封闭管道内瓦斯爆炸传播过程中障碍物形状影响效果研究

2023-09-11周振兴张莉聪徐景德姚礼琳李其中李斯曼

华北科技学院学报 2023年4期

周振兴,张莉聪,徐景德,姚礼琳,胡洋,李其中,李斯曼

(华北科技学院,北京东燕郊 065201)

0 引言

工业爆炸常发生在建筑和矿山等封闭空间内,生产设备和基础设施作为障碍物对爆炸产生激励效应,增大爆炸事故发生的危害[1]。封闭空间内爆炸火焰与障碍物发生相互作用,火焰形态,传播速度,流场结构和爆炸超压都会发生显著变化[2-4]。爆炸过程中激波和火焰的传播与障碍物的物理参数密切相关,其中障碍物形状的变化是影响瓦斯爆炸传播情况和破坏效果的因素之一[5]。不同几何形状的障碍物对流场运动产生不同的绕射和反射,对火焰形状、火焰传播速度和爆炸超压的影响不尽相同。因此,开展障碍物形状对瓦斯爆炸激励效应的研究对防范瓦斯爆炸事故的发生,降低事故危害具有重要意义。

Ellis[6]在1928年通过对含圆柱障碍物的半封闭管道进行爆炸实验,提出火焰发展的经典四阶段模型:半球形火焰,指形火焰,平面火焰(火焰裙边接触侧壁)和郁金香火焰,为研究火焰与障碍物的相互作用提供指导。Shen[3]和Sun等[7]发现郁金香火焰受RT(Rayleigh-Taylor)不稳定影响,产生扭曲的郁金香火焰,包括t型火焰,双郁金香火焰。Sheng等[4]通过数值模拟比较不同形状障碍物对火焰结构和爆炸超压的影响,发现障碍物尾部涡旋是并列郁金香火焰形成的关键原因。Xiao等[8]从流场流线变化,障碍物形状的曲率变化对激波反射角度影响等方面分析障碍物形状对火焰结构影响的原因。Yu等[9]研究不同空心结构的障碍物对火焰传播的影响,发现较小的空心内角会产生较强的剪切层,使得火焰不能立即穿透空心障碍物下游的未燃气体,未燃区燃尽延迟,火焰尖端向前延伸。郭子如等[10]分析不同形状障碍物对瓦斯爆炸的影响,发现正三棱柱,长方形,圆柱体障碍物对爆炸峰值压力的影响依次降低。徐景德等[11-13]通过实验模拟和理论分析,对障碍物的激励效应进行了理论总结。周宁等[14]将不同湍流模型与实验对比发现realizable k-ε模型计算的爆炸压力和火焰速度与实验结果较为吻合。Nguyen等[15]利用不同湍流模型研究障碍物形状和点火位置对爆炸的影响,发现大涡模拟适合高湍流和火焰起皱情况。

上述研究表明不同形状障碍物对瓦斯爆炸的激励效应各不相同,肯定了火焰越过不同形状障碍物的锋面结构不同;但未对不同形状障碍物影响下火焰结构的进行定量描述,形成统一结论。故而管道流场和火焰结构的耦合关系仍需进一步研究。瓦斯爆炸流场运动具有瞬时性和复杂性,湍流运动存在随机性,而数值模拟通过求解N-S方程,能够得到爆炸流场的数值解,结合实验研究能够对爆炸流场进行定量和定性研究。

鉴于此,笔者拟通过数值模拟和实验研究对不同形状障碍物参与下封闭管道内激波和火焰锋面传播情况进行分析,进一步阐述封闭管道内障碍物形状对甲烷-空气预混燃烧的影响机理,以期对瓦斯爆炸提供一定指导意义,减轻事故危害后果,预防事故发生。

1 实验装置与数值模拟模型

1.1 湍流模型和燃烧模型的选取

本次模拟假设壁面为绝热壁面;湍流模型选取为realizable k-ε模型,同时采用可扩展壁面函数处理近壁面流动问题。求解方式采用PISO算法,二阶迎风格式。化学反应模型采用EBU-Arrhenius模型。

气体状态方程选取S-R-K方程(Soave-Redlich-Kwong equation of state),该方程是对R-K方程(Redlich-Kwong equation of state)的修正形式,可用于描述真实气体行为的状态变化。如下:

(1)

(2)

