連續(xù)圓孔障礙物對(duì)油氣泄壓爆炸火焰特性影響大渦模擬*

李國(guó)慶，杜 揚(yáng)，齊 圣,2，王世茂，李 蒙，李 潤(rùn)

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系，重慶 401311;2.62250部隊(duì)， 青海 格爾木 816099)

油氣爆炸是發(fā)生在化工領(lǐng)域和儲(chǔ)油場(chǎng)所最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1-2]。在實(shí)際的儲(chǔ)油場(chǎng)所，比如油料洞庫(kù)、覆土油罐巷道中不可避免地存在各種障礙物，如通風(fēng)管道、各種閥門(mén)以及通道面積突然縮小的通道口(比如通道防護(hù)門(mén))等。當(dāng)火焰在傳播過(guò)程中與此類障礙物相互作用時(shí)，火焰形態(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、流?chǎng)結(jié)構(gòu)及爆炸超壓等與沒(méi)有障礙物的空間相比都會(huì)發(fā)生顯著的變化[3-5]。因此，研究火焰與障礙物的相互作用機(jī)制及由此引發(fā)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)于有效預(yù)防油氣爆炸事故的發(fā)生及降低災(zāi)害損失意義重大。

對(duì)置障管道內(nèi)甲烷、氫氣和丙烷等可燃?xì)怏w的爆炸特性已有大量的研究[4,6-13]，研究重點(diǎn)主要為障礙物對(duì)火焰的湍流加速機(jī)理以及爆炸流場(chǎng)特性等。但受限于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試手段，很難捕捉到詳實(shí)的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和湍流流場(chǎng)。特別是在數(shù)值模擬方面，對(duì)于可燃?xì)怏w爆炸過(guò)程的研究大都采用傳統(tǒng)的雷諾平均模擬(RANS)方法[14-16]，其主要缺點(diǎn)在于它只能提供湍流的平均信息，這很難滿足研究置障管道內(nèi)油氣爆炸的復(fù)雜湍流過(guò)程的需求，無(wú)法有效預(yù)測(cè)油氣爆炸火焰-湍流耦合的行為。

大渦模擬將耗散尺度的脈動(dòng)進(jìn)行過(guò)濾，只對(duì)大尺度脈動(dòng)進(jìn)行求解，其空間分辨率比雷諾平均更高，可以有效捕捉油氣爆炸過(guò)程中的湍流特征。目前，關(guān)于置障管道內(nèi)油氣爆炸的大渦模擬研究偏少，油氣爆炸火焰與湍流的耦合特性還亟待進(jìn)一步研究。本文中針對(duì)連續(xù)圓孔障礙物條件下油氣爆炸火焰與湍流耦合過(guò)程進(jìn)行大渦模擬，并將數(shù)值模擬得到的火焰形態(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝旱忍卣鲄?shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而揭示油氣爆炸過(guò)程中火焰-湍流耦合機(jī)理。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 大渦模擬控制方程

由于在置障條件下的油氣爆炸是一個(gè)強(qiáng)湍流爆燃過(guò)程，因此本文中采用較能捕捉湍流特征的壁面自適應(yīng)局部渦粘模型(WALE)[17]的大渦模擬(LES)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行重現(xiàn)。大渦模擬對(duì)小尺度的脈動(dòng)進(jìn)行過(guò)濾，而只對(duì)大尺度的湍流脈動(dòng)通過(guò)N-S方程進(jìn)行計(jì)算求解，而對(duì)小尺度脈動(dòng)產(chǎn)生的影響則通過(guò)亞網(wǎng)格模型進(jìn)行模型假設(shè)來(lái)模擬，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后大渦模擬的控制方程為:

(1)

(2)

(3)

(4)

建立亞網(wǎng)格模型使控制方程封閉,WALE模型[17]通過(guò)大渦速度場(chǎng)動(dòng)態(tài)地求出亞網(wǎng)格模型的系數(shù)，能夠較為精確地捕捉層流到湍流的轉(zhuǎn)變，且不需要顯式過(guò)濾[18]，計(jì)算量較小。因此本文采用WALE模型作為計(jì)算的亞網(wǎng)格模型。其中渦粘模型方程為:

