火箭發(fā)動機試驗臺中低溫甲烷的安全排放研究綜述

喻闖闖，羅天培，劉瑞敏，曲 勝，張家仙，趙耀中

(1. 航天低溫推進劑技術國家重點實驗室，北京 100028；2. 北京航天試驗技術研究所，北京 100074;3. 北京市航天動力試驗技術與裝備工程技術研究中心，北京100074)

火箭發(fā)動機試驗臺中低溫甲烷的安全排放研究綜述

喻闖闖1,2,3，羅天培2,3，劉瑞敏2,3，曲 勝2,3，張家仙2,3，趙耀中1,2,3

(1. 航天低溫推進劑技術國家重點實驗室，北京 100028；2. 北京航天試驗技術研究所，北京 100074;3. 北京市航天動力試驗技術與裝備工程技術研究中心，北京100074)

首先對氣、液態(tài)甲烷的危險特性進行了分析，針對危險性最大的重氣擴散過程，詳細分析了其形成機理及影響因素。隨后對國內外重氣擴散問題的相關研究進行了全面的梳理和總結，在試驗方面，介紹了Burro、Coyote和Falcon系列大型重氣擴散經(jīng)典試驗；在理論分析和數(shù)值仿真方面，概述了典型重氣擴散模型的基本原理及優(yōu)缺點，針對CFD方法在重氣擴散模擬上的應用進行了較為細致的介紹。最后結合液氧/甲烷發(fā)動機試驗臺的具體排放需求，提出了高空排放、燃燒處理及圍堰排放三種排放方式，敘述了各自的工作原理、優(yōu)缺點及其適用范圍，并結合重氣擴散特點相應地給出優(yōu)化方案。

低溫甲烷；安全處理；重氣；擴散；排放

0 引 言

目前，世界范圍內航天活動繼續(xù)蓬勃發(fā)展，各國政府持續(xù)推進新型航天運載器的研制和發(fā)射場的建設[1]，其中重型火箭及可重復使用火箭是公認的研究熱點。尤其是可重復運載器的研制，它被認為是降低發(fā)射和運營成本，提高發(fā)射頻率，保障航天工業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展的必然之選[2]。美國Space X公司于2015年12月22日首次成功完成了獵鷹-9號的一子級陸地回收，引起了國際航天界的轟動，同時也開啟了人類航天史的新篇章[3]。

在可重復運載器的動力選擇上，液氧/甲烷發(fā)動機展現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢[4-12]，因此世界各航天強國爭相對其開展研究。2016年9月，美國藍源公司總裁貝索斯正式宣布其“新格倫”系列運載火箭研究計劃，火箭的第一級采用7臺BE-4液氧/甲烷發(fā)動機，總推力達到1743 噸，并且第一級在發(fā)射分離后可垂直返回重復使用。俄羅斯化學自動化設計局亦于2016年公布其85 噸的液氧/甲烷火箭發(fā)動機研究計劃，從2002年到2005年間，它曾與歐洲方面一同從事推力200噸的可重復使用的甲烷火箭發(fā)動機研發(fā)工作(項目代號“伏爾加”)。此外，自2006年起，設計局就致力于研制推力203.9 噸的國產(chǎn)可重復使用的甲烷發(fā)動機RD-0162，適配于MRKS-1可重復使用的航天系統(tǒng)。另外，近30年美俄還陸續(xù)推出了諸如RS-18改進型、RD-183/185/190等上面級液氧甲烷發(fā)動機。在國家高技術863計劃的支持下，近年我國也啟動了液氧甲烷發(fā)動機的預研工作，提出了推力為60噸量級的燃氣發(fā)生器循環(huán)液氧甲烷發(fā)動機的研究方案，2013年該發(fā)動機全系統(tǒng)試車取得成功。

在液氧/甲烷發(fā)動機的研制過程中，地面試驗是其必不可少的環(huán)節(jié)之一。在試驗系統(tǒng)的預冷、試后泄壓以及緊急泄出等階段，會有大量的低溫氣、液態(tài)甲烷排放，本文以液體火箭發(fā)動機試驗臺中液態(tài)甲烷的安全管理需求為牽引，對甲烷的危險特性進行了分析，針對甲烷重氣擴散過程，梳理了國內外相關的試驗和計算結果，依據(jù)排放流量的不同分別提出了相應的處置方案，同時提出了后續(xù)應重點關注的研究方向，以期為我國后續(xù)發(fā)動機的研制提供借鑒和參考。

