烧火焰温度较高，辐射传热占主 导地位。钢瓶外壁到钢瓶内壁以热传导方式进行传热。储罐内壁对瓶内气态介 质以对流和辐射方式进行加热。内部介质通过对流甚至沸腾进行传质传热。 由于气体喷射火焰燃烧能在极短时间内达到稳态，钢瓶和内部介质的传热 是相对缓慢的非稳态过程。在火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应中，火灾环境 的火焰燃烧、流动、传热和钢瓶壁热传导及内部介质的流动传热过程相互耦合， 计算繁琐。利用分区计算、边界耦合的数值模拟方法，热响应过程分为：第一， 火灾环境燃烧数值仿真；第二，c n g 钢瓶的流固耦合( 包括钢瓶壁和内部气体 介质) 传热数值仿真。火灾环境下车用c n g 钢瓶的分区计算、边界耦合数值解 法的具体实施过程为【4 2 】：分别对各个计算区域的物理问题建立数学控制方程； 在耦合边界上选取温度连续、热流密度连续或第三类热边界条件中的任意两个； 假定耦合边界上( c n g 钢瓶外壁) 的温度分布，先对火灾环境区域进行求解， 得出耦合边界上的热流密度或梯度，然后在以此热流密度作为边界条件求解钢 瓶区域，以得出耦合边界上新的温度分布，如此迭代，直至收敛。 本文通过模拟计算火灾环境中火焰的燃烧、流动和传热，得到火焰的流场、 温度场及钢瓶外壁的热流密度分布，然后以得到的钢瓶表面的热流密度分布作 为钢瓶传热模型的热边界，进行钢瓶壁及内部流体的流固耦合模拟计算，获得 钢瓶壁的温度、内部介质的温度、流场及压力随时间变化的规律，完成火灾环 境下车用c n g 钢瓶内外的耦合传热计算。 2 2 火灾环境的数学模型建立 火灾试验的燃烧装置采用气体燃烧喷管，所以开放火灾环境中的流动、燃 烧和传热过程可以用气体燃烧基本方程组来描述。在燃烧物理学中，气体燃烧 基本方程组包括质量守恒方程( 连续性方程) 、动量守恒方程( 运动方程) 、能 1 0 第2 章火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应物理数学模型 量守恒方程及组分守恒方程( 扩散方程) ，火灾环境的气体燃烧是湍流燃烧，由 于火焰的高温，辐射传热为火灾的主要传热方式，在基本方程组中需要加入湍 流模型、燃烧模型以及辐射传热模型加以封闭【4 3 1 。 2 2 1 控制方程 2 2 1 1 连续性方程 质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 也被称为连续性方程，其一般 形式为： 譬+ v 妇) ：s 。 ( 2 1 ) a t 、 j m 式中，p 为密度，f 为时间，v 表示散度，“为速度矢量，& 为源项。 燃烧过程中，流体不可压缩，密度p 为常数，式子简化为： 尝+ 冬+ 娑：0 ( 2 2 ) 良 却 瑟 一一7 甜、y 和c o 是速度矢量h 在x 、y 、z 方向的分量。 2 2 1 2 运动方程 动量守恒方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 也被称为运动方程、n s ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程。基本形式为： p 瓦d u = v 盯+ j o g ( 2 3 ) 式中，仃为总应力张量，g 为重力加速度，全倒数尝= 昙+ 掰v 。总应力 张量可表示为： 仃= 一+ f( 2 4 ) 式中，p 为静压力，为单位矩阵，f 为偏应力张量。 对于火灾燃烧过程，重力加速度方向为z 轴负方向，表示粘性系数，在x 、 y 、z 方向的动量守恒方程为： 第2 章火灾环境下车用c n g 钢瓶的热响应物理数学模型 p f 丝+ “丝+ v 丝+ w 塑1 ：一a p + 旦l2 丝一三印秘l + p li 栅瓦+ v a y + w 瓦v - j5 一缸+ 瓦l 雒瓦一了纠咄j + 专( 考+ 象 + 毫 o w + 笔) 万i l 万+ 夏jl + 瓦r+ 瓦j j d 知罢+ v 考+ w 昝寺舡筹2 - f胛卟p 【百栅瓦+ v 面+ w 瓦j _ 一万+ 万l 掣万一j 刖_ j 十 毫 ( 考+ 芸 + 昙 ( 考+ 塞 4 詈+ 材尝十v 考+ w 老 一鱼+ 鲁i2 瓦0 w j 2 0 z +p 【百棚瓦州面州瓦j _ 一一十瓦l 掣瓦一j 叫r 去l ( 尝+ 老) + 专l ( 老+ 爹) 一昭 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 2 1 3 能量万槿 能量守恒方程( e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 的一般形式为： 昙池) + v ( 砧汹例一v 卜w 一手l 砂伊) j + 瓯 ( 2 8 ) 式中，e ：办一旦+ 冬；丸矿表示有效热传导系数，了，表示组分，的扩散流 p 二 量，& 表示化学反应热以及其他用户定义的体积热源项，方程右边前三项分别 为热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。 2 2 1 4 组分方程 组分守恒方程简称为组分方程( s p e c i e se q u a t i o n s ) ，有时称为组分质量传输 方程( s p e c i e sm a s s c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n s ) 或浓度方程。其一般形式为： 挈十v ( z ) ；v ( d ，g r a d ( m ，) ) + s ， ( 2 9 ) 式中，y ：是组分f 的体积浓度，p c ，是组分f 的质量浓度，d