阻塞比對(duì)甲烷火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懙臄?shù)值模擬研究

鄭 雨，戴文元，王國大，黃燕曉，程關(guān)兵

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

0　引言

隨著國家發(fā)展與能源戰(zhàn)略變化，我國能源結(jié)構(gòu)逐漸形成了以天然氣和液化氣為主、新型能源為輔的體系。但這些可燃?xì)怏w在工業(yè)使用過程中存在因泄漏發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)?？扇夹詺怏w爆炸事故往往是火焰在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、儀器和工裝等障礙物作用下加速到爆轟的結(jié)果，并伴隨較大的過驅(qū)壓力，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和設(shè)施有極大的危害。近年來，國內(nèi)外可燃性氣體爆炸事故層出不窮，這類事故在整個(gè)工業(yè)事故中占有很大的比重[1]。因此，可燃性氣體爆炸防治已成為工業(yè)安全和社會(huì)公共安全保障的重要組成部分。

為了防治可燃性氣體爆炸事故，揭示其火焰?zhèn)鞑ノ锢頇C(jī)制，國內(nèi)外諸多學(xué)者從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值兩方面開展了管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯俊Ｔ趪?，Masri等[2]和Ibrahim等[3]研究了阻塞比、泄放壓力和障礙物尺寸、形狀對(duì)預(yù)混火焰燃燒的影響。他們發(fā)現(xiàn)：障礙物阻塞比對(duì)火焰形狀、傳播速度和壓力有著重要的影響。Thomas等[3]發(fā)現(xiàn)入射激波和反射激波可有效地增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?。Ciccarelli等[4]對(duì)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ノ锢頇C(jī)制開展了綜合研究，分析其傳播過程的影響因素和機(jī)理，并建立了爆燃轉(zhuǎn)爆轟準(zhǔn)則。Dunn-Rankin等[5]從數(shù)值模擬角度分析了郁金香火焰產(chǎn)生的機(jī)制。Gamezo等[6]開展了障礙物管道內(nèi)氫氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘臄?shù)值模擬研究。他們發(fā)現(xiàn)火焰不穩(wěn)定性、阻塞比和點(diǎn)火能量對(duì)對(duì)火焰加速傳播的影響。在國內(nèi)，菅從光等[7]從實(shí)驗(yàn)角度分析了湍流對(duì)瓦斯火焰和爆炸波的影響。發(fā)現(xiàn)：在障礙物管道內(nèi)，管道面積的突變會(huì)產(chǎn)生湍流，增加了下游火焰的湍流度，增加了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⒋龠M(jìn)了激波的產(chǎn)生。葉經(jīng)方等[8]研究了楔形障礙物對(duì)火焰失穩(wěn)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：火焰在傳播初期、經(jīng)過表面光滑的管道時(shí)是層流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)火焰穿過障礙物時(shí)，湍流度增加，火焰失穩(wěn)。在多種火焰不穩(wěn)定性共同作用，火焰?zhèn)鞑ビ蓪恿鬓D(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。張志遠(yuǎn)等[9]研究了初始條件對(duì)預(yù)混火焰層流傳播速度的影響。初始溫度較高，火焰燃燒速度增加。初始?jí)毫^高，火焰燃燒速度會(huì)減??；當(dāng)初始?jí)毫^高時(shí)火焰不穩(wěn)定性增加。何學(xué)超[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了點(diǎn)火源位置和組分對(duì)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，并分析了火焰形狀、傳播速度和壓力等?dòng)力特性參數(shù)的變化規(guī)律。董剛等[11]對(duì)預(yù)混火焰在管道內(nèi)的傳播加速過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了火焰和激波的相互作用過程。何學(xué)超等[12]利用k-ε湍流模型對(duì)管道預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了模擬，獲得了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力和火焰鋒面結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

由上述文獻(xiàn)可知，實(shí)驗(yàn)管徑、燃料組分和障礙物等對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊戄^大，因此論文擬選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，運(yùn)用六步反應(yīng)機(jī)制，并結(jié)合Fluent軟件，開展常溫常壓下障礙物對(duì)甲烷火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懙难芯?，分析在帶有不同阻塞比障礙物的管道內(nèi)甲烷火焰動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，揭示火焰?zhèn)鞑ミ^程中的主要物理機(jī)制，結(jié)果在甲烷爆炸災(zāi)害事故預(yù)防方面有一定的參考意義。

1　數(shù)值模擬

1.1　基本假設(shè)