1 甲烷的危險性分析

1.1物理性質

液態(tài)甲烷沸點為-161 ℃，是一種低溫液體；氣態(tài)甲烷的爆炸體積分數(shù)為5%～15%，產(chǎn)生窒息作用的濃度為25%～30%，自動點火溫度為540 ℃[10]，具有易燃易爆性。甲烷分子量約為16，是空氣分子量的0.57倍，但是在發(fā)動機試驗臺中一般接觸的為低溫甲烷，溫度降低會使甲烷的密度增大，到一定程度后會形成比空氣密度更大的“重氣”。甲烷的危險特性總結如下：

1)液態(tài)甲烷溫度較低，若與現(xiàn)場人員的皮膚接觸，會產(chǎn)生嚴重的低溫凍傷；若噴射或飛濺到試驗設備上，嚴重時會使設備產(chǎn)生低溫脆性破壞。

2)泄出的液態(tài)甲烷會從周圍環(huán)境迅速吸熱汽化，并伴隨著超壓及體積迅速膨脹，嚴重時會產(chǎn)生快速相變危害，破壞泄出口附近設備及建筑物。

3)大量泄出的液態(tài)甲烷從周圍環(huán)境吸熱汽化后會形成低溫重氣云，沿地面向下風向運動并不斷向外擴散，在地表或低洼處會形成一層可燃性氣體。在可燃邊界內，一旦有火源將產(chǎn)生嚴重的重氣云火災。若在封閉或半封閉的試驗環(huán)境內發(fā)上泄漏，很有可能發(fā)生爆炸。

對于發(fā)動機試驗臺來說，危險性最大的為甲烷重氣云的擴散特性。處于工作狀態(tài)的火箭發(fā)動機相當于巨大的火源，并且其尾焰強烈的輻射特性會使得大面積的周圍環(huán)境升溫[13]，因此在試驗過程中排放的甲烷一旦形成不受控的重氣云，后果不堪設想。

1.2甲烷重氣云形成過程機理

火箭發(fā)動機試驗臺中排放的甲烷一般為液態(tài)，從液態(tài)甲烷到形成甲烷重氣云通常歷經(jīng)液態(tài)的汽化、液池的擴展和氣云的擴散三個過程，下面分別對這三個過程展開分析。

1.2.1 液態(tài)甲烷的汽化

液態(tài)甲烷從試驗系統(tǒng)的貯箱或排放管道泄出時，壓力迅速降低為大氣壓力，液態(tài)甲烷變?yōu)檫^熱液體，初始階段液態(tài)甲烷將發(fā)生閃蒸現(xiàn)象(泄出后過熱液體由于液體的自身熱量而迅速蒸發(fā)的現(xiàn)象稱為閃蒸)[14]。閃蒸作用下液態(tài)甲烷生成甲烷蒸汽和甲烷液滴，當排泄口較小或者液態(tài)甲烷排泄量較小時，泄出的液態(tài)甲烷將全部閃蒸，不會出現(xiàn)液池。

在環(huán)境溫度已大幅度降低或者大規(guī)模排放液態(tài)甲烷時，泄出的液態(tài)甲烷只有部分發(fā)生閃蒸，來不及閃蒸的液態(tài)甲烷會在地面上形成集聚，產(chǎn)生液池。液池的溫度較低，和周圍環(huán)境之間的溫差較大，液態(tài)甲烷不斷從周圍環(huán)境吸收熱量，蒸發(fā)為氣態(tài)并形成低溫蒸汽云。液池與環(huán)境之間的熱交換方式主要為熱傳導和對流換熱，如圖1所示，液態(tài)甲烷蒸發(fā)過程主要受地面(接觸面)的導熱，太陽的輻射熱以及大氣的對流換熱影響，其中地面導熱占所有傳熱的80%以上。

1.2.2 液池的擴展

液池初始形成時蒸發(fā)速率大，有時會產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，液池會在初速度和重力的作用下進行擴展。假如液態(tài)甲烷垂直泄于地面，將形成圓形液池，液池半徑是時間的函數(shù)；而如果泄出的液態(tài)甲烷具有水平方向的初速度，液池在該方向上的擴展距離會大于其他方向，因此形成的液池不再是圓形。

液池的擴展主要受熱交換和動量因素的影響[16]。熱交換影響液池的蒸發(fā)速率，從而影響液池的大小與擴展；動量因素影響驅動液池向外擴展的力，如慣性力、粘性力、摩擦力和重力。動量在液池擴展的初始階段起主要作用，液池開始衰退時，摩擦和熱量傳遞的影響變得顯著。液池的蒸發(fā)速率、液池的大小與擴展，決定了釋放到大氣中的氣體量，是決定氣云擴散及危險域的主要因素。

