管道中丙烷/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘臄?shù)值模擬

李書(shū)明，戴文元，程關(guān)兵

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

管道中丙烷/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘臄?shù)值模擬

李書(shū)明，戴文元，程關(guān)兵

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,采用4步反應(yīng)機(jī)制來(lái)?；榈难趸?利用Fluent軟件研究了常溫常壓下丙烷/空氣預(yù)混氣體在光滑的方管道中火焰的傳播特性,獲得火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰結(jié)構(gòu)、表面積、火焰到達(dá)位置和時(shí)刻沿管道變化情況。結(jié)果表明:火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍笾饾u減小。在離點(diǎn)火端50 mm處到達(dá)最大值,之后逐漸降低。在t=21 ms時(shí),火焰開(kāi)始逐漸呈現(xiàn)典型的郁金香結(jié)構(gòu)?；鹧嬖诔跏技铀匐A段的主要物理機(jī)理是前方未燃?xì)怏w受到前驅(qū)壓縮波作用而被加熱和壓縮的正反饋微分加速機(jī)制,之后在反射壓縮波影響下,火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档汀Ｍㄟ^(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,數(shù)值模擬結(jié)果正確。

丙烷;火焰?zhèn)鞑ニ俣?k-ε湍流模型;4步反應(yīng)機(jī)制

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，可燃性氣體（如丙烷和甲烷）得到較為廣泛的應(yīng)用。但可燃性氣體在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加工和使用過(guò)程中，在某些條件下極易發(fā)生意外爆炸。這些現(xiàn)象往往是因?yàn)榭扇夹詺怏w在被點(diǎn)燃后，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備、測(cè)試儀器、管道和建筑物等障礙物作用下，火焰的形狀、燃燒速率、傳播速度以及對(duì)周邊環(huán)境壓力有顯著變化。所有這些因素直接影響到可燃?xì)怏w災(zāi)害事故發(fā)生和演變的整個(gè)過(guò)程。在某些極端條件下火焰被不斷加速，甚至可能導(dǎo)致爆炸甚至爆轟的產(chǎn)生，造成重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1-2]。因此，研究可燃?xì)怏w預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽诳扇夹詺怏w災(zāi)害預(yù)防方面有著重要的實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外在可燃?xì)怏w預(yù)混火焰?zhèn)鞑ノ锢頇C(jī)理方面開(kāi)展了一定的研究工作。在國(guó)外，F(xiàn)airweather[3]等針對(duì)甲烷/空氣預(yù)混氣體在半封閉管道內(nèi)開(kāi)展燃燒爆炸實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)火焰沿半封閉管的傳播大體上屬于層流，只有在爆炸實(shí)驗(yàn)的最后階段才形成了快速湍流燃燒，并產(chǎn)生激波和超壓。Elicer-Cortes[4]等通過(guò)紋影法獲得氫氣/空氣預(yù)混火焰陣面結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程，并建立了在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的燃燒速度和混合氣體化學(xué)當(dāng)量比的關(guān)系。Parsinejad[5]等采用陰影法建立了燃燒溫度和混合氣體化學(xué)當(dāng)量比的函數(shù)關(guān)系。在國(guó)內(nèi)，盧捷[6]等研究了兩端密封管道中煤氣/空氣火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及其加速機(jī)理，發(fā)現(xiàn)火焰加速是因前方未燃?xì)怏w被前驅(qū)壓縮波加熱和障礙物誘導(dǎo)的湍流區(qū)對(duì)燃燒過(guò)程的正反饋機(jī)制造成的。林柏泉[7]等開(kāi)展了瓦斯爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及其加速機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)障礙物對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律具有重要影響。障礙物能迅速提高瓦斯爆炸過(guò)程中火焰的傳播速度，這種火焰加速作用的機(jī)理可歸功于障礙物誘導(dǎo)的湍流區(qū)對(duì)燃燒過(guò)程的正反饋?zhàn)饔谩Ｖ軇P元[8]等開(kāi)展了丙烷/空氣爆燃波的火焰面在直管道中加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其影響因素的實(shí)驗(yàn)研究。探討了管道直徑和點(diǎn)火能量的變化以及當(dāng)管道內(nèi)有障礙物時(shí)對(duì)火焰加速度的影響。

基于此，本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用4步反應(yīng)機(jī)制?；榈难趸肍luent軟件對(duì)常溫常壓下丙烷/空氣預(yù)混氣體在光滑的方管道中火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘臄?shù)值模擬研究，以期對(duì)丙烷在光滑管道中的加速機(jī)理做出一定的探究。

1 數(shù)值模擬

本文在光滑管道內(nèi)丙烷/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程中，做如下簡(jiǎn)化假設(shè)：

1）管道內(nèi)的氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；

2）點(diǎn)火前空氣和可燃?xì)獬浞只旌?，處于常溫常壓，并且處于靜止?fàn)顟B(tài)；

3）混合氣體的狀態(tài)參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，符合混合規(guī)則；

