（热能工程专业论文）泄爆过程的数值模拟和实验验证.pdf

硕1 ：论文 泄爆过程的数值雀报和实验验证 摘要 泄爆是指通过泄爆装置将腔室或容器内已燃高压混合气体导入到外部环境 中，使内部压力迅速降低以防爆炸的技术。本文采用数值模拟的方法，对泄爆过 程进行了研究。 首先，简要介绍泄爆实验工作，给出了实验获得的正常泄爆及二次爆炸现象 的流场照片，导出实验结论。 其次，建立泄爆数值模拟的简化模型，利用多组分理想气体二维非定常化学 反应流动的守恒型e u l e r 方程，采用算子分裂技术，建立了分别采用t v d 方法模 拟流体动力学过程和甲烷空气氧化反应1 9 机理模拟化学反应过程的计算方法。 接着，利用以上方法模拟了三种当量比的甲烷空气预混气体在燃烧达到化 学平衡后的泄爆过程。通过与e 常泄爆实验测量曲线对比，证明这三个过程都是 正常泄爆。 最后，利用已经建立的方法模拟了甲烷一空气预混气体从点火开始的泄爆过 程。算例一与实验结果进行了比较，表明了计算在定性上具有合理性。超出实验 条件的算例二对泄爆是有益的补充。 关键词：泄爆，超压，数值模拟，实验验证 坝【：论义 泄爆过程的数值模拟和实验验证 a b s t r a c t t h ec o n c e p to f e x p l o s i o nv e n t i n ge n c o m p a s s e sa l lm e a s u r e su s e dt oo p e nt h e o r i g i n a l l y c l o s e dv e s s e l sa n d e q u i p m e n t e i t h e r b r i e f l y o r p e r m a n e n t l y i na n o n - h a z a r d o u sd i r e c t i o nf o l l o w i n ga ne x p l o s i o na n de x p l o s i o nv e n t i n gt e c h n o l o g y d e s c r i b e so n eo ft h ep o s s i b l ep r o t e c t i v em e a s u r e sa g a i n s tt h ee f f e c to fe x p l o s i o n s n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sm a d ei nt h ed i s s e r t a t i o nt os t u d ye x p l o s i o n v e n t i n g f i r s t l y , n o r m a l r e s u l t sa n de x t e r n a l e x p l o s i o n s r e s u l t so f e x p e r i m e n t w e r e i n t r o d u c e do nw h i c hac o n c l u s i o ni sb a s e d s e c o n d l y ，a n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i nt e r m so ft w o - d i m e n s i o ne u l e r e q u a t i o n sc o u p l e dw i t hc h e m i c a lr e a c t i o n s ，w a sc o n s t r u c t e db a s e do na s i m p l i f i e dm o d e l as p l i t t i n g o p e r a t o rt e c h n o l o g yw a su s e dt o s o l v et h e e q u a t i o n s t h eg a sd y n a m i ce q u a t i o n sw e r es o l v e db yu s i n gt h es e c o n d o r d e rt v ds c h e m e a n dt h ec h e m i c a lr e a c t i o n so fm e t h a n e a i rw e r es o l v e db y u s i n ga c h e m i c a lk i n e t i cm e c h a n i s m i n c l u d i n g1 9 - e l e m e n t r e a c t i o n sa n d1 4s p e c i e s ， t h i r d l y , e x p l o s i o nv e n t i n g sw e r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l yw i t ht h ec o n s t r u c t e d m e t h o ds i n c et h es t a t eo fc