聚氨酯障礙對甲烷空氣預混火焰傳播的影響

張承虎， 范麗佳， 楊煜潔， 魏繼宏， 譚羽非

(哈爾濱工業大學 建筑學院 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001)

1 概述

天然氣爆燃火焰在各種障礙物和多孔介質中的傳播的研究意義重大，目前已有很多研究者致力于預混燃氣火焰在不同障礙和容器內中的傳播特性研究。喻健良等人[1]研究了光滑壁面、多孔材料內襯壁面、實體障礙內襯壁面中燃氣預混火焰的傳播規律，研究結果表明，內襯多孔材料對火焰溫度和壓力波起削弱作用，而內襯實體障礙對火焰溫度和壓力波起加強作用。Lei Pang等人[2]探究了滿布式鋁合金絲網對爆燃火焰的阻燃淬熄效應，結果表明對于氫氣空氣混合氣，鋁合金絲網不僅不能使火焰淬熄，還會增大最大爆炸超壓，而對于甲烷空氣混合氣體，其狀況恰好相反。Xiaoping Wen等人[3]對內置連續障礙的小尺度受限空間內的瓦斯爆燃火焰進行了大渦模擬，對其火焰結構，火焰傳播速度和超壓，以及火焰模態進行了研究。Kai Zhang等人[4]研究了相連容器內的環狀障礙物參數對氣體爆炸特性的影響。Shaojie Wan等人[5]對側壁開口位置對尾端開口內置障礙管道中的瓦斯氣體的爆燃火焰特性進行了研究，結果表明，泄爆效果隨著側壁泄爆口與點火點距離的減小明顯增強。Xiaoping Wen等人[6]對內置不同障礙物的方形容器中多孔介質對爆燃火焰的淬熄行為進行了研究，結果顯示，位于多孔介質前的障礙物同火焰的相互作用會導致火焰速度和超壓的提高，最終使得多孔介質的淬熄行為失效。Minggao Yu等人[7]研究了半封閉容器內，三種不同空心形狀的矩形障礙物對爆燃火焰傳播的影響，結果表明，矩形空心形狀可以產生最大的湍流強度、火焰速度和爆炸超壓。Lei Wang等人[8]對矩形管道內內置梯形、矩形和球形障礙的甲烷氣體爆燃火焰的傳播規律進行了研究，結果顯示，來流方向的障礙物角度和有效障礙物面積對爆燃火焰超壓和傳播特性有很大影響。

目前關于各種障礙物中預混燃氣爆燃傳播已經開展了很多研究，但是對于網狀聚氨酯障礙中，甲烷空氣預混火焰的傳播特性的研究幾乎沒有報道，因此本文采用數值模擬的方法，對網狀聚氨酯障礙中甲烷預混火焰的傳播特性進行研究。

2 數值模擬

① 幾何模型及網格劃分

本文將網狀聚氨酯障礙中甲烷空氣的火焰傳播簡化為二維流體動力學現象進行數值模擬，容器及多孔介質障礙的幾何模型見圖1，容器內半徑157.5 mm,網狀聚氨酯障礙內半徑40 mm,外半徑80 mm,點火位置位于容器中心。利用Designmodeler 建立二維幾何模型，并采用ICEM進行網格劃分，見圖2。為提高計算準確度，對點火點附近位置的網格進行了局部的加密處理。

圖1 容器及多孔介質障礙的幾何模型

圖2 網格劃分

② 基本假設

a.計算中涉及氣體均為理想氣體。

b.忽略壁面熱損失，假設容器壁面為絕熱條件。

c.忽略輻射傳熱。

d.多孔介質各向同性，且均布于氣體介質中。

③ 基本控制方程與湍流模型

基本控制方程[9]包括：連續性方程、動量方程、能量方程、組分守恒方程。另外，本文選擇標準κ-ε湍流模型描述預混燃燒過程的湍流特性[1]。

④ 多孔介質模型

(1)

(2)

式中α——滲透率

ε——湍流脈動動能的耗散率

Dp——平均粒子直徑，m

ξ——多孔介質孔隙率，%

C2——慣性阻力系數

⑤ 燃燒模型

本文選擇EBU-Arrhenius燃燒模型描述預混燃燒中的湍流燃燒速率[1]，實際的燃燒速率取層流燃燒機制和湍流脈動機制的計算值中較小的一個。

Rfu=-min(|Rfu,A|,|Rfu,T|)

(3)

(4)

(5)

式中Rfu——EBU-Arrhenius燃燒速率，kg/(m3·s)

Rfu,A——Arrhenius類型燃燒速率，kg/(m3·s)

Rfu,T——湍流燃燒速率，kg/(m3·s)

