阻塞比對甲烷火焰傳播特性影響的數值模擬研究

鄭 雨，戴文元，王國大，黃燕曉，程關兵

（中國民航大學航空工程學院，天津300300）

0　引言

隨著國家發展與能源戰略變化，我國能源結構逐漸形成了以天然氣和液化氣為主、新型能源為輔的體系。但這些可燃氣體在工業使用過程中存在因泄漏發生爆炸的危險。可燃性氣體爆炸事故往往是火焰在工業現場的設備、儀器和工裝等障礙物作用下加速到爆轟的結果，并伴隨較大的過驅壓力，這對現場作業人員和設施有極大的危害。近年來，國內外可燃性氣體爆炸事故層出不窮，這類事故在整個工業事故中占有很大的比重[1]。因此，可燃性氣體爆炸防治已成為工業安全和社會公共安全保障的重要組成部分。

為了防治可燃性氣體爆炸事故，揭示其火焰傳播物理機制，國內外諸多學者從實驗和數值兩方面開展了管道內預混火焰傳播特性的研究。在國外，Masri等[2]和Ibrahim等[3]研究了阻塞比、泄放壓力和障礙物尺寸、形狀對預混火焰燃燒的影響。他們發現：障礙物阻塞比對火焰形狀、傳播速度和壓力有著重要的影響。Thomas等[3]發現入射激波和反射激波可有效地增加火焰傳播速度。Ciccarelli等[4]對管內火焰傳播物理機制開展了綜合研究，分析其傳播過程的影響因素和機理，并建立了爆燃轉爆轟準則。Dunn-Rankin等[5]從數值模擬角度分析了郁金香火焰產生的機制。Gamezo等[6]開展了障礙物管道內氫氣火焰傳播特性的數值模擬研究。他們發現火焰不穩定性、阻塞比和點火能量對對火焰加速傳播的影響。在國內，菅從光等[7]從實驗角度分析了湍流對瓦斯火焰和爆炸波的影響。發現：在障礙物管道內，管道面積的突變會產生湍流，增加了下游火焰的湍流度，增加了火焰傳播速度，并促進了激波的產生。葉經方等[8]研究了楔形障礙物對火焰失穩的影響，結果發現：火焰在傳播初期、經過表面光滑的管道時是層流運動，當火焰穿過障礙物時，湍流度增加，火焰失穩。在多種火焰不穩定性共同作用，火焰傳播由層流轉變為湍流。張志遠等[9]研究了初始條件對預混火焰層流傳播速度的影響。初始溫度較高，火焰燃燒速度增加。初始壓力較高，火焰燃燒速度會減小；當初始壓力較高時火焰不穩定性增加。何學超[10]通過實驗研究了點火源位置和組分對預混火焰傳播特性的影響，并分析了火焰形狀、傳播速度和壓力等動力特性參數的變化規律。董剛等[11]對預混火焰在管道內的傳播加速過程進行了數值模擬，分析了火焰和激波的相互作用過程。何學超等[12]利用k-ε湍流模型對管道預混氣體火焰傳播過程進行了模擬，獲得了火焰傳播速度與壓力和火焰鋒面結構的變化規律。

由上述文獻可知，實驗管徑、燃料組分和障礙物等對火焰傳播特性影響較大，因此論文擬選用標準k-ε湍流模型，運用六步反應機制，并結合Fluent軟件，開展常溫常壓下障礙物對甲烷火焰傳播特性影響的研究，分析在帶有不同阻塞比障礙物的管道內甲烷火焰動力學參數的變化規律，揭示火焰傳播過程中的主要物理機制，結果在甲烷爆炸災害事故預防方面有一定的參考意義。

1　數值模擬

1.1　基本假設

管道內可燃性預混氣體的燃燒和傳播過程，論文做出若干假設：（1）管道氣體內為理想氣體；（2）常溫常壓下空氣和甲烷充分混合；（3）混合氣體的狀態參數符合混合規則；（4）燃燒過程為不可逆反應；（5）管道壁面為剛性壁面，不考慮氣體流動與壁面的耦合作用；且管兩端封閉；（6）各組分氣體擴散系數相同。不考慮熱輻射的影響。