Webber等[17]列出了工程上常用的液池擴展模型，但大部分模型是基于1970年代不易揮發(fā)液體溢出的研究工作，難以考慮上述液態(tài)甲烷液池擴展的復雜性。

1.2.3 氣云的擴散

該過程為試驗臺安全管理最為關注的過程。液態(tài)甲烷蒸發(fā)形成的氣云屬于重氣云，區(qū)別于輕氣體擴散隨氣流直接飄散的被動擴散過程，重氣存在重力下沉的現(xiàn)象，其擴散是沿地面向下風向進行擴散的(見圖2)，因此擴散過程受地貌環(huán)境影響[15]。

一般情況下，低溫重氣的擴散過程可分為以下四個階段：重力沉降階段、空氣卷吸階段、重氣擴散向非重氣擴散轉變階段以及被動擴散階段[19-22]。

1)重力沉降階段：此時氣云密度大于空氣密度，在重力的作用下，重氣云產(chǎn)生塌陷，同時沿風向擴展，氣云的高度降低，半徑變大，云團變得又扁又寬。該階段重力起主要作用，大氣湍流作用不明顯。

2)空氣卷吸階段：重氣下沉使氣云內部產(chǎn)生湍流，氣云側面生成渦旋，從而卷吸進空氣。隨著重力下沉作用的減弱，大氣湍流在氣云頂部引起的卷吸作用逐漸占主導作用?？諝饩砦繛閭让婧晚敳烤砦恐停瑲庠票痪砦M的空氣稀釋，濃度不斷降低。

3) 重氣擴散向非重氣擴散轉變階段：空氣卷吸過程使云團不斷被稀釋，而且低溫氣云與環(huán)境的換熱使氣云溫度逐漸升高，氣云密度逐漸降低。該過程重力作用不斷減弱，大氣湍流作用不斷加強，云團在垂直方向上的擴散加強，云團高度增加。該過程氣云的Ri數(shù)不斷減小，當小于臨界值Ri0時[23](一般取值為10)，重氣擴散過程轉變?yōu)榉侵貧鈹U散過程。Ri數(shù)(Richardson數(shù))為重氣擴散過程判斷依據(jù)，它是質點的湍流作用導致的重力加速度的變化值與高度為h的云團由于周圍空氣對其剪切力作用而產(chǎn)生的加速度的比值，其表達式為：

(1)

式中，ρ、ρa分別為云團、空氣的密度，單位kg/m3；g為重力加速度，單位m/s2；h為氣云高度，單位m；ν為空氣對氣云的剪切力所導致的摩擦速度，單位m/s。

4)被動擴散階段：氣云密度小于周圍空氣密度，重氣沉降作用基本消失，氣云向高處及下風向擴散明顯。此時氣云的擴散主要受大氣湍流控制。

1.3重氣云擴散影響因素分析

1.3.1 初始釋放狀態(tài)

初始狀態(tài)如排泄溫度、排泄壓力、排泄口空間布置及截面積、排泄時間等均影響重氣云的形成及擴散過程。排泄溫度影響低溫氣云的密度，進而影響重氣云的形成，影響與環(huán)境的換熱過程的劇烈程度；排泄壓力、排泄口空間布置及截面積影響氣云的初始速度，影響與環(huán)境的換熱與混合過程；排泄時間影響重氣云的總熱容。

1.3.2 大氣環(huán)境

環(huán)境溫度、風速、大氣穩(wěn)定度、空氣濕度等均影響重氣云與環(huán)境的熱量交換過程。風速影響重氣云與大氣間的傳熱傳質過程及氣云擴散的速度，大氣湍流即風速的脈動影響重氣云與大氣間的混合，空氣濕度影響大氣的密度及熱容，從而影響重氣云轉換為非重氣云的時間。

1.3.3 地形及障礙物

地表風速受地表粗糙度及高度影響，實際風場被稱為大氣邊界層梯度風。地形影響大氣邊界層風剖面的分布及風速的脈動特性，障礙物使風場結構發(fā)生變化，進而影響風速及湍流度的分布。

2 重氣云擴散相關研究

2.1大型試驗研究

為了研究重氣泄漏擴散過程及其影響因素，同時也為計算模型的建立提供驗證數(shù)據(jù)，從20世紀60年代末開始，國外學者利用不同重氣在不同條件下陸續(xù)進行了一系列現(xiàn)場泄放試驗，并獲得了大量具有極高利用價值的試驗數(shù)據(jù)。著名的系列試驗如表1所示。

表1 國外大型現(xiàn)場重氣擴散實驗[24]