式中,Vm为气体的摩尔体积,L/mol;T为温度,K;Tc为临界温度,K;p为压力,Pa;pc为临界压力,Pa;R为气体常数,a和b为范德华常数,α为温度T的函数。S-R-K方程对烃类等非极性气体(分子的电荷分布均匀)精度较好,且适用的压力和温度范围较宽。因此,S-R-K方程对甲烷燃烧爆炸有很好的适用性。

1.2 模拟参数和模拟工况设置

物理模型选取边长200mm,长6750mm的方形长直管道。为简化计算,对模型进行了二维简化。初始温度为300K;初始压力为101325Pa;采用电火花点火,点火能量为225mJ,点火位置为管道左端中心处。管道内初始化9.5%的甲烷-空气预混气体。求解采用自适应时间步,排除迭代时间步长对模拟结果的影响。

由于井下巷道内开采掘进设备多样,其形状各异,每个设备的不同部位均可简化为不同几何形状的障碍物,故此,本文选取圆形,三角形,长方形和薄板四种形状的障碍物为代表,放置于管道底部,障碍物中心位于距点火端3.75m处,工况设置见表1,障碍物形状参数如图1所示。模拟地管道尺寸,障碍物的形状与实验模型遵循几何相似原理,线性比例常数Cl等于1。

图1 障碍物形状示意图

表1 模拟工况设置

1.3 实验装置及方法

实验采用中尺度爆炸管路,由点火端(长750mm,内径150mm),两节方形可拆卸管道(每节内截面为200mm×200mm,长2500mm)和一节含视窗的实验管道(内界面为200mm×200mm,长1000mm)组成。总长6750mm。实验装置配备了数字采集系统,点火系统,纹影系统和同步控制系统[16],如图2所示。沿管道分别设置8个压力传感器用来测量压力变化。传感器分别位于距点火端1167mm、2000mm、2833mm、3450mm、4050mm、4667mm、5500mm、6333mm(P1至P8)处。障碍物选用实心矩形钢块(长115mm,宽115mm,高75mm)。

图2 实验装置示意图

实验时向管道内充入9.5%的甲烷-空气预混气体,点火方式采用电火花点火,点火能量225mJ。考虑无障碍物参与和矩形障碍物参与时瓦斯爆炸流场结构、火焰速度和爆炸超压的变化,与模拟工况1和工况4进行对比。

1.4 网格无关性验证

划分网格的质量与数值模拟结果的准确性有直接关系。理论上网格划分得越细,求解精度越高,但在实际应用中,网格尺寸的减小往往伴随着计算成本的增加;而且,当网格细化到达一定数量后,计算精度便不再显著提高。因此,实际工程应用中需要选择合适的网格尺寸,用较低的计算成本得出较为精确的数值模拟结果。网格无关性验证是对比不同网格尺寸下的计算结果,确定网格细密程度对结果的影响可以忽略不计时,获得网格无关解。

本文网格划分采用四边形占优方式,选取6mm、3mm和2mm三种网格尺寸,对比不同网格尺寸下工况1的最大爆炸压力和火焰传播速度的变化,并与实验结果对比,验证网格无关性和数值模拟结果的准确度。见表2,发现网格尺寸在3mm以下时,最大超压和火焰传播速度的模拟结果变化差异不大;与实验的最大相对误差为12.99%,在可接受范围内。3mm的网格尺寸满足网格无关性要求,本文采用此网格尺寸进行数值计算。

2 实验结果分析

由于管道封闭,有限空间内瓦斯爆炸产生的激波在运行至尾端时发生反射,使得激波在管道内往返运动。同时,由于点火端直径与管道不同,经点火端反射会出现类环形激波;类环形激波发生激波聚焦,重新发展成一个平面,因壁面约束继续向前传播;一道激波阵面经点火端反射衍生出两道激波。其次,激波由已燃区穿过火焰锋面进入未燃区时,由于未燃区密度高于已燃区,激波经过此密度分界面时会发生透射和反射。因此,封闭管道内存在多道激波在管道中往返运动,流场结构复杂。

图3为无障碍物时的激波纹影图像,图中激波均为向右移动,颜色较深区域的边界为火焰前锋,点火端位于图右侧。216.4ms时首次在观察窗处观察到火焰,呈扭曲的郁金香形状。217.2ms时,一道由尾端而来的反射波与火焰相向接触,火焰受湍流扰动,燃烧面积增大。217.6ms时激波运行至火焰前方,由于激波对附近流场的伴流作用,使得火焰产生回退。223ms至224.2ms火焰重新传播至观察窗,受激波影响,流场密度发生变化,引起RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定,火焰产生“钉”“泡”结构[19]。火焰进一步失稳,化学反应加剧,造成火焰加速。

