直線運動下移動火源燃燒實驗和數值模擬

樓波，丁利，龍新峰，邱平，徐毅

(1. 華南理工大學 電力學院，廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東 廣州，510640；2. 華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州，510640)

直線運動下移動火源燃燒實驗和數值模擬

樓波1，丁利1，龍新峰2，邱平2，徐毅1

(1. 華南理工大學 電力學院，廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東 廣州，510640；2. 華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州，510640)

為了研究直線運動下移動火源的燃燒特性，對風洞中做直線運動的蠟燭火焰在不同工況下的燃燒進行了實驗，并運用Fluent軟件進行數值模擬對比分析。研究結果表明：當移動火源與空氣的相對速度為0.44 m/s時，風作用和車作用2種不同情況下火焰都向同一個方向偏轉，但火焰形態差異較大，前者火焰短而寬，后者火焰細而長，且后者燃燒溫度更高。絕對靜止燃燒和相對靜止燃燒時，前者火焰呈左右對稱圖形，后者火焰向火源運動的反方向偏轉，后者燃燒溫度更高。因此，移動火源與靜止火源燃燒有區別，不能利用相對運動的概念來分析移動火源燃燒。

移動火源；動網格；相對速度；火焰燃燒；數值模擬

移動火源是指著火時火源點處于運動狀態，例如高速行駛的列車著火。20世紀80年代以來，國際上對湍流燃燒模擬的研究主要集中于靜止火源燃燒[1?4]，而對移動火源的研究較少。目前，一些學者已開展了涉及到移動火源的一些工作，如 Lewis等[5]通過旋轉一個封閉長管，在管中產生一個離心力場，并測量管中預混氣體的火焰傳播速度，得出了火焰傳播速度與離心力之間的關系；吳晉湘等[6?10]研究了體積力場對預混火焰面形狀的影響，分析了離心力和科氏力對火焰結構、燃燒過程及燃燒不穩定性的影響，并重點研究了離心力或復合向心加速度對火焰傳播、熄滅等燃燒物性影響；郗艷紅等[11]研究了在隧道內行駛的地鐵列車火災的安全速度，得到了著火列車在隧道內行駛的最佳速度，但這些研究都沒有單獨提出移動火源的概念。目前，人們通常認為可以利用相對運動，通過外加風速于靜止火源的辦法來研究移動火源。LI等[12]研究火源運動時發現：火源運動的火焰鋒面形態與同一外界風速引起的火焰鋒面形態變化并不一樣。由此認為，火源運動速度v和加速度a等均會對流動、傳熱和燃燒產生影響，已有的經驗常識尚不足以認識移動火源深層問題。為研究此問題，本文作者對直線運動下的移動火源燃燒進行實驗和拍照，同時運用Fluent軟件建立非預混燃燒模型并配合使用動網格技術對移動火源進行數值模擬。通過實驗與數值模擬對比，分析不同情況下移動火源的燃燒火焰形態變化，研究移動火源與靜止火源燃燒的區別，闡述不能利用相對運動的概念來分析移動火源燃燒。

1 實驗

如圖1所示，用玻璃搭建一個風洞作為火源直線運動的空間，風洞長4.8 m，寬和高均為0.3 m，兩端開口，其余方向均封閉。開口的一側用風機鼓風，在風洞中形成一種均勻的直流風速。

圖1 模型原理圖Fig.1 Schematic diagram of model

選擇石蠟作為燃燒火源，將燃燒中的石蠟固定在小車上，小車在風洞中作直線運動，形成實驗條件下的移動火源。移動火源的實驗段距離l=3.6 m，小車向右行駛，記錄小車運動時間為t；火源的平均移動速度v1=l/t；風洞中風的方向可以向右或向左，速度設為v2，則火源和風產生一種相對速度，且相對速度為v0=v1?v2。向右運動為正，向左運動為負。實驗中移動火源的4種不同工況如表1所示，通過對不同運動工況下的移動火源實驗結果進行拍照，得到移動火焰形態。

