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封閉管道內(nèi)氣體燃燒火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯?/h1>
2015-03-27 18:34:34黃濤范進(jìn)丁建國
中國科技縱橫 2015年6期

黃濤 范進(jìn) 丁建國

【摘 要】 為了研究可燃?xì)怏w在管道內(nèi)的燃燒規(guī)律,選取甲烷與空氣預(yù)混氣體為可燃?xì)怏w,建立內(nèi)置障礙物情況不同的封閉管道模型,運用CFD計算流體動力學(xué)方法,對管道內(nèi)氣體燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。監(jiān)測了火焰面的形狀、位置、速度的變化;分析了擋板位置、數(shù)量以及阻塞率對火焰面?zhèn)鞑ミ^程的影響。研究表明:火焰面?zhèn)鞑ニ俣入S擋板數(shù)量、阻塞率的增加而增大,擋板和點火區(qū)的距離與管徑的比值在0.5~3范圍內(nèi)時,火焰面?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值。研究為工程結(jié)構(gòu)的防爆設(shè)計提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 封閉管道 ?氣體燃燒 ?障礙物 ?計算流體動力學(xué) ?火焰?zhèn)鞑?/p>

1 引言

2014年6月3日,重慶市萬圣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)硯石臺煤礦發(fā)生重大瓦斯爆炸事故,造成22人死亡;8月1日,臺灣高雄前鎮(zhèn)區(qū)發(fā)生丙烯氣體泄漏并爆炸,造成28人死亡,302人受傷。無論是工業(yè)生產(chǎn),還是日常生活中,可燃?xì)怏w安全問題已引起人們的高度關(guān)注。

氣體爆炸問題的研究方法,主要有解析法,實驗方法和數(shù)值方法。解析法中,常用的解析模型有等溫模型、絕熱模型和一般模型[1]。模型對實際情況進(jìn)行了較大的簡化,分析存在一定的誤差。相比實驗方法,數(shù)值方法成本低,安全性高,已經(jīng)被許多研究人員采用。采用數(shù)值方法主要有集中參數(shù)方法(LMP)和計算流體動力學(xué)方法(CFD)。CFD方法能夠反映變量在空間的分布,可以適應(yīng)形狀復(fù)雜的情況,得到了廣泛的應(yīng)用。運用CFD方法,王志榮等[2]模擬了連通容器內(nèi)氣體的爆炸,結(jié)果表明連通管后的容器內(nèi)產(chǎn)生預(yù)壓縮,湍流導(dǎo)致爆炸壓力增加;李帆等[3]模擬了光滑管道內(nèi)氣體的爆炸,得到了不同時刻管內(nèi)壓力、湍流動能的分布;畢明樹等[4]對管道內(nèi)可燃?xì)獗ㄟM(jìn)行了一維數(shù)值模擬。

實際上,輸氣管道在使用過程中,可燃?xì)庵泻械碾s質(zhì)將在管道內(nèi)沉積、聚集,導(dǎo)致管道流通面積減小。在長徑比L/D較大(L/D>>5)且內(nèi)部有較密集的隔板和設(shè)備等障礙物的密封體內(nèi),氣體燃燒過程更加復(fù)雜[1、5-6]。為更好的對管道及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗爆設(shè)計,有必要對不同阻塞率下管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行研究。

本文利用計算流體動力學(xué)軟件Fluent對內(nèi)徑為20mm,長300mm(L/D=15)的管道內(nèi)甲烷與空氣預(yù)混氣體燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模型

建立內(nèi)徑為20mm,長為300mm的管道二維模型,網(wǎng)格大小為1mm×1mm,共約6000個網(wǎng)格。四周邊界條件為固定壁面,無滑移。由于氣體爆炸發(fā)生時間較短,故在模擬過程中忽略熱損失,假設(shè)壁面為絕熱。管道內(nèi)充滿甲烷與空氣的混合氣體,甲烷含量為10%,混合氣體溫度為300K。化學(xué)反應(yīng)方程式為:

以管道左端面中心為圓點,設(shè)置半徑為3mm的半圓形點火區(qū),點火區(qū)溫度為1800K。如圖1中,紅色區(qū)域所示。

本文共建立7個管道模型。0號為內(nèi)壁光滑管道模型,管內(nèi)無擋板。其他模型,分別在管道內(nèi)距離點火區(qū)l處,設(shè)置1道或2道擋板,對管道形成一定的阻塞。管道截面如圖1所示。具體情況見表1。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)壁光滑管道內(nèi)氣云燃燒模擬

內(nèi)壁光滑管道內(nèi)氣體模擬燃燒過程中,火焰面位置及形狀變化如圖2所示。點火初期,火焰面近似成半圓形向外擴散,由于側(cè)壁溫度與環(huán)境溫度相同,為300K,火焰面沿軸向延伸,距離壁面較近處還未燃燒。0.5ms時刻,已燃區(qū)域逐漸飽滿,火焰面成平面,化學(xué)反應(yīng)主要集中于已燃區(qū)域右側(cè)。

