直線運(yùn)動(dòng)下移動(dòng)火源燃燒實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬

樓波，丁利，龍新峰，邱平，徐毅

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510640；2. 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州，510640)

直線運(yùn)動(dòng)下移動(dòng)火源燃燒實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬

樓波1，丁利1，龍新峰2，邱平2，徐毅1

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510640；2. 華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州，510640)

為了研究直線運(yùn)動(dòng)下移動(dòng)火源的燃燒特性，對(duì)風(fēng)洞中做直線運(yùn)動(dòng)的蠟燭火焰在不同工況下的燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：當(dāng)移動(dòng)火源與空氣的相對(duì)速度為0.44 m/s時(shí)，風(fēng)作用和車作用2種不同情況下火焰都向同一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，但火焰形態(tài)差異較大，前者火焰短而寬，后者火焰細(xì)而長(zhǎng)，且后者燃燒溫度更高。絕對(duì)靜止燃燒和相對(duì)靜止燃燒時(shí)，前者火焰呈左右對(duì)稱圖形，后者火焰向火源運(yùn)動(dòng)的反方向偏轉(zhuǎn)，后者燃燒溫度更高。因此，移動(dòng)火源與靜止火源燃燒有區(qū)別，不能利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念來(lái)分析移動(dòng)火源燃燒。

移動(dòng)火源；動(dòng)網(wǎng)格；相對(duì)速度；火焰燃燒；數(shù)值模擬

移動(dòng)火源是指著火時(shí)火源點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如高速行駛的列車著火。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)際上對(duì)湍流燃燒模擬的研究主要集中于靜止火源燃燒[1?4]，而對(duì)移動(dòng)火源的研究較少。目前，一些學(xué)者已開展了涉及到移動(dòng)火源的一些工作，如 Lewis等[5]通過(guò)旋轉(zhuǎn)一個(gè)封閉長(zhǎng)管，在管中產(chǎn)生一個(gè)離心力場(chǎng)，并測(cè)量管中預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，得出了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c離心力之間的關(guān)系；吳晉湘等[6?10]研究了體積力場(chǎng)對(duì)預(yù)混火焰面形狀的影響，分析了離心力和科氏力對(duì)火焰結(jié)構(gòu)、燃燒過(guò)程及燃燒不穩(wěn)定性的影響，并重點(diǎn)研究了離心力或復(fù)合向心加速度對(duì)火焰?zhèn)鞑?、熄滅等燃燒物性影響；郗艷紅等[11]研究了在隧道內(nèi)行駛的地鐵列車火災(zāi)的安全速度，得到了著火列車在隧道內(nèi)行駛的最佳速度，但這些研究都沒(méi)有單獨(dú)提出移動(dòng)火源的概念。目前，人們通常認(rèn)為可以利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)外加風(fēng)速于靜止火源的辦法來(lái)研究移動(dòng)火源。LI等[12]研究火源運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)：火源運(yùn)動(dòng)的火焰鋒面形態(tài)與同一外界風(fēng)速引起的火焰鋒面形態(tài)變化并不一樣。由此認(rèn)為，火源運(yùn)動(dòng)速度v和加速度a等均會(huì)對(duì)流動(dòng)、傳熱和燃燒產(chǎn)生影響，已有的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)尚不足以認(rèn)識(shí)移動(dòng)火源深層問(wèn)題。為研究此問(wèn)題，本文作者對(duì)直線運(yùn)動(dòng)下的移動(dòng)火源燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和拍照，同時(shí)運(yùn)用Fluent軟件建立非預(yù)混燃燒模型并配合使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)移動(dòng)火源進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比，分析不同情況下移動(dòng)火源的燃燒火焰形態(tài)變化，研究移動(dòng)火源與靜止火源燃燒的區(qū)別，闡述不能利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念來(lái)分析移動(dòng)火源燃燒。

1 實(shí)驗(yàn)

如圖1所示，用玻璃搭建一個(gè)風(fēng)洞作為火源直線運(yùn)動(dòng)的空間，風(fēng)洞長(zhǎng)4.8 m，寬和高均為0.3 m，兩端開口，其余方向均封閉。開口的一側(cè)用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)，在風(fēng)洞中形成一種均勻的直流風(fēng)速。

圖1 模型原理圖Fig.1 Schematic diagram of model

選擇石蠟作為燃燒火源，將燃燒中的石蠟固定在小車上，小車在風(fēng)洞中作直線運(yùn)動(dòng)，形成實(shí)驗(yàn)條件下的移動(dòng)火源。移動(dòng)火源的實(shí)驗(yàn)段距離l=3.6 m，小車向右行駛，記錄小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t；火源的平均移動(dòng)速度v1=l/t；風(fēng)洞中風(fēng)的方向可以向右或向左，速度設(shè)為v2，則火源和風(fēng)產(chǎn)生一種相對(duì)速度，且相對(duì)速度為v0=v1?v2。向右運(yùn)動(dòng)為正，向左運(yùn)動(dòng)為負(fù)。實(shí)驗(yàn)中移動(dòng)火源的4種不同工況如表1所示，通過(guò)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)工況下的移動(dòng)火源實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行拍照，得到移動(dòng)火焰形態(tài)。

