管道內(nèi)有機(jī)物對(duì)空氣預(yù)混氣體爆炸火焰影響的數(shù)值研究

管道內(nèi)有機(jī)物對(duì)空氣預(yù)混氣體爆炸火焰影響的數(shù)值研究

隨著煤、天然氣、液化石油氣的廣泛應(yīng)用，我們必須特別注意和注意避免在不同的領(lǐng)域發(fā)生不必要的氣體爆炸。通常，工作場(chǎng)所有不同大小的障礙物。如果火焰穿過(guò)這些障礙物，由于火焰和障礙物之間的相互作用，火焰的形狀、傳播速度、燃料消耗和環(huán)境壓力等變化會(huì)顯著變化。這些因素直接影響爆炸事故的發(fā)生和發(fā)展的整個(gè)過(guò)程。因此，研究和分析火-火相互作用的機(jī)制以及由此產(chǎn)生的流場(chǎng)變化規(guī)律，可以有效控制火災(zāi)的燃燒速度，廣泛應(yīng)用于爆炸場(chǎng)的預(yù)測(cè)器、防火患和爆炸聲的準(zhǔn)備。目前,就障礙物、火焰、可燃?xì)怏w的燃燒速率以及爆炸超壓的相互關(guān)系,人們進(jìn)行了大量的研究Dunn-rankin等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)拍攝到了火焰翻越擋板的紋影照片,揭示了火焰與擋板的相互作用過(guò)程Fairweather等人在圓柱容器內(nèi)進(jìn)行了環(huán)形障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ绊懙膶?shí)驗(yàn)和數(shù)值分析,探討了剪切層、回流區(qū)和火焰的變化過(guò)程.Masri等人利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)管道中火焰繞過(guò)一定厚度的方板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了火焰長(zhǎng)度及方板對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?Naamansen等人利用McNEWT軟件對(duì)具有不同形狀和不同阻塞比的障礙物與火焰的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬.Huld等人對(duì)管道中不同形狀的障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,得到可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃以后,火焰開始向前傳播,遇到障礙物后,火焰在障礙物與管側(cè)壁之間以噴射狀傳播.隨著火焰與障礙物后面的回流區(qū)域相互作用,當(dāng)兩個(gè)噴射狀火焰在障礙物后的通道中間合二為一時(shí),爆炸超壓達(dá)到最大值.國(guó)內(nèi)范寶春等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)火焰穿過(guò)不同形狀的障礙物的情形進(jìn)行了研究,拍攝到了障礙物附近流場(chǎng)的時(shí)序陰影照片,實(shí)驗(yàn)表明火焰陣面在臨近障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形,其形狀與障礙物形狀相關(guān),討論了火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中,回流區(qū)、剪切層、湍流以及火焰形狀等的變化特征.余立新等人和林柏泉等人分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?得出了障礙物對(duì)管道中傳播的火焰和爆炸波具有重要影響.本文以煤氣為研究對(duì)象,采用兩階段化學(xué)反應(yīng)模型和高精度差分格式WENO就有無(wú)障礙物條件下兩端封閉的管道內(nèi)煤氣/空氣預(yù)混氣體的爆炸火焰的傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值研究,數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果的分析可以得到,當(dāng)爆燃波向管道另一端傳播時(shí),不斷向前發(fā)射壓縮波,壓縮波經(jīng)過(guò)管道右端壁面反射后形成向左傳播的壓縮波,該壓縮波與向右傳播的火焰陣面相遇,造成火焰速度下降.在有障礙物存在的管道中,從障礙物中傳播出去的爆燃波在壁面反射后形成三波結(jié)構(gòu),造成管道壁面處火焰速度較高.