h e m i c a lb a l a n c eo ft h ep r e m i x e dm e t h a n e a i rs y s t e mi na c l o s e dv e s s e l t h es i m u l a t i o n ss h o w e dt h a ts u c he x p l o s i o nv e n t i n g sw e r en o r m a l f i n a l l y , t w oe x p l o s i o nv e n t i n g s w e r es i m u l a t e d n u m e r i c a l l y w i t ht h e c o n s t r u c t e dm e t h o ds i n c ei g n i t i o ni nt h ep r e m i x e dm e t h a n e - a i r s y s t e mi nt h ec l o s e d v e s s e l t h e c o m p u t a t i o n a l r e s u l t so fo n es i m u l a t i o nw e r e c o m p a r e d w i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n d t h e q u a l i t a t i v ea g r e e m e n t w a so b t a i n e d t h eo t h e r s i m u l a t i o n ，w h i c hw a sb e y o n dt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，w a sb e n e f i c i a l t ot h e e x p l o s i o nv e n t i n gr e s e a r c h k e y w o r d s ：e x p l o s i o nv e n t i n g ，o v e r p r e s s u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n 坝= l 论义泄爆过程的数值模拟和实验验证 符号表 意义 第女个基元反应的正反应指前因予 混合气体等压质量比热 混合气体等容质量比热 组分胛的等压质量比热 组分”的等容质量比热 组分，z 的定压摩尔比热 单位质量混合气体总能 第七个正反应的活化能 组分 的比焓 组分珂的摩尔焓 组分 的扩散通量在x 方向的分量 组分行的扩散通量在j ，方向的分量 第七个基元反应的逆反应速率常数 第个基元反应的正反应速率常数 正向基元反应数目 组分n 的分子量 反应系统组分数目 压力 组分n 的分压力 热通量在x 方向的分量 热通量在y 方向的分量 通用气体常数 i l i 得 勘 q 。 取 九 玩 儿 岛 k 帆 p n 吼 钆尺 硕七论文泄爆过程的数值模拟和实验验证 7 1 “ z 。 k 口，m 陬 y 。k 圪 p n o x y o “o q 群 ， 缸 缈， 化学反应源项 组分肝的摩尔熵 混合气体温度 速度在x 方向的分量 速度在y 方向的分量 组分n 的摩尔浓度 组分胛的质量分数 组分h 在反应女中的增强第三体系数 第七个j 下反应的温度指数 混合气体比热比 组分n 在反应七中的正反应计量系数 组分”在反应女中的逆反应计量系数 混合气体密度 组分 的密度 应力张量 组分”的化学反应速率 组分珂的尘成焓 时间步长 z 方向网格步长 y 方向网格步长 v 坝：【：论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 1绪论 1 1 泄爆的基本概念 泄爆是指通过泄爆装置将腔室或容器内部已燃高压混合气体导入到外部环境中， 使内部压力迅速降低以防爆炸的技术。它是广泛采用的爆炸防治手段之一，其基本特 点是当容器内出现压力异常时，能通过泄爆装置快速卸载，以保证容器本身的安全。 1 2 课题意义 科技减灾已经成为当前普遍关注的课题，它包括减轻自然灾害和减轻技术灾害。 技术灾害是指人类在生产活动中导致的灾害，比如工业灾害。工业生产过程中向环境 泄漏、任意排放有害物质，火灾和爆炸等，都可看作工业灾害。随着国民经济的发展， 工业项目不断更新，生成方式同新月异，人们在生产活动中遇到的灾害不可避免地不 断发生。工业爆炸灾害就是其中之一。 爆炸灾害往往猝不及防，可能在极短的时间内爆炸已经结束，设备损坏、厂房 倒塌、人员伤亡等巨大损失也将在这期间形成。1 9 6 8 年航行在南中国海的4 ，7 万吨油 船在用热水洗净空油罐后，正在起卷软管时，滚轮从1 5 米高处掉进油罐。产生火花， 使残存的油气发生爆炸。同年，东北某化学工业公司化肥厂水洗车间水沈塔气体入 口严重腐蚀，突然破裂，大量煤气外泄，与空气混合形成爆炸性混合气体，遇火源引 起空问爆炸，造成1 名化工作业工死亡，2 人重伤，2 人轻伤。河南鹤壁市某煤矿 于1 9 8 8 年4 月2 日0 时4 0 分发生一起瓦斯爆炸事故，死亡多人，破坏巷道5 0 米， 直接经济损失1 0 万余元。