表1 移動(dòng)火源不同工況Table 1 Different working conditions of mobile fire

2 建立模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

運(yùn)用Fluent軟件對(duì)不同運(yùn)動(dòng)工況下的移動(dòng)火源進(jìn)行數(shù)值模擬，在實(shí)驗(yàn)條件下風(fēng)洞中的風(fēng)速小于2 m/s，為層流狀態(tài)，因此，使用層流模型。對(duì)于石蠟燃燒，采用二維湍流模型，用標(biāo)準(zhǔn)k?ε雙方程求解湍流流動(dòng)[13]，使用SIMPLEC算法來(lái)求解雷諾平均N?S方程，其控制方程如下：

湍動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)能耗散率ε方程：

式中： 為流體密度； 為流體黏性系數(shù)；μt為湍流渦黏系數(shù)，μt=cuρk2/ε，經(jīng)驗(yàn)常數(shù) cu=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，cε=1.3。Gk, Gb分別為由于速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)?；鹪慈紵Ｐ筒捎梅穷A(yù)混燃燒模型(Non-Premixed Combustion)，燃料為石蠟，蠟燭燈芯直徑為3 mm，氧化劑為空氣N2和O2含量(體積分?jǐn)?shù))分別為79%和21%，常溫下空氣溫度為300 K。

2.2 動(dòng)網(wǎng)格

動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來(lái)模擬流場(chǎng)形狀因邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問(wèn)題，湍流模型結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)二維空間內(nèi)的移動(dòng)火源燃燒進(jìn)行模擬，類似模型在非穩(wěn)態(tài)空化流中有所應(yīng)用[14?15]。本模型采用有限元方法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，把移動(dòng)火源設(shè)置為動(dòng)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分見圖2，火源周圍較密集，遠(yuǎn)離火源的區(qū)域網(wǎng)格較稀疏。

圖2 網(wǎng)格圖Fig.2 Picture of mesh

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬對(duì)比

3.1 風(fēng)、車運(yùn)動(dòng)下火焰分析

工況Ⅰ和工況Ⅱ的實(shí)驗(yàn)圖像及模擬結(jié)果分別如圖3和圖4所示，從圖3和4可看出：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合較好，證明建立的模型是合理的。但從工況Ⅰ和工況Ⅱ火焰外形來(lái)看，雖然兩者的相對(duì)速度同為0.44 m/s，火焰燃燒都向左偏轉(zhuǎn)，然而形態(tài)差異較大。

工況Ⅰ和工況Ⅱ火焰附近速度場(chǎng)分布模擬如圖 5所示。工況Ⅰ火焰只受到風(fēng)的作用，風(fēng)速為?0.44 m/s，火源速度為0 m/s，風(fēng)對(duì)火源的作用是大面積的來(lái)流，移動(dòng)火源受到一種大范圍內(nèi)的自右向左的氣流干擾，使火焰產(chǎn)生向左偏移的趨勢(shì)，由圖3火焰形態(tài)可知：火焰向左偏轉(zhuǎn)，火焰底部較寬，從底部變化到火焰尖峰寬度梯度變化大，整個(gè)火焰顯得短而寬，燃燒最高溫度為1 120 K。而工況Ⅱ下移動(dòng)火源的運(yùn)動(dòng)引起火源周圍氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，只影響火焰附近小范圍內(nèi)流場(chǎng)變化，此情況下火源以0.44 m/s 的速度向右運(yùn)動(dòng)，風(fēng)速為0 m/s，移動(dòng)火源向右做直線運(yùn)動(dòng)，由于空氣阻力和火焰自身慣性作用，使燃燒的火焰有一種向左偏的趨勢(shì)。由圖4可知：工況Ⅱ下，從火焰底部變化到火焰尖峰寬度梯度變化較工況Ⅰ小，整個(gè)火焰呈現(xiàn)一種細(xì)而長(zhǎng)的形態(tài)，燃燒最高溫度為1 170 K。由此可知，工況Ⅰ受大范圍來(lái)風(fēng)氣流影響與工況Ⅱ火源自身運(yùn)動(dòng)引起周圍局部氣流變化相比更容易散熱，工況Ⅱ燃燒溫度更高。因此對(duì)于移動(dòng)火源，不能利用通過(guò)外加風(fēng)速產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的辦法來(lái)分析。