由于在火焰發(fā)展前期,三波結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,隨著三波點(diǎn)的向前傳播,相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的火焰速度的值下降,而且三波點(diǎn)的碰撞造成壁面附近各處火焰速度出現(xiàn)波動(dòng).以上這些結(jié)論為爆炸場(chǎng)預(yù)估、防火防爆和爆轟推進(jìn)中有效控制可燃?xì)怏w的燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣忍峁┝酥匾睦碚撘罁?jù).1根據(jù)煤氣表爆炸1.1循環(huán)溫度和放熱反應(yīng)速率控制方程管道內(nèi)煤氣的爆炸過(guò)程采用加入兩階段化學(xué)反應(yīng)模型的二維軸對(duì)稱非定常流體力學(xué)方程組描述,在不考慮粘性,熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散作用的條件下,控制方程如下[13~16]:式中,p,ρ,E,T,ur,uz分別表示壓力,密度,單位質(zhì)量的總能量,溫度,r和z為方向速度.α和β為無(wú)量綱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行度參數(shù),E1,E2為活化能,k1,k2為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù),ωα為誘導(dǎo)反應(yīng)進(jìn)行的速率,ωβ為放熱反應(yīng)進(jìn)行的速率.1.2階精度數(shù)值通量的數(shù)值通量采用Steger-Warming矢通量分裂法對(duì)物理通量進(jìn)行分解,按照分裂后的物理通量,構(gòu)造差分格式其方程為:它的半離散守恒格式為:其中是網(wǎng)格邊界上的數(shù)值通量.由于WENO格式在構(gòu)造各個(gè)方向的數(shù)值通量的方法是一致的,所以下面以z方向的正通量為例,給出格式的建立過(guò)程.根據(jù)模板的擴(kuò)展思想,當(dāng)特征值為正時(shí),選擇的節(jié)點(diǎn)模板為兩次擴(kuò)充以后,備選模板為在這些模板上取二次插值函數(shù),得到3個(gè)多項(xiàng)式q0,q1,q2,并以三階精度逼近F在z=zi+1/2,j處的數(shù)值通量,其表達(dá)式為式中Crl為插值多項(xiàng)式的系數(shù),由文獻(xiàn)可知再利用3個(gè)多項(xiàng)式的凸組合,可得到五階精度的數(shù)值通量權(quán)重ωr的取值形式如下:同理可得到相應(yīng)的五階精度數(shù)值通量對(duì)時(shí)間方向,本文采用三階精度的TVDRungeKutta方法進(jìn)行離散.1.3試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)流程為了研究?jī)啥朔忾]的管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゼ罢系K物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律,本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.該實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)瓦斯(煤塵)爆炸實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的.該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由爆炸試驗(yàn)腔體、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、火焰速度測(cè)量系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、火焰溫度測(cè)量系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)組成.該管道為80mm×80mm的方管,總長(zhǎng)20m,在方管上有壓力、溫度、火焰?zhèn)鞲衅骱忘c(diǎn)火裝置的安設(shè)孔.采用電容儲(chǔ)能高壓電火花點(diǎn)火,其輸出能量為20~100J.