(5)

模型中

(6)

1.2 亞網(wǎng)格燃燒模型

在湍流預(yù)混燃燒的模擬中，火焰的厚度一般較小，若直接計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格的要求一般會(huì)比較高，因此本文中采用的燃燒模型為Zimont模型[19]，在該模型中，通過(guò)加厚火焰前鋒來(lái)計(jì)算湍流火焰速度：

(7)

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

本文中大渦模擬以文獻(xiàn)[11]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。采用的物理模型和實(shí)驗(yàn)管道尺寸相同，如圖2所示，管道內(nèi)部尺寸為100 mm×100 mm×1 000 mm，實(shí)驗(yàn)管道材質(zhì)為有機(jī)玻璃，厚度為20 mm。在管道內(nèi)安裝了4個(gè)連續(xù)圓孔障礙物，第一個(gè)障礙物距離點(diǎn)火端100 mm，每個(gè)障礙物之間的間距為100 mm，圓孔半徑為40 mm，障礙物阻塞率為49.8%。管道右側(cè)端部采用盲板密封，盲板中心安裝有點(diǎn)火頭，距離點(diǎn)火頭20 mm位置安裝有一支壓力傳感器。左側(cè)端部采用薄膜密封，薄膜的破口壓力很小，對(duì)流場(chǎng)影響可以忽略[6]。采用實(shí)驗(yàn)室自主研制的油氣霧化裝置進(jìn)行配氣，實(shí)驗(yàn)中初始?jí)毫蜏囟确謩e為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境壓力(約96.4～97.3 kPa)和溫度(約298～303 K)。采用初始體積分?jǐn)?shù)φ=1.7%的油氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并用電火花引爆油氣。利用壓力傳感器記錄管道內(nèi)超壓-時(shí)間曲線，高速攝影儀拍攝油氣爆炸火焰發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)在相同工況下重復(fù)進(jìn)行至少3次。

在數(shù)值計(jì)算時(shí)，為了減小管道出口氣體回流對(duì)管道內(nèi)部壓力的影響，物理模型在管道外沿x、y、z方向分別延伸500、500、1 000 mm，即設(shè)置了一個(gè)尺寸為500 mm×500 mm×1 000 mm的外部空間區(qū)域。這個(gè)外部空間區(qū)域和管道出口相連接，可以模擬管道內(nèi)火焰沖出管道的反應(yīng)進(jìn)程，也可以模擬管道泄壓過(guò)程。

2.2 網(wǎng)格劃分

在大渦模擬中，亞網(wǎng)格尺度的物理擴(kuò)散是隨著網(wǎng)格的加密而減小的，因此，對(duì)于大渦模擬而言，并不存在通常數(shù)值計(jì)算中所謂的“網(wǎng)格無(wú)關(guān)性”概念，較好的做法是采用十分精細(xì)的網(wǎng)格和很小的時(shí)間步長(zhǎng)，以確保其數(shù)值擴(kuò)散遠(yuǎn)小于雷諾平均方法。但是，在實(shí)際計(jì)算中，由于受到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，通常仍然會(huì)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，兼顧計(jì)算精度和計(jì)算成本。鑒于此，本文中在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為1 200 000個(gè)，其中管道內(nèi)部大約有950 000個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸大小為2～2.5 mm，外部空間網(wǎng)格總數(shù)為250 000左右，網(wǎng)格尺寸為2～10 mm。

2.3 邊界條件和初始條件

管道右側(cè)封閉端、管道內(nèi)壁面和障礙物表面都設(shè)置成絕熱無(wú)滑移壁面邊界。另外，由于實(shí)驗(yàn)中管道左側(cè)薄膜能夠在很低的壓力條件下破裂，對(duì)油氣泄壓爆炸過(guò)程影響較小，因此在大渦模擬計(jì)算時(shí)，忽略薄膜的影響[7]。管道外部擴(kuò)展區(qū)域的壁面設(shè)置為壓力出口，壓力出口表壓設(shè)置為0 Pa。

