特征管内H2_Air预混气体燃爆特性数值模拟研究.pdf

第37卷第4期 2020年12月 Vo l . 37 No . 4 Dec . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.04.025 特征管内耳/Air预混气体燃爆特性数值模拟研究 1.中国十九冶集团有限公司工业建设分公司，成都610000；2.辽宁工业大学土木建筑工程学院，锦州121001 摘 要基于标准k -s湍流模型和EBU-Ar r h en iu s燃烧模型，利用流体动力学软件Fl u en t数值模拟研究两 种管水平直管和直角弯管内耳/Air预混气体燃爆过程中火焰锋面传播及演变过程以及燃爆特征参数的 动态分布情况，并进一步研究不同初始温度300 K、373 K、413 K和475 K和初始压力1.0 At m、1.5 At m和 2.0 At m对预混Hz/Air燃爆特征参数的影响。研究结果表明水平直管内l /Air预混火焰锋面经历了球 形火焰、椭圆形火焰、平面火焰、褶皱“V”形火焰和光滑“V”形火焰的演变过程，而直角弯管结构促使对称的 “V”形火焰锋面演变为上火舌长、下火舌短的非对称“V”形火焰锋面结构。两管中点火前初始温度对管内 峰值压力和气流峰值速度的影响呈现负相关性；而初始压力对管内峰值压力的影响呈现正相关性，但对管内 峰值温度和气流流速的影响并不明显。水平直管内燃烧反应和预混火焰的传播以及直角弯管内上弯壁面阻 碍反射和下弯壁面的突扩诱导作用是H2/Air预混气体燃爆过程湍流涡运动的产生、运动、转变及消散的动 态演变过程的根本。 关键词预混气体；初始条件；湍流效应；燃爆特性；数值模拟 中图分类号X932；TE832 文献标识码A 文章编号1001 -487X202004-0155 -11 Numerical Simulation of Combustion and Explosion Characteristics of Premixed H2 /Air Gas in Characteristic Tubes SUN Cong-hu ang1, QU Yan-dong2 1. In du st r ia l Co n st r u c t io n Br a n c h,Ch in a 19t h Met a l l u r gic a l Co r po r a t io n,Ch en gdu 610000,Ch in a； 2. Co l l ege o f Civ il En gin eer in g a n d Ar c h it ec t u r e, Lia o n in g Un iv er sit y o f Tec h n o l o gy, Jin zh o u 121001, Ch in a Abstract Nu mer ic a l simu l a t io n o f t h e f l a me f r o n t pr o pa ga t io n a n d ev o l u t io n du r in g t h e c o mbu st io n a n d ex pl o sio n pr o c ess o f pr emix ed H2/Air ga s in t wo kin ds o f t u bes st r a igh t t u be a n d r igh t -a n gl e t u be is c o n du c t ed t h r o u gh f l u id dyn a mic s so f t wa r e Fl u en t, wh ic h ba sed o n t h e st a n da r d k -s t u r bu l en c e mo del a n d EBU-Ar r h en iu s c o mbu st io n mo d el . Su c h simu l a t io n is a l so a ppl ied o n t h e a n a l ysis o f t h e dyn a mic dist r ibu t io n o f c h a r a c t er ist ic pa r a met er s o f c o mbu s t io n a n d ex pl o sio n f o r t h e sa me pr emix ed H2/Air ga s. Fu r t h er mo r e, t h e in f l u en c e o f dif f er en t in it ia l t emper a t u r es 300 K,373 K,413 K a n d 475 K a n d in it ia l pr essu r es 1.0 At m,1.5 At m a n d 2. 