試驗(yàn)時(shí),先對(duì)爆炸試驗(yàn)管道室抽真空,當(dāng)爆炸室內(nèi)的壓力達(dá)到要求的壓力值時(shí)停止抽真空,然后將預(yù)混好的煤氣與空氣混合物充入管道,發(fā)出點(diǎn)火信號(hào),使管道內(nèi)的電極擊穿氣體放電,點(diǎn)燃混合氣體,由壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)爆炸室內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)試和分析處理.結(jié)合實(shí)驗(yàn),本文計(jì)算并模擬了有無(wú)障礙物條件下兩端封閉管中火焰的傳播過(guò)程,障礙物由3個(gè)同心圓環(huán)形鋼板組成,障礙物的孔徑為50mm,間距為100mm.計(jì)算與試驗(yàn)工質(zhì)為20%(化學(xué)當(dāng)量濃度)的煤氣和空氣預(yù)混氣體.煤氣的主要成分是氫氣、甲烷、一氧化碳等.在模擬時(shí),在管道的左端初始設(shè)置一段高溫氣體,用于模擬點(diǎn)火.在文中所有的算例中,時(shí)間由T/t*(t*為誘導(dǎo)反應(yīng)時(shí)間)值無(wú)量綱化表示.1.3.1火焰加速和爆燃波傳播相互作用圖1(a)和(b)分別給出了無(wú)障礙物條件下管道中火焰的傳播速度和爆炸超壓的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從圖1中可以看到,數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好.圖2(a)和(b)給出了管道長(zhǎng)度為20m時(shí)不同時(shí)刻的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝弘S距離的變化圖.圖3給出了管道長(zhǎng)度為20m時(shí)不同時(shí)刻從管道右壁面反射后的爆炸超壓隨距離的變化圖.圖4(a)和(b)和圖5(a)和(b)分別給出了管道長(zhǎng)度為40和80m時(shí)不同時(shí)刻的火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝弘S距離的變化圖.從圖1中可以看到,可燃?xì)怏w被點(diǎn)火后,在距點(diǎn)火端1.2m處,火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿?大約為56m/s,爆炸超壓為0.06MPa,在距點(diǎn)火端約8m之前火焰處于不斷加速的過(guò)程,在這一過(guò)程中,爆燃波從管道左端開始向另一側(cè)傳播,由于波后的爆燃產(chǎn)物被閉口端的限制,從而使爆燃波后的壓力、溫度迅速提高,使得火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增加,并且在它波前形成壓縮波.同時(shí),圖2(a)和(b)表明爆燃波在向前傳播過(guò)程中,壓力不斷提高,火焰速度不斷增加,于是不斷向波前發(fā)射壓縮波,而且此壓縮波的強(qiáng)度逐步提高,爆燃波就是在這種不斷被壓縮波預(yù)壓過(guò)的氣體內(nèi)通過(guò),因此燃燒速率進(jìn)一步增加,在距點(diǎn)火端大約8m處,火焰速度達(dá)到最大,約1000m/s.在火焰加速階段,不斷向波前發(fā)射的壓縮波經(jīng)過(guò)管道右端壁面反射,反射的壓縮波強(qiáng)度逐漸增加,并向左傳播(見圖3).向左傳播的反射壓縮波與向右傳播的火焰陣面相遇,使得火焰速度下降,在距點(diǎn)火端大約12m處火焰速度降到了局部極小值.為了進(jìn)一步證實(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南陆凳怯捎诠艿烙叶吮诿娣瓷涞南蜃髠鞑サ膲嚎s波與右行的火焰陣面相互作用的結(jié)果,本文將管道的長(zhǎng)度增加2倍和4倍分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示,從圖中可以看到,當(dāng)管長(zhǎng)增加2倍后,由于右端壁面反射的壓縮波要經(jīng)過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間才能與右行的火焰陣面相遇,因此火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始下降的時(shí)間明顯推后(見圖4).由于火焰陣面和反射壓縮波相遇推遲,于是火焰加速的時(shí)間延長(zhǎng),所以,火焰?zhèn)鞑ニ苓_(dá)到的最大速度比原管長(zhǎng)情況要大,最大值約為1500m/s.