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《大连理工大学》 2008年
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气云爆燃压力场与冲量场实验与数值模拟

丛立新  
【摘要】: 可燃气云爆燃已造成巨大的人员伤亡和财产损失。研究可燃气云爆燃规律是开发防爆抑爆技术的基础。有关的实验研究工作,尤其是气云内存在障碍物时,主要是特定工况下的试验结果,又由于影响爆燃过程的因素较为复杂,完全依赖实验研究也很难获得通用的规律:在工程应用方面,已提出了TNT当量法、多能模型法和比例缩放法等,均属于经验性模型,只能用于爆炸威力的估算,带有较强的主观性;在理论上,曾提出了自相似理论,只适用于稳态火焰传播过程;CFD方法是近几年的主要研究手段,尚处于不断发展之中,尤其是对障碍物的处理仍是学术界的热点问题。在工业气云爆炸过程中,某些结构的破坏可能由压力引起,也可能由冲量引起,还可能是两者综合作用的结果。因此,除了大多数研究工作所关注的压力场之外,冲量场也必须引起重视。因此,采用实验与数值模拟相结合的方法,系统研究气云爆燃过程的压力场和冲量场,既具有深厚的工程应用背景和经济意义,也具有重要的学术价值和社会意义。 本文的研究思路是,首先通过一系列实验总结气云爆燃规律,同时通过热力学、燃烧动力学和气体动力学分析,提炼出物理与数学模型,然后应用CFD方法进行求解,以期获得一般性规律和方法。主要工作和结论如下。 1.内置障碍物均匀混合可燃气云爆燃实验研究 以乙炔/空气预混合气体为介质进行气云爆燃实验,对内置球带形障碍物爆燃压力场和冲量场进行较为系统的研究,探讨气云内障碍物对爆燃过程的加强作用。 (1)设计并建立了由压力变送器、AD转换卡、数据采集卡、计算机、点火装置及其过载保护装置组成的可燃气云爆燃过程动态测试系统。其动态响应时间小于千分之一秒,测试精度为0.5级。 (2)利用色谱和质谱对乙炔/空气预混合气云进行了组分分析,通过相应的爆燃实验,确定了产生最大爆燃强度的乙炔体积浓度为13.3%。 (3)对内置球带形障碍物可燃气云爆燃进行了正交实验及其方差分析,结果表明,障碍物特性参数(半径r_0和屏蔽角θ_0)对爆燃压力场和冲量场都有显著影响,而两者的交互作用影响不显著。大量试验结果表明,障碍物的存在可使气云的爆燃超压和冲量分别增大8~10倍左右。 (4)分别以多矩形孔和多圆孔半球壳作为气云内部障碍物,进行了半球形乙炔/空气气云爆燃实验,探讨了障碍物几何形状对气云爆燃压力场和冲量场的影响。结果表明,相同空隙率下,矩形孔障碍物导致的超压和冲量比圆孔障碍物大。 (5)通过对各种实验数据进行分析整理、曲线拟合和方差分析,得到在实验范围内(气云浓度C=13.3%,气云半径R_0=0.25~3.0m,障碍物半径r_0=100~900mm,障碍物空隙率(?)=26%~100%),爆燃超压△p、冲量I与障碍物特性参数(r_0,(?))、气云半径R_0、测点距离d以及障碍物几何形状之间的统一关系式即爆燃超压和冲量随气云半径R_0、障碍物半径r_0的增大而增大,随测点距离d和空隙率(?)的增大而减小。 2.均匀混合可燃气云爆燃过程数值模拟 (1)基于流体力学控制方程组、κ-ε湍流模型、EBU-Arrhenius燃烧模型,建立了可燃气云爆燃过程的数学模型。采用SIMPLE算法,对乙炔/空气预混气体爆燃过程数学模型进行求解。 (2)通过对无约束气云爆燃过程进行数值模拟,得出爆燃超压和压力上升速率分别与燃料活性、燃料浓度、气云半径以及气云初始压力之间的关系曲线和爆燃过程的压力与时间的关系曲线。计算结果与前人的实验结果吻合较好,表明所建数学模型可用于可燃气云爆燃过程的数值模拟。 (3)通过对程序的数值特性进行讨论,确定当计算区域为8倍原始气云半径大小、网格尺寸为1mm、时间步长为2×10~(-5)s时,可满足网格独立性要求。 (4)对内置障碍物可燃气云爆燃过程的数值模拟,结果表明,可燃气云点火初期,障碍物对火焰阵面和压力波阵面的扰动较小。当火焰接近障碍物时,火焰阵面和压力波阵面发生显著变化;在障碍物附近,火焰速度变化最剧烈;在障碍物后方诱导形成了湍流反应区,导致火焰速度在穿越障碍物时先急剧上升然后急剧下降,再迅速上升。障碍物半径和屏蔽角越大,空隙率越小,对火焰的加速越快,爆燃强度越大,说明了障碍物对爆燃强度具有加强作用。 (5)障碍物强化可燃气云爆燃的机理可解释如下:障碍物使火焰阵面发生曲皱,同时由于前驱压力波的作用在障碍物后捕获大量未燃气体,形成有大量漩涡对的湍流反应区,导致了体积燃烧速率增加,火焰传播速度增大。流场速度和爆燃强度也随着火焰速度的增大而提高,说明火焰速度的加速必然导致膨胀流场的加速和爆燃强度的增大。障碍物半径及屏蔽角越大,空隙率越小,那么障碍物捕获的湍流未燃气体也就越多,湍流燃烧也就越激烈,爆燃强度也就越大。 3.高斯分布可燃气云爆燃过程数值模拟 对乙炔浓度呈高斯分布的可燃气云爆燃过程进行了数值模拟,得到了压力和冲量分布情况。根据Schumacher压力-冲量准则,预测了无障碍物和有障碍物高斯分布气云的爆燃等级和破坏效应。例如内置障碍物半径30m、乙炔/空气云半径60m时爆燃强度可以达到多能模型中的6级强度,会造成砖墙倒塌,钢筋混凝土屋顶塌下。 将内置障碍物高斯分布气云爆燃计算结果与无障碍物高斯分布气云爆燃和内置障碍物均匀混合气云爆燃计算结果进行对比分析,发现三种情况下气云爆燃强度相差很大。有障碍物均匀混合气云处于最危险浓度,爆燃过程火焰具有自加速和障碍物诱导湍流加速双重机制,因而爆燃威力最强;无障碍物高斯分布气云,随着到爆心距离的增大,可燃气云浓度逐渐降低,燃烧速率也逐渐降低,火焰的自加速机制作用时间很短,因此产生的爆燃威力最弱;有障碍物高斯分布气云爆燃过程,初始阶段在爆心附近气云浓度大于最危险浓度,火焰自加速机制发生作用,随着到爆心距离的增大,气云浓度降低,维持不了火焰的自加速机制,随后只受到障碍物湍流加速机制的作用,所以其爆燃强度介于二者之间,产生的爆燃威力较强。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:O643.22

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【引证文献】
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