表1 移動火源不同工況Table 1 Different working conditions of mobile fire

2 建立模型

2.1 數學模型

運用Fluent軟件對不同運動工況下的移動火源進行數值模擬，在實驗條件下風洞中的風速小于2 m/s，為層流狀態，因此，使用層流模型。對于石蠟燃燒，采用二維湍流模型，用標準k?ε雙方程求解湍流流動[13]，使用SIMPLEC算法來求解雷諾平均N?S方程，其控制方程如下：

湍動能k方程：

湍動能耗散率ε方程：

式中： 為流體密度； 為流體黏性系數；μt為湍流渦黏系數，μt=cuρk2/ε，經驗常數 cu=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，cε=1.3。Gk, Gb分別為由于速度梯度和浮力引起的湍動能產生項。火源燃燒模型采用非預混燃燒模型(Non-Premixed Combustion)，燃料為石蠟，蠟燭燈芯直徑為3 mm，氧化劑為空氣N2和O2含量(體積分數)分別為79%和21%，常溫下空氣溫度為300 K。

2.2 動網格

動網格模型可以用來模擬流場形狀因邊界運動而隨時間改變的問題，湍流模型結合動網格技術對二維空間內的移動火源燃燒進行模擬，類似模型在非穩態空化流中有所應用[14?15]。本模型采用有限元方法對網格進行劃分，把移動火源設置為動網格，網格劃分見圖2，火源周圍較密集，遠離火源的區域網格較稀疏。

圖2 網格圖Fig.2 Picture of mesh

3 實驗結果和數值模擬對比

3.1 風、車運動下火焰分析

工況Ⅰ和工況Ⅱ的實驗圖像及模擬結果分別如圖3和圖4所示，從圖3和4可看出：實驗結果和模擬結果吻合較好，證明建立的模型是合理的。但從工況Ⅰ和工況Ⅱ火焰外形來看，雖然兩者的相對速度同為0.44 m/s，火焰燃燒都向左偏轉，然而形態差異較大。

工況Ⅰ和工況Ⅱ火焰附近速度場分布模擬如圖 5所示。工況Ⅰ火焰只受到風的作用，風速為?0.44 m/s，火源速度為0 m/s，風對火源的作用是大面積的來流，移動火源受到一種大范圍內的自右向左的氣流干擾，使火焰產生向左偏移的趨勢，由圖3火焰形態可知：火焰向左偏轉，火焰底部較寬，從底部變化到火焰尖峰寬度梯度變化大，整個火焰顯得短而寬，燃燒最高溫度為1 120 K。而工況Ⅱ下移動火源的運動引起火源周圍氣流產生擾動，只影響火焰附近小范圍內流場變化，此情況下火源以0.44 m/s 的速度向右運動，風速為0 m/s，移動火源向右做直線運動，由于空氣阻力和火焰自身慣性作用，使燃燒的火焰有一種向左偏的趨勢。由圖4可知：工況Ⅱ下，從火焰底部變化到火焰尖峰寬度梯度變化較工況Ⅰ小，整個火焰呈現一種細而長的形態，燃燒最高溫度為1 170 K。由此可知，工況Ⅰ受大范圍來風氣流影響與工況Ⅱ火源自身運動引起周圍局部氣流變化相比更容易散熱，工況Ⅱ燃燒溫度更高。因此對于移動火源，不能利用通過外加風速產生相對運動的辦法來分析。