2.1.1 Burro系列試驗

Burro現(xiàn)場試驗由美國能源部和氣體研究所發(fā)起，由美國國家重點試驗室LLNL進行，試驗地點為加州的中國湖海軍武器中心。該試驗將LNG泄放于直徑58 m、深1 m的水池表面，泄放管位于水池中央，內徑為25 cm。試驗總共進行了8次，泄放量的范圍為24-39 m3，泄放速率范圍為11.3-18.4 m3/min，風速1.8-9.1 m/s，大氣穩(wěn)定條件為不穩(wěn)定到輕穩(wěn)定度等級。泄漏源下風向不同位置不同高度布置有傳感器，測量風速及方向、溫度、濕度、氣體濃度和地面熱流等參數(shù)，以研究不同條件下LNG泄漏擴散特性。

Burro試驗測量設備精度高且數(shù)量多，參數(shù)測量較為全面，得到了較多有價值的試驗數(shù)據(jù)，其中Burro3、7、8、9號試驗常被國內外學者用于模型的校驗，相關試驗條件如表2所示。

表2 Burro試驗條件

試驗在不同的大氣穩(wěn)定度等級下進行。Burro 3試驗泄漏速率最小，風速居中，大氣穩(wěn)定度等級最低，因此氣云擴散速度最快，測得的LFL(燃燒下限濃度)最遠位置在泄漏點下風向180 m處，該值為所有試驗值的最小值。Burro 7試驗泄漏速率較小，但泄漏量最大，風速最大，大氣穩(wěn)定度為輕不穩(wěn)定，測得的LFL最遠位置在下風向240 m處。Burro 8試驗泄漏速率較大，風速最小，大氣穩(wěn)定度為輕穩(wěn)定等級，在系列試驗中最高，測得LFL最遠位置在下風向445 m處。該試驗中重力下沉現(xiàn)象最明顯，觀察到的氣云比其他試驗均更寬更低，該重氣云像固體一般，大氣風從其上面吹過，大氣湍流的卷吸作用不明顯，該試驗被認為是研究重氣泄漏擴散最有效的試驗。Burro 9試驗泄漏速率最大，試驗中RPTs(快速相變)現(xiàn)象最為明顯，使部分試驗設備受到了損傷[22]。

2.1.2 Coyote系列試驗

Coyote試驗的場地與Burro試驗相同，試驗儀器的布置與Burro 8近似，并增加了紅外成像儀和火焰速度測量裝置等儀器，以研究快速相變現(xiàn)象、重氣擴散及池火災現(xiàn)象。試驗測得了較為詳盡的重氣擴散數(shù)據(jù)，其中Coyote 3、5、6和7號試驗常被用于重氣泄漏擴散模型的校驗，相關試驗條件如表3所示。

表3 Coyote試驗條件

2.1.3 Falcon系列試驗

Falcon系列現(xiàn)場試驗由美國運輸部和氣體研究所發(fā)起，由美國國家重點試驗室LLNL進行，試驗地點為內華達州的內華達氣體試驗基地。該試驗的現(xiàn)場布置如圖3所示，LNG通過水池正上方的管路泄放于水池表面，泄放管路由4個相互垂直的支管組成，支管管徑為15.24 cm，支管出口附近安裝有截流孔板，防止管內發(fā)生閃蒸。泄漏口下方有帶錐的圓盤，以防止泄出的LNG沉入水中。方形水池尺寸為60 m×40 m×0.76 m，池內裝有水循環(huán)系統(tǒng)，以維持水溫恒定。以上布置均為使LNG快速蒸發(fā)。水池上風向設有擋板，其尺寸為17.1 m×13.3 m，水池周圍設有圍堰，尺寸為88 m×44 m×8.7 m，泄漏口上、下風向設有溫度測量儀、濃度傳感器、風速測量儀等測量儀器，以評估圍堰、擋板對LNG泄漏擴散過程的影響。

Falcon系列試驗包括5次LNG泄放試驗，泄放速率范圍為8.7 m3/min～30.3 m3/min，泄放體積為20.6 m3～66.4 m3，風速為1.7 m/s～5.2 m/s，大氣穩(wěn)定度為穩(wěn)定。其中Falcon 2號試驗部分數(shù)據(jù)不能確定，F(xiàn)alcon 5號試驗中快速相變現(xiàn)象較為顯著，泄漏開始后81 s時氣云被點燃，幾乎毀壞了所有的試驗設備。

大型現(xiàn)場泄放試驗不僅能深入研究重氣泄漏擴散特性，而且為重氣泄漏擴散數(shù)學模型的建立與驗證提供了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。但現(xiàn)場試驗的開展也存在如下困難：人力、物力和財力的消耗較大，開展周期長；氣象條件復雜，測點布置困難，試驗數(shù)據(jù)的質量難以保證；試驗存在風險，容易引發(fā)事故。因此重氣泄漏擴散大型現(xiàn)場試驗的開展主要集中于研究初期，隨后的研究工作主要集中在數(shù)值模擬方面。