B——指前因子

ρ——密度，kg/m3

w1——燃料質量分數

w2——氧質量分數

Ea——活化能，J/mol

R——摩爾氣體常數，J/(mol·K)

T——氣體溫度，K

CEBU——經驗常數，范圍為0.34～0.40

κ——湍流脈動動能，J

w3——產物質量分數

⑥ 邊界條件及初始條件

a.壁面及流體域初始溫度為300 K，流體域初始壓力101 325 Pa。

b.采用電火花點火，點火能量5 J，點火時長0.001 s。

c.甲烷空氣組分比例為當量比。

d.多孔介質參數見表1。

表1 多孔介質參數

3 聚氨酯障礙中甲烷預混火焰傳播特性

① 網狀聚氨酯孔徑對壓力波抑制作用的影響

圖3為無網狀聚氨酯泡沫(以下圖中稱為0ppi)，填充10ppi網狀聚氨酯泡沫以及20ppi網狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預混氣體爆燃超壓(爆燃壓力與大氣壓的壓力差)隨時間的變化曲線。

圖3 孔徑對爆燃超壓的影響

由圖3可見，3種狀況下，甲烷空氣預混氣體的爆燃超壓隨火焰傳播時間(從電火花點火瞬間開始直到火焰傳到容器內壁)逐漸增大，最終趨于定值。同時，由圖3還可見，混合氣體的爆燃超壓及升壓速率隨孔徑減小有顯著降低。可見，網狀聚氨酯的孔隙率越大，吸收的壓力波能量越小，因而對爆燃超壓的抑制作用也越弱。

② 網狀聚氨酯泡沫對火焰鋒面位置的影響

圖4為無網狀聚氨酯泡沫、填充10ppi網狀聚氨酯泡沫以及20ppi網狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預混氣體的火焰鋒面隨時間的變化曲線。

圖4 孔徑對火焰鋒面位置的影響

由圖4可見，沒有填充網狀聚氨酯材料的情況下，火焰鋒面位置由點火點逐漸向外擴展，直到到達容器壁面。在填充10ppi和20ppi網狀聚氨酯泡沫的情況下，火焰鋒面在到達0.04 m位置，也就是網狀聚氨酯障礙內表面時出現了回溯，但是，對于10ppi的情況，火焰鋒面出現回溯后重新向前傳播，而對于20ppi的情況，火焰則熄滅，爆燃并未得到持續傳播。另外，網狀聚氨酯的孔隙率越大，火焰傳播到達容器壁面所需時間越短，平均火焰傳播速率越大。

③ 網狀聚氨酯泡沫的孔徑對爆燃溫度場影響

圖5為無網狀聚氨酯泡沫，填充10ppi以及20ppi網狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預混氣體在距離點火點徑向距離分別為0.04 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m的爆燃火焰溫度隨時間的變化曲線。

由圖5b、5c、5d可見，爆燃火焰溫度隨火焰傳播時間均逐漸增大，最終趨于定值。圖5a中在初始時刻的溫度突越是電火花點火引起的。同時，由圖5可見，混合氣體的爆燃火焰溫度隨孔徑減小顯著降低，可見，網狀聚氨酯對混合氣體爆燃的抑制作用隨孔徑的減小而增強。另外，填充20ppi網狀聚氨酯泡沫時，由各位置溫度及圖4中20ppi工況下的火焰鋒面位置可知，此時電火花引起的爆燃并未得到持續傳播。其原因在于多孔介質的孔徑越小，燃燒火焰的自由基與網狀聚氨酯材料內部通道碰撞的概率越大，導致被銷毀的自由基數量越多，而參與反應的自由基數量越少，導致火焰溫度降低，另外，網狀聚氨酯材料的三維多孔結構也會吸收燃燒釋放的熱量，導致火焰溫度的降低，因此，火焰溫度呈現隨孔徑減小而減小的趨勢，甚至在孔徑為20ppi時電火花引起的爆燃并未得到持續傳播。

4 結論

① 網狀聚氨酯的孔隙率越大，吸收的壓力波能量越小，對爆燃超壓的抑制作用也隨之減弱。

② 火焰鋒面在到達網狀聚氨酯障礙內表面時會出現回溯現象，當孔隙率較大時，火焰鋒面回溯后會重新向前傳播，當孔隙率較小時，火焰會熄滅，電火花引起的爆燃將不會得到持續傳播。

圖5 孔徑對爆燃溫度的影響

③ 由于網狀聚氨酯材料對火焰自由基的銷毀作用和對熱量的吸收效應，預混氣體的爆燃火焰溫度隨網狀聚氨酯障礙的孔徑的減小有顯著降低。