圖3 工況Ⅰ火焰形態Fig.3 Flame form of condition Ⅰ

圖4 工況Ⅱ火焰形態Fig.4 Flame form of condition Ⅱ

3.2 絕對靜止和相對靜止火焰燃燒分析

圖5 工況Ⅰ和工況Ⅱ下速度場Fig.5 Velocity fields of conditions Ⅰ and Ⅱ

圖6 工況Ⅲ火焰形態Fig.6 Flame form of condition Ⅲ

圖7 工況Ⅳ火焰形態Fig.7 Flame form of condition Ⅳ

圖8 工況Ⅲ和工況Ⅳ下速度場Fig.8 Velocity fields of conditions Ⅲ and Ⅳ

為了更好驗證風、車運動下對移動火源影響的不同，對處于絕對靜止和相對靜止火源的2種工況進行實驗及模擬對比。實驗及模擬結果分別如圖6和圖7所示?？梢姡憾呋鹧嫘螒B差異很大。2種工況下火焰附近速度場分布如圖8所示。由圖8可見：2種工況的差異也很明顯。在絕對靜止情況下，火焰速度和風速均為0 m/s，這是典型的完全擴散燃燒，可以看到蠟燭燈芯上方燃料釋放的流速在整個速度場中相對較大?；鹧鏈囟雀撸諝鉁囟鹊?，火焰與周圍空氣產生溫度差，引起火源附近氣體擾動，但流速不大，接近于0 m/s，因此整個燃燒過程基本不受外界影響，燃燒平靜，火焰呈左右對稱的光滑曲面，最高溫度為 881 K。 而相對靜止情況下速度場圖8(b)，此情況火焰速度和風速均為1.7 m/s，方向同為右，這時火源四周速度場處于同右向分布狀態，氣體流速約為1.7 m/s。由此可見，雖然工況Ⅳ處于相對靜止狀態，與工況Ⅲ絕對靜止狀態相比，火源附近氣流具有一定速度，相同時間內使更多新鮮空氣參與燃燒反應，燃燒更為劇烈，此時燃燒最高溫度為1 050 K，而且火焰形態向左偏轉。因火焰的阻擋，使火焰右側的氣流速度低于 1.7 m/s，同時靜壓升高，整個火焰外形向左傾斜。說明此情況下火源自身的運動對火焰形態也有影響。實驗與數值模擬都說明絕對靜止燃燒和相對靜止燃燒2種燃燒有區別，不能完全利用相對運動的概念來研究移動火焰燃燒。

4 結論

(1) 在風、車運動下，火焰為 2種不同的外形，影響因素的不同使二者燃燒形態和速度場有很大不同，其中風作用下火源周圍受大范圍內來風氣流影響，而車作用下只引起火焰周圍局部氣流變化。兩者的散熱條件也不一樣，前者比后者散熱快，后者燃燒溫度更高。

(2) 相對靜止火焰燃燒與絕對靜止火焰燃燒有明顯不同，由于前者火焰四周氣流湍動更大，更多的空氣與燃料接觸反應，比后者燃燒程度更劇烈，溫度更高。相對靜止時移動火焰本身的運動也有影響，引起火焰形態向火源運動的反方向偏轉。

(3) 移動火源與靜止火源燃燒有本質區別，不能利用相對運動的概念來分析移動火源燃燒。其深層次的機理還有待進一步研究。

[1] Savio S. Modified porosity approach and laminar flamelet modelling for advanced simulation of accidental explosions[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2010, 23(1):3?14.

[2] Lee K, Choi D. Analysis of NO formation in high temperature diluted air combustion in a coaxial jet flame using an unsteady flamelet model[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(5/6): 1412?1420.

[3] Nguyen P, Vervisch L, Subramanian V, et al. Multidimensional flamelet-generated manifolds for partially premixed combustion[J]. Combustion and Flame, 2010, 157(1): 43?61.

[4] Felsch C, Gauding M, Hasse C, et al. An extended flamelet model for multiple injections in diesel engines[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(2): 2775?2783.

[5] Lewis G. Combustion in a centrifugal force field[J]. Symposium(International) on Combustion, 1971, 13(1): 625?629.

[6] 吳晉湘, 王恩宇, 劉聯勝, 等. 體積力場對預混火焰面形狀的影響[J]. 燃燒科學與技術, 2005, 11(6): 535?538.

WU Jinxiang, WANG Enyu, LIU Liansheng, et al. Influence of volume force field on the premixed flame shapes[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2005, 11(6): 535?538.