在管長(zhǎng)為4倍時(shí),火焰加速時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng),并在一定時(shí)間和距離上爆燃波轉(zhuǎn)化為爆轟波,并以穩(wěn)定速度向前傳播,所以,即使管長(zhǎng)增加為原來(lái)的4倍后,火焰速度所能達(dá)到的最大值比2倍管長(zhǎng)略有增加,但火焰速度開始下降的位置比2倍管長(zhǎng)時(shí)開始下降的位置明顯推后(見圖5).1.3.2開敞空間爆燃波的形成為了研究障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律,本文在以上研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬.圖6為數(shù)值模擬中所加3個(gè)障礙物的空間分布圖,其中A,B和C為3個(gè)測(cè)點(diǎn),用于采集障礙物中間位置壓力和火焰速度的數(shù)值.數(shù)值模擬得到的不同時(shí)刻的壓力分布如圖7所示.在圖7(a)中,經(jīng)過(guò)第一個(gè)障礙物后,原先以平面?zhèn)鞑サ娜紵ú嚸嬷饾u演化成帶曲率的波陣面,分別向前、向上和向下3個(gè)方向傳播,波陣面分別與上下壁面和第二個(gè)障礙物相撞,見圖7(b)和(c),然后各形成兩道反射波,并且在圖7(d)所在的時(shí)刻相碰,發(fā)生相互作用,并最終演化成上下對(duì)稱的兩道局部爆燃波,見圖7(f),其壓力和速度有了明顯的增大,這可以從圖8中看出,A點(diǎn)的火焰速度達(dá)到了200m/s左右.在上壁面或下壁面與第二個(gè)障礙物之間波會(huì)發(fā)生反射,在流場(chǎng)中形成了局部的高溫高壓區(qū),并在高溫高壓區(qū)誘導(dǎo)出活躍的化學(xué)反應(yīng)區(qū),溫度和壓力滿足了一定的條件,火焰就會(huì)加強(qiáng),形成爆燃波,甚至爆轟.這樣的區(qū)域,可以認(rèn)定其為“會(huì)聚”區(qū)域,其對(duì)波的會(huì)聚作用很明顯.因此,對(duì)于可燃性氣體的防護(hù)中,要特別注意避免存在這樣的“會(huì)聚”區(qū)域,以防止氣體爆炸產(chǎn)生更大的破壞效果.火焰經(jīng)過(guò)第二個(gè)障礙物后,經(jīng)歷了與上述基本相同的過(guò)程,最后也形成了兩道局部爆燃波,如圖7(j)所示.通過(guò)分析可以看出,由于障礙物的加入,使得障礙物之間的燃燒介質(zhì)得到了充分的預(yù)壓縮,使其溫度和壓力均增加,根據(jù)阿倫尼烏斯定律,化學(xué)反應(yīng)速率得到提高,火焰加強(qiáng)并形成了局部的爆燃波.同樣在無(wú)障礙物的管道中設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(a)~(c)其位置與在上述有障礙物管道中的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,B和C相同.得到了圖9所示的對(duì)比圖.從圖中可以看出管道中加入障礙物以后,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度呈現(xiàn)先增加后減小,最終大致相同的趨勢(shì).當(dāng)然曲線存在振蕩的現(xiàn)象,這是由于在兩個(gè)障礙物之間,爆燃波發(fā)生多次反射和碰撞,造成了這個(gè)范圍內(nèi)的波系非常復(fù)雜.同樣在無(wú)障礙物的管道中設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)a,b,c其位置與在上述有障礙物管道中的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A,B,C相同.得到了圖9所示的對(duì)比圖.從圖中可以看出,管道中加入障礙物以后,3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度呈現(xiàn)先增加后減小,最終大致相同的趨勢(shì).當(dāng)然曲線存在振蕩的現(xiàn)象,這是由于在兩個(gè)障礙物之間,爆燃波發(fā)生多次反射和碰撞,造成了這個(gè)范圍內(nèi)的波系非常復(fù)雜.由前面的計(jì)算結(jié)果可知,對(duì)于在多障礙物中傳播的火焰,在一定的區(qū)域,比如上述的“會(huì)聚”區(qū)域,會(huì)形成局部的高溫高壓區(qū),只要溫度、壓力達(dá)到一定的條件,成為觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)的條件,就會(huì)導(dǎo)致局部起爆總體來(lái)說(shuō),障礙物對(duì)火焰的影響可以總結(jié)為兩個(gè)方面(ⅰ)障礙物的存在使得火焰波陣面擴(kuò)大、扭曲甚至發(fā)生褶皺,造成火焰與預(yù)混氣體接觸面積的增大,燃燒速率加快,單位時(shí)間內(nèi)的放熱量增加,最終對(duì)火焰起到了激勵(lì)作用;(ⅱ)由于障礙物和壁面造成波的多次反射使得預(yù)混氣體得到了充分的預(yù)壓縮,化學(xué)反應(yīng)速率加快,使得火焰強(qiáng)度得到了加強(qiáng).