阻塞比对甲烷火焰传播特性影响的数值模拟研究

郑 雨，戴文元，王国大，黄燕晓，程关兵

（中国民航大学航空工程学院，天津300300）

0　引言

随着国家发展与能源战略变化，我国能源结构逐渐形成了以天然气和液化气为主、新型能源为辅的体系。但这些可燃气体在工业使用过程中存在因泄漏发生爆炸的危险。可燃性气体爆炸事故往往是火焰在工业现场的设备、仪器和工装等障碍物作用下加速到爆轰的结果，并伴随较大的过驱压力，这对现场作业人员和设施有极大的危害。近年来，国内外可燃性气体爆炸事故层出不穷，这类事故在整个工业事故中占有很大的比重[1]。因此，可燃性气体爆炸防治已成为工业安全和社会公共安全保障的重要组成部分。

为了防治可燃性气体爆炸事故，揭示其火焰传播物理机制，国内外诸多学者从实验和数值两方面开展了管道内预混火焰传播特性的研究。在国外，Masri等[2]和Ibrahim等[3]研究了阻塞比、泄放压力和障碍物尺寸、形状对预混火焰燃烧的影响。他们发现：障碍物阻塞比对火焰形状、传播速度和压力有着重要的影响。Thomas等[3]发现入射激波和反射激波可有效地增加火焰传播速度。Ciccarelli等[4]对管内火焰传播物理机制开展了综合研究，分析其传播过程的影响因素和机理，并建立了爆燃转爆轰准则。Dunn-Rankin等[5]从数值模拟角度分析了郁金香火焰产生的机制。Gamezo等[6]开展了障碍物管道内氢气火焰传播特性的数值模拟研究。他们发现火焰不稳定性、阻塞比和点火能量对对火焰加速传播的影响。在国内，菅从光等[7]从实验角度分析了湍流对瓦斯火焰和爆炸波的影响。发现：在障碍物管道内，管道面积的突变会产生湍流，增加了下游火焰的湍流度，增加了火焰传播速度，并促进了激波的产生。叶经方等[8]研究了楔形障碍物对火焰失稳的影响，结果发现：火焰在传播初期、经过表面光滑的管道时是层流运动，当火焰穿过障碍物时，湍流度增加，火焰失稳。在多种火焰不稳定性共同作用，火焰传播由层流转变为湍流。张志远等[9]研究了初始条件对预混火焰层流传播速度的影响。初始温度较高，火焰燃烧速度增加。初始压力较高，火焰燃烧速度会减小；当初始压力较高时火焰不稳定性增加。何学超[10]通过实验研究了点火源位置和组分对预混火焰传播特性的影响，并分析了火焰形状、传播速度和压力等动力特性参数的变化规律。董刚等[11]对预混火焰在管道内的传播加速过程进行了数值模拟，分析了火焰和激波的相互作用过程。何学超等[12]利用k-ε湍流模型对管道预混气体火焰传播过程进行了模拟，获得了火焰传播速度与压力和火焰锋面结构的变化规律。

由上述文献可知，实验管径、燃料组分和障碍物等对火焰传播特性影响较大，因此论文拟选用标准k-ε湍流模型，运用六步反应机制，并结合Fluent软件，开展常温常压下障碍物对甲烷火焰传播特性影响的研究，分析在带有不同阻塞比障碍物的管道内甲烷火焰动力学参数的变化规律，揭示火焰传播过程中的主要物理机制，结果在甲烷爆炸灾害事故预防方面有一定的参考意义。

1　数值模拟

1.1　基本假设

管道内可燃性预混气体的燃烧和传播过程，论文做出若干假设：（1）管道气体内为理想气体；（2）常温常压下空气和甲烷充分混合；（3）混合气体的状态参数符合混合规则；（4）燃烧过程为不可逆反应；（5）管道壁面为刚性壁面，不考虑气体流动与壁面的耦合作用；且管两端封闭；（6）各组分气体扩散系数相同。不考虑热辐射的影响。

1.2　数学模型

本文选用计算模型具有轴对称的特性，可以在轴对称坐标系下求解，现在得到二维轴对称计算模型，其控制方程：

式（1）中：

其中，ρi为第i组分密度，μ和v分别为火焰在x方向和r方向的传播速度，ωi为第i组分的单位体积的质量生成率，E为单位体积总能。此外，甲烷与空气燃烧过程简化为六步反应模型，计算将采用k-ω模型。

