基于煙點(diǎn)高度的湍流擴(kuò)散火焰碳黑生成研究

牛 奕,陽略西,閔 煬,周德闖,丁 超

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026；3.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

碳黑是常見的碳?xì)淙剂喜煌耆紵a(chǎn)物[1]，是煙氣的主要成分，通常以分形團(tuán)聚形態(tài)存在。碳黑顆粒的排放危害人體健康，同時影響大氣層的輻射傳輸，導(dǎo)致極端惡劣天氣[2]。碳黑會顯著地降低能見度[3]，大大增加火災(zāi)發(fā)生后逃生的危險(xiǎn)性，還會增強(qiáng)火焰輻射傳熱過程[4]，從而影響火焰?zhèn)鞑?。因此，深入研究碳黑生成與氧化模型，對火災(zāi)發(fā)展過程預(yù)測十分必要。

目前的碳黑生成模型主要有3種，詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约叭?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5]。DELICHATSIOS[6]根據(jù)擴(kuò)散火焰的碳黑生成現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)燃料發(fā)煙能力與煙點(diǎn)高度成反比，并首次提出了基于煙點(diǎn)高度的半經(jīng)驗(yàn)碳黑生成模型。BEJI等[7]對該模型進(jìn)行了修正，增加溫度指數(shù)項(xiàng)，并確定了相關(guān)模型參數(shù)的取值；YAO等[8]使用條件矩模型將層流碳黑生成模型與湍流流動相耦合，計(jì)算湍流火焰碳黑的生成，但其使用的k-ε湍流模型多適用于雷諾數(shù)較大的情況，而火災(zāi)中更多使用大渦模擬模型(LES)模擬湍流流動；LAUTENBERGER等[9]基于層流小火焰燃燒模型提出了湍流碳黑生成模型；CHEN等[10]假定碳黑的化學(xué)方程式與燃料相同，基于渦耗散模型(EDC)對層流碳黑生成速率進(jìn)行湍流修正，并提出湍流碳黑氧化速率的渦耗散速率公式，并未使用碳黑表面氧化速率公式；伍瑞祥等使用湍流交互作用(TRI)和灰色氣體加權(quán)(WSGGM)模型預(yù)測碳黑的生成與溫度分布，但其使用的Moss-Brooks碳黑模型針對性不強(qiáng)，對三維燃燒室中火焰的碳黑生成與分布預(yù)測不夠精確。

筆者利用概率密度函數(shù)對基于煙點(diǎn)高度的碳黑生成模型進(jìn)行修正，提出湍流火焰碳黑生成的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ω楹图妆接统鼗鸬奶己谏膳c分布進(jìn)行預(yù)測。

1 碳黑生成與氧化模型

1.1 層流碳黑生成和氧化速率

1.1.1 碳黑生成速率

基于煙點(diǎn)高度的層流碳黑生成速率為：

ξso≤ξ≤ξc

(1)

式中：Af為指前因子，值與燃料的煙點(diǎn)高度成反比；YFu,0為進(jìn)口初始燃料分?jǐn)?shù)；γ為溫度指數(shù)，取值2.25；活化溫度Ta取值2 000 K；ξc和ξso分別表示碳黑生成的起始位置和終止位置，ξc的取值如式(2)所示。ξso的取值與碳?xì)淙剂系年P(guān)鍵比率(C/O)c有關(guān)，對于化學(xué)反應(yīng)方程式為CxHy的碳?xì)淙剂?，取值如?3)所示：

ξc=ψcξst

(2)

(3)

式中：ψc為與燃料無關(guān)的常數(shù)，取值2.5；(C/O)c取值0.6。

1.1.2 碳黑氧化速率

碳黑氧化機(jī)制通常被認(rèn)為與表面積相關(guān)[11]，LEE等[12]提出的碳黑氧化表面速率如式(4)所示。假設(shè)碳黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Ys，則單位體積內(nèi)的碳黑氧化速率如式(5)所示。

(4)

(5)

式中：AO和Ea,o分別為碳黑表面氧化速率的指前因子和氧化速率的活化能，AO=120，Ea,o=163 540 J/mol；[O2]為氧氣摩爾濃度；As為單位質(zhì)量碳黑的總表面積，取值160 m2/g。