[7] 吳晉湘, 劉聯勝, 王恩宇, 等. 大加速度場中二維層流燃燒過程的數值模擬[J]. 燃燒科學與技術, 2002, 8(3): 265?269.

WU Jinxiang, LIU Liansheng, WANG Enyu, et al. Numerical studies of the two dimensional laminar combustion model in large acceleration field[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2002, 8(3): 265?269.

[8] Sheu W, Sohrab S, Sivashin sky G I. Effect of rotating on bunsen flame[J]. Combustion and Flame, 1990, 79(2): 190?198.

[9] Shinsuke O, Eiichi M, Hideaki K, et al. Disturbed flame propagation in the centrifugal acceleration environment[C]//Memoirs of Engineering. Kyushu University, 1992: 197?198.

[10] Sivashin sky G I. Rakib Z, Matalon M, et al. Flame propagation in a rotating gas[J]. Combust Sci and Tech, 1998, 57(3): 37?53.

[11] 郗艷紅, 毛軍, 樊洪明, 等. 地鐵列車著火后在隧道內行駛的安全速度[J]. 華南理工大學學報: 自然科學版, 2010, 33(3):25?30.

XI Yanhong, MAO Jun, FAN Hongming, et al. Segregability evaluation of granular pavement material[J]. Journal of South China University of Technology: Natural Science Edition, 2010,33(3): 25?30.

[12] LI Yanling, LONG Xinfeng, LIANG Ping. FDS analysis of smoke spreading in the tunnel with flue under fire[J]. Journal of Chemistry and Chemical Engineering, 2009, 3(4): 39?43, 52.

[13] 任志安, 郝點, 謝紅杰. 幾種湍流模型及其在 FLUENT中的應用[J]. 化工裝備技術, 2009, 30(2): 38?44.

REN Zhian, HAO Dian, XIE Hongjie. Several turbulence model and its application in FLUENT[J]. China Academic Journal Electronic Publishing House, 2009, 30(2): 38?44.

[14] 杜特專, 黃晨光, 王一偉, 等. 動網格技術在非穩態空化流計算中的應用[J]. 水動力學研究與進展, 2010, 25(2): 191?194.

DU Tezhuan, HUANG Chenguang, WANG Yiwei, et al.Investigation of dynamic mesh technique and unsteady cavitations flows[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2010,25(2): 191?194.

[15] 王方. 燃燒學[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1994: 84?86.

WANG Fang. Combustion theory[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 1994: 84?86.

(編輯 趙俊)

Mobile fire combustion experiment and numerical simulation during linear motion

LOU Bo1, DING Li1, LONG Xinfeng2, QIU Ping2, XU Yi1

(1. Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology, School of Electric Power,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In order to study combustion characteristics of mobile fire during linear motion, candle flame during linear motion experiment in a wind tunnel was made to research the combustion mechanism and the Fluent software was also used as a numerical simulation contrast. The results show that flame will deflect to the same direction in the two different conditions of wind movement and car movement when mobile fire and air relative speed is 0.44 m/s, but their flame shapes are different, the former flame is short and wide, while the latter flame is thin and long, and the latter combustion temperature is higher. Compared with the relative rest combustion, absolute rest combustion flame is symmetrical graph,the latter flame form moves to the contrary direction of the movement of fire, and the latter flame combustion temperature is higher. So mobile and static fires are different, and relative motion concept can not be used to research the mobile fire combustion.

moving fire; dynamic mesh; relative velocity; flame combustion; numerical simulation

TK413.2，V231.2

A

1672?7207(2013)03?1240?06

2011?12?25；

2012?03?05

廣東省綠色能源技術重點實驗室資助項(2008A060301002)；廣州市應用基礎研究項目(12C72081667)

樓波(1965?)，男，浙江義烏人，博士，副教授，主要從事燃燒理論與應用研究；電話：020-22236823；E-mail: loubo@scut.edu.cn