未燃?xì)怏w和已燃?xì)怏w的比熱容按照近似溫度的五階分段多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)計(jì)算。氣體分子黏度通過(guò)Sutherland法則來(lái)計(jì)算。初始反應(yīng)物選用φ(CH)=1.7%的汽油蒸汽[1-2]，層流火焰速度假設(shè)為隨溫度和壓力變化保持常數(shù)不變，為0.43 m/s[21]。

初始條件包括壓力、流場(chǎng)初速度、初始溫度和反應(yīng)進(jìn)程變量。初始溫度設(shè)為300 K，其余初始參數(shù)設(shè)置為0。采用Patch功能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火引爆，具體操作方法為在管道右側(cè)封閉端中心位置設(shè)置一個(gè)半徑為5 mm的半球形區(qū)域，并且設(shè)置該區(qū)域的反應(yīng)進(jìn)程為1，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬點(diǎn)火功能[7]。

2.4 計(jì)算方法

大渦模擬計(jì)算通過(guò)ANSYS公司的Fluent計(jì)算平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用SIMPLE算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)分別采用二階迎風(fēng)格式和二階中心差分格式來(lái)進(jìn)行離散。采用聯(lián)想ThinkServer TD350服務(wù)器(64位、Xeon E5-2609 v4 CPU (8 processes)、8G RAM)實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算。迭代2計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-5s，每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)要求迭代20次，保證能量方程殘差小于1×10-6，反應(yīng)進(jìn)程變量方程殘差小于 1×10-4，動(dòng)量方程殘差小于1×10-5。完成一次模擬計(jì)算的時(shí)間大約為52 h。

3 模型驗(yàn)證

以往大多數(shù)模擬研究，采用將模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)說(shuō)明數(shù)值模擬模型的可靠性[22-23]。本文中采用對(duì)比數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所得火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)、壓力-時(shí)序曲線、火焰鋒面位置和火焰?zhèn)鞑ニ俣葋?lái)判斷數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的精度。為了證明大渦模擬的精確性，在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)還采用了RNGk-ε湍流模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果和大渦模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)的湍流控制方程[14]在此不做贅述。

圖3為選取的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中8個(gè)不同時(shí)刻火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)對(duì)比圖。從模擬結(jié)果可見(jiàn)，大渦模擬和RNGk-ε湍流模型都能比較直觀地反映出火焰在管道內(nèi)外的傳播形態(tài)變化過(guò)程。但是，大渦模擬相比RNGk-ε湍流模型能更好地表現(xiàn)出火焰結(jié)構(gòu)的褶皺、彎曲等精細(xì)化演變過(guò)程。圖4所示是數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)所得火焰鋒面位置隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，從圖4中可見(jiàn)，大渦模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得火焰鋒面位置基本一致，體現(xiàn)出大渦模擬對(duì)火焰鋒面位置較好的預(yù)測(cè)性。但是，采用RNGk-ε湍流模型計(jì)算所得的火焰鋒面位置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較誤差較大，尤其是預(yù)測(cè)的火焰鋒面的移動(dòng)速度明顯偏高。