由于湍流作用,火焰面有一定的厚度,繼續(xù)向前傳播。2ms時刻,火焰面形成指向已燃區(qū)域的尖端,形成“郁金香”火焰面,火焰發(fā)展為明顯的湍流,火焰面厚度進(jìn)一步增加。此后,火焰面大致維持該形狀,逐漸向右傳播,至所有氣體燃燒完畢。

每隔0.1ms在FLUENT中監(jiān)測管道中心線上火焰面中心位置,得到火焰面位置與時間的關(guān)系曲線。對該曲線進(jìn)行擬合并求導(dǎo),可得火焰面中心的速度與時間關(guān)系。火焰面的位置、速度與時間關(guān)系如圖3所示。

點火初期,點火溫度較高,由阿累尼烏斯方程[1]可知,化學(xué)反應(yīng)速率較大,火焰面以較快速度向前傳播,隨著燃燒的進(jìn)行,火焰面速度逐漸減小。當(dāng)火焰面以穩(wěn)定的“郁金香”形向前傳播時,一方面,因為監(jiān)測點的局限性以及湍流的存在,造成監(jiān)測數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映整個火焰面的位置,引起一定的誤差;另一方面,由于受到側(cè)壁及管道右端面反射的超壓影響,傳播速度呈現(xiàn)一定的波動性。

3.2 阻塞率對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

分別監(jiān)測0、1、2號模型火焰面中心位置。記錄火焰面中心速度與時間關(guān)系,如圖4所示。在有擋板的管道中,火焰面?zhèn)鞑ニ俣仍诒诿娣瓷涑瑝旱淖饔孟乱廊挥胁▌樱畲笏俣扰c平均速度均遠(yuǎn)大于光滑管道。擋板對火焰面?zhèn)鞑ビ泻艽笥绊憽?/p>

由于擋板的存在,擋板左側(cè)形成燃燒腔,腔內(nèi)超壓值較大,擋板處形成超壓出口,造成氣體噴涌,如圖5所示。燃燒氣體在超壓作用下通過擋板,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱纬赏黄馉罨鹧婷妗醢鍖饬饔忻黠@的擾動,產(chǎn)生大尺寸湍流,燃燒劇烈,進(jìn)一步增加火焰?zhèn)鞑ニ俣取T趦烧吖餐饔孟禄鹧媲瓣嚸娓咚偻ㄟ^擋板,同時,擋板與管壁形成的角落處氣體燃燒速度較慢,形成火焰斷層,如圖6。隨著角落可燃?xì)馊紵M,火焰斷層消失。

3.3 擋板位置對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>

分別監(jiān)測3、4、5號模型火焰面中心位置。記錄火焰面速度與時間關(guān)系,如圖7所示。

在點火初期,5號模型中擋板距離點火區(qū)較遠(yuǎn),對火焰面?zhèn)鞑ビ绊懖淮螅?、4號模型中,管道內(nèi)火焰面?zhèn)鞑ニ俣仍鲩L較快,4號模型速度峰值大于其他管道。火焰面?zhèn)鞑ブ衅冢?號模型受擋板影響,火焰面?zhèn)鞑ニ俣确逯蹈哂谄渌艿馈_@意味著,距離點火區(qū)遠(yuǎn)的擋板對火焰面?zhèn)鞑コ跗谟绊戄^小,對達(dá)到擋板前后的火焰面?zhèn)鞑ゲ庞休^明顯的影響。當(dāng)擋板處于合適位置上時,將產(chǎn)生最大火焰面?zhèn)鞑ニ俣龋撐恢镁嚯x點火區(qū)0.5~3倍管徑。

3.4 擋板數(shù)量對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>

監(jiān)測6號模型火焰面中心位置變化。4、6號模型火焰面速度隨時間變化曲線如圖8所示。6號模型火焰面速度峰值大于其他管道。相對于4號模型,6號模型中火焰面速度峰值增加近30%。由此可知,兩塊擋板之間形成的燃燒腔對火焰面?zhèn)鞑ト匀挥屑铀僮饔谩S^測顯示,50mm擋板處火焰面?zhèn)鞑ネ瑯映霈F(xiàn)斷層現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文對7個充滿甲烷-空氣預(yù)混氣體,內(nèi)部擋板設(shè)置情況不同的封閉管道模型進(jìn)行燃燒模擬,得出以下結(jié)論:

(1)在L/D較大的密閉容器預(yù)混氣體燃燒過程中,最大火焰面速度在燃燒初期形成。傳播過程中火焰面速度受邊界條件影響出現(xiàn)波動。

(2)當(dāng)管道內(nèi)存在障礙物時,火焰面?zhèn)鞑ニ俣却蟠笤黾樱枞试礁撸俣仍黾釉酱螅⒃趽醢逄幊霈F(xiàn)火焰斷層現(xiàn)象。

(3)存在最不利距離,當(dāng)障礙物和點火區(qū)的距離與管徑的比值在0.5~3范圍內(nèi)時,出現(xiàn)火焰面?zhèn)鞑ニ俣茸畲笾怠U系K物離點火區(qū)太遠(yuǎn)或者太近時,其對火焰面?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懗潭冉档汀?/p>

(4)增加障礙物數(shù)量會形成多個燃燒腔,燃燒腔對火焰面?zhèn)鞑ビ屑铀僮饔谩?/p>

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