图3 无障碍物时激光纹影图像

图4为长方形障碍物存在时的激光纹影图像,206ms激波阵面与障碍物接触,发生绕射和反射;此时可见障碍物右上角产生弧状激波,发生马赫反射,使得流场变得更加紊乱。由于反射激波位于管道下方,使得管道上下压力不均衡,与火焰相遇时对火焰产生扰动。障碍物上游因流场流动影响产生局部高压区,使得217.2ms火焰到达障碍物之前就出现锐角化现象,向上偏移。217.6ms火焰开始越过障碍物,火焰锋面褶皱增多,燃烧面积增大;同时,由于障碍物上方面积变小,火焰形成喷流,使得火焰急剧加速。218.4～218.8ms火焰穿过障碍物并与障碍物后涡旋相互作用,火焰拉伸,失稳,卷吸未燃气体使得反应加剧,释放更多能量,加速火焰,压力上升。

图5(a)为长方形障碍物对火焰传播速度的影响情况,速度为两传感器间平均速度值。无障碍物情况下初始时刻火焰传播速度较慢,呈层流燃烧;随火焰继续向前传播,由于壁面的约束作用和激波对流场的扰动,火焰得到加速,在3450mm处达到峰值41.13m/s;随火焰传播至管道尾端,由于尾端未燃气体压强升高,火焰速度开始下降。

图5 长方形障碍物对火焰传播速度和最大超压的影响

长方形障碍物参与下,火焰传播速度前期与无障碍物时相近。但由于障碍物的存在,火焰抵达障碍物之前出现明显加速,在火焰越过障碍物后仍然继续加速;最大速度达到85.71m/s。随火焰传播至障碍物附近,由于障碍物对激波的反射与绕射,障碍物附近波系紊乱,使得流场湍流度增加,火焰锋面褶皱增加,卷吸未燃气体加速反应,火焰传播速度增加。火焰穿越障碍物时,由于障碍物对管道截面积的影响,火焰形成射流;火焰进入障碍物后的湍流涡旋,增大了燃烧面积,使得反应加剧,释放更多能量,火焰继续加速向前传播。随后,由于尾端压强上升,火焰传播速度开始下降。因此,障碍物对于火焰传播的影响仅限于障碍物附近,火焰经历“加速-减速-再加速-再减速”四个阶段。

图5(b)为长方形障碍物对最大超压的影响,图中障碍物存在时前期爆炸超压和无障碍物情况下基本一致,可见障碍物对爆炸前段影响较小;从3450mm开始,此处压力已经明显不同,障碍物对爆炸超压的影响已经产生。加入障碍物后,障碍物对其上游最大超压影响较小,对其下游超压影响较大。

3 模拟结果及分析

3.1 爆炸流场结构分析

图6为无障碍物情况下火焰形态的变化情况及流场结构和涡旋运动,图6中红色区域为已燃区,蓝色区域为未燃区,其分界面为火焰锋面,白色线条为流场流线。103ms之前,火焰由半球形火焰向指形火焰转变,管道内处于层流运动状态。127ms时,受管道侧壁对火焰的约束作用和管道末端反射激波影响,火焰形成平面火焰,流场出现逆向流动。随后,逆向流动在已燃区发展成对称的双涡旋结构。同时,由于逆向流动的伴流作用,使得火焰减速并产生回退现象,形成郁金香火焰,并随着涡旋的扩大,转变为扭曲的郁金香火焰,如图6(201ms至206ms)。之后,涡旋能量消耗殆尽并逐渐消散,火焰开始加速向下游传播,如图6(239ms)。封闭管道内甲烷爆炸火焰形状的改变是火焰锋面与爆炸诱导流场相互作用的结果。火焰形成郁金香火焰的过程中,流场结构经历了正向层流,逆向流动和涡旋运动三个过程,平面火焰是郁金香火焰形成的关键过程。