2.2數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬具有研究成本低、研究周期短、安全方便、可重復性高等諸多優(yōu)點。為了研究重氣泄漏擴散過程，國內外學者進行了大量的數(shù)值模擬研究工作，研究內容主要包括重氣泄漏擴散特性及影響因素、危險評估及泄漏事故危險控制等。數(shù)學模型簡單易用、計算耗時短，有的甚至僅需幾秒就能得到危險域，且具有一定的準確度[22]，因此在實際的工程計算、泄漏事故的危險預估方面被大量使用。相關模型可分為專有模型及通用CFD模型兩類。

2.2.1 專有模型

較有代表性的專有模型包括高斯模型、經(jīng)驗唯象模型、箱及相似模型、淺層模型等。國外的Hanna 等[25]和Habib等[26]，國內的唐建峰等[27]、馮志華等[28]對各類模型進行了對比分析，得到了各典型模型及計算軟件的適用情況，并對模擬結果進行了精度分析，研究結果整理如表4所示。

表4 典型模型適用情況[15]

1)高斯模型：高斯模型基于統(tǒng)計學理論研究擴散介質的濃度分布問題，主要針對輕氣體擴散。高斯模型提出時間較早，簡單易算，模型較為成熟，計算結果具有一定的精度，在上世紀八十年代早期應用廣泛。修正的高斯模型MTB模型是最早用于模擬LNG重氣泄漏擴散的模型，但因未考慮重力因素，模擬精度較差[29]。

2)經(jīng)驗唯象模型：唯象模型是指根據(jù)大量重氣泄漏擴散試驗數(shù)據(jù)繪制的一系列圖表及簡單關系式[30]。Britter等[31]收集了大量的重氣連續(xù)泄放和瞬時泄放的試驗數(shù)據(jù)，并繪制了一系列圖表，Hanna等[30]對試驗數(shù)據(jù)進行了無因此處理，得到了與試驗曲線基本吻合的解析公式，此即所謂的B&M模型。B&M模型是典型的經(jīng)驗唯象模型，簡單易用，計算量小。但是該類模型局限性大，不能適用于其導出范圍之外的場景，可用作基礎的篩選模型，應用受限。

3)箱及相似模型：Ulden[32]在重氣瞬時泄放試驗中發(fā)現(xiàn)，觀察到的氣云橫向擴散參數(shù)是中性氣體的4倍，垂向擴散參數(shù)是中性氣體的1/4，他稱之為重力下沉現(xiàn)象，并對此第一次提出箱模型概念。箱模型將重氣云簡化為一個圓柱體箱，其初始狀態(tài)為：半徑R0，高度H0，體積V0。擴散初期氣云在重力的作用下下沉，對應的圓柱箱體高度減小，半徑增大，擴散中空氣卷吸現(xiàn)象發(fā)生在箱體的上部和側面。箱模型假設側風向任意處氣云的濃度場、溫度場等均為矩形分布，即氣云內分布均勻，其他地方為零?？梢娤淠Ｐ椭荒苡嬎阒貧庠茍F的整體特征，如氣云平均半徑，常被用來計算封閉條件下大氣污染物的濃度分布問題[22]。

相似模型是以箱模型概念為基礎開發(fā)的模型，它假定側風向任意處氣云的濃度場、溫度場等均為相似分布(如高斯分布)，該模型考慮了重氣云內擴散引起的參數(shù)不均勻分布，并利用湍流擴散系數(shù)計算卷吸空氣過程。應用較廣泛的有DEGADIS模型[33]和挪威公司DNV自主研制的PHAST軟件[34]。

箱及相似模型物理概念清晰，計算量較小，使用方便，對LNG泄漏擴散模擬的結果具有較好的精度，適用于危險事故的快速評價。但是該類模型存在局限：模型進行了氣云參數(shù)的自相似分布假設，會導致不連續(xù)界面的存在，模擬結果存在不確定性；未考慮避免效應，模擬帶有障礙物(儲罐、圍堰等)的情況時精度較差[35]，需進行模型的修正。

4)淺層模型：淺層模型采用淺水方程描述重氣泄漏擴散的實際物理過程。淺水理論假設流體的特性(溫度，速度等)在厚度方向不變，僅是橫向位置的函數(shù)，因此該類模型可視為二維模型。