0 At m o n t h e c h a r a c t er ist ic s o f pr emix ed H2/Air ga s c o mbu st io n a n d ex pl o sio n pa r a met er s a r e c o n sider ed. Th e r esu l t s sh o w t h a t t h e f l a me f r o n t in st r a igh t t u be ex per ien c es a n ev o l u t io n pr o c ess o f sph er ic a l f l a me, o v a l f l a me, pl a n e f l a me, f o l ded “ V ” f l a me a n d smo o t h “V“ f l a me,wh il e in t h e r igh t -a n gl e t u be, t h e symmet r ic a l “V” sh a pe f l a me f r o n t ev o l v es in t o a n a symmet r ic “V” sh a pe wit h l o n g u pper f l a me t o n gu e a n d sh o r t l o wer f l a me t o n gu e du e t o t h e r igh t -a n gl e st r u c t u r e. Th e in it ia l ig n it io n t emper a t u r e sh o ws n ega t iv e c o r r el a t io n wit h t h e pea k pr essu r e a n d f l o w v el o c it y in t h e t wo t u bes. Th e in it ia l pr essu r e sh o ws po sit iv e c o r r el a t io n wit h t h e pea k pr essu r e wit h o u t sign if ic a n t in f l u en c e o n t h e pea k t emper a t u r e a n d a ir f l o w v el o c it y in t h e t wo t u bes. Th e r ea so n f o r t h e gen er a t io n, mo v emen t, t r a n sf o r ma t io n a n d dissipa t io n o f t u r bu l en t v o r t ex du r in g t h e pr emix ed H2/Air ga s c o mbu st io n a n d ex pl o sio n pr o c ess ma ybe a s f o l l o ws t h e c o mbu st io n r ea c t io n a n d pr emix ed f l a me pr o pa ga t io n in t h e h o r izo n t a l st r a igh t t u be; t h e o bst r u c t io n o r ef l ec t io n f r o m t h e u pper c u r v ed 156爆破2020年12月 wa l l a n d t h e su dden ex pa n sio n in du c ed in l o wer c u r v ed wa l l in t h e r igh t -a n gl e t u be. Key words pr emix ed ga ses ； in it ia l c o n dit io n s ； t u r bu l en c e eHec t； ex pl o sio n c h a r a c t er ist ic s ； n u mer ic a l simu l a t io n 氢气因具有点火能量低、层流燃烧速度快、燃烧 极限大、耗散小等特点,使其燃爆过程中复杂多变; 而可燃气体在实际管道的生产、运输和使用过程中， 常因管段形式和输送环境的变化而引发泄漏爆炸事 故。例如,2002年9月15日山东省济宁市山东峰 山化工尿素厂压力管道因球罐富氧总阀前后弯头数 目过多引发的泄露爆炸事故致4死1伤;2014年 7月31日台湾高雄市地下丙烯直管道因地下水气 加速腐蚀老化引发的泄漏爆炸事故致32死321伤; 2017年12月23日嘉兴市富欣热电厂因锅炉主蒸 汽管至减温减压站直管处发生爆裂引发事故致5死 4伤。诸如此类事故案例数不胜数。为此，国内外 众多学者对不同初始条件下各种管段形式内可燃气 体的燃爆特性展开诸多研究。Xia o通过实验和数 值模拟分别研究了密闭水平直管、半开口水平直管 和90。弯曲管内预混H2/Air燃烧火焰传播及演变过 程［旧。何学超借助高速纹影技术对90。弯曲管内 C3H8/Air预混火焰传播及燃爆特性进行了实验研 究⑷。此外，考虑不同初始条件的影响差异，Li在 研究甲烷-煤灰预混气体燃爆特性时发现爆炸峰值 压力及其上升速率随初始压力和初始浓度的增加而 增大⑸。Wa n通过研究中尺度燃烧室内预混CH4/ Air燃烧火焰详细反应机理,发现初始压力的不断增 加，其反应强度的增加和火焰前锋面的拉伸效应正 反相互竞争作用导致CH4/Air灭火极限呈现先增大 后减小的变化趋势，其竞争结果将影响火焰的稳定 性同。So n g利用高速纹影摄像系统实验研究预混 气体天然气-氢气-空气火焰传播特性时发现，初 始温度及氢气组分的增加对层流燃烧火焰传播的稳 定性不利,但却能增加层流燃烧火焰传播速率，而随 初始压力的增加抑制层流燃烧火焰的传播切。