管道內(nèi)可燃性預(yù)混氣體的燃燒和傳播過程，論文做出若干假設(shè)：（1）管道氣體內(nèi)為理想氣體；（2）常溫常壓下空氣和甲烷充分混合；（3）混合氣體的狀態(tài)參數(shù)符合混合規(guī)則；（4）燃燒過程為不可逆反應(yīng)；（5）管道壁面為剛性壁面，不考慮氣體流動(dòng)與壁面的耦合作用；且管兩端封閉；（6）各組分氣體擴(kuò)散系數(shù)相同。不考慮熱輻射的影響。

1.2　數(shù)學(xué)模型

本文選用計(jì)算模型具有軸對(duì)稱的特性，可以在軸對(duì)稱坐標(biāo)系下求解，現(xiàn)在得到二維軸對(duì)稱計(jì)算模型，其控制方程：

式（1）中：

其中，ρi為第i組分密度，μ和v分別為火焰在x方向和r方向的傳播速度，ωi為第i組分的單位體積的質(zhì)量生成率，E為單位體積總能。此外，甲烷與空氣燃燒過程簡(jiǎn)化為六步反應(yīng)模型，計(jì)算將采用k-ω模型。

1.3　物理模型

為研究障礙物對(duì)火焰加速過程的影響，論文考慮了三種阻塞比（Blockage Ratio，BR）的板形障礙物，阻塞比分別為0.3、0.5和0.7。阻塞比定義為障礙物面積與管道截面面積之比。圖1所示為方形管道和阻塞比BR為0.5的障礙物的二維物理模型。兩端封閉的矩形管道長為500 mm，寬為80 mm.管道中布置有障礙物，其相鄰障礙物間距為80 mm、阻塞比為0.5，厚度為10 mm.壁面以及障礙物邊界條件均為絕熱無滑移的WALL形式。

圖1　管道和障礙物的物理模型

在帶障礙物管道中填入當(dāng)量比為1的甲烷/空氣混合氣體。未燃?xì)怏w各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為甲烷0.055，氧氣0.22和氮?dú)?.725.混合氣初始溫度為300 K，初始?jí)毫?01.325 kPa.管道左壁面中心位置處點(diǎn)火。

2　結(jié)果分析與討論

2.1　BR=0.5障礙物對(duì)火焰加速的影響分析

圖2為甲烷火焰?zhèn)鞑ミ^程中的溫度計(jì)算云圖，圖3為火焰?zhèn)鞑ニ俣妊毓艿垒S向方向的變化規(guī)律，圖4為火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)位置和時(shí)刻。

圖2　溫度云圖

圖3　火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?/p>

圖4　火焰到達(dá)位置和時(shí)刻

由圖2～圖4可知：混氣體在點(diǎn)火后，火焰開始在管道內(nèi)傳播。起初火焰形態(tài)為球形，隨著球形火焰半徑增加，燃燒產(chǎn)物不斷膨脹，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。在火焰鋒面到達(dá)左側(cè)管道壁面后，火焰逐漸演變?yōu)榘肭蛐位鹧?，并向管道上下壁面和下游方向傳播，如圖2（a）所示。由于受到管道壁面影響，甲烷逐漸由半球形演變?yōu)橹感?，如圖2（b）所示?；鹧驿h面前未燃?xì)怏w在燃燒產(chǎn)物膨脹作用，在未燃?xì)怏w中產(chǎn)生弱的壓縮波。同時(shí)，在障礙物前滯留部分混合氣，因此，火焰在管道壁面、障礙物壁面反射的壓縮波作用下，火焰前端變得越來越尖，如圖2（c）所示。由于火焰表面積在其傳播過程中不斷增加，且其傳播流通通道變?yōu)槭湛s型，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大，如圖2（d）所示。在t=5.0 ms時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為60 m/s.隨后，在障礙物上表面因流動(dòng)形成的剪切層影響下，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步增加，其傳播速度約為82 m/s，如圖2（e）所示。

火焰在繞過第1個(gè)障礙物時(shí)，其傳播通道變擴(kuò)張型，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂薪档?，但火焰表面積增加幅度更大，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣日w趨勢(shì)是增加的。但在第1個(gè)和第2個(gè)障礙物中部附近，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u下降，其大小約為51 m/s.隨后當(dāng)火焰逐漸靠近第2個(gè)障礙物，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步下降，這主要由于第2個(gè)障礙物、管道下壁面反射壓縮波以及收縮型的流通通道等因素共同作用的結(jié)果。如圖5所示，在火焰繞過第2個(gè)障礙物時(shí)，火焰在其表面積增加和流通通道變化的作用下，火焰速度達(dá)到了72 m/s.對(duì)比圖2（e）、圖2（f）和圖3，可發(fā)現(xiàn)火焰在隨后障礙物傳播過程中速度變化呈振蕩變化趨勢(shì)，在障礙物附近時(shí)火焰速度增加，而在相鄰障礙物間時(shí)其傳播速度是下降的。