1 9 7 1 年日本铃木炼油米糠油提炼厂为了从罐中提出米糠 油，使正己烷和糠油混合，其中一个油罐突然起火爆炸，附近工作的2 名操作工人当 场死亡，1 名重伤，铁骨架石板车间1 2 6 平方米全部燃烧，后认定事故原因是己烷泄 漏而有人用铁棒进行搅动作业，产生火花引起爆炸。 粉尘爆炸问题是从1 8 7 8 年美国一家面粉厂爆炸时开始发现的，粉尘爆炸的破坏 力不可轻视，例如煤矿中发生的煤尘爆炸带来的损失常比瓦斯爆炸大得多 3 l 。现已经 发现七类物质的粉尘具有爆炸性：1 、金属( 如镁粉、铝粉) ；2 、煤炭( 如煤) ：3 、 粮食( 如小麦、淀粉) ：4 、饲料( 如鱼粉) ；5 、农副产品( 如棉花、烟草) ：6 、林产 品( 如木粉) ：7 、合成材料( 如塑料、燃料) 【3 】。这说明可能发生粉尘爆炸的工业范 围是很广的。据国外资料统计，全世界每年粉尘爆炸事故约有4 0 0 起，其中1 0 是重 大事故，原西德每年1 6 0 起，英国2 5 起，美国2 2 ，5 起，日本8 起。在我国，7 0 年代 全国发生的死亡事故中，气体和粉尘爆炸只占0 6 ，到8 0 年代明显上升，例如亚麻 顺l j 论文兰竺过程的数值模拟和实验验证 厂、面粉厂、金属加工厂和化工企业，粉尘爆炸事故时有发生。1 9 7 8 年元月，济南 会属颜料总厂铝粉车间发生一起铝粉爆炸事故，造成1 7 人死亡，4 4 人受伤，烧毁厂 房、机器设备，直接经济损失数百万元 1 1 。 亡1 9 人，伤2 4 人，6 7 8 平方米厂房被毁， 1 9 6 3 年，天津铝制品厂发生铝粉爆炸，死 损失3 0 0 万元以上【”。1 9 8 7 年三月，哈尔 滨亚麻纺织厂发生了震惊中外的特大粉尘爆炸事故，人员伤亡2 3 5 人，其中死亡5 8 人，重伤6 6 人，损毁厂房1 3 万平方米，损坏设备1 5 8 套，直接经济损失1 8 0 万元。 1 9 6 3 年日本三池煤矿因提升跑车扬起煤尘，由于矿车与轨道摩擦产生火花，引起煤 尘爆炸，使整个矿井遭到破坏，死亡4 5 8 人，伤8 3 2 人【l 】。据统计，德国在1 9 6 5 1 9 8 0 年发生3 1 2 起金属粉尘爆炸事故；美国仅在1 9 7 7 年就发生2 1 起粮食粉尘爆炸事故， 死亡6 5 人，财产损失超过5 亿美元；同年1 2 月份的8 天内在美国连续发生5 起大的 粉尘爆炸事故，死亡近6 0 人川。 由此可见，爆炸事故具有突然性，爆炸事故的发生时间和地点常常难以预料；爆 炸事故具有复杂性，各种爆炸的发生原因、灾害范围及其后果往往很不相同：爆炸事 故具有严重性，爆炸事故对受灾单位的破坏往往是摧毁性的，全国每年的爆炸事故损 失上千万元1 1 1 。若不及早治理工业爆炸灾害，势必制约和阻碍相关产业的发展。 对于无化学反应的全物理过程，泄爆技术是一种较理想的防爆手段。但对于反应 系统，即使将可燃介质从腔室或容器内导出，仍有可能产生破坏性更大的爆炸灾害， 尤其在复杂边界时爆炸波与固壁边界相互作用，将影响容器内残留可燃物和已排出容 器的可燃云团的后续燃烧，一定条件下将发生二次爆炸。所以反应系统的泄爆机理的 研究非常重要。 1 3 国内外研究概况 开口泄爆是防止工业生产过程中气体、粉尘发生毁灭性爆炸灾害的一种有效的减 灾技术手段。近几十年来，基于大量的实验资料和观测，逐渐形成了供工程应用的开 口泄爆设计规范，如美国消防协会标准n f p a6 8 和原西德工程师协会标准v d i3 6 7 3 ， 但出于缺乏恰当的理论指导，泄爆工程虽然耗费了巨大的人力物力，而应用的把握性、 通用性却不能让人满意。 f r a n c e s c o 等【l 卅人认为当前的泄爆设计规范( n f p a6 8 和v d i3 6 7 3 ) 主要依赖 统计的实验资料，这限制了其适用范围，甚至不适合某些个案，分析由泄爆模型实验 获得的相关信息可以克服设计规范的有限性。泄爆口面积是泄爆设计的关键，国外研 究表明长径比l d 4 的密闭容器，其所需的泄爆面积比n f p a6 8 和v d i3 6 7 3 中规 定的小得多，而l d 4 的大型细长容器( 如粮仓) ，发火位置对爆炸强度的影响极大， 坝士论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 有时甚至将整个顶部敞开作为泄爆面积也不够，还应采取其它措施。 由于丌口泄爆是一个耦合了可燃介质流动与热化学反应的复杂的非定常过程，受 到燃料性质、容器形状、流动状况、泄爆口位置与面积、泄爆压力等诸多因素的影响， 大多数研究工作的重点都放在具有代表性的典型形状容器( 如球形、方腔形和柱形) 的泄爆机理上1 2 。 胡俊，浦以康等【2 。j 研究了泄爆过程中容器内的压力发展。他们利用顶端开口容器 进行了泄爆实验研究，得到了不同泄爆面积和不同泄爆压力条件下的容器内压力发展 过程，讨论了不同泄爆条件对容器内爆炸发展产生的影响。他们将等容燃烧压力上升 速率曲线与泄爆容器内压力下降速率曲线相比较，指出较小泄爆口面积的压力下降速 率曲线与等容燃烧压力上升速率曲线有两个交点，当泄爆压力处于两个交点之间时， 燃烧造成的压力上升占主导地位，泄流不足以抵消压力的净增长。