箱及相似模型等一維模型，假設太多而導致不能很好地描述重氣泄漏擴散的實際物理過程。三維模型雖能很好地描述實際過程，但是計算復雜，耗時較長。淺層模型介于兩者之間，既克服了一維模型過于簡化的缺點，又結合重氣擴散過程特點對其控制方程進行簡化，能夠準確的描述重氣擴散過程場的變化。美國LLNL開發(fā)的SLAB模型[36]是典型的淺層模型，可以模擬不同泄放源的重氣泄漏擴散過程。該類模型使用簡單、計算快速，工程應用中使用較多，但是不能考慮建筑物以及地形變化等復雜情況[22]。

2.2.2 CFD模型

近年隨著計算機能力的不斷提高，越來越多的重氣擴散研究開始應用CFD模型。同上述模型相比，CFD模型可模擬復雜地形或障礙物對重氣擴散的影響，能在三維空間和時間上提供最詳細的變量場[18]。

England等[37]最早采用CFD方法模擬重氣擴散的物理過程，通過建立SIGMET數(shù)學模型，模擬了LNG蒸汽云的擴散過程。Giannissi等[38]利用ADREA-HF軟件包模擬了Falcon 1泄漏擴散試驗，并對比了不同源項模擬方法的計算精度。Olewski等[39]通過耦合力平衡方程、能量方程以及相變方程，建立了LNG泄漏擴散池模型，并對瞬時泄漏和連續(xù)泄漏過程進行了模擬；并用FLACS軟件分析了水幕對LNG泄漏擴散過程的影響，為LNG泄漏擴散的抑制系統(tǒng)設計提供了理論指導。成熟的商用軟件Fluent[40-45]和CFX[46-52]也在重氣擴散研究中得到廣泛的應用，并有相當高的精度。

但目前大多的CFD模型采用了簡化手段，適用范圍不寬。早期的經(jīng)典試驗(Burro，Coyote，F(xiàn)alcon)均將甲烷(LNG)直接泄于水面上，這會造成甲烷的快速蒸發(fā)，蒸發(fā)的速率基本等于排放速率，因此這些模型大多不考慮相變以及液態(tài)甲烷和水的相互作用，直接將水池的表面當做計算域的入口，將該入口的成分設置成全部氣態(tài)甲烷，采用單相流動方法計算。顯然，這種方法不具備普適性，當液態(tài)甲烷向地面或混凝土等排放時，由于其較低的熱擴散系數(shù)，液態(tài)甲烷在初始的快速蒸發(fā)后會形成液池，蒸發(fā)速率也會顯著下降，這時采用這種簡化方法會導致計算精度大幅下降。

3 幾種可選的排放方式

火箭發(fā)動機試驗臺中甲烷排放的基本原則是避免甲烷重氣云和火源接觸，針對上文所述低溫甲烷特點，可考慮應用下面三種排放方式。

3.1高空排放

高空排放是最簡單的排放方式，同時具有操作方便、成本較低等特點，在低溫氫的處理上得到了廣泛的應用[53]，該種方式適用于小流量的甲烷排放。如圖4所示，排放的液態(tài)甲烷經(jīng)過長管路的換熱后首先會汽化，隨后氣態(tài)的甲烷會不斷升溫，當氣態(tài)甲烷溫度足夠高、密度足夠小時，從排放口釋放的甲烷會向上或者水平飄散。排放管采用導熱系數(shù)較高的材料，同時管口顯著高于周圍建筑物，這樣就避免了甲烷同火源及其他障礙物接觸，保證了排放的安全。

一般而言，一套完整的高空排放系統(tǒng)主要由排放管、吹除裝置、放水閥等組成。此外，有些排放管還裝有防火器、自感式針尖消電器、單向閥等，對于較粗的排放管，還應安裝金屬網(wǎng)，防止鳥及鳥毛、昆蟲等進入排放管。通常每次排放前系統(tǒng)都需進行吹除置換，避免甲烷蒸汽和空氣在排放管內混合。

3.2燃燒處理

如前文所述，高空排放只適用于小流量的甲烷排放。當排放流量增大時，為保證換熱充分、甲烷氣云不下沉就需要增加換熱管的面積，進而使整個系統(tǒng)規(guī)模加大。中等流量的甲烷排放通常采用燃燒處理的方法，燃燒處理一般有火炬煙囪和燃燒池兩種方式。

3.2.1 火炬煙囪

火炬煙囪廣泛應用于石油化工領域用，用于處理石油開采、化工生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣。火炬煙囪系統(tǒng)主體結構和高空排放系統(tǒng)類似，區(qū)別在于排放管末端增加了點火裝置，結構如圖5所示，它主要由火炬頭、分子密封器、氮氣吹除系統(tǒng)、單向閥、燃氣(如丙烷)供應裝置、點火器等組成。