图6 无障碍物情况下火焰与速度矢量场

图7为长方形障碍物存在时火焰形态的变化情况及流场结构和涡旋运动。图7中红色区域为已燃区,蓝色区域为未燃区,其分界面为火焰锋面,白色线条为流场流线。前期火焰传播经历半球形火焰和指形火焰层流运动过程,与无障碍物情况下类似。113ms时,由于障碍物对激波反射作用,使得障碍物附近流场出现逆向流动,火焰提前进入平面火焰阶段,向扭曲郁金香火焰发展并发生微弱回退;同时,障碍物下游产生涡旋。未燃气体流经障碍物时,由于障碍物上表面的黏性作用会形成速度间断面,进而引发边界层分离,形成剪切流。158ms时,受扰动的火焰开始加速向前传播。186ms时,由于障碍物的阻碍作用,其上游产生高压区[17],火焰因此向上偏移并产生锐角化现象;受流动压缩影响,火焰继续加速。195ms时,火焰开始翻越障碍物,障碍物上表面形成的剪切流与火焰相互作用,引起KH(Kelvin-Helmholtz)不稳定,火焰下侧开始逐渐湍流化[18];由于壁面假设为绝热壁面,火焰与壁面接触时未有能量损失,但因通过面积减少,火焰形成喷流。因此,由于火焰下侧湍流化和通过面积减小,火焰继续加速传播。208ms时,越过障碍物的火焰与障碍物下游涡旋区域相互作用,开始沿着涡旋外围流场运动,最后导致涡旋火焰产生,火焰燃烧面积增大,加速传播;障碍物上游高压区内未燃气体逐渐被火焰消耗。

图7 长方形障碍物影响下火焰与流场结构

图8为不同形状障碍物影响下的火焰形态的变化情况及流场结构和涡旋运动。图8中红色区域为已燃区,蓝色区域为未燃区,其分界面为火焰锋面,白色线条为流场流线。

图8 火焰越过障碍物时的流场结构

不同形状障碍物存在时火焰前期结构和在障碍物附近的加速规律基本一致。但不同形状的障碍物对激波的反射角度、上方的剪切流和下游的涡旋大小不同,造成火焰的形状变化和加速程度不同。

圆形障碍物具有更大的反射角度,使得反射激波在空间中不能聚焦,激波在横向空间上向上偏移;未燃气体通过时形成的湍流剪切层向管道上部移动,圆形障碍物下游形成较大涡旋。火焰在越过障碍物前和越过障碍物时向上偏移。圆形障碍物下游的湍流涡旋更靠后,火焰和湍流涡旋开始相互作用的时间延迟。

三角形障碍物上游同样存在高压区域,但高压区域面积小于矩形障碍物存在时的情况,火焰沿着三角形侧边向上运动。由于三角形障碍物尖端夹角较小,剪切层无法维持较长时间,而是分裂成一个个小涡旋向下游上部传播,故火焰越过障碍物后发现向上部聚拢,火焰下侧与湍流涡旋相互作用,形成湍流燃烧,加速向前传播。

火焰在越过薄板障碍物前的形状与矩形障碍物存在时类似,薄板障碍物上游同样存在高压区,使得火焰与障碍物隔开。薄板障碍物形成与三角形障碍物一样的剪切层脱离,分裂成一个个小涡旋向下游传播;与三角形障碍物存在时不同,剪切层脱离后的涡旋未向上传播,故火焰越过障碍物后呈现“前刺”形状,沿涡旋外部继续运动,最后与涡旋火焰相互作用,形成涡旋火焰,加速向下游传播。

3.2 不同形状障碍物对火焰传播速度和爆炸压力影响分析

图9为不同形状障碍物下火焰传播速度和最大爆炸超压。计算发现,火焰经历“加速-减速-再加速-再减速”四个阶段,如图9(a)所示。火焰受障碍物反射激波影响,发生扰动并失稳,在2.833m处出现略微减速。其中薄板障碍物和矩形障碍物受反射激波影响较大,减速效果明显;圆形障碍物和三角形障碍物受自身发射角度影响,反射激波对火焰的作用效果较弱。随后,失稳火焰燃烧面积增大,使得化学反应速率加快;障碍物前方存在高压区,火焰向上偏移,火焰在3.450m处开始加速向前传播。之后,受障碍物上方剪切流影响,火焰在障碍物上方继续加速;火焰越过障碍物后,与障碍物下游涡旋相互作用,形成涡旋火焰,加速传播;在4.050m处达到最值。由于圆形和三角形障碍物下游涡旋靠后,形成湍流火焰的时间延迟,故在管道4.667m处速度减少缓慢。之后,火焰继续向前传播,由于管道末端封闭,火焰速度逐渐降低。