随着压力的进步 上升，泄流造成的压力下降成为主导，压力也表现为单调下降。他们认为容器内压力 的变化是容器内燃烧状况与流动状况的综合反应，不同的泄爆压力对应着泄爆前容器 内所处的不同爆炸发展状态；不同的泄爆口面积，使得泄爆后产生的泄流率不同，同 时不同的泄流对容器内火焰面的发展、变形、燃烧速率影响不同。他们认为数值模拟 是十分必要的。 崔东明等【2 l j 研究了泄爆过程中内外流场的压力发展过程。他们用跃4 0 0 m m ，直 径2 0 0 m m 的圆柱形泄爆容器，采用改变泄爆条件，如甲烷一空气预混气当量比、点火 位置、泄爆口径或破膜压力等，测量了泄爆过程中容器内外的压力变化，指出破膜后 大量未燃气体排出可能导致泄爆过程中二次爆炸这一异常现象。 w u 等【2 2 j 研究了多种可燃气体混合物的泄爆过程。实验使用了3 7 升圆柱形容器， 采用不同直径的泄爆1 ：2 1 ，充入的分别是甲烷空气、丙烷空气及乙烯空气可燃气体混 合物，当量比在0 7 1 3 ，在与泄爆口相对的容器底部中心装有火花塞，点火时泄爆 口已经打开。实验结果表明燃料与当量比不同，容器内的压力峰值以及容器内火焰的 传播情况会不同，火焰传播到泄爆口后迅速将已经形成的可燃气体射流点燃，容器外 的燃烧影响容器内气体的排放，并导致外部爆炸，他们认为外部爆炸对容器内压力峰 值的影响不显著。 以上实验容器的泄爆1 ：2 1 都与容器的轴线相互垂直，a l e x i o u 等1 2 3 】贝u 研究了侧壁上 不同位置泄爆的影响。实验测到了泄爆过程中管内的五个超压峰值，绘制了超压峰值 与侧壁泄爆位置的关系曲线，以及不同泄爆位置下管内火焰传播速度与无量纲轴向距 离的关系曲线。他们指出并不是在任何泄爆位置的实验中都会出现这五个超压峰值， 超压值随泄爆1 3 与点火点的轴向距离的增大而增大，管尾端泄爆的最大超压值比侧壁 硕。t 论且： 泄爆过程的数值模拟和实验验证 泄爆的高，管长中间位置泄爆是例外，因为在这种情形下获得的最大超压值还略高于 管尾端泄爆的；晟大火焰速度随泄爆口到点火点的轴向距离的增大而增大，在管尾端 泄爆的情况下由于没有了端部流动限制，火焰获得了持续加速，因此其最大火焰速度 比侧壁泄爆的高。他们建议从安全的角度考虑，应缩短泄爆口与点火位置的距离，以 减小最大超压值。 国外一些学者利用大型实验腔室作实验。h a r r i s o n 和e y r e l 2 4 研究了泄爆容器不同 点火位置的影响。利用一个体积为3 0 m 3 的立方形腔室进行了一系列泄爆实验，实验 气体是不同组分浓度的甲烷一乙烷一空气混合气、丙烷一空气混合气。他们认为从泄爆 口排出的可燃气体被喷射出的火焰点燃后可能导致所谓“外部爆炸”，外部的压力 会瞬间超过腔室内的压力；外部的超压峰值随火焰排出速度的增加而上升；腔室尾部 点火所导致的外部爆炸比中部点火时更猛烈，前部点火所导致的外部爆炸强度小到几 乎可以忽略：外部爆炸对于大泄爆口腔室内压力的影响远大于小泄爆口的情形。他们 建议在泄爆实验中要记录泄爆容器内外的超压，以便确定外部燃烧对于内部压力的影 响以更好地研究泄爆机理。 m e r c x 等【2 5 】利用3 8 5m 3 的混凝土结构房屋作实验，泄爆口用聚乙烯布单覆盖， 通过改变布单的层数来改交泄爆压力，实验气体是甲烷一空气。他们认为当泄爆压力 在o 1 0 k p a 范围内时，泄爆压力对以后的泄爆过程影响不大；在如此大尺度容器中， 点火位置对最大超压的影响有限，泄爆口形状对最大超压几乎没影响。 d e r e k 等皿6 2 7 1 从理论和实验两方面研究了球形容器的泄爆现象。通过理论分析 他们提出了一个新的泄爆参数a i s o ，万是泄爆面积与泄爆系数的乘积除以球形容器 面积，s 。是点火后火焰面前部气流速度与未燃气体声速的比值，他们认为最大压升 与a 晶有关，泄爆使燃烧气体排出从而加速了容器的卸压，指出最大压力的理论解 高于实验所得到的值。他们继续讨论了这一差别，认为由于泄爆过程中湍流与压力波 对燃烧的作用还不是很清楚，所以造成理论解与实验值的差别。由此，他们指出现有 的理论还不足以解释泄爆机理。 泄爆的出发点是通过泄爆口将压力卸载，但由此产生的容器内外流场的变化是始 料未及的。因此泄爆机理的研究引起广泛的兴趣，但至今还没有一套全面、有效的泄 爆理论来指导丌口泄爆设计 2 0 l ，目前基本处于实验研究阶段。 化学反应流动是流体力学和化学反应动力学相互耦台的一种复杂过程。早在上世 纪5 0 年代末，v o nk a r m a n 和钱学森就提出用连续介质力学来研究有反应的流动和燃 烧，称之为化学流体力学或反应流体力学( d y n a m i c so f c h e m i c a l l yr e a c t i n gf l u i d s ) ， 当时的研究内容是气体层流有反应流动。现在，化学反应流的研究已经达到更高的领 t i , j il 艴义 泄爆过程的数值模拟和实验验证 域，涉及到多相、湍流【2 】。例如，我国清华大学等单位有关两相湍流模型和两相燃烧 双流体模型的研究受到国际学术界的重视和肯定。先后多次被列为国际会议邀请报告 t 2 】。燃烧是化学反应的一类特殊情况，即有强烈发光发热，产生火焰现象的化学反应。 