1.2　數學模型

本文選用計算模型具有軸對稱的特性，可以在軸對稱坐標系下求解，現在得到二維軸對稱計算模型，其控制方程：

式（1）中：

其中，ρi為第i組分密度，μ和v分別為火焰在x方向和r方向的傳播速度，ωi為第i組分的單位體積的質量生成率，E為單位體積總能。此外，甲烷與空氣燃燒過程簡化為六步反應模型，計算將采用k-ω模型。

1.3　物理模型

為研究障礙物對火焰加速過程的影響，論文考慮了三種阻塞比（Blockage Ratio，BR）的板形障礙物，阻塞比分別為0.3、0.5和0.7。阻塞比定義為障礙物面積與管道截面面積之比。圖1所示為方形管道和阻塞比BR為0.5的障礙物的二維物理模型。兩端封閉的矩形管道長為500 mm，寬為80 mm.管道中布置有障礙物，其相鄰障礙物間距為80 mm、阻塞比為0.5，厚度為10 mm.壁面以及障礙物邊界條件均為絕熱無滑移的WALL形式。

圖1　管道和障礙物的物理模型

在帶障礙物管道中填入當量比為1的甲烷/空氣混合氣體。未燃氣體各組分的質量分數分別為甲烷0.055，氧氣0.22和氮氣0.725.混合氣初始溫度為300 K，初始壓力為101.325 kPa.管道左壁面中心位置處點火。

2　結果分析與討論

2.1　BR=0.5障礙物對火焰加速的影響分析

圖2為甲烷火焰傳播過程中的溫度計算云圖，圖3為火焰傳播速度沿管道軸向方向的變化規律，圖4為火焰傳播到達位置和時刻。

圖2　溫度云圖

圖3　火焰傳播速度變化

圖4　火焰到達位置和時刻

由圖2～圖4可知：混氣體在點火后，火焰開始在管道內傳播。起初火焰形態為球形，隨著球形火焰半徑增加，燃燒產物不斷膨脹，火焰傳播速度增加。在火焰鋒面到達左側管道壁面后，火焰逐漸演變為半球形火焰，并向管道上下壁面和下游方向傳播，如圖2（a）所示。由于受到管道壁面影響，甲烷逐漸由半球形演變為指形，如圖2（b）所示。火焰鋒面前未燃氣體在燃燒產物膨脹作用，在未燃氣體中產生弱的壓縮波。同時，在障礙物前滯留部分混合氣，因此，火焰在管道壁面、障礙物壁面反射的壓縮波作用下，火焰前端變得越來越尖，如圖2（c）所示。由于火焰表面積在其傳播過程中不斷增加，且其傳播流通通道變為收縮型，火焰傳播速度逐漸增大，如圖2（d）所示。在t=5.0 ms時，火焰傳播速度約為60 m/s.隨后，在障礙物上表面因流動形成的剪切層影響下，火焰傳播速度進一步增加，其傳播速度約為82 m/s，如圖2（e）所示。

火焰在繞過第1個障礙物時，其傳播通道變擴張型，火焰傳播速度略有降低，但火焰表面積增加幅度更大，因此火焰傳播速度整體趨勢是增加的。但在第1個和第2個障礙物中部附近，火焰傳播速度逐漸下降，其大小約為51 m/s.隨后當火焰逐漸靠近第2個障礙物，火焰傳播速度進一步下降，這主要由于第2個障礙物、管道下壁面反射壓縮波以及收縮型的流通通道等因素共同作用的結果。如圖5所示，在火焰繞過第2個障礙物時，火焰在其表面積增加和流通通道變化的作用下，火焰速度達到了72 m/s.對比圖2（e）、圖2（f）和圖3，可發現火焰在隨后障礙物傳播過程中速度變化呈振蕩變化趨勢，在障礙物附近時火焰速度增加，而在相鄰障礙物間時其傳播速度是下降的。