4）預(yù)混氣體燃燒為不可逆反應(yīng)；

5）把管道壁面視為剛性壁面，不考慮氣體流動(dòng)與壁面的耦合作用。

1.1 控制方程

圖1 爆燃過(guò)程的雙波三區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of double waves and three zones of flame front

眾所周知，爆燃波是一種帶有化學(xué)反應(yīng)的亞音速波，即燃燒波。燃燒波在傳播過(guò)程中形成了雙波三區(qū)結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。其中，雙波是爆燃波和前驅(qū)沖擊波，三區(qū)分別是未燃區(qū)（0區(qū)）、燃燒區(qū)（1區(qū)）和已燃區(qū)（2區(qū)）。各區(qū)參數(shù)定義如下：e為比內(nèi)能，p為壓力，u為粒子速度，c為音速，T為溫度，γ為等熵指數(shù)。

跨過(guò)沖擊波陣面，兩側(cè)氣體狀態(tài)發(fā)生改變，但仍遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[9]。

質(zhì)量守恒方程為

動(dòng)量守恒方程為

能量守恒方程為

理想氣體狀態(tài)方程為

理想氣體本構(gòu)方程為

對(duì)多組分混合理想氣體而言，氣體常數(shù)為

式（6）中

氣體定壓比熱容為

本文利用Premix中的TWOPNT函數(shù)求解上述控制方程，采用有限差分法來(lái)離散微分方程[10]。

1.2 燃燒模型

丙烷-空氣預(yù)混燃燒總反應(yīng)方程式為

本文采用Hautman[11]提出的一個(gè)多步的準(zhǔn)總包機(jī)理，用以下4步反應(yīng)來(lái)?；榈难趸?/p>

1.3 模型初始條件

本文只研究預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ某跏茧A段（火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀谖慈細(xì)怏w音速），湍流模型選用通用性最好的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。采用的物理模型為長(zhǎng)方形管道，長(zhǎng)×寬分別為500 mm×80 mm，左側(cè)壁面中央點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為1 mJ，管兩端均封閉。網(wǎng)格數(shù)為100×10；管道等效直徑為100 mm；當(dāng)量比為1；丙烷-空氣混合濃度為6%；初始溫度為300 K；初始?jí)毫? atm；湍流系數(shù)Ct=30；層流火焰拉伸系數(shù)Fs=0.15；k-ε模型常數(shù)為：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.79，σk=1.0，σξ=1.3，渦流動(dòng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)Fk=0.1，選用丙烷的高位熱值46.357 mJ/kg，丙烷層流火焰速度為0.44 m/s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

本文利用Fluent軟件對(duì)丙烷/空氣預(yù)混火焰在光滑管道中的傳播過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。圖2表示預(yù)混火焰沿管道軸線位置傳播過(guò)程中溫度變化云圖。由圖2可觀察到火焰加速過(guò)程中火焰形狀、結(jié)構(gòu)和表面積的變化情況。圖3表示火焰?zhèn)鞑ニ俣葀沿管道位置的變化情況，圖4表示火焰前鋒面到達(dá)管道位置、時(shí)刻變化。應(yīng)該指出的是，本文所選光滑管道長(zhǎng)度為500 mm，測(cè)量范圍約為350 mm。通過(guò)記錄火焰到達(dá)管道中心軸線位置和時(shí)刻，可求得火焰?zhèn)鞑ニ俣葀，即

圖2 溫度云圖Fig.2 Temperature nephogram

其中：Xi-1、Xi分別為燃燒波到達(dá)管道軸線位置；ti-1、ti分別為燃燒波到達(dá)管道軸線不同位置的時(shí)刻。

圖3 火焰?zhèn)鞑ニ俣葀沿管道中心軸向位置X的變化圖Fig.3 Variations of flame propagation velocity v along central axial position X in channel

圖4 火焰前鋒面到達(dá)管道軸向位置X和時(shí)刻tFig.4 Variations of central axial position X and time-of-arrival t of flame front along channel