燃烧不仅是化学反应。而且是反应、流动和传热传质相互作用的极其复杂的物理化学 过程，正是这种相互作用控制着着火和灭火，火焰传波，燃烧速率等规律1 2j 。直到上 世纪七十年代以前，燃烧的数学理论仅限于描述基本现象，它在燃烧技术上的应用局 限于定性分析。当时，燃烧室和燃烧炉的设计主要依靠实验和经验、半经验的设计计 算方法【2 1 。3 0 多年前，流动、传热传质和燃烧的数值模拟理论、方法和计算程序的研 究得到迅速发展。今天，燃烧的数学理论已经成为通过燃烧数值模拟来发展燃烧技术 和指导燃烧装置设计的有力工具p j 。 在燃烧反应机理研究方面，p e t e r s 等【2 8 1 推导了甲烷一空气扩散燃烧的四步简化机 理；董刚等1 2 9 1 提出了一套包含n 化学反应和c 2 化学反应的甲烷一空气层流预混火焰的 半详细化学动力学机理，该机理由7 9 个基元反应和3 2 种物质所组成。 刘奕等【3 0 1 对平面自由射流中甲烷一空气混合气体的流动及扩散过程进行了大涡 模拟，得到了自由射流流场中丰富的涡结构以及受到涡运动强烈影响的射流中的燃料 扩散情况。指出射流中促使燃料扩散的主要因素是射流中的拟序结构而非浓度梯度。 实践证明，许多因燃烧导致的爆炸都与空间局部受限有关，燃烧产物因膨胀压缩 周围气体而产生流动，流场壁面或障碍物会把这种流动诱发为湍流，从而提高燃烧速 率和火焰传播速度，燃烧、流动、湍流和湍流燃烧间的相互影响和相互加强导致火焰 不断的加速，它类似于加速活塞，可在其前方形成激波，达到一定强度时便产生爆炸 3 l 】。范宝春等f 3 1 1 基于湍流模型和e b u a r r h e n i u s 燃烧模型，利用s i m p l e 格式对甲烷一 空气混合物在管内燃烧时因障碍物的作用而发生的爆炸现象进行了三维空间的数值 模拟，计算结果描述了火焰加速和激波生成的过程。 1 4 本文工作 根据工程的需要和泄爆理论研究中尚存在的问题，本文将主要采用数值模拟的方 法，对可燃气体泄爆过程进行研究。一方面，实践将数值模拟应用于化学反应流动： 另一方面，以数值模拟为手段，来研究我们所面i 临的泄爆理论和工程问题。 生产实践中人们关心的首先是泄爆过程中的超压问题，即超压能否迅速卸载。因 此，本文所进行的数值模拟的首要目的是研究泄爆的压力发展过程。燃烧与爆炸现象 涉及到化学反应流，本文同时探讨泄爆过程中不同组分在空i a 1 、时间的分布。内、外 流场的温度与化学反应密切相关，本文也对流场温度分布的变化进行了探讨。 硕l 论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 本文的工作是： ( 1 ) 作为泄爆实验的参与者之一，简要介绍实验工作，描述泄爆过程中发生的 现象，导出实验结论； ( 2 ) 对于化学反应流动的模拟采用算子分裂方法，即用t v d 方法模拟多组分流 动过程、甲烷空气氧化反应的1 9 机理模拟化学反应过程。基于此算法，编制了大型 计算程序： ( 3 ) 利用编制的计算程序，分别模拟以当量比巾= 0 - 8 、巾= 1 0 与巾= 1 3 的甲烷 空气预混气体燃烧所达到的化学平衡状态作为初始状态的、简化的泄爆过程，计算结 果表明从化学平衡开始的泄爆过程是正常泄爆； ( 4 ) 利用编制的计算程序，模拟当量比巾= 1 0 、容器后部点火、低破膜泄爆压 力的泄爆过程，给出全流场完整波系的清晰模拟结果，通过与实验结果进行比较，证 明模拟合理地描述了波系的发展过程； ( 5 ) 利用编制的计算程序，模拟了当量比中= 1 3 、容器中心点火、高出实验破 膜泄爆压力的情况下的泄爆过程，给出全流场复杂波系的清晰模拟结果，描述了波系 的分布以及发生、增强和衰退的过程。 6 硕士论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 2泄爆实验工作 2 1 实验原理、实验系统 2 1 1 实验原理 本实验的原理是，在用一膜片密封的带泄爆管的圆柱形泄爆容器内，充满一定当 量比的、一个大气压的甲烷空气预混气体，点燃预混气体后容器内压力升高到超过 膜片的耐压极限，膜片破裂后高温高压气体通过泄爆管向外喷射，发生泄爆，用测量 系统将流场的发展变化过程记录下来。 2 1 2 实验系统 如图2 1 1 所示，实验系统酬由五个部分组成：( 1 ) 实验装置( 泄爆容器) ，( 2 ) 配气系统，( 3 ) 点火装置，( 4 ) 数据采集系统，( 5 ) 流场显示。 流场显示i 一一- r 一一 。 配气系统l 一实验装兄卜一数据采集 l r 1 l 点火装簧 图2 1 ，1 实验系统示意图 图2 12 买验装置示意图 i 7 ：1 7 号压力传感器安装位置，8 ：点火头安装孔，9 ：抽气充气孔 开口泄爆是一个耦合了可燃介质流动和热化学反应的复杂的非定常过程，受到燃 料性质、容器形状、流动状态、泄爆口位置、面积、泄爆压力等诸多因素的影响，大 多数研究工作的重点都放在具有代表性的典型形状容器( 如球形、方腔形、柱形) 的 泄爆机理上跚】。 硕士论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 本研究工作采用了带泄爆管的圆柱形泄爆容器。