聚氨酯障碍对甲烷空气预混火焰传播的影响

2019-12-12张承虎范丽佳杨煜洁魏继宏谭羽非

煤气与热力 2019年11期

张承虎，范丽佳，杨煜洁，魏继宏，谭羽非

(哈尔滨工业大学建筑学院寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001)

1 概述

天然气爆燃火焰在各种障碍物和多孔介质中的传播的研究意义重大，目前已有很多研究者致力于预混燃气火焰在不同障碍和容器内中的传播特性研究。喻健良等人[1]研究了光滑壁面、多孔材料内衬壁面、实体障碍内衬壁面中燃气预混火焰的传播规律，研究结果表明，内衬多孔材料对火焰温度和压力波起削弱作用，而内衬实体障碍对火焰温度和压力波起加强作用。Lei Pang等人[2]探究了满布式铝合金丝网对爆燃火焰的阻燃淬熄效应，结果表明对于氢气空气混合气，铝合金丝网不仅不能使火焰淬熄，还会增大最大爆炸超压，而对于甲烷空气混合气体，其状况恰好相反。Xiaoping Wen等人[3]对内置连续障碍的小尺度受限空间内的瓦斯爆燃火焰进行了大涡模拟，对其火焰结构，火焰传播速度和超压，以及火焰模态进行了研究。Kai Zhang等人[4]研究了相连容器内的环状障碍物参数对气体爆炸特性的影响。Shaojie Wan等人[5]对侧壁开口位置对尾端开口内置障碍管道中的瓦斯气体的爆燃火焰特性进行了研究，结果表明，泄爆效果随着侧壁泄爆口与点火点距离的减小明显增强。Xiaoping Wen等人[6]对内置不同障碍物的方形容器中多孔介质对爆燃火焰的淬熄行为进行了研究，结果显示，位于多孔介质前的障碍物同火焰的相互作用会导致火焰速度和超压的提高，最终使得多孔介质的淬熄行为失效。Minggao Yu等人[7]研究了半封闭容器内，三种不同空心形状的矩形障碍物对爆燃火焰传播的影响，结果表明，矩形空心形状可以产生最大的湍流强度、火焰速度和爆炸超压。Lei Wang等人[8]对矩形管道内内置梯形、矩形和球形障碍的甲烷气体爆燃火焰的传播规律进行了研究，结果显示，来流方向的障碍物角度和有效障碍物面积对爆燃火焰超压和传播特性有很大影响。

目前关于各种障碍物中预混燃气爆燃传播已经开展了很多研究，但是对于网状聚氨酯障碍中，甲烷空气预混火焰的传播特性的研究几乎没有报道，因此本文采用数值模拟的方法，对网状聚氨酯障碍中甲烷预混火焰的传播特性进行研究。

2 数值模拟

① 几何模型及网格划分

本文将网状聚氨酯障碍中甲烷空气的火焰传播简化为二维流体动力学现象进行数值模拟，容器及多孔介质障碍的几何模型见图1，容器内半径157.5 mm,网状聚氨酯障碍内半径40 mm,外半径80 mm,点火位置位于容器中心。利用Designmodeler 建立二维几何模型，并采用ICEM进行网格划分，见图2。为提高计算准确度，对点火点附近位置的网格进行了局部的加密处理。

图1 容器及多孔介质障碍的几何模型

图2 网格划分

② 基本假设

a.计算中涉及气体均为理想气体。

b.忽略壁面热损失，假设容器壁面为绝热条件。

c.忽略辐射传热。

d.多孔介质各向同性，且均布于气体介质中。

③ 基本控制方程与湍流模型

基本控制方程[9]包括：连续性方程、动量方程、能量方程、组分守恒方程。另外，本文选择标准κ-ε湍流模型描述预混燃烧过程的湍流特性[1]。

④ 多孔介质模型

(1)

(2)

式中α——渗透率

ε——湍流脉动动能的耗散率

Dp——平均粒子直径，m

ξ——多孔介质孔隙率，%

C2——惯性阻力系数

⑤ 燃烧模型

本文选择EBU-Arrhenius燃烧模型描述预混燃烧中的湍流燃烧速率[1]，实际的燃烧速率取层流燃烧机制和湍流脉动机制的计算值中较小的一个。

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

(3)