圖3 工況Ⅰ火焰形態(tài)Fig.3 Flame form of condition Ⅰ

圖4 工況Ⅱ火焰形態(tài)Fig.4 Flame form of condition Ⅱ

3.2 絕對(duì)靜止和相對(duì)靜止火焰燃燒分析

圖5 工況Ⅰ和工況Ⅱ下速度場(chǎng)Fig.5 Velocity fields of conditions Ⅰ and Ⅱ

圖6 工況Ⅲ火焰形態(tài)Fig.6 Flame form of condition Ⅲ

圖7 工況Ⅳ火焰形態(tài)Fig.7 Flame form of condition Ⅳ

圖8 工況Ⅲ和工況Ⅳ下速度場(chǎng)Fig.8 Velocity fields of conditions Ⅲ and Ⅳ

為了更好驗(yàn)證風(fēng)、車運(yùn)動(dòng)下對(duì)移動(dòng)火源影響的不同，對(duì)處于絕對(duì)靜止和相對(duì)靜止火源的2種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及模擬對(duì)比。實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果分別如圖6和圖7所示?？梢姡憾呋鹧嫘螒B(tài)差異很大。2種工況下火焰附近速度場(chǎng)分布如圖8所示。由圖8可見：2種工況的差異也很明顯。在絕對(duì)靜止情況下，火焰速度和風(fēng)速均為0 m/s，這是典型的完全擴(kuò)散燃燒，可以看到蠟燭燈芯上方燃料釋放的流速在整個(gè)速度場(chǎng)中相對(duì)較大?；鹧鏈囟雀?，空氣溫度低，火焰與周圍空氣產(chǎn)生溫度差，引起火源附近氣體擾動(dòng)，但流速不大，接近于0 m/s，因此整個(gè)燃燒過(guò)程基本不受外界影響，燃燒平靜，火焰呈左右對(duì)稱的光滑曲面，最高溫度為 881 K。 而相對(duì)靜止情況下速度場(chǎng)圖8(b)，此情況火焰速度和風(fēng)速均為1.7 m/s，方向同為右，這時(shí)火源四周速度場(chǎng)處于同右向分布狀態(tài)，氣體流速約為1.7 m/s。由此可見，雖然工況Ⅳ處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，與工況Ⅲ絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)相比，火源附近氣流具有一定速度，相同時(shí)間內(nèi)使更多新鮮空氣參與燃燒反應(yīng)，燃燒更為劇烈，此時(shí)燃燒最高溫度為1 050 K，而且火焰形態(tài)向左偏轉(zhuǎn)。因火焰的阻擋，使火焰右側(cè)的氣流速度低于 1.7 m/s，同時(shí)靜壓升高，整個(gè)火焰外形向左傾斜。說(shuō)明此情況下火源自身的運(yùn)動(dòng)對(duì)火焰形態(tài)也有影響。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬都說(shuō)明絕對(duì)靜止燃燒和相對(duì)靜止燃燒2種燃燒有區(qū)別，不能完全利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念來(lái)研究移動(dòng)火焰燃燒。

4 結(jié)論

(1) 在風(fēng)、車運(yùn)動(dòng)下，火焰為 2種不同的外形，影響因素的不同使二者燃燒形態(tài)和速度場(chǎng)有很大不同，其中風(fēng)作用下火源周圍受大范圍內(nèi)來(lái)風(fēng)氣流影響，而車作用下只引起火焰周圍局部氣流變化。兩者的散熱條件也不一樣，前者比后者散熱快，后者燃燒溫度更高。

(2) 相對(duì)靜止火焰燃燒與絕對(duì)靜止火焰燃燒有明顯不同，由于前者火焰四周氣流湍動(dòng)更大，更多的空氣與燃料接觸反應(yīng)，比后者燃燒程度更劇烈，溫度更高。相對(duì)靜止時(shí)移動(dòng)火焰本身的運(yùn)動(dòng)也有影響，引起火焰形態(tài)向火源運(yùn)動(dòng)的反方向偏轉(zhuǎn)。

(3) 移動(dòng)火源與靜止火源燃燒有本質(zhì)區(qū)別，不能利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念來(lái)分析移動(dòng)火源燃燒。其深層次的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

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(編輯 趙俊)

Mobile fire combustion experiment and numerical simulation during linear motion

LOU Bo1, DING Li1, LONG Xinfeng2, QIU Ping2, XU Yi1

(1. Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology, School of Electric Power,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In order to study combustion characteristics of mobile fire during linear motion, candle flame during linear motion experiment in a wind tunnel was made to research the combustion mechanism and the Fluent software was also used as a numerical simulation contrast. The results show that flame will deflect to the same direction in the two different conditions of wind movement and car movement when mobile fire and air relative speed is 0.44 m/s, but their flame shapes are different, the former flame is short and wide, while the latter flame is thin and long, and the latter combustion temperature is higher. Compared with the relative rest combustion, absolute rest combustion flame is symmetrical graph,the latter flame form moves to the contrary direction of the movement of fire, and the latter flame combustion temperature is higher. So mobile and static fires are different, and relative motion concept can not be used to research the mobile fire combustion.

moving fire; dynamic mesh; relative velocity; flame combustion; numerical simulation

TK413.2，V231.2

A

1672?7207(2013)03?1240?06

2011?12?25；

2012?03?05

廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)(2008A060301002)；廣州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(12C72081667)

樓波(1965?)，男，浙江義烏人，博士，副教授，主要從事燃燒理論與應(yīng)用研究；電話：020-22236823；E-mail: loubo@scut.edu.cn