障礙物阻塞比及間距對(duì)丙烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊?

葛俊峰

1.集寧師范學(xué)院物理學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)礦土土質(zhì)改性及綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000

液化石油氣是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活的重要能源，主要成分為丙烷。在日常運(yùn)輸過程中如果發(fā)生泄漏，泄漏的液化氣與空氣混合，極易發(fā)生回火和爆炸。陳道陽等[1]研究了障礙物對(duì)爆炸后火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俾蕰?huì)隨障礙物間距、阻塞率的改變而發(fā)生較大的變化。Lindstedt等[2]研究了障礙物尺寸和幾何形狀對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響。Ibrahim等[3]系統(tǒng)地研究了障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ブ谐瑝旱挠绊?，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，障礙物對(duì)初期層流火焰的影響比較?。欢以谧枞什粩嘣龃蟮那闆r下，爆炸的最大超壓也跟著增加，并且平板形障礙物能夠引起最高的超壓，圓柱形障礙物能夠引起最低的超壓。王成等[4]對(duì)邊界層和障礙物對(duì)湍流火焰的加速機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)邊界層效應(yīng)會(huì)增大表面積，增加反應(yīng)速率，而且會(huì)使火焰加速，不同尺度的渦結(jié)構(gòu)在火焰?zhèn)鞑ミ^程中的作用不同，小尺度渦主要影響火焰內(nèi)部以及反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，而大尺度渦主要控制火焰的全局特征。

文章主要研究不同障礙物阻塞比和間距對(duì)管道內(nèi)丙烷-空氣混合氣體火焰加速機(jī)理，運(yùn)用Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行前處理、劃分網(wǎng)格并設(shè)置邊界條件，然后進(jìn)行模擬，利用模擬數(shù)據(jù)和圖像對(duì)不同障礙物阻塞比、間距對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程中加速機(jī)理進(jìn)行研究。同時(shí)，將這些數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，不僅為實(shí)驗(yàn)研究提供了可供參考的模型，也為實(shí)際中的爆炸事故預(yù)防提供了可靠的依據(jù)。

1 網(wǎng)格劃分及初始條件設(shè)置

1.1 模擬對(duì)象

預(yù)設(shè)長為3m，直徑為0.2m的圓柱形管道，內(nèi)充體積濃度為4.03%的丙烷-空氣混合氣體，在管道壁面上分別設(shè)置不同障礙物阻塞比和間距的障礙物，管道左端中間設(shè)置點(diǎn)火點(diǎn)，研究不同障礙物高度和間距對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響。

1.2 網(wǎng)格劃分

由于三維圓柱形管道模型的計(jì)算量龐大，將其簡化為二維空間進(jìn)行研究和分析。同時(shí)，為節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間，在保持實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L徑比不變的情況下，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行比例簡化，簡化為長3m、寬0.2m的長方形管道，模型四面的邊界類型設(shè)置為絕熱，并忽略管道壁厚度。

在簡化的管道網(wǎng)格劃分中，點(diǎn)火區(qū)域設(shè)置在管道的最左側(cè)加密區(qū)中間位置，加密網(wǎng)格有利于點(diǎn)火成功。點(diǎn)火區(qū)域?yàn)橐裕?，0.1）為圓心，半徑為5mm的半圓（見圖1）。在障礙物及燃燒區(qū)網(wǎng)格劃分中，障礙物間距設(shè)置為0.2m，網(wǎng)格均勻?yàn)?.01m（見圖2）。

圖1 管道前半部分網(wǎng)格劃分

圖2 障礙物間距為0.2m的網(wǎng)格

1.3 初始條件設(shè)置

（1）點(diǎn)火條件設(shè)置。在預(yù)設(shè)的密閉管道內(nèi)，封閉的丙烷-空氣混合氣體遇電火花或者火源發(fā)生爆炸，局部丙烷-空氣混合氣體受到點(diǎn)火源加熱，溫度迅速升高，當(dāng)達(dá)到著火點(diǎn)后混合氣體形成局部火焰，后面混合氣體逐步被點(diǎn)燃并迅速傳播，整個(gè)管道內(nèi)的混合氣體被逐層點(diǎn)燃起來。按照點(diǎn)火理論，設(shè)置點(diǎn)火區(qū)域的參數(shù)為T=1500K，P=101325Pa，u=0，v=0；W(C3H8)=0，W(O2)=0，W(N2)=0.7207，W(CO2)=0.1807，W(H2O)=0.0986。

（2）混合氣體參數(shù)。丙烷在空氣中發(fā)生泄露，在充分混合后，氧氣的含量是充足的，只要達(dá)到丙烷的著火點(diǎn)后，丙烷就會(huì)逐層發(fā)生一系列的燃燒過程。其總反應(yīng)方程式為

在式（1）中，O2+3.762N2為空氣的主要成分含量，空氣中主要成分為氧氣和氮?dú)?，比例分別為21%和79%。當(dāng)混合氣體中丙烷和氧氣完全反應(yīng)時(shí)，1體積的丙烷需要和5體積的氧氣發(fā)生反應(yīng)，即5×（1+79÷21）=23.81體積的空氣參與反應(yīng)，此時(shí)丙烷的體積濃度為4.03%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0602。

