管道中丙烷/空气预混火焰传播特性的数值模拟

李书明，戴文元，程关兵

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

管道中丙烷/空气预混火焰传播特性的数值模拟

李书明，戴文元，程关兵

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

选用标准k-ε湍流模型,采用4步反应机制来模化丙烷的氧化,利用Fluent软件研究了常温常压下丙烷/空气预混气体在光滑的方管道中火焰的传播特性,获得火焰传播速度、火焰结构、表面积、火焰到达位置和时刻沿管道变化情况。结果表明:火焰传播速度先增加后逐渐减小。在离点火端50 mm处到达最大值,之后逐渐降低。在t=21 ms时,火焰开始逐渐呈现典型的郁金香结构。火焰在初始加速阶段的主要物理机理是前方未燃气体受到前驱压缩波作用而被加热和压缩的正反馈微分加速机制,之后在反射压缩波影响下,火焰传播速度略有降低。通过与实验结果对比,数值模拟结果正确。

丙烷;火焰传播速度;k-ε湍流模型;4步反应机制

在工业生产和日常生活中，可燃性气体（如丙烷和甲烷）得到较为广泛的应用。但可燃性气体在运输、储存、加工和使用过程中，在某些条件下极易发生意外爆炸。这些现象往往是因为可燃性气体在被点燃后，在工业现场的机械设备、测试仪器、管道和建筑物等障碍物作用下，火焰的形状、燃烧速率、传播速度以及对周边环境压力有显著变化。所有这些因素直接影响到可燃气体灾害事故发生和演变的整个过程。在某些极端条件下火焰被不断加速，甚至可能导致爆炸甚至爆轰的产生，造成重大的财产损失和人员伤亡[1-2]。因此，研究可燃气体预混火焰传播特性在可燃性气体灾害预防方面有着重要的实际意义。

目前，国内外在可燃气体预混火焰传播物理机理方面开展了一定的研究工作。在国外，Fairweather[3]等针对甲烷/空气预混气体在半封闭管道内开展燃烧爆炸实验研究。发现火焰沿半封闭管的传播大体上属于层流，只有在爆炸实验的最后阶段才形成了快速湍流燃烧，并产生激波和超压。Elicer-Cortes[4]等通过纹影法获得氢气/空气预混火焰阵面结构的变化过程，并建立了在实验中测得的燃烧速度和混合气体化学当量比的关系。Parsinejad[5]等采用阴影法建立了燃烧温度和混合气体化学当量比的函数关系。在国内，卢捷[6]等研究了两端密封管道中煤气/空气火焰传播规律及其加速机理，发现火焰加速是因前方未燃气体被前驱压缩波加热和障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈机制造成的。林柏泉[7]等开展了瓦斯爆炸过程中火焰传播规律及其加速机理的实验研究。发现障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律具有重要影响。障碍物能迅速提高瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度，这种火焰加速作用的机理可归功于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈作用。周凯元[8]等开展了丙烷/空气爆燃波的火焰面在直管道中加速运动的规律及其影响因素的实验研究。探讨了管道直径和点火能量的变化以及当管道内有障碍物时对火焰加速度的影响。

基于此，本文选用标准k-ε湍流模型，采用4步反应机制模化丙烷的氧化，利用Fluent软件对常温常压下丙烷/空气预混气体在光滑的方管道中火焰传播特性的数值模拟研究，以期对丙烷在光滑管道中的加速机理做出一定的探究。

1 数值模拟

本文在光滑管道内丙烷/空气预混火焰传播特性进行数值模拟过程中，做如下简化假设：

1）管道内的气体为理想气体，满足理想气体状态方程；

2）点火前空气和可燃气充分混合，处于常温常压，并且处于静止状态；

3）混合气体的状态参数，如导热系数、比热容等，符合混合规则；

4）预混气体燃烧为不可逆反应；

5）把管道壁面视为刚性壁面，不考虑气体流动与壁面的耦合作用。

1.1 控制方程

图1 爆燃过程的双波三区结构Fig.1 Structure of double waves and three zones of flame front

众所周知，爆燃波是一种带有化学反应的亚音速波，即燃烧波。燃烧波在传播过程中形成了双波三区结构[1]，如图1所示。其中，双波是爆燃波和前驱冲击波，三区分别是未燃区（0区）、燃烧区（1区）和已燃区（2区）。各区参数定义如下：e为比内能，p为压力，u为粒子速度，c为音速，T为温度，γ为等熵指数。