1.3　物理模型

为研究障碍物对火焰加速过程的影响，论文考虑了三种阻塞比（Blockage Ratio，BR）的板形障碍物，阻塞比分别为0.3、0.5和0.7。阻塞比定义为障碍物面积与管道截面面积之比。图1所示为方形管道和阻塞比BR为0.5的障碍物的二维物理模型。两端封闭的矩形管道长为500 mm，宽为80 mm.管道中布置有障碍物，其相邻障碍物间距为80 mm、阻塞比为0.5，厚度为10 mm.壁面以及障碍物边界条件均为绝热无滑移的WALL形式。

图1　管道和障碍物的物理模型

在带障碍物管道中填入当量比为1的甲烷/空气混合气体。未燃气体各组分的质量分数分别为甲烷0.055，氧气0.22和氮气0.725.混合气初始温度为300 K，初始压力为101.325 kPa.管道左壁面中心位置处点火。

2　结果分析与讨论

2.1　BR=0.5障碍物对火焰加速的影响分析

图2为甲烷火焰传播过程中的温度计算云图，图3为火焰传播速度沿管道轴向方向的变化规律，图4为火焰传播到达位置和时刻。

图2　温度云图

图3　火焰传播速度变化

图4　火焰到达位置和时刻

由图2～图4可知：混气体在点火后，火焰开始在管道内传播。起初火焰形态为球形，随着球形火焰半径增加，燃烧产物不断膨胀，火焰传播速度增加。在火焰锋面到达左侧管道壁面后，火焰逐渐演变为半球形火焰，并向管道上下壁面和下游方向传播，如图2（a）所示。由于受到管道壁面影响，甲烷逐渐由半球形演变为指形，如图2（b）所示。火焰锋面前未燃气体在燃烧产物膨胀作用，在未燃气体中产生弱的压缩波。同时，在障碍物前滞留部分混合气，因此，火焰在管道壁面、障碍物壁面反射的压缩波作用下，火焰前端变得越来越尖，如图2（c）所示。由于火焰表面积在其传播过程中不断增加，且其传播流通通道变为收缩型，火焰传播速度逐渐增大，如图2（d）所示。在t=5.0 ms时，火焰传播速度约为60 m/s.随后，在障碍物上表面因流动形成的剪切层影响下，火焰传播速度进一步增加，其传播速度约为82 m/s，如图2（e）所示。

火焰在绕过第1个障碍物时，其传播通道变扩张型，火焰传播速度略有降低，但火焰表面积增加幅度更大，因此火焰传播速度整体趋势是增加的。但在第1个和第2个障碍物中部附近，火焰传播速度逐渐下降，其大小约为51 m/s.随后当火焰逐渐靠近第2个障碍物，火焰传播速度进一步下降，这主要由于第2个障碍物、管道下壁面反射压缩波以及收缩型的流通通道等因素共同作用的结果。如图5所示，在火焰绕过第2个障碍物时，火焰在其表面积增加和流通通道变化的作用下，火焰速度达到了72 m/s.对比图2（e）、图2（f）和图3，可发现火焰在随后障碍物传播过程中速度变化呈振荡变化趋势，在障碍物附近时火焰速度增加，而在相邻障碍物间时其传播速度是下降的。

2.2　不同阻塞比障碍物对火焰加速的影响分析

论文采用了三种不同阻塞比的障碍物用于加速火焰的传播。图5表示阻塞比（BR=0.3、0.5和0.7）对火焰传播速度的影响，图6表示在三种不同阻塞比的板形障碍物作用下火焰到达位置和时刻图。

图5　阻塞比对火焰传播速度影响

图6　阻塞比对火焰到达位置和时刻的影响

由图5和图6可知：在障碍物作用下，火焰在初始阶段的传播速度增大，在火焰流经障碍物时火焰速度呈振荡变化。在障碍物附近时火焰速度进一步增加，但在相邻障碍物间其大小减小，但其加速能力略有不同。由图5和图6可知，障碍物阻塞比越大，火焰整体加速能力也越高，火焰加速时间和距离也越短。这主要由于障碍物阻塞比越大，火焰表面积增加幅度也越大，火焰拉伸变形程度也越高，由管道右壁面反射的压缩波对火焰阻止能力越小，因此火焰传播速度也越大。

3　结束语

（1）在火焰传播初始阶段，火焰传播速度单调增加，主要由于火焰表面积增加的原因。

（2）火焰在流经障碍物时，火焰形态会发生较大变化，火焰传播速度呈振荡变化。在障碍物附近时火焰传播增加，在障碍物间其大小下降。这主要是火焰表面积变化、流体通道变化以及壁面发射压缩波共同作用的结果。

（3）阻塞比越高，火焰传播速度越大，火焰加速能力也越强，但整体变化趋势相同。这主要由于火焰形态变化和管道壁面反射的压缩波作用的结果。

参考文献：

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[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.

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