泄爆容器在实验中应能承受可燃 易爆介质燃烧爆炸产生的最大压力，实验选取l o m p a 作为最大压限，以保证安全，在 实验前该圆柱形泄爆容器通过了水压实验。如图2 i ，2 所示，在容器上，丌有七个螺 孑l ，用作压力传感器、点火头安装孔和抽气充气孔，其中点火头由螺孔8 伸入容器 内到达容器的轴线，其位置按照距离泄爆口的远近。称尾部点火位置、中心点火位置 和前部点火位置。该泄爆容器长4 0 0 m m ，内径2 0 0 m m 。 储备实验气体是配气系统的基本功能，其它功能为：( 1 ) 按照实验的要求，在实 验前配备一定当量比的甲烷空气气体，并预混至少3 6 小时；( 2 ) 在实验过程中，在 保证密封的前提下完成泄爆容器及管路抽真空、向容器充气等过程。在管路中，阀门 2 、4 、6 是气瓶自带的。在配气时，阀门1 始终处于关闭状态。配气过程为： ( 1 ) 对预混气瓶抽真空时，阀门2 、4 、1 0 始终处于关闭状态，阀门3 、5 、6 、 7 、8 、9 处于开启状态，利用真空表观察管路的气压状态，要求达到一0 1 m p a 的真空 度。 甲烷气瓶压缩空气瓶预混气瓶 图2 1 3 配气系统示意图 ( 2 ) 充气时，首先出甲烷气瓶向预混气瓶充气到一定压力，即将阀门4 、5 、8 、 9 关闭，阀门3 、6 、7 、1 0 丌启，通过调节阀门2 的丌度控制充气，利用压力表观察 管路的气压状态；接着关闭两气瓶的自带阀门2 、6 及阀门1 0 ，再次对管路抽真空， 利用真空表观察管路的气压状态；停运真空泵，关闭阀门3 、8 、9 ，然后由压缩气瓶 向预混气瓶充气到一定压力，即将阀门5 开启，通过调节阀门4 的开度控制充气，开 启阀门1 0 ，利用压力表观察管路的气压状态，开启阀门6 、7 ，达到所要求的压力后 关闭阀门4 、6 停止充气。 硕士论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 ( 3 ) 充气完成后，关闭所有阀门，预混气体至少3 6 小时。 配气完成后，阀门2 、3 、4 、5 保持关闭状态。实验中，所有阀门关闭。 点火装置由点火头、导线、稳压电源及开关等组成。电点火头固定在容器内的点 火位置，通过导线将点火头的两引脚引出，连接到控制室的电子点火丌关上。该电点 火头为高阻熔丝，当接通一定的电压时，高阻熔丝产生极大的热能，引燃药头，药头 燃烧后引燃预混气体。 实验用数据采集系统主要采集压力信号，由压力传感器、信号调整器、瞬态记录 仪、微机等部分组成。 瞬态f 记录仪j 图2 1 4 数据采集系统及流场显示总示惹图 流场显示采用y a 1 6 多闪光高速照相系统。y a 一1 6 多闪光高速照相机是一种等待 型高速分幅照相机，主要由多闪光光源、凹面反射镜、多镜头照相系统组成。流场显 示将泄爆后的流场以图像的形式记录下来，便于与由数据采集系统获得的压力时间 曲线进行对比，更好地分析流场的发展。根据实验摸索获得的经验，在外流场沿与轴 线成3 0 度角的直线上安装测点，能避开马赫盘的影响。 2 2 实验方法及方案、实验步骤 2 2 1 实验方法及方案 在泄爆管中部以膜片将泄爆容器封闭，点火系统将混台气体点燃产生高温高压气 体，高压导致膜片破裂，气体向外流出，对这一流场发展变化过程研究而进行的实验 就称为泄爆实验。本实验通过改变预混气体的组成、点火位置、泄爆面积、破膜压力 9 f i ! j 1 论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 的方法，研究这些因素对泄爆过程的影响，包括内、外流场压力的变化，及内、外流 场压力二者的相互作用，二次爆炸的发生等。 实验方案1 5 3 l 设计如表2 2 ，l 所示。 表2 2 1甲烷一空气泄爆实验方案 配比初压 点火位置泄爆口直径破膜泄爆压力 ( 甲烷空气当揖比)( m p a )( m m )( m p a ) 0 8 0 ，1 0 1 3中心、尾部5 5o 2 o 6 1 00 1 0 1 3 中心、尾部3 0 ，5 50 2 o 6 13o 1 0 1 3 中心、尾部 5 502 o 6 2 2 2 实验步骤 实验步骤为： ( 1 检查所有阀门是否在关闭状态，电点火头与导线是否断丌，点火电源开关 是否断开。若是，则进行下一步。 ( 2 ) 安装电点火头，安装膜片将泄爆容器口部封闭，开启阀门1 、7 、8 、9 ，对 泄爆容器及管路抽真空到真空度一0 1 m p a ，关闭阀门8 、9 。 ( 3 ) 微丌启阀门6 ，丌启阀门1 0 ，利用压力表观察管路的气压状态，通过调节 阀门6 的丌度控制充气，压力表指示为0 0 1 m p a 时关闭阀门1 、6 、1 0 。 ( 4 ) 丌启阀门8 、9 ，启动真空泵，对阀门l 前管路抽真空后，关闭阀门7 、8 、 9 ，停运真空泵。 ( 5 ) 所有人员进入控制室，各就各位，实验场地清场，实验负责人连接电点火 头与导线。 ( 6 ) 实验负责人下命令：倒计时开始。十秒后点火，数据采集系统及流场显示 系统记录相应数据、图像。 2 3 实验结果 2 3 1 正常泄爆和二次爆炸 2 3 1 1 正常泄爆 可燃介质的正常泄爆是指可燃介质泄爆过程中容器或腔室内外没有出现任何压 力异常现象。