管道内有机物对空气预混气体爆炸火焰影响的数值研究

管道内有机物对空气预混气体爆炸火焰影响的数值研究

随着煤、天然气、液化石油气的广泛应用，我们必须特别注意和注意避免在不同的领域发生不必要的气体爆炸。通常，工作场所有不同大小的障碍物。如果火焰穿过这些障碍物，由于火焰和障碍物之间的相互作用，火焰的形状、传播速度、燃料消耗和环境压力等变化会显著变化。这些因素直接影响爆炸事故的发生和发展的整个过程。因此，研究和分析火-火相互作用的机制以及由此产生的流场变化规律，可以有效控制火灾的燃烧速度，广泛应用于爆炸场的预测器、防火患和爆炸声的准备。目前,就障碍物、火焰、可燃气体的燃烧速率以及爆炸超压的相互关系,人们进行了大量的研究Dunn-rankin等人通过实验拍摄到了火焰翻越挡板的纹影照片,揭示了火焰与挡板的相互作用过程Fairweather等人在圆柱容器内进行了环形障碍物对火焰传播影响的实验和数值分析,探讨了剪切层、回流区和火焰的变化过程.Masri等人利用高速摄像系统对管道中火焰绕过一定厚度的方板进行了实验研究,分析了火焰长度及方板对火焰传播速度的影响.Naamansen等人利用McNEWT软件对具有不同形状和不同阻塞比的障碍物与火焰的相互作用进行了数值模拟.Huld等人对管道中不同形状的障碍物对火焰传播的影响规律进行了二维数值模拟,得到可燃气体被点燃以后,火焰开始向前传播,遇到障碍物后,火焰在障碍物与管侧壁之间以喷射状传播.随着火焰与障碍物后面的回流区域相互作用,当两个喷射状火焰在障碍物后的通道中间合二为一时,爆炸超压达到最大值.国内范宝春等人通过实验和数值模拟的方法对火焰穿过不同形状的障碍物的情形进行了研究,拍摄到了障碍物附近流场的时序阴影照片,实验表明火焰阵面在临近障碍物时会产生变形,其形状与障碍物形状相关,讨论了火焰传播过程中,回流区、剪切层、湍流以及火焰形状等的变化特征.余立新等人和林柏泉等人分别通过实验研究了障碍物对火焰传播速度的影响,得出了障碍物对管道中传播的火焰和爆炸波具有重要影响.本文以煤气为研究对象,采用两阶段化学反应模型和高精度差分格式WENO就有无障碍物条件下两端封闭的管道内煤气/空气预混气体的爆炸火焰的传播规律进行了数值研究,数值结果与实验结果吻合较好.通过对实验和数值结果的分析可以得到,当爆燃波向管道另一端传播时,不断向前发射压缩波,压缩波经过管道右端壁面反射后形成向左传播的压缩波,该压缩波与向右传播的火焰阵面相遇,造成火焰速度下降.在有障碍物存在的管道中,从障碍物中传播出去的爆燃波在壁面反射后形成三波结构,造成管道壁面处火焰速度较高.由于在火焰发展前期,三波结构很不稳定,随着三波点的向前传播,相应测点的火焰速度的值下降,而且三波点的碰撞造成壁面附近各处火焰速度出现波动.以上这些结论为爆炸场预估、防火防爆和爆轰推进中有效控制可燃气体的燃烧速率和火焰传播速度提供了重要的理论依据.1根据煤气表爆炸1.1循环温度和放热反应速率控制方程管道内煤气的爆炸过程采用加入两阶段化学反应模型的二维轴对称非定常流体力学方程组描述,在不考虑粘性,热传导和扩散作用的条件下,控制方程如下[13~16]:式中,p,ρ,E,T,ur,uz分别表示压力,密度,单位质量的总能量,温度,r和z为方向速度.α和β为无量纲化学反应进行度参数,E1,E2为活化能,k1,k2为化学反应速率常数,ωα为诱导反应进行的速率,ωβ为放热反应进行的速率.1.2阶精度数值通量的数值通量采用Steger-Warming矢通量分裂法对物理通量进行分解,按照分裂后的物理通量,构造差分格式其方程为:它的半离散守恒格式为:其中是网格边界上的数值通量.由于WENO格式在构造各个方向的数值通量的方法是一致的,所以下面以z方向的正通量为例,给出格式的建立过程.根据模板的扩展思想,当特征值为正时,选择的节点模板为两次扩充以后,备选模板为在这些模板上取二次插值函数,得到3个多项式q0,q1,q2,并以三阶精度逼近F在z=zi+1/2,j处的数值通量,其表达式为式中Crl为插值多项式的系数,由文献可知再利用3个多项式的凸组合,可得到五阶精度的数值通量权重ωr的取值形式如下:同理可得到相应的五阶精度数值通量对时间方向,本文采用三阶精度的TVDRungeKutta方法进行离散.1.3试验方法和实验流程为了研究两端封闭的管道内火焰传播及障碍物对火焰传播的影响规律,本文进行了实验与数值模拟研究.该实验是在中国矿业大学瓦斯(煤尘)爆炸实验室进行的.