跨过冲击波阵面，两侧气体状态发生改变，但仍遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[9]。

质量守恒方程为

动量守恒方程为

能量守恒方程为

理想气体状态方程为

理想气体本构方程为

对多组分混合理想气体而言，气体常数为

式（6）中

气体定压比热容为

本文利用Premix中的TWOPNT函数求解上述控制方程，采用有限差分法来离散微分方程[10]。

1.2 燃烧模型

丙烷-空气预混燃烧总反应方程式为

本文采用Hautman[11]提出的一个多步的准总包机理，用以下4步反应来模化丙烷的氧化：

1.3 模型初始条件

本文只研究预混火焰传播的初始阶段（火焰传播速度低于未燃气体音速），湍流模型选用通用性最好的标准k-ε模型。采用的物理模型为长方形管道，长×宽分别为500 mm×80 mm，左侧壁面中央点火，点火能量为1 mJ，管两端均封闭。网格数为100×10；管道等效直径为100 mm；当量比为1；丙烷-空气混合浓度为6%；初始温度为300 K；初始压力为1 atm；湍流系数Ct=30；层流火焰拉伸系数Fs=0.15；k-ε模型常数为：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.79，σk=1.0，σξ=1.3，涡流动能转换系数Fk=0.1，选用丙烷的高位热值46.357 mJ/kg，丙烷层流火焰速度为0.44 m/s。

2 数值模拟结果与分析

本文利用Fluent软件对丙烷/空气预混火焰在光滑管道中的传播过程进行了数值模拟研究。图2表示预混火焰沿管道轴线位置传播过程中温度变化云图。由图2可观察到火焰加速过程中火焰形状、结构和表面积的变化情况。图3表示火焰传播速度v沿管道位置的变化情况，图4表示火焰前锋面到达管道位置、时刻变化。应该指出的是，本文所选光滑管道长度为500 mm，测量范围约为350 mm。通过记录火焰到达管道中心轴线位置和时刻，可求得火焰传播速度v，即

图2 温度云图Fig.2 Temperature nephogram

其中：Xi-1、Xi分别为燃烧波到达管道轴线位置；ti-1、ti分别为燃烧波到达管道轴线不同位置的时刻。

图3 火焰传播速度v沿管道中心轴向位置X的变化图Fig.3 Variations of flame propagation velocity v along central axial position X in channel

图4 火焰前锋面到达管道轴向位置X和时刻tFig.4 Variations of central axial position X and time-of-arrival t of flame front along channel

因此，由图2～图4可知：火焰传播速度先逐步增加，在X=50 mm处到达最大值，之后逐步减小。预混气体丙烷/空气在点燃后，起初管道壁面对火焰阻碍作用不明显，火焰呈现球形状，如图2（a）所示。此后，因管左端面的限制，火焰形状逐渐变为半球形状，并以大约为10～15 m/s的速度向管右端传播，如图2（b）所示。之后因管道上下壁面的限制，半球形火焰逐渐演变为指形火焰，如在t=3 ms时。在离点火端50 mm处火焰传播速度到达最大值，约为36 m/s，此后火焰传播速度开始降低。在t=1～3 ms这个阶段（如图2（a）～图2（c）所示），火焰传播速度逐渐增加，这主要是因为预混气体丙烷/空气燃烧产物密度下降，体积增加，燃烧产物不断膨胀，火焰表面积不断增加，从而提高了燃烧效率和火焰传播速度。而火焰传播速度不断增加，在火焰前锋面前形成微弱的压缩波逐渐提高了未燃气体的温度和压力，进一步提高了燃烧效率，火焰相应地继续加速并不断向前发射压缩波，此压缩波的速度也逐渐提高，这是典型的火焰前未燃气体受到前驱压缩波作用而被加热和压缩的正反馈微分加速机制。

此后，因管道长度有限，火焰在管右端面反射的微弱压缩波影响下逐步减速。火焰前锋面变得越来越平，火焰表面积减小。在t=7 ms时（如图2（d）所示），可观察到火焰前锋面表现为一个近似平面，此时火焰传播速度约为16 m/s。随着位于火焰前锋面的反射压缩波强度不断增强以及在管道上下壁面处的湍流作用影响下，火焰前锋面开始凹向管左端面，呈现出反弓形火焰结构，这就是典型的郁金香火焰，如图2（e）和图2（f）所示。由图3和图4可知，此阶段火焰传播速度逐渐从16 m/s减小到10 m/s左右。因此，燃烧波前的压缩波在管右端反射波与火焰阵面传播方向相反，降低了后者的传播速度。尽管，火焰表面积同时也不断增加，但管右端反射的压缩波在此阶段是火焰传播速度降低的主要因素。