火炬煙囪的原理是通過人為點燃甲烷蒸汽，使其在空氣中燃燒，進而消除可燃重氣云?；鹁嫒紵畲蟮娜毕菔腔鼗?，如果從火炬頭排放的甲烷氣體和速度和流量較小，低于燃燒速度時，則火焰會倒飄入煙囪內引發(fā)回火，因此火炬煙囪處理不適合間歇式、流量范圍跨度大的甲烷氣體排放情況。對于發(fā)動機試驗臺來說，由于試驗中的各階段甲烷的排放流量和壓力很不穩(wěn)定且變化范圍較大，不同于石油化工廠定壓定流量的穩(wěn)定燃燒情況，應謹慎使用火炬煙囪方式。

3.2.2 燃燒池

燃燒池是另一種采用燃燒處理可燃氣體的方式，它克服了火炬煙囪排放存在的回火問題，同時處理可燃氣體的能力大大增加，是目前公認為最安全可靠、處理能力最大的方式。

燃燒池結構如圖6所示，它由送氣管、單向閥、分配主管、豎管、泡罩帽、水池和點火裝置組成。甲烷氣體從泡罩帽下緣逸出水面，利用分布于水池四周的多個點火器點燃，甲烷氣體在水面上與空氣混合燃燒，池水既能防止回火，又能有效阻止外界空氣進入排放管，起到水封作用。燃燒池還具有適應可燃氣體流量大幅度波動的優(yōu)點，非常適合在試驗的不同階段排放甲烷流量跨度較大的發(fā)動機試驗臺和大流量加注的火箭發(fā)射場。

3.3圍堰排放

在火箭發(fā)動機試驗中，某些緊急情況需要大流量的泄出液態(tài)甲烷，這時可采用圍堰排放的方式。如圖7所示，泄出的甲烷經(jīng)排放管引流排入積液池，積液池四周砌有圍堰。池內液態(tài)甲烷通過與周圍環(huán)境的換熱會逐漸氣化，積液池和圍堰的存在限制了甲烷氣云的橫向擴散，而在豎直方向上擴散出圍堰的甲烷氣體密度已較小，會不斷向上攀升，因此相比于高空排放，圍堰排放形成的氣云擴散范圍要小很多。但該種排放方式需要綜合考慮風向、風速及圍堰周圍環(huán)境等。

4 后續(xù)應開展的研究方向

4.1數(shù)值模型研究

前文提到，火箭發(fā)動機試驗臺中甲烷排放的基本原則是避免甲烷重氣云和火源接觸。目前的數(shù)值模型主要著眼于氣云的擴散過程，而對液態(tài)甲烷的相變、液態(tài)甲烷與地面或水的相互作用以及液池的形成和擴展等過程研究甚少，大多直接予以簡化。顯然，簡化的模型無法直接用于實際的工程設計和安全評估。

另外，文獻[40-41]指出重氣與大氣的摻混及隨后的擴散過程主要受當?shù)氐耐牧鲝姸扔绊?，而相變等過程會造成當?shù)氐耐牧鲝姸燃眲≡黾?，并伴隨著局部漩渦的大量生成，這會直接影響到模型預測的精度。尤其當液態(tài)甲烷排放于圍堰中時，大氣湍流對圍堰內環(huán)境影響很小，相變等過程對整個氣云發(fā)展的影響更為明顯。因此，開發(fā)可模擬整個排放過程的完整數(shù)值模型對開展甲烷的安全處理研究具有重要意義，具體的模型研究可按以下三點開展：

1)源項對重氣云擴散過程的影響，涉及泄出液相的閃蒸過程、液池的擴展及氣液兩相間復雜的傳熱傳質等；

2)空氣濕度對重氣云擴散過程的影響；

3)地面?zhèn)鳠峒耙合嘈狗艜r沸騰過程的影響。

4.2三種排放方式的工程化研究

4.2.1 高空排放

高空排放是最簡單的排放方式，然而，高空排放的處理能力有限，當甲烷的排放流量增加到一定程度，甲烷的升溫程度不夠后，會產(chǎn)生重氣云下沉現(xiàn)象，危及試驗臺安全。在北京某研究所內某次甲烷發(fā)動機試車采用了該種排放方式，在試車過程中發(fā)動機的火焰引燃了下沉的甲烷氣云，進而引燃了周圍的樹林，發(fā)生了著火事故。