通過查找參與反應(yīng)的各物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，并且運(yùn)用式（1），理論計(jì)算得出丙烷-空氣混合氣體的參數(shù)如下：T=300K，P=101325Pa，u=0，v=0；W(C3H8)=0.0602，W(O2)=0.2191，W(N2)=0.7207，W(CO2)=0，W(H2O)=0。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及其分析

2.1 障礙物高度對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響

在距離點(diǎn)火端0.25m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)管道內(nèi)火焰經(jīng)過不同高度障礙物后的壓力、溫度和流動(dòng)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

在2ms之前，障礙物高度為0.03m時(shí)的超壓略大于障礙物高度為0.05m的情況。但是之后，障礙物高度較高時(shí)的超壓明顯高于低障礙物的情況，且在11ms時(shí)，高障礙物時(shí)的超壓開始激增，超壓增加速率和幅度都明顯大于低障礙物的情況，而低高度障礙物的超壓激增時(shí)間明顯滯后。因此，障礙物高度較高時(shí)，即阻塞比較大時(shí)管道內(nèi)爆炸超壓增加，并且超壓達(dá)到最大值的時(shí)間提前，會(huì)造成更大的危害。

不同障礙物阻塞比（高度）對(duì)管道內(nèi)溫度傳播規(guī)律的影響不大，在整個(gè)火焰?zhèn)鞑ミ^程中，溫度-時(shí)間曲線幾乎一致。

障礙物高度對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程中的流動(dòng)速度有很大影響。在6ms之前，出現(xiàn)障礙物高度較高時(shí)管道中的流動(dòng)速度明顯高于低障礙物時(shí)的情況。在11ms時(shí)高障礙物時(shí)的流動(dòng)速度激增到400m/s，而低障礙物時(shí)的流動(dòng)速度激增時(shí)間是12ms，并且最高流動(dòng)速度為350m/s。因此，障礙物高度會(huì)影響爆炸過程中管道內(nèi)的流動(dòng)速度，并且高度越高阻塞比越大，流動(dòng)速度的最大值也越大。

2.2 障礙物間距對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的影響

為了研究障礙物間距對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，模擬了障礙物間距為0.2m（見圖3）、障礙物間距為0.35m（見圖4）和障礙物間距為0.5m（見圖5）時(shí)的火焰?zhèn)鞑デ闆r。障礙物的高度為0.05m，寬度為0.03m，數(shù)量為3個(gè)。在用Fluent進(jìn)行計(jì)算時(shí)，時(shí)間步長為10-5s，每隔100步保存一次文件，即每1ms保存一個(gè)云圖。

圖4 障礙物間距S=0.35m時(shí)的火焰面隨時(shí)間變化規(guī)律

通過對(duì)比圖3～圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著障礙物間距的增大，火焰面不斷發(fā)生變化，傳播速度也在不斷地發(fā)生變化。在5ms之前，間距為0.2m的火焰?zhèn)鞑ッ婧烷g距為0.35m的火焰面?zhèn)鞑デ闆r相似，但在5ms后，火焰的傳播明顯加快。對(duì)照?qǐng)D3～圖5后發(fā)現(xiàn)，間距越小，火焰面的傳播速度越大。

圖3 障礙物間距S=0.2m時(shí)的火焰面隨時(shí)間變化規(guī)律

圖5 障礙物間距S=0.5m時(shí)的火焰面隨時(shí)間變化規(guī)律

在三種障礙物間距下，隨著火焰的傳播，管道內(nèi)流動(dòng)速度都經(jīng)歷兩個(gè)峰值，第二個(gè)峰值都大于第一個(gè)峰值的數(shù)值。障礙物間距越小，第二個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的值越大，即最大流動(dòng)速度值隨障礙物間距減小而增大。超壓變化也經(jīng)歷兩個(gè)明顯的加速階段，障礙物間距對(duì)超壓最大值影響不大，三種不同間距下，最大超壓都為0.9MPa。障礙物間距較小時(shí)，同一位置的溫度激增的時(shí)間節(jié)點(diǎn)提前，但是對(duì)達(dá)到的最大溫度影響不大。障礙物間距越小，火焰面受到障礙物影響的時(shí)間間隔越短，火焰面變形，與壁面充分接觸，火焰表面積增加，從而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，火焰達(dá)到同一位置的時(shí)間提前。

3 結(jié)論

文章利用流體力學(xué)軟件Fluent，對(duì)簡化的二維管道內(nèi)填充體積濃度為4.03%的丙烷-空氣混合氣體，在管道內(nèi)設(shè)置等間距障礙物，對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究及分析。通過設(shè)置Fluent軟件中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)得了不同位置、不同時(shí)間的超壓、溫度和速度的數(shù)值變化情況，并依據(jù)此監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制圖表，分析火焰?zhèn)鞑ミ^程中的加速機(jī)理。

通過數(shù)值模擬得出以下主要結(jié)論：障礙物高度（即阻塞比）會(huì)顯著影響超壓和流速。障礙物高度越高，超壓和流速及其二者幅值均會(huì)增大，到達(dá)幅值時(shí)間提前，溫度隨障礙物高度變化不明顯。障礙物能加速火焰?zhèn)鞑ニ俣龋徽系K物間距越小，管道內(nèi)流動(dòng)速度提高越明顯；障礙物間距對(duì)管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑r(shí)的最大超壓值影響不大；障礙物間距越小，管道內(nèi)同一位置溫度激增的時(shí)間節(jié)點(diǎn)明顯提前，但對(duì)火焰達(dá)到的最大溫度影響不大。