因此，由圖2～圖4可知：火焰?zhèn)鞑ニ俣认戎鸩皆黾?，在X=50 mm處到達(dá)最大值，之后逐步減小。預(yù)混氣體丙烷/空氣在點(diǎn)燃后，起初管道壁面對(duì)火焰阻礙作用不明顯，火焰呈現(xiàn)球形狀，如圖2（a）所示。此后，因管左端面的限制，火焰形狀逐漸變?yōu)榘肭蛐螤?，并以大約為10～15 m/s的速度向管右端傳播，如圖2（b）所示。之后因管道上下壁面的限制，半球形火焰逐漸演變?yōu)橹感位鹧?，如在t=3 ms時(shí)。在離點(diǎn)火端50 mm處火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊竭_(dá)最大值，約為36 m/s，此后火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_(kāi)始降低。在t=1～3 ms這個(gè)階段（如圖2（a）～圖2（c）所示），火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增加，這主要是因?yàn)轭A(yù)混氣體丙烷/空氣燃燒產(chǎn)物密度下降，體積增加，燃燒產(chǎn)物不斷膨脹，火焰表面積不斷增加，從而提高了燃燒效率和火焰?zhèn)鞑ニ俣?。而火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩嘣黾?，在火焰前鋒面前形成微弱的壓縮波逐漸提高了未燃?xì)怏w的溫度和壓力，進(jìn)一步提高了燃燒效率，火焰相應(yīng)地繼續(xù)加速并不斷向前發(fā)射壓縮波，此壓縮波的速度也逐漸提高，這是典型的火焰前未燃?xì)怏w受到前驅(qū)壓縮波作用而被加熱和壓縮的正反饋微分加速機(jī)制。

此后，因管道長(zhǎng)度有限，火焰在管右端面反射的微弱壓縮波影響下逐步減速?；鹧媲颁h面變得越來(lái)越平，火焰表面積減小。在t=7 ms時(shí)（如圖2（d）所示），可觀察到火焰前鋒面表現(xiàn)為一個(gè)近似平面，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為16 m/s。隨著位于火焰前鋒面的反射壓縮波強(qiáng)度不斷增強(qiáng)以及在管道上下壁面處的湍流作用影響下，火焰前鋒面開(kāi)始凹向管左端面，呈現(xiàn)出反弓形火焰結(jié)構(gòu)，這就是典型的郁金香火焰，如圖2（e）和圖2（f）所示。由圖3和圖4可知，此階段火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u從16 m/s減小到10 m/s左右。因此，燃燒波前的壓縮波在管右端反射波與火焰陣面?zhèn)鞑シ较蛳喾?，降低了后者的傳播速度。盡管，火焰表面積同時(shí)也不斷增加，但管右端反射的壓縮波在此階段是火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档偷闹饕蛩亍?/p>

圖5表示文獻(xiàn)[12]通過(guò)陰影法觀察到丙烷/空氣在90°彎管中郁金香結(jié)構(gòu)火焰。因此，與本文圖2（e）和圖2（f）進(jìn)行比較，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體吻合。

圖5 郁金香結(jié)構(gòu)火焰示意圖Fig.5 Tulip structure of flame front

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用4步反應(yīng)機(jī)制來(lái)?；榈难趸?，利用Fluent軟件對(duì)常溫常壓下丙烷/空氣預(yù)混氣體在光滑的方管道中火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘臄?shù)值模擬研究，獲得了火焰?zhèn)鞑ニ俣?、火焰結(jié)構(gòu)、表面積、火焰到達(dá)位置和時(shí)刻沿管道的變化情況。結(jié)果表明：

1）火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍笾饾u減小。在離點(diǎn)火端50 mm處到達(dá)最大值，之后逐漸降低。

2）在t=21 ms時(shí)，火焰開(kāi)始逐漸呈現(xiàn)典型的郁金香結(jié)構(gòu)。

3）火焰在初始加速階段的主要物理機(jī)理是前方未燃?xì)怏w受到前驅(qū)壓縮波作用而被加熱和壓縮的正反饋微分加速機(jī)制，之后在反射壓縮波影響下，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档汀?/p>

4）通過(guò)與文獻(xiàn)[12]實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果正確。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Numerical simulation study of propane/air premixed flame characteristics in square channel

LI Shu-ming，DAI Wen-yuan，CHENG Guan-bing
（College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

A numerical simulation study on the characteristics of premixed flame of propane/air is carried out by software Fluent in a smooth square channel at normal pressure and temperature conditions.Both standardized k-ε turbulence model and four-step kinetic mechanisms of propane-oxidation are initiated.Flame propagation characteristics such as flame velocity，structure，surface area，position and time-of-arrival can be obtained along the channel.The main conclusions are：the flame propagation velocity first increases and then decreases. The flame velocity achieves maximum at the distance of 50 mm from the ignition point.When t=21 ms，a typical tulip structure flame can be observed.The positive-feedback differential loop resulted from the preheating and compressing unburnt mixtures by the precursor shock ahead of the flame front can be considered as the mainly mechanism of flame propagation in the channel.Subsequently，the flame propagation velocity decreases under the influence of compression waves reflected from the channel terminus.In contrast with the experimental results，the obtained numerical simulation results are reasonable.

propane；flame propagation velocity；k-ε turbulence model；four-step kinetic mechanisms

TK19

:A

:1674-5590(2015)02-0053-04

2013-09-24；

:2014-01-18

:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（ZXH2012J001）

李書(shū)明（1964—），男，河北邢臺(tái)人，教授，博士，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與修理、動(dòng)力燃燒.