圖5為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相同測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)所得壓力-時(shí)間曲線對(duì)比關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)、大渦模擬和RNGk-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果中取得最大超壓峰值的時(shí)間分別為27.4、25.5、16 ms，后兩者與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較誤差分別為6.93%和41.6%。三者最大爆炸超壓峰值分別為194.77、165.35、83 kPa，后兩者與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較誤差分別誤差為15.1%和57.4%。由此可見(jiàn)，大渦模擬對(duì)爆炸超壓的預(yù)測(cè)較RNGk-ε湍流模型精度更高。值得注意的是，本文中實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的最大爆炸超壓峰值相比其余大多數(shù)文獻(xiàn)中獲得的最大超壓峰值更大，原因主要為：一是本文中采用的實(shí)驗(yàn)管道的長(zhǎng)徑比相較其余大多數(shù)文獻(xiàn)中的管道長(zhǎng)徑比更大，因此油氣爆炸火焰在管道內(nèi)加速距離更長(zhǎng)，導(dǎo)致爆炸發(fā)展更充分，引起更劇烈的爆炸；二是本文中采用了4個(gè)連續(xù)障礙物，顯著增強(qiáng)了流場(chǎng)湍流度，提高了已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w的熱交換速率。由此，增強(qiáng)了障礙物對(duì)火焰的加速效應(yīng)，并能誘導(dǎo)更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋鶕?jù)文獻(xiàn)[11]中關(guān)于油氣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝貉葑冞^(guò)程的耦合關(guān)系可知，最大爆炸超壓峰值會(huì)變得更大。

圖6所示是實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬所得火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)比，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁峭ㄟ^(guò)計(jì)算火焰鋒面在管道軸向移動(dòng)速度得到，計(jì)算公式為：

Sf=(xn+1-xn)/Δtn

(8)

式中：Sf表示火焰?zhèn)鞑ニ俣?xn+1-xn表示相鄰的兩幅高速攝影照片中(在大渦模擬中指反應(yīng)進(jìn)程變量c=0.5的相鄰兩幅圖像)火焰鋒面的真實(shí)距離之差, Δtn表示選取的兩幅相鄰圖像的時(shí)間差(本文中Δtn=0.001 s)。

從圖6中可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)和大渦模擬所得火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?guī)律基本一致，在火焰鋒面沒(méi)有接觸障礙物之前，火焰保持較低速度傳播，大致為9 m/s；當(dāng)火焰鋒面經(jīng)過(guò)障礙物之后，火焰速度開(kāi)始急劇增大，并且在27 ms取得最大值。實(shí)驗(yàn)和大渦模擬所得最大火焰速度分別為410.71、390 m/s，大渦模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差為5%。當(dāng)火焰速度達(dá)到最大值之后，由于可燃?xì)怏w量的減少和熱量的大量損耗，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲∠陆?。?duì)于RNGk-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果而言，其火焰?zhèn)鞑ニ俣仍谧兓厔?shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和大渦模擬計(jì)算結(jié)果相比誤差較大，不能體現(xiàn)出障礙物對(duì)火焰的加速過(guò)程，并且最大火焰速度僅為140 m/s，相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為65.9%。

由上述對(duì)比分析可見(jiàn)，本文中采用的大渦模擬計(jì)算模型能夠較好地預(yù)測(cè)半受限空間汽油-空氣混合物泄壓爆炸過(guò)程火焰和爆炸超壓特征。

4 置障管道油氣泄壓爆炸火焰特性分析

4.1 障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)影響

圖7所示為大渦模擬所得7個(gè)不同時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過(guò)障礙物過(guò)程中的3維立體火焰圖像，火焰結(jié)構(gòu)采用反應(yīng)進(jìn)程變量為c=0.5的等值面渲染得到。從圖7可見(jiàn)，t=14 ms時(shí)，火焰還沒(méi)受到管道側(cè)壁和障礙物的影響，火焰鋒面保持半球形向前傳播；t=18 ms時(shí)，火焰鋒面?zhèn)鞑ソ?jīng)過(guò)第1個(gè)障礙物，火焰形狀由半球形轉(zhuǎn)變成蘑菇形，并且火焰鋒面面積顯著增大；t=20～23 ms之間，火焰穿越剩余3個(gè)連續(xù)障礙物，在這一過(guò)程中，火焰鋒面形態(tài)變得更加不規(guī)則，出現(xiàn)明顯的褶皺和卷曲變形現(xiàn)象，并且當(dāng)火焰鋒面受到障礙物壁面阻礙后，還出現(xiàn)火焰向點(diǎn)火端回傳現(xiàn)象(如圖7中20、21 ms火焰圖像所示)。當(dāng)火焰鋒面穿越4個(gè)連續(xù)障礙物之后，火焰出現(xiàn)明顯的破碎現(xiàn)象，如t=25，26 ms所示。此外，還可以觀察到火焰鋒面在傳播經(jīng)過(guò)障礙物時(shí)，在障礙物和管道內(nèi)壁形成的腔體內(nèi)還有一部分未燃?xì)怏w滯留，文獻(xiàn)[23-24]中的研究表明這一部分未燃?xì)怏w與爆炸超壓后期振蕩有密切的關(guān)系。