图5表示文献[12]通过阴影法观察到丙烷/空气在90°弯管中郁金香结构火焰。因此，与本文图2（e）和图2（f）进行比较，数值模拟结果和实验结果大体吻合。

图5 郁金香结构火焰示意图Fig.5 Tulip structure of flame front

3 结语

本文通过选用标准k-ε湍流模型，采用4步反应机制来模化丙烷的氧化，利用Fluent软件对常温常压下丙烷/空气预混气体在光滑的方管道中火焰传播特性的数值模拟研究，获得了火焰传播速度、火焰结构、表面积、火焰到达位置和时刻沿管道的变化情况。结果表明：

1）火焰传播速度先增加后逐渐减小。在离点火端50 mm处到达最大值，之后逐渐降低。

2）在t=21 ms时，火焰开始逐渐呈现典型的郁金香结构。

3）火焰在初始加速阶段的主要物理机理是前方未燃气体受到前驱压缩波作用而被加热和压缩的正反馈微分加速机制，之后在反射压缩波影响下，火焰传播速度略有降低。

4）通过与文献[12]实验结果对比，数值模拟结果正确。

[1]关文玲，蒋军成.我国化工企业火灾爆炸事故统计分析及事故表征物探讨[J].中国安全科学学报，2008，18（3）：103-107.

[2]BJERKETVEDT D，BAKKE J R，WINGERDEN K V.Gas explosion handbook[J].Journal of Hazardous Materials，1997，52：1-150.

[3]FAIRWEATHER M，HARGRAVE G K，IBRAHIM S S，et al.Studies of premixed flame propagation in explosion tubes[J].Combustion and Flame，1999，116：504-518.

[4]ELICER-CORTES J C，RUZ C，HERNANDEZ R H，et al.Observation of preferred instability modes in a mechanically excited thermal plume using Schlieren visualizations[J].International Communication in Heat and Mass Transfer，2005，32：360-370.

[5]PARSINEJAD F，ARCARI C，METGHALCHI H.Flame structure and burning speed of JP-10 air mixtures[J].Combustion Science and Technology，2006，178：975-1000.

[6]卢 捷，宁建国，王 成，等.煤气火焰传播规律及其加速机理研究[J].爆炸与冲击，2004，24（4）：305-311.

[7]林柏泉，张仁贵，吕恒宏.瓦斯爆炸过程中火焰传播规律及其加速机理的研究[J].煤炭学报，1999，24（l）：56-59.

[8]周凯元，李宗芬.丙烷-空气爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动[J].爆炸与冲击，2000，20（2）：137-142.

[9]李宇红，祁海鹰，张宏武.甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟[J].工程热物理学报，2002，23（1）：119-122.

[10]刘 慧.多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究[D].沈阳：东北大学，2010.

[11]HAUTMAN D J，DRYER F，SCHUG K P，et al.A multiple-step overall kinetic mechanism for the oxidation of hydrocarbons[J].Combustion Science and Technology，1981，27：31-43.

[12]何学超.丙烷-空气预混火焰在90°弯曲管道内传播特性的实验和模拟研究[D].合肥：中国科学技术大学，2010.

（责任编辑：杨媛媛）

Numerical simulation study of propane/air premixed flame characteristics in square channel

LI Shu-ming，DAI Wen-yuan，CHENG Guan-bing
（College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

A numerical simulation study on the characteristics of premixed flame of propane/air is carried out by software Fluent in a smooth square channel at normal pressure and temperature conditions.Both standardized k-ε turbulence model and four-step kinetic mechanisms of propane-oxidation are initiated.Flame propagation characteristics such as flame velocity，structure，surface area，position and time-of-arrival can be obtained along the channel.The main conclusions are：the flame propagation velocity first increases and then decreases. The flame velocity achieves maximum at the distance of 50 mm from the ignition point.When t=21 ms，a typical tulip structure flame can be observed.The positive-feedback differential loop resulted from the preheating and compressing unburnt mixtures by the precursor shock ahead of the flame front can be considered as the mainly mechanism of flame propagation in the channel.Subsequently，the flame propagation velocity decreases under the influence of compression waves reflected from the channel terminus.In contrast with the experimental results，the obtained numerical simulation results are reasonable.

propane；flame propagation velocity；k-ε turbulence model；four-step kinetic mechanisms

TK19

:A

:1674-5590(2015)02-0053-04

2013-09-24；

:2014-01-18

:中央高校基本科研业务费专项（ZXH2012J001）

李书明（1964—），男，河北邢台人，教授，博士，研究方向为航空发动机结构与修理、动力燃烧.