1.2 基于PDF的碳黑生成模型湍流修正

CHEN等[10]使用渦耗散概念(EDC)模型計(jì)算湍流燃燒下的庚烷與甲苯的碳黑生成情況，采用PaSR模型模化湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用，選用基于煙點(diǎn)高度的碳黑生成模型，假定碳黑顆粒與燃料的成分相同，當(dāng)溫度高于1 300 K時，碳黑氧化在火焰表面發(fā)生，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。筆者使用概率密度函數(shù)(PDF)對層流碳黑模型進(jìn)行湍流修正，選用模型實(shí)驗(yàn)值作為對比來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，詳細(xì)修正步驟如下：

假定物質(zhì)ɑ的條件質(zhì)量分?jǐn)?shù)是混合分?jǐn)?shù)的函數(shù)，不受熱增加和熱損失的影響：

=fcn(ξ)

(6)

引入標(biāo)度焓ΦH來表征碳黑生成過程中的熱增益和熱損失：

H(ξ)∈[Hmin(ξ),Hmax(ξ)]，φH(ξ)∈[-1,1]

(7)

式中：-1代表最大熱損失，1代表最大熱增益，假定焓波動與焓值無關(guān)，即熱增益/損失對湍流焓波動沒有顯著影響。因此，條件溫度可作為混合物分?jǐn)?shù)和平均標(biāo)度焓的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

=fcn(ξ,H(ξ))=

(8)

湍流的碳黑生成和氧化速率可采用相同的方式計(jì)算，碳黑的條件生成速率可表示為：

(9)

使用條件密度和條件溫度代替層流碳黑生成速率中的密度和溫度，則湍流平均碳黑生成速率可利用概率密度函數(shù)求解，即：

(10)

式中：P(η)為與平均混合分?jǐn)?shù)以及混合分?jǐn)?shù)方差有關(guān)的函數(shù)，一般采用β函數(shù)形式：

(11)

其中：

(12)

(13)

綜上，已知某燃料在區(qū)域內(nèi)的混合分?jǐn)?shù)，混合分?jǐn)?shù)脈動均方值以及標(biāo)度焓，即可計(jì)算出平均碳黑生成速率以及平均表面氧化速率。

2 模型設(shè)置

為驗(yàn)證湍流碳黑生成模型的正確性，分別對115 kW的庚烷油池火和125 kW的甲苯油池火進(jìn)行模擬，油池直徑為0.3 m，庚烷和甲苯的燃燒速率分別為2.56 g/s和3.05 g/s[10]。已知庚烷和甲苯的煙點(diǎn)高度分別為0.147 m和0.008 m，當(dāng)量混合分?jǐn)?shù)分別為0.062 1和0.069 3，由式(2)和式(3)可得庚烷和甲苯相應(yīng)的碳黑生成起始位置ξc分別為0.15和0.17，終止位置ξso分別為0.111和0.103，可知碳黑生成的起始位置和終止位置相差不大。

為排除邊界夾帶對流場的負(fù)面影響，模型的計(jì)算域設(shè)置為直徑2 m、高度4 m的圓柱體，因?yàn)楫?dāng)可燃液體達(dá)到沸點(diǎn)時，其表面的溫度被認(rèn)為是穩(wěn)定的[13]，燃料入口的溫度設(shè)置為對應(yīng)的沸點(diǎn)溫度，庚烷和甲苯的沸點(diǎn)分別為372 K和384 K?？諝馊肟诓捎脡毫θ肟跅l件，頂部出口采用壓力出口條件，計(jì)算與邊界條件的設(shè)置如圖1所示。計(jì)算網(wǎng)格采用非均勻網(wǎng)格，在燃燒器周圍網(wǎng)格較密，網(wǎng)格尺寸為0.01 m，網(wǎng)格分辨率在徑向和垂直方向逐漸降低。

圖1 計(jì)算區(qū)域和邊界條件示意

αs+g=αs+αg

(14)

αs=Ck,rfvT

(15)

(16)

式中：Ck,r取值1 225.0；ρs為碳黑顆粒密度，取值1 800.0 kg/m3。

3 結(jié)果分析與討論

庚烷火焰燃燒器上方不同高度的溫度分布如圖2所示，與實(shí)驗(yàn)值以及現(xiàn)有模型進(jìn)行對比，可知：①在H/D=0.9處，靠近中心線處，預(yù)測值與模擬值吻合良好，遠(yuǎn)離中心線約0.06 m處，模型對溫度的預(yù)測偏高約500 K；②在H/D=1.5處，預(yù)測的溫度出現(xiàn)先低后高的趨勢，在距離中心線約0.02 m處，預(yù)測值比實(shí)驗(yàn)值低約200 K，距離中心線0.05 m后，預(yù)測值略高于實(shí)驗(yàn)值，隨著軸向距離的增加，差異逐漸增大，最大差異約為500 K；③在H/D=2.2處，預(yù)測值與模擬值吻合情況良好，在距離中心線0.02 m處，預(yù)測值略低于實(shí)驗(yàn)值，差異約為200 K；④在H/D=3.4處，遠(yuǎn)離火焰中心線0.09 m處溫度略微高于實(shí)驗(yàn)值，但總體預(yù)測值與模擬值基本一致。