下面來(lái)分析爆燃波傳出障礙物區(qū)域后的傳播規(guī)律圖10顯示了爆燃波沿x軸的傳播過(guò)程,(a)~(h)顯示了三波點(diǎn)從開始碰撞,到分離的過(guò)程.圖10(a)~(c)可以看出從第三個(gè)障礙物中傳播出來(lái)的爆燃波波陣面呈現(xiàn)弧狀,向前、向上、向下3個(gè)方向傳播,與上、下壁面碰撞并發(fā)生反射形成三波結(jié)構(gòu),導(dǎo)致當(dāng)?shù)貕毫蜏囟壬?化學(xué)反應(yīng)速率也急劇增加,在碰撞點(diǎn)釋放了大量的能量.從圖10(c)可以看出有兩個(gè)橫波相向運(yùn)動(dòng),即將發(fā)生碰撞.圖10(e)給出了兩三波點(diǎn)發(fā)生碰撞,由于此時(shí)并沒(méi)有達(dá)到準(zhǔn)爆轟,不存在穩(wěn)定傳播的三波點(diǎn),所以緊接著三波點(diǎn)消失,燃燒波波陣面以近似平面向前傳播.三波點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖11所示,1為馬赫桿,呈突狀,2為橫波,它是橫向運(yùn)動(dòng)的激波,3為入射激波.圖10(f)~(h)是隨著火焰繼續(xù)加速,三波點(diǎn)重新形成.這次三波點(diǎn)不是形成于壁面的附近,而是形成于管道中線位置,這是由于波后火焰持續(xù)加速造成的.圖10(g)中有2個(gè)三波點(diǎn),2道橫波分別向上、下壁面?zhèn)鞑?隨著時(shí)間的增加,從圖10(h)中可以看出,形成了4個(gè)三波點(diǎn).爆燃波在向前傳播過(guò)程中,前導(dǎo)波陣面是由入射激波和馬赫桿交替出現(xiàn)組成的,這種交替過(guò)程是通過(guò)橫波的碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的,橫波在波陣面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中起到了重要的作用.在橫波發(fā)生碰撞時(shí),入射激波轉(zhuǎn)變?yōu)轳R赫桿,而馬赫桿也同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槿肷浼げ?隨著時(shí)間的增加,該過(guò)程如此不斷重復(fù)下去,并最終發(fā)展成自維持的爆轟.爆燃波在二維的傳播情況和一維的有很大的不同,二維下波的傳播情況由于受到上下壁面的約束,會(huì)在壁面處發(fā)生反射,使得壓力、溫度和火焰速度發(fā)生很大的變化.同時(shí)三波點(diǎn)的碰撞和分離以及消失也會(huì)對(duì)壓力和火焰速度產(chǎn)生影響.通過(guò)對(duì)圖10進(jìn)行分析,三波點(diǎn)附近壓力、溫度等處于峰值.隨著三波點(diǎn)的傳播,其附近的壓力、火焰速度和溫度均呈逐漸減小的趨勢(shì)(這是由于隨著波的傳播,在壁面碰撞后釋放的大量能量存在擴(kuò)散現(xiàn)象.)直到三波點(diǎn)再次發(fā)生碰撞.圖12中給出了經(jīng)過(guò)3個(gè)障礙物后火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果,數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合得很好從圖中可以看到,火焰?zhèn)鞑サ那捌谂c無(wú)障礙物條件下存在很大的不同.從障礙物中傳播出去的爆燃波在上、下壁面反射后形成三波結(jié)構(gòu),所以造成管道壁面火焰速度較高.由于在火焰發(fā)展的前期,三波結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,隨著三波點(diǎn)的向前傳播,相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的火焰速度的值急劇下降,這就解釋了為什么圖12中剛開始曲線從較高的值迅速下降.兩個(gè)三波點(diǎn)在向前傳播的過(guò)程中碰撞,但并沒(méi)有形成新的三波點(diǎn),見圖10(e).雖然沒(méi)有形成新的三波結(jié)構(gòu),但是三波點(diǎn)的碰撞還是會(huì)造成波陣面附近相關(guān)物理量的波動(dòng)