该实验系统由爆炸试验腔体、动态数据采集分析系统、火焰速度测量系统、压力测量系统、火焰温度测量系统、点火控制系统和配气系统组成.该管道为80mm×80mm的方管,总长20m,在方管上有压力、温度、火焰传感器和点火装置的安设孔.采用电容储能高压电火花点火,其输出能量为20~100J.试验时,先对爆炸试验管道室抽真空,当爆炸室内的压力达到要求的压力值时停止抽真空,然后将预混好的煤气与空气混合物充入管道,发出点火信号,使管道内的电极击穿气体放电,点燃混合气体,由压力传感器和数据采集系统对爆炸室内的压力进行测试和分析处理.结合实验,本文计算并模拟了有无障碍物条件下两端封闭管中火焰的传播过程,障碍物由3个同心圆环形钢板组成,障碍物的孔径为50mm,间距为100mm.计算与试验工质为20%(化学当量浓度)的煤气和空气预混气体.煤气的主要成分是氢气、甲烷、一氧化碳等.在模拟时,在管道的左端初始设置一段高温气体,用于模拟点火.在文中所有的算例中,时间由T/t*(t*为诱导反应时间)值无量纲化表示.1.3.1火焰加速和爆燃波传播相互作用图1(a)和(b)分别给出了无障碍物条件下管道中火焰的传播速度和爆炸超压的数值模拟与实验结果.从图1中可以看到,数值模拟结果和实验结果吻合得较好.图2(a)和(b)给出了管道长度为20m时不同时刻的火焰传播速度和爆炸超压随距离的变化图.图3给出了管道长度为20m时不同时刻从管道右壁面反射后的爆炸超压随距离的变化图.图4(a)和(b)和图5(a)和(b)分别给出了管道长度为40和80m时不同时刻的火焰传播速度和爆炸超压随距离的变化图.从图1中可以看到,可燃气体被点火后,在距点火端1.2m处,火焰传播速度很低,大约为56m/s,爆炸超压为0.06MPa,在距点火端约8m之前火焰处于不断加速的过程,在这一过程中,爆燃波从管道左端开始向另一侧传播,由于波后的爆燃产物被闭口端的限制,从而使爆燃波后的压力、温度迅速提高,使得火焰传播速度逐渐增加,并且在它波前形成压缩波.同时,图2(a)和(b)表明爆燃波在向前传播过程中,压力不断提高,火焰速度不断增加,于是不断向波前发射压缩波,而且此压缩波的强度逐步提高,爆燃波就是在这种不断被压缩波预压过的气体内通过,因此燃烧速率进一步增加,在距点火端大约8m处,火焰速度达到最大,约1000m/s.在火焰加速阶段,不断向波前发射的压缩波经过管道右端壁面反射,反射的压缩波强度逐渐增加,并向左传播(见图3).向左传播的反射压缩波与向右传播的火焰阵面相遇,使得火焰速度下降,在距点火端大约12m处火焰速度降到了局部极小值.为了进一步证实火焰传播速度的下降是由于管道右端壁面反射的向左传播的压缩波与右行的火焰阵面相互作用的结果,本文将管道的长度增加2倍和4倍分别进行数值计算.计算结果如图4和图5所示,从图中可以看到,当管长增加2倍后,由于右端壁面反射的压缩波要经过相对较长的时间才能与右行的火焰阵面相遇,因此火焰传播速度开始下降的时间明显推后(见图4).由于火焰阵面和反射压缩波相遇推迟,于是火焰加速的时间延长,所以,火焰传播所能达到的最大速度比原管长情况要大,最大值约为1500m/s.在管长为4倍时,火焰加速时间进一步延长,并在一定时间和距离上爆燃波转化为爆轰波,并以稳定速度向前传播,所以,即使管长增加为原来的4倍后,火焰速度所能达到的最大值比2倍管长略有增加,但火焰速度开始下降的位置比2倍管长时开始下降的位置明显推后(见图5).1.3.2开敞空间爆燃波的形成为了研究障碍物对火焰传播的影响规律,本文在以上研究的基础上进行了实验和数值模拟.图6为数值模拟中所加3个障碍物的空间分布图,其中A,B和C为3个测点,用于采集障碍物中间位置压力和火焰速度的数值.数值模拟得到的不同时刻的压力分布如图7所示.在图7(a)中,经过第一个障碍物后,原先以平面传播的燃烧波波阵面逐渐演化成带曲率的波阵面,分别向前、向上和向下3个方向传播,波阵面分别与上下壁面和第二个障碍物相撞,见图7(b)和(c),然后各形成两道反射波,并且在图7(d)所在的时刻相碰,发生相互作用,并最终演化成上下对称的两道局部爆燃波,见图7(f),其压力和速度有了明显的增大,这可以从图8中看出,A点的火焰速度达到了200m/s左右.在上壁面或下壁面与第二个障碍物之间波会发生反射,在流场中形成了局部的高温高压区,并在高温高压区诱导出活跃的化学反应区,温度和压力满足了一定的条件,火焰就会加强,形成爆燃波,甚至爆轰.