(4)

(5)

式中Rfu——EBU-Arrhenius燃烧速率，kg/(m3·s)

Rfu,A——Arrhenius类型燃烧速率，kg/(m3·s)

Rfu,T——湍流燃烧速率，kg/(m3·s)

B——指前因子

ρ——密度，kg/m3

w1——燃料质量分数

w2——氧质量分数

Ea——活化能，J/mol

R——摩尔气体常数，J/(mol·K)

T——气体温度，K

CEBU——经验常数，范围为0.34～0.40

κ——湍流脉动动能，J

w3——产物质量分数

⑥ 边界条件及初始条件

a.壁面及流体域初始温度为300 K，流体域初始压力101 325 Pa。

b.采用电火花点火，点火能量5 J，点火时长0.001 s。

c.甲烷空气组分比例为当量比。

d.多孔介质参数见表1。

表1 多孔介质参数

3 聚氨酯障碍中甲烷预混火焰传播特性

① 网状聚氨酯孔径对压力波抑制作用的影响

图3为无网状聚氨酯泡沫(以下图中称为0ppi)，填充10ppi网状聚氨酯泡沫以及20ppi网状聚氨酯泡沫的情况下，甲烷空气预混气体爆燃超压(爆燃压力与大气压的压力差)随时间的变化曲线。

图3 孔径对爆燃超压的影响

由图3可见，3种状况下，甲烷空气预混气体的爆燃超压随火焰传播时间(从电火花点火瞬间开始直到火焰传到容器内壁)逐渐增大，最终趋于定值。同时，由图3还可见，混合气体的爆燃超压及升压速率随孔径减小有显著降低。可见，网状聚氨酯的孔隙率越大，吸收的压力波能量越小，因而对爆燃超压的抑制作用也越弱。

② 网状聚氨酯泡沫对火焰锋面位置的影响

图4为无网状聚氨酯泡沫、填充10ppi网状聚氨酯泡沫以及20ppi网状聚氨酯泡沫的情况下，甲烷空气预混气体的火焰锋面随时间的变化曲线。

图4 孔径对火焰锋面位置的影响

由图4可见，没有填充网状聚氨酯材料的情况下，火焰锋面位置由点火点逐渐向外扩展，直到到达容器壁面。在填充10ppi和20ppi网状聚氨酯泡沫的情况下，火焰锋面在到达0.04 m位置，也就是网状聚氨酯障碍内表面时出现了回溯，但是，对于10ppi的情况，火焰锋面出现回溯后重新向前传播，而对于20ppi的情况，火焰则熄灭，爆燃并未得到持续传播。另外，网状聚氨酯的孔隙率越大，火焰传播到达容器壁面所需时间越短，平均火焰传播速率越大。

③ 网状聚氨酯泡沫的孔径对爆燃温度场影响

图5为无网状聚氨酯泡沫，填充10ppi以及20ppi网状聚氨酯泡沫的情况下，甲烷空气预混气体在距离点火点径向距离分别为0.04 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m的爆燃火焰温度随时间的变化曲线。

由图5b、5c、5d可见，爆燃火焰温度随火焰传播时间均逐渐增大，最终趋于定值。图5a中在初始时刻的温度突越是电火花点火引起的。同时，由图5可见，混合气体的爆燃火焰温度随孔径减小显著降低，可见，网状聚氨酯对混合气体爆燃的抑制作用随孔径的减小而增强。另外，填充20ppi网状聚氨酯泡沫时，由各位置温度及图4中20ppi工况下的火焰锋面位置可知，此时电火花引起的爆燃并未得到持续传播。其原因在于多孔介质的孔径越小，燃烧火焰的自由基与网状聚氨酯材料内部通道碰撞的概率越大，导致被销毁的自由基数量越多，而参与反应的自由基数量越少，导致火焰温度降低，另外，网状聚氨酯材料的三维多孔结构也会吸收燃烧释放的热量，导致火焰温度的降低，因此，火焰温度呈现随孔径减小而减小的趋势，甚至在孔径为20ppi时电火花引起的爆燃并未得到持续传播。