正常泄爆不仅对容器或腔室本身没有产生危害。即在泄爆后容器或腔室 内压力迅速降n ； t - 界环境压力，而且在容器或腔室外也没有产生爆炸等灾害。在这种 情况下，点火后，容器或腔室内可燃气体遵循等容燃烧的规律，其压力和温度迅速上 升，到一定的压力上限，泄爆装置打开，在容器或腔室外部形成射流，并与外部环境 1 0 硕l ：论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 空气相互作用。在泄爆开始后，容器或腔室内压力立即衰减，迅速降低到与环境压力 相平衡，外流场除产生破膜激波外不发生异常现象。 图2 ，3 ，1 给出了当量比中= 1 0 、泄爆口径d = 5 5 m m 、尾部点火时外流场实验照片 5 3 1 ，此次实验的测量曲线详见4 4 1 小节。 照片显示外流场始终只有一道波在传播，表明该泄爆过程是f 常泄爆过程。 图2 31 正常泄爆时流场照片 ( 实验编号：0 2 0 8 2 1 2 1 ) 图2 32 捕捉到二次爆炸波时流场照片 ( 实验编号：0 2 0 8 2 1 2 3 ) 2 3 1 2 二次爆炸 二次爆炸是在泄爆过程中发生的可燃介质燃烧引起的爆炸可燃介质的燃烧转爆 炸在流场引起新的压力峰值，有可能造成破坏性更大的灾害。二次爆炸发生后，在外 流场测点的压力一时间曲线上应能看到第一个压力尖峰后出现第二个压力尖峰，在流 场照片上应能看到破膜激波后出现第二道波。图2 3 2 给出了当量比巾= 1 0 、低泄爆 压力、尾部点火发生二次爆炸时外流场实验照片，此次实验的其它照片和测量曲线 详见5 2 3 1 小节。 2 3 2 实验结论 现将泄爆实验部分结果刚列表如下。 表23 、1 泄爆实验情况一览表 序号实验编号当量比点火位置 实验结果 备注 10 2 0 3 2 7 0 l1 0 中心正常_ | i 爆 高泄爆压力 20 2 0 3 2 9 0 8 1 o中心正常泄爆低泄爆压力 30 2 0 3 2 7 1 21 o 尾部二次爆炸低 i 【 爆压力 40 2 0 8 1 7 0 6i ，o尾部二次爆炸 低泄爆压力 5 0 2 0 8 2 1 2 1 1 0尾部正常泄爆高泄爆压力 60 2 0 8 2 1 2 31 o 尾部二次爆炸低泄爆压力 7 0 2 0 8 1 6 0 11 0中心口部爆炸 低泄爆压力 80 2 0 8 2 1 1 81 0 中心二次爆炸低泄爆压力 90 2 0 8 2 7 2 4 0 ，8中心正常泄爆低泄爆压力 顺h 论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 l o0 2 0 8 2 7 3 00 8 尾部正常泄爆低泄爆压力 1 10 2 0 8 2 8 31l - 3中心 正常泄爆高泄爆压力 1 20 2 0 8 2 8 3 2i 3 中心正常泄爆低泄爆压力 1 30 2 0 8 2 8 3 31 3 尾部止常泄爆高泄爆压力 由表2 3 1 可知，在实验破膜泄爆压力范围内，可得出以下结论： ( 1 ) 可燃混合气体当量比对泄爆过程有影响。当量比为l ，0 时，混合气体的泄 爆易于发生二次爆炸。 ( 2 ) 点火位置比对泄爆过程有影响。尾部点火方式比较易于发生二次爆炸。 比较2 3 1 小节的两实验，可知它们的初始条件是完全一样的，在破膜泄爆压力 上就出现了不同。发生正常泄爆时，破膜激波传播到1 号测点时压力约为4 0 0 k p a ； 发生二次爆炸时，破膜激波传播到1 号测点时约为1 5 0 k p a 。这两个压力值相差还是 比较大的，可以推测出前者的破膜泄爆压力也应该大于后者。所以可推出以下结论： ( 3 ) 破膜压力比对泄爆过程有影响。其它条件相同时，低破膜压力实验容易发 生二次爆炸。 2 4 小结 实验工作是本文模拟的基础。 作者作为泄爆实验的参与者之，在本章对实验工作进行了简要介绍。出于实验 不是本文的重点，限于篇幅只举例介绍发生正常泄爆和二次爆炸的实验结果，总结了 实验结论。 硕士论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 3二维非定常泄爆流场数值模拟方法 3 1 引言 在上一章可以看到泄爆实验发生的各种现象，如果要了解泄爆过程中的细节，分 析过程所涉及到的各种参量的发展变化和各种现象发生的原因，数值模拟是较好的途 经。 在描述多组分反应流这类流动的基本方程组中，有扩散方程出现，而且在扩散方 程和能量方程中还会有化学反应所造成的物质源、汇，热源和热汇。因此，化学反应 流体力学所面临的问题在物理上也远比常规流体力学复杂。从数学上看，在这里遇到 的往往是强烈非线性的联立偏微分方程组求解问题，经典的解析方法很难发挥作用， 因而数值分析方法在这一领域中的重要性就更显得突出。 3 2 非定常化学反应流控制方程 二维多组分非定常化学反应流n a v i e r - s t o k e s 控制方程【3 2 为 型+ 望+ 丝+ 矿：堡+ 塑+ s( 3 2 1 ) 新舐 砂 瓠 砂 其中，方程左边是变量u 、无粘性通量项f 、g 和轴对称产生的非齐次项，右边的 项分别代表粘性通量项、扩散通量项r 、g 。