这样的区域,可以认定其为“会聚”区域,其对波的会聚作用很明显.因此,对于可燃性气体的防护中,要特别注意避免存在这样的“会聚”区域,以防止气体爆炸产生更大的破坏效果.火焰经过第二个障碍物后,经历了与上述基本相同的过程,最后也形成了两道局部爆燃波,如图7(j)所示.通过分析可以看出,由于障碍物的加入,使得障碍物之间的燃烧介质得到了充分的预压缩,使其温度和压力均增加,根据阿伦尼乌斯定律,化学反应速率得到提高,火焰加强并形成了局部的爆燃波.同样在无障碍物的管道中设置3个监测点(a)~(c)其位置与在上述有障碍物管道中的3个监测点A,B和C相同.得到了图9所示的对比图.从图中可以看出管道中加入障碍物以后,3个监测点的速度呈现先增加后减小,最终大致相同的趋势.当然曲线存在振荡的现象,这是由于在两个障碍物之间,爆燃波发生多次反射和碰撞,造成了这个范围内的波系非常复杂.同样在无障碍物的管道中设置3个监测点a,b,c其位置与在上述有障碍物管道中的3个监测点A,B,C相同.得到了图9所示的对比图.从图中可以看出,管道中加入障碍物以后,3个监测点的速度呈现先增加后减小,最终大致相同的趋势.当然曲线存在振荡的现象,这是由于在两个障碍物之间,爆燃波发生多次反射和碰撞,造成了这个范围内的波系非常复杂.由前面的计算结果可知,对于在多障碍物中传播的火焰,在一定的区域,比如上述的“会聚”区域,会形成局部的高温高压区,只要温度、压力达到一定的条件,成为触发化学反应的条件,就会导致局部起爆总体来说,障碍物对火焰的影响可以总结为两个方面(ⅰ)障碍物的存在使得火焰波阵面扩大、扭曲甚至发生褶皱,造成火焰与预混气体接触面积的增大,燃烧速率加快,单位时间内的放热量增加,最终对火焰起到了激励作用;(ⅱ)由于障碍物和壁面造成波的多次反射使得预混气体得到了充分的预压缩,化学反应速率加快,使得火焰强度得到了加强.下面来分析爆燃波传出障碍物区域后的传播规律图10显示了爆燃波沿x轴的传播过程,(a)~(h)显示了三波点从开始碰撞,到分离的过程.图10(a)~(c)可以看出从第三个障碍物中传播出来的爆燃波波阵面呈现弧状,向前、向上、向下3个方向传播,与上、下壁面碰撞并发生反射形成三波结构,导致当地压力和温度升高,化学反应速率也急剧增加,在碰撞点释放了大量的能量.从图10(c)可以看出有两个横波相向运动,即将发生碰撞.图10(e)给出了两三波点发生碰撞,由于此时并没有达到准爆轰,不存在稳定传播的三波点,所以紧接着三波点消失,燃烧波波阵面以近似平面向前传播.三波点的结构如图11所示,1为马赫杆,呈突状,2为横波,它是横向运动的激波,3为入射激波.图10(f)~(h)是随着火焰继续加速,三波点重新形成.这次三波点不是形成于壁面的附近,而是形成于管道中线位置,这是由于波后火焰持续加速造成的.图10(g)中有2个三波点,2道横波分别向上、下壁面传播.随着时间的增加,从图10(h)中可以看出,形成了4个三波点.爆燃波在向前传播过程中,前导波阵面是由入射激波和马赫杆交替出现组成的,这种交替过程是通过横波的碰撞来实现的,横波在波阵面传播过程中起到了重要的作用.在横波发生碰撞时,入射激波转变为马赫杆,而马赫杆也同时转变为入射激波.随着时间的增加,该过程如此不断重复下去,并最终发展成自维持的爆轰.爆燃波在二维的传播情况和一维的有很大的不同,二维下波的传播情况由于受到上下壁面的约束,会在壁面处发生反射,使得压力、温度和火焰速度发生很大的变化.同时三波点的碰撞和分离以及消失也会对压力和火焰速度产生影响.通过对图10进行分析,三波点附近压力、温度等处于峰值.随着三波点的传播,其附近的压力、火焰速度和温度均呈逐渐减小的趋势(这是由于随着波的传播,在壁面碰撞后释放的大量能量存在扩散现象.)直到三波点再次发生碰撞.图12中给出了经过3个障碍物后火焰传播速度的实验和数值模拟结果,数值结果与实验吻合得很好从图中可以看到,火焰传播的前期与无障碍物条件下存在很大的不同.从障碍物中传播出去的爆燃波在上、下壁面反射后形成三波结构,所以造成管道壁面火焰速度较高.由于在火焰发展的前期,三波结构很不稳定,随着三波点的向前传播,相应测点的火焰速度的值急剧下降,这就解释了为什么图12中刚开始曲线从较高的值迅速下降.两个三波点在向前传播的过程中碰撞,但并没有形成新的三波点,见图10(e).虽然没有形成新的三波结构,但是三波点的碰撞还是会造成波阵面附近相关物理量的波动