圖2 庚烷火焰不同高度溫度分布

燃燒器出口上方4個不同高度下庚烷的平均碳黑體積分?jǐn)?shù)如圖3所示，對比實(shí)驗(yàn)值[14]以及文獻(xiàn)[10]的預(yù)測結(jié)果可知模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，具有相同的數(shù)量級，峰值與總體趨勢一致，在靠近燃燒器底端時的碳黑生成速率較大，隨著高度增加，碳黑濃度逐漸降低。具體來看：①預(yù)測結(jié)果在靠近中心線區(qū)域吻合較好，在火焰下半?yún)^(qū)域，H/D=0.9時，模型預(yù)測良好，優(yōu)于文獻(xiàn)[10]的計(jì)算模型；②隨著火焰高度的增加，上半部分預(yù)測值略低于實(shí)驗(yàn)值，在H/D=1.5與H/D=2.2處，在遠(yuǎn)離中心線約0.1 m處，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值差異達(dá)到最大，約為0.6 ppm；③在H/D=3.4處，湍流碳黑生成速率比實(shí)驗(yàn)值低，原因可能選用的氧化模型是基于表面化學(xué)反應(yīng)速率，該模型中單位質(zhì)量碳黑表面AS被假定為常數(shù)，導(dǎo)致氧化速率偏大。

圖3 庚烷的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值在不同高度的分布比

甲苯火焰燃燒過程中甲苯火焰不同高度的溫度分布如圖4所示，對比文獻(xiàn)[10]的模型以及實(shí)驗(yàn)值可知，在火焰底部，對溫度預(yù)測略微偏高，隨著高度增加，差異逐漸減少，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值逐漸一致。具體來看：①在H=0.24 m處，在距離火焰中心線0.05 m前，預(yù)測值與模擬值非常吻合，在遠(yuǎn)離中心線處，吻合程度有所下降；②在H=0.69 m，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的趨勢較為一致，但預(yù)測值比實(shí)驗(yàn)值低180 K左右，隨著高度增加，總體預(yù)測精度逐漸升高，且優(yōu)于文獻(xiàn)[10]的模型；③在H/D=3.3處，預(yù)測值與模擬值的最大差在290 K左右；④在H/D=4.3處，預(yù)測溫度略高于實(shí)驗(yàn)溫度。

圖4 甲苯火焰不同高度溫度分布

燃燒器上方4個不同高度甲苯的平均碳黑體積分?jǐn)?shù)如圖5所示，可知計(jì)算值與模擬值吻合的較好，預(yù)測出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總體趨勢以及峰值都保持良好一致。具體來看：①在H/D=0.8與2.3處，對碳黑濃度進(jìn)行了較好的預(yù)測，模型的預(yù)測值優(yōu)于文獻(xiàn)[10]的結(jié)果；②在H/D=3.3與H/D=4.3處，靠近中心線處碳黑預(yù)測略低于文獻(xiàn)[10]與實(shí)驗(yàn)值，可能是模型的氧化區(qū)間取值范圍偏大，造成了氧化的預(yù)測偏大。

圖5 甲苯的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值在不同高度的分布比較

4 結(jié)論

運(yùn)用概率密度函數(shù)對基于煙點(diǎn)高度的層流碳黑生成模型進(jìn)行了湍流修正，使用大渦模擬模型和非預(yù)混燃燒模型，對庚烷與甲苯油池火的溫度以及碳黑生成與分布進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明：

(1)煙點(diǎn)高度表征碳?xì)淙剂系陌l(fā)煙能力，與概率密度函數(shù)相結(jié)合可計(jì)算湍流擴(kuò)散火焰的碳黑生成速率，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，表明該湍流碳黑生成模型基本合理。

(2)該模型對甲苯火焰碳黑生成以及溫度分布的預(yù)測情況良好，對庚烷火焰底部碳黑體積分?jǐn)?shù)預(yù)測值較準(zhǔn)確，但隨著高度的增加，預(yù)測值略低于實(shí)驗(yàn)值，可能的原因是碳黑氧化模型中的單位質(zhì)量碳黑表面積被假設(shè)為常數(shù)，尚需進(jìn)一步修正。