和化学反应源项s ，各项表为 r = 岛 p 2 ： p n 脚 p v 货 j z 仃盯 o x y 吼 f = p l “ p 2 u p “ p u + p 删v ( 形) ，g 。= g = s = p n v d “v p v + p 眺+ 形) 哆 ( o n 0 0 o w ：竺 y a = 0 为平面流动，口= 1 为轴对称流动，口= 2 为球对称流动。 p l p 2 pn d “ p v p e + p 硕士论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 3 3 简化模型 本文的计算模型为： ( 1 ) 计算中涉及的所有气体都作理想气体处理； ( 2 ) 不考虑燃烧过程中由于速度梯度引起的动量交换，由于温度梯度引起的热 量交换，以及由于浓度梯度引起的质量交换； ( 3 ) 本文的化学反应模型为1 4 组分，1 9 个基元反应。 通过上述简化处理后，得到理想气体流动二维非定常化学反应流的守恒型e u l e r 方程【1 8 】为 型+ 望+ 箜+ ：s( 3 3 1 ) 其中u = p i p 2 ： pq 口“ 们 p e h ，：竺 v ，f = p l “ p 2 “ p n u 彤2 十p p u v ( e + 形) ，s = q 她 ： 0 0 0 ，g 2 届v p 2 v ： p 一 册v p v + p 眺+ 殄 多组分混合气体的参数 由于是多组分问题，气体的状态参数与单一气体的有所不同。现给出有关关系式。 混合物的状态方程为： p = 粪静r = 孙 。z ， n岛；肌卧 p，f。-t。l 硕j 论文 泄爆过程的数值模拟和实验验证 混合物的温度为 r ：( 。一半一兰_ 纠) c ， z 磊 混合物的密度为 n p = p 。 月= 1 单位质量混合物的总能为 e = 喜酏一p p + 华 口= k 。+ 生# 月=l， 或单位体积混合物的总能 e = p e = 兰成霹+ p7 f c ，打+ ( p u ) 2 - + ( p v ) 2 善i 成霹+ p p 仉下 月= no 尸 = 薹风鳞+ p j c ，d t 0 + ! ! ：；：尘 = 风鳞+ p 弘，+ 竺与三竺 月= 】 - 一 其中用，= ，m 。= p v 组分 的焓 = ：+ f c 。d t ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 a ) ( 3 3 5 b ) ( 3 3 6 ) 组分”的定压摩尔比热c 。和摩尔焓h 。、摩尔熵墨可以表达为温度的多项式函数； c 肿= r ( a i 。+ 彳2 。r + 4 h7 2 + 爿4 。7 1 3 + 爿5 。t 4 ) ( 3 3 7 ) 以= 川以+ a 2 2 t _ _ _ e l 丁+ 争丁2 + 等丁3 + 争r 4 + 争) c s 。+ s ， e = 删一n t + a 2 t + 争丁+ 争7 12 + 争丁”a 。s ”t 4 + a t ) ( 3 3 9 ) 系数彳。a t 可以从刀删f 表中查到。 其中 c o n2 翥 ( 3 3 1 0 ) 1 5 坝i j 论史泄爆过程的数值模拟和实验验证 = 堡 “ m 。 c 。一r q w2 f q = 聃。 c ，= k c ， v ：cp ， c ( 3 3 1 4 ) ( 3 3 1 5 ) 3 4 算子分裂方法 如前所述，本文采用的计算方法是将流体动力学方程和反应速率方程分丌，每个 计算时间步由冻结化学反应的流体动力学步和没有流动作用的化学反应步组成。本文 的计算步骤是在同一计算时间步内，既进行流体动力学步计算，得到受流体动力学过 程作用后的新的流体参数，又利用新参数进行化学反应步计算，这样就得到了一个完 整的化学反应流动计算时间步后流体的新参数。 对于二维带化学反应平面流动方程式( 3 ，3 1 ) ，采用算子分裂技术得到差分格式 为 u z j 2 = 上。l y 抽。咖，l ，u 0 ( 3 4 1 ) 其中算子，、。分别为下列一维的二阶差分t v d 算子 三，：型+ 塑【旦+ w ：0( 3 4 2 ) c g t出 k ：掣+ 旦掣：0 ( 3 4 3 ) 西却 k 。： 詈= s ( 3 ) 具体形式为 u ，= u ：，丑( f ”1 一乒”1 ) 一a t - w ( u ；i ，) = 三，u ? ， ( 3 4 5 ) ”2 j2 1 u 0 = u ；一一乃( z i ；一弓：一；) = ，u ；一 ( 3 - 4 - 6 ) 1 6 坝i 论史 泄爆过程的数值模拟和实验验证 u 嚣1 = u ? ，+ a t s ( u ：，) ：l k ，“努 其中网格比丑2 瓦a t ，旯，2 缈a _ _ l t ，。 3 5 二维多组分流动t v d 方法 其中 ( 3 4 7 ) 根掘上一节的算子分裂方法，得到流体动力学步计算方程为 i o u + 娑+ 墨：0 ( 3 5 1 ) 西文加 7 u = p i 户2 p , v 删 珊 p e f = p i “ p 2 ” p u u p u + p d “v 删o + p p ) 用t v d 方法进行计算流体动力学过程。 g = 绷v 优+ p p r ( e + 形) 况谇列刀字近程明计算是捂贰( 3 4 5