影響高空排放效果的直接因素為甲烷與管壁的換熱以及排放管口甲烷蒸汽與大氣的摻混過程。后續(xù)應開展的關鍵技術研究包括：

1)甲烷與管壁的沸騰換熱及對流換熱規(guī)律研究；

2)不同排放口形式對甲烷、大氣摻混過程的影響；

3)吹除管路布置、吹除流量對管內置換作用的影響。

以上關鍵技術掌握后，根據(jù)試驗臺甲烷排放需求及具體參數(shù)，結合大氣條件進行模擬分析可行性，必要時可在排放管上增設加熱裝置以加強對甲烷的加溫作用。

4.2.2 燃燒處理

燃燒處理可消除重氣云擴散的潛在危害，是一種相對來說較安全的排放方式。該種排放方式需突破的關鍵技術為：

1)高可靠點火技術。試驗臺排放的甲烷流量跨度大而且為間歇式，點火裝置的設計須保證在大跨度的排放流量下均能可靠點火，否則有爆燃風險。其中電點火器+氫氣長明燈的方式可作為主要研究方向。氫氣在空氣中的擴散速度快，點燃能量低，所需的理論空氣量最少。同時氫氣燃燒能夠產(chǎn)生極高的燃燒熱值，在流量相同的條件下，氫氣的燃燒熱約是乙炔的3倍，最容易點燃甲烷氣云。

2)防回火設計?；鹁嫒紵绞疆敾鹁骖^排放的甲烷流量低于燃燒速度時，火焰會倒飄入煙囪內引發(fā)回火。后續(xù)研究可從阻火器設計及氣封系統(tǒng)設計兩個方面入手。其中阻火器設計可考慮采用迷宮結構等，而氣封系統(tǒng)可考慮使用氮氣吹除方式使管道內始終保持一定壓力，防止燃氣倒流入管道。

4.2.3 圍堰排放

圍堰排放方式的核心是將可燃氣云限制在有限的空間內，影響圍堰排放效果的直接因素為液態(tài)甲烷的蒸發(fā)規(guī)律及甲烷氣云與大氣的摻混規(guī)律。后續(xù)應結合數(shù)值模型的開發(fā)一起開展以下研究：

1)不同圍堰結構形式對甲烷和大氣摻混的抑制作用研究；

2)環(huán)境(溫度、濕度、風速等)對圍堰排放效果的影響；

3)圍堰底部及內壁與甲烷的傳熱規(guī)律及甲烷的蒸發(fā)規(guī)律研究。

5 結 論

本文基于發(fā)動機研制過程中的低溫甲烷安全處理需求，對低溫甲烷的危險性進行了分析，針對危害性最大的重氣擴散過程，梳理了國內外的相關研究成果和最新進展。依據(jù)低溫甲烷以及火箭發(fā)動機試驗臺特點，提出了高空排放、燃燒處理及圍堰排放三種排放方法，并給出了相應的關鍵技術途徑和后續(xù)的研究方向，可為液氧甲烷發(fā)動機的研制和試驗臺的建設提供借鑒和參考。

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ReviewofStudiesonEmissionofCryogenicMethaneatRocketEngineTestBench

YU Chuang-chuang1,2,3, LUO Tian-pei2,3, LIU Rui-min2,3, QU Sheng2,3, ZHANG Jia-xian2,3, ZHAO Yao-zhong1,2,3

(1. State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Beijing 100028, China; 2. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074, China;3. Beijing Engineering Research Center of Aerospace Propulsion Testing Technology and Equipment, Beijing 100074, China)

Firstly, the dangerous characteristics of liquid methane are analyzed. The formation mechanism and the law of motion of heavy gas diffusion are described and analyzed in detail, which is the most harmful process during the ground test. After that, the related studies on the issue are reviewed and summarized. The scenes of the large-scale foreign heavy gas diffusion field tests are briefly described, including the classical Burro, Coyote and Falcon series tests. In the aspects of the theoretical analysis and numerical simulation, the basic principles and features of the classical models are summarized, and the studies on the applications of the CFD model are introduced in detail. Finally, three methods are proposed based on the emission demands of the liquid oxygen/methane engine test. And their basic principles, advantages, scope of their respective applications are also discussed.

Cryogenic methane; Safety disposal; Heavy gas; Diffusion; Emission

F407.5; TM623.8

A

1000-1328(2017)10- 1013- 11

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.10.001

2017- 06- 16;

2017- 08- 11

航天低溫推進劑技術國家重點實驗室基金課題(SKLTSCP1514)

喻闖闖(1993-)，男，碩士生，主要從事低溫液體推進劑研究。

通信地址：北京豐臺區(qū)云崗北山小區(qū)7棟(100074)

電話：13051389216

E-mail:chuangge1596@sina.com