2.2　不同阻塞比障礙物對火焰加速的影響分析

論文采用了三種不同阻塞比的障礙物用于加速火焰的傳播。圖5表示阻塞比（BR=0.3、0.5和0.7）對火焰傳播速度的影響，圖6表示在三種不同阻塞比的板形障礙物作用下火焰到達位置和時刻圖。

圖5　阻塞比對火焰傳播速度影響

圖6　阻塞比對火焰到達位置和時刻的影響

由圖5和圖6可知：在障礙物作用下，火焰在初始階段的傳播速度增大，在火焰流經障礙物時火焰速度呈振蕩變化。在障礙物附近時火焰速度進一步增加，但在相鄰障礙物間其大小減小，但其加速能力略有不同。由圖5和圖6可知，障礙物阻塞比越大，火焰整體加速能力也越高，火焰加速時間和距離也越短。這主要由于障礙物阻塞比越大，火焰表面積增加幅度也越大，火焰拉伸變形程度也越高，由管道右壁面反射的壓縮波對火焰阻止能力越小，因此火焰傳播速度也越大。

3　結束語

（1）在火焰傳播初始階段，火焰傳播速度單調增加，主要由于火焰表面積增加的原因。

（2）火焰在流經障礙物時，火焰形態會發生較大變化，火焰傳播速度呈振蕩變化。在障礙物附近時火焰傳播增加，在障礙物間其大小下降。這主要是火焰表面積變化、流體通道變化以及壁面發射壓縮波共同作用的結果。

（3）阻塞比越高，火焰傳播速度越大，火焰加速能力也越強，但整體變化趨勢相同。這主要由于火焰形態變化和管道壁面反射的壓縮波作用的結果。

參考文獻：

[1]楊春麗，李祥春.煤礦特別重大瓦斯煤塵爆炸事故發生原因及規律統計分析[J].煤炭技術，2015，34（10）：309-311.

[2]Masri A.R，Ibrahim S.S，Nehzat N，Green A.R.Experimental study of Premixed flame propagation over various solid obstruction[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2000（21）：109-116.

[3]Ibrahim S.S，Masri A.R.The effects of obstructions on overpressure resulting from premixed flame deflagration[J].JournalofLossPrevention in the ProcessIndustries，2001（14）：213-221.

[4]Thomas G，Bambrey R，Brown C.Experimental observations of flame acceleration and transition to detonation following shock-flame interaction[J].Combustion Theory and Modeling，2001，5（4）：573-594.

[5]Ciccarelli G，Dorofeev S.B，Flame acceleration and transition to detonation in ducts[J].Progress in Energy and Combustion Scienee，2008，34（4）：499-550.

[6]Dunn-Rankin D，Barr P K，Sawyer R F.Numerical and experimental study of tulip flame formation in a closed vessel[A].Proceedings of the 21st Symposium（Inter national）on combustion[C].Pittsburgh：Pergaon，1986：1291-1301.

[7]Gamezo Vadim N，Takanobu Ogawa，Oran Elaine S.Numerical simulations of flame propagation and DDT in obstructed channels filled with hydrogen-air mixture[J].Proceedings of the Combustion Institute，2007（31）：2463-2471.

[8]管從光，林柏泉，周世寧.湍流的誘導及其對瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波的作用[J].實驗力學，2004，19（1）：39-44.

[9]葉經方，姜孝海，董 剛，等.楔形障礙物誘導火焰失穩的實驗研究[J].彈道學報，2005，17（3）：13-18.

[10]何學超.丙烷空氣預混火焰在90°彎曲管道內傳播特性的實驗和數值模擬研究[D].合肥：中國科技大學，2010.

[11]董 剛，范寶春，葉經方，等.激波與火焰相互作用的化學動力學模擬[J].自然科學進展，2004，14（3）：312-318.

[12]何學超，孫金華，陳先鋒，等.管道內甲烷-空氣預混火焰傳播的特性的實驗與數值模擬研究[J].中國科技大學學報，2009，39（4）：419-423.