4.2 火焰和流場(chǎng)耦合關(guān)系分析

4.2.1 內(nèi)場(chǎng)火焰和流場(chǎng)耦合關(guān)系

圖8為管道內(nèi)部置障條件下油氣混合物預(yù)混火焰?zhèn)鞑ズ土鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)圖，圖中綠色代表火焰鋒面(c=0.5)，彩色箭頭代表速度矢量。在t=14 ms之前，管道內(nèi)氣體流動(dòng)是層流狀態(tài)，流場(chǎng)強(qiáng)度較小，流線形態(tài)較規(guī)則，流場(chǎng)方向基本保持從點(diǎn)火端向管道開(kāi)口端發(fā)展；t=18 ms時(shí)，火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過(guò)第1個(gè)障礙物，流場(chǎng)形態(tài)開(kāi)始變得不規(guī)則，并且在相鄰障礙物之間的流場(chǎng)區(qū)域出現(xiàn)渦旋結(jié)構(gòu)，在渦旋結(jié)構(gòu)作用下，火焰鋒面形狀從半球形向蘑菇狀轉(zhuǎn)變，增大了已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w的接觸面積；t=20 ms時(shí)，火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過(guò)第2個(gè)障礙物，此時(shí)流場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大，渦旋結(jié)構(gòu)更加明顯，并且在渦旋結(jié)構(gòu)的卷曲作用下，火焰在第1～2個(gè)障礙物之間出現(xiàn)向點(diǎn)火端回傳現(xiàn)象，同時(shí)可見(jiàn)此時(shí)火焰鋒面前部的流場(chǎng)強(qiáng)度更加劇烈；t=21～23 ms之間，火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過(guò)第3～4個(gè)障礙物，在這個(gè)過(guò)程中，火焰結(jié)構(gòu)變得更加褶皺、彎曲，增大了已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w的接觸面積，提高了燃燒速率，增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，因此?dǎo)致火焰鋒面前方流場(chǎng)渦旋更加明顯，流場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大。同時(shí)，隨著流場(chǎng)強(qiáng)度的增大，渦旋更加明顯，對(duì)氣體的卷曲作用明顯增強(qiáng)，因此提高了已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w之間的交換速率，反過(guò)來(lái)提高燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｒ虼?，在火焰?zhèn)鞑ズ土鲌?chǎng)上述正激勵(lì)作用的誘導(dǎo)下，火焰形態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，火焰鋒面前流場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大。

4.2.2 外場(chǎng)火焰和流場(chǎng)耦合關(guān)系

圖9所示為外場(chǎng)火焰和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖。t=26 ms以前，火焰還沒(méi)傳播至管道開(kāi)口端，但是從t=21 ms起，管道外流場(chǎng)逐漸形成“雙渦旋”結(jié)構(gòu)，且隨著時(shí)間的推移，渦旋結(jié)構(gòu)越來(lái)越顯著，并且以管道中軸線為分界線，中軸線上部渦旋方向?yàn)轫槙r(shí)針，中軸線下部渦旋方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉=26.5 ms時(shí)，火焰以射流火焰形式從管道內(nèi)部傳播到管道外部，并進(jìn)入管道外部渦旋區(qū)域，在渦旋作用下，火焰鋒面在t=27 ms時(shí)從柱狀火焰向蘑菇狀火焰轉(zhuǎn)變，并于t=28 ms時(shí)形成形狀較完整的蘑菇狀火焰。通過(guò)圖中流場(chǎng)矢量圖顏色可以判斷得到，在蘑菇狀火焰區(qū)域，軸向流場(chǎng)速度明顯大于徑向流場(chǎng)速度，可以推斷，蘑菇狀火焰的形成和流場(chǎng)在軸向和徑向的速度差存在密切的內(nèi)在聯(lián)系。此后，火焰鋒面的蘑菇狀火焰逐漸向啞鈴狀火焰轉(zhuǎn)變(t=30 ms所示)，并且火焰鋒面向前傳播的同時(shí)，渦旋結(jié)構(gòu)也向前移動(dòng)，并且始終和火焰鋒面重合。