2.2　不同阻塞比障礙物對(duì)火焰加速的影響分析

論文采用了三種不同阻塞比的障礙物用于加速火焰的傳播。圖5表示阻塞比（BR=0.3、0.5和0.7）對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，圖6表示在三種不同阻塞比的板形障礙物作用下火焰到達(dá)位置和時(shí)刻圖。

圖5　阻塞比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊?/p>

圖6　阻塞比對(duì)火焰到達(dá)位置和時(shí)刻的影響

由圖5和圖6可知：在障礙物作用下，火焰在初始階段的傳播速度增大，在火焰流經(jīng)障礙物時(shí)火焰速度呈振蕩變化。在障礙物附近時(shí)火焰速度進(jìn)一步增加，但在相鄰障礙物間其大小減小，但其加速能力略有不同。由圖5和圖6可知，障礙物阻塞比越大，火焰整體加速能力也越高，火焰加速時(shí)間和距離也越短。這主要由于障礙物阻塞比越大，火焰表面積增加幅度也越大，火焰拉伸變形程度也越高，由管道右壁面反射的壓縮波對(duì)火焰阻止能力越小，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍酱蟆?/p>

3　結(jié)束語

（1）在火焰?zhèn)鞑コ跏茧A段，火焰?zhèn)鞑ニ俣葐握{(diào)增加，主要由于火焰表面積增加的原因。

（2）火焰在流經(jīng)障礙物時(shí)，火焰形態(tài)會(huì)發(fā)生較大變化，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸收袷幾兓?。在障礙物附近時(shí)火焰?zhèn)鞑ピ黾樱谡系K物間其大小下降。這主要是火焰表面積變化、流體通道變化以及壁面發(fā)射壓縮波共同作用的結(jié)果。

（3）阻塞比越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?，火焰加速能力也越?qiáng)，但整體變化趨勢(shì)相同。這主要由于火焰形態(tài)變化和管道壁面反射的壓縮波作用的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊春麗，李祥春.煤礦特別重大瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生原因及規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析[J].煤炭技術(shù)，2015，34（10）：309-311.

[2]Masri A.R，Ibrahim S.S，Nehzat N，Green A.R.Experimental study of Premixed flame propagation over various solid obstruction[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2000（21）：109-116.

[3]Ibrahim S.S，Masri A.R.The effects of obstructions on overpressure resulting from premixed flame deflagration[J].JournalofLossPrevention in the ProcessIndustries，2001（14）：213-221.

[4]Thomas G，Bambrey R，Brown C.Experimental observations of flame acceleration and transition to detonation following shock-flame interaction[J].Combustion Theory and Modeling，2001，5（4）：573-594.

[5]Ciccarelli G，Dorofeev S.B，F(xiàn)lame acceleration and transition to detonation in ducts[J].Progress in Energy and Combustion Scienee，2008，34（4）：499-550.

[6]Dunn-Rankin D，Barr P K，Sawyer R F.Numerical and experimental study of tulip flame formation in a closed vessel[A].Proceedings of the 21st Symposium（Inter national）on combustion[C].Pittsburgh：Pergaon，1986：1291-1301.

[7]Gamezo Vadim N，Takanobu Ogawa，Oran Elaine S.Numerical simulations of flame propagation and DDT in obstructed channels filled with hydrogen-air mixture[J].Proceedings of the Combustion Institute，2007（31）：2463-2471.

[8]管從光，林柏泉，周世寧.湍流的誘導(dǎo)及其對(duì)瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波的作用[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2004，19（1）：39-44.

[9]葉經(jīng)方，姜孝海，董 剛，等.楔形障礙物誘導(dǎo)火焰失穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)研究[J].彈道學(xué)報(bào)，2005，17（3）：13-18.

[10]何學(xué)超.丙烷空氣預(yù)混火焰在90°彎曲管道內(nèi)傳播特性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[D].合肥：中國科技大學(xué)，2010.

[11]董 剛，范寶春，葉經(jīng)方，等.激波與火焰相互作用的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2004，14（3）：312-318.

[12]何學(xué)超，孫金華，陳先鋒，等.管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ奶匦缘膶?shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[J].中國科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39（4）：419-423.