4.3 爆炸超壓與火焰?zhèn)鞑ヱ詈详P(guān)系

爆炸超壓是油氣爆炸過(guò)程中一個(gè)重要的爆炸參數(shù)，為了研究其演變規(guī)律與火焰?zhèn)鞑ブg的耦合關(guān)系，根據(jù)爆炸超壓曲線的變化特點(diǎn)將其劃分為圖10(a)中所示的4個(gè)變化階段。在分析時(shí)，將大渦模擬計(jì)算得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧婷娣e與爆炸超壓進(jìn)行聯(lián)合分析，對(duì)應(yīng)的曲線如圖10所示。火焰面積根據(jù)下式計(jì)算：

(9)

式中：Ai代表等值面上微單元的面積；n代表等值面上微單元的數(shù)量(注：計(jì)算時(shí)等值面取c=0.5)。

由圖10可見(jiàn)，在15 ms以前(階段Ⅰ)，爆炸超壓平緩上升，對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e變化幅度也很小，此時(shí)火焰還沒(méi)受到障礙物的擾動(dòng)，火焰處于層流傳播階段。從15～25 ms(階段Ⅱ)，爆炸超壓急劇上升，并在大約25 ms處取得最大值。在這一階段，火焰穿越障礙物，火焰發(fā)生卷曲變形，層流火焰向湍流火焰轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e急劇增大(如圖10(b)～(c)所示)，提高燃燒速率和熱釋放率，進(jìn)而增大爆炸超壓。在第Ⅲ階段(大約25～30 ms)，爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣榷技眲∠陆?，并且都在大約30 ms左右取得極小值，同時(shí)火焰面積也小幅下降。在前三個(gè)階段，爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e具有“同升同降”的相似變化趨勢(shì)，耦合關(guān)系較好。在第Ⅳ階段，火焰鋒面?zhèn)鞑サ焦艿雷钭蠖?，火焰逐漸熄滅，火焰面積在短時(shí)間內(nèi)保持上升趨勢(shì)，隨后急劇下降。隨著火焰面積的改變，爆炸超壓呈現(xiàn)出振蕩下降的趨勢(shì)，并形成多個(gè)超壓峰值，其中振蕩期的第一個(gè)超壓峰值對(duì)應(yīng)火焰面積的最大峰值。由上述分析可見(jiàn)，油氣在置障管道內(nèi)泄壓爆炸過(guò)程的爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e之間耦合關(guān)系明顯，三者的變化趨勢(shì)存在較好的一致性。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)比較大渦模擬和RNGk-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大渦模擬在預(yù)測(cè)油氣爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣燃盎鹧嫘螒B(tài)變化等方面比RNGk-ε湍流模型精確度更高，且能表現(xiàn)出更多流場(chǎng)的精細(xì)化結(jié)構(gòu)；

(2)障礙物誘導(dǎo)管道內(nèi)形成湍流度較高的流場(chǎng)區(qū)域，導(dǎo)致火焰產(chǎn)生褶皺彎曲變形，增大火焰面積，加速火焰?zhèn)鞑ィ?/p>

(3)通過(guò)比較分析爆炸超壓、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三者內(nèi)在聯(lián)系密切，具有顯著的耦合性，且隨時(shí)間的變化趨勢(shì)存在高度的一致性。