李 润之通过20L的球形爆炸罐中心点火实验研究不同 环境温度对瓦斯爆炸峰值压力及峰值压力上升速率 的影响国，实验结果揭示了爆炸峰值压力随初始环 收稿日期2020 - 07 - 21 作者简介孙从煌1990 -，男，汉族，研究生、助理工程师，主要从 事工程爆破和爆炸力学研究，E-ma il su n c o n gh u a n g 163. c o m。 通讯作者曲艳东1978 男，蒙古族，博士、教授，主要从事爆炸 力学、爆炸加工与爆炸安全研究，E-ma il pl x f en g2009 so h u . c o mQ 基金项目国家自然科学基金项目11302094；辽宁省高等学校优 秀人才项目UQ2014063 ;辽宁省自然科学基金项目 20170540441.SY201603 境温度的增加而降低，并呈现倒数线性衰减规律，而 爆炸峰值压力上升速率的变化趋势却不明显。 Mo o r e通过C3H8/Air燃烧火焰点燃爆炸罐体内 CH4/Air预混气体，以298 398 K的初始温度进行 130组实验研究发现气态反应物初始温度的升高， 加剧了 CH4/Air扩散火焰不稳定性⑼。黄子超通过 RNG k_湍流模型及多控制机制分布反应燃烧模 型数值模拟研究初始温度对瓦斯爆炸压力、火焰温 度及气体组分变化等特性参数的影响，其结果显 示初始温度的增加,罐内气流燃爆反应速率及峰值 温度明显增加，而爆炸峰值压力却随之降低。Jia n g 数值模拟研究100 m长的半封闭水平直管内 CH4/Air预混气体燃爆特性受不同初始温度及初始 压力的影响⑴血，模拟结果显示初始温度和压力的 不同对燃爆反应过程中爆炸峰值温度、峰值压力和 峰值压力上升速率等参数均存在明显的差异。 综上所述，目前对预混气体燃爆特性虽有研究, 但多集中于水平直管或密闭燃烧室内，对常见的直 角弯管内预混气体燃爆特性研究相对较少，且以 H2/Air预混气体为研究对象也是寥寥无几,对其燃 爆特征参数动态分布及演变过程更是所知甚少，以 及初始条件对其差异性影响也未可知。基于此，利 用流体动力学软件Fl u en t ,结合k -湍流模型和 EBU-Ar r h en iu s燃烧模型，数值模拟研究水平直管和 直角弯管内比/Air预混火焰演变及传播过程，并对 比分析不同初始温度和压力对两种管内比/Air预 混气体燃爆特征参数的影响。以模拟结果探究火焰 面演变历程、峰值温度、峰值压力、气流峰值速度以及 流场内的能量和涡量等燃爆参数的动态变化规律。 1数值模型及初始条件 11控制方程控制方程 质量守恒方程 坐蚂0 dt dxi 1 动量守恒方程 罟伽 p吧-瓷譽 2 能量守恒方程 罟pE V [vpE p] V k e f f T- Y,册sh 3 第37卷第4期孙从煌,曲艳东 特征管内比/Air预混气体燃爆特性数值模拟研究 157 式中E h - 土,h 4iYihl,hi J 為.川丁, 嘉300 K；ys为组分i的质量分数;为有效传热 系数订，为组分i的扩散流量；S”为化学反应热 源项。 1.2几何模型几何模型 如图1所示，建立的水平直管和直角弯管的几 何模型。其中，水平直管长1.0 m,内径100 mm,距 左端壁面50 mm处设置半径为35 mm的点火域。 直角弯管的水平段和竖直段管长分别为700 mm和 300 mm,与之相连的直角弯管外半径为150 mm,同 样位置设置点火域，采用1500 K的高温进行瞬时点 火。此外，为便于捕捉燃爆过程中各项参数，分别在 水平直管和直角弯管内设置3个和8个数据监测 点。基于Fl u en t有限体积法求解原理，采用2 mm 均匀结构网格对管内流体域进行网格划分。考虑 H2/Air预混气体初始为静止状态,燃爆过程存在层 流向湍流演变过程,为获得精确真实的模拟结果，将 迭代求解的时间步长设置为0. 1 ms,次迭代求解 步数为50步。此外，为提高迭代求解过程中的收敛 速度和收敛质量，先采用冷流场进行50步的迭代求 解，以获取稳定的预混气体初始值，再激活化学反应 及能量方程进行点火后的预混气体燃爆计算。同时 根据残差曲线来确定收敛准则，再通过调整松弛因 子来控制收敛速度。 /点火域 ___________________ 950 图1特征管道几何模型单位mm Fig. 1 Th e geo met r ic mo del s o f c h a r a c t er ist ic t u bes u n it mm 13湍流及燃烧模型湍流及燃烧模型 密闭管道内预混气体燃爆过程是伴有复杂化学 反应的非线性湍流燃烧过程。标准的％ - e湍流 模型是将湍流动能k和湍流耗散能作为基本未知 量的二方程模型，能精准有效的计算带化学反应燃 爆过程，尤其适合于完全湍流过程的数值模拟「⑷。 标准湍流模型相关的运输方程如下 討耐息P叽弋韵G_pg⑷ 2 lps 埶叱亡韵“吒勺 5 式中和t分别为空间坐标系统和时间轴;⑰ 为速度在i方向的分量;內和乙为普朗特数所对 应的湍流动能和湍流耗散率;C］和c2为常数;“才为 有效粘度系数，如“ CDpk2/s,CD为经验常数。 层流有限速率/涡耗散EBU-Ar r h en iu s燃烧模 型能同时考虑湍流效应和化学反应动力学效应，能 同时计算涡耗散反应速率和Ar r h en iu s反应速率，对 密闭管道内预混气体燃爆过程及预混火焰传播过程 具有较好的数值模拟效果。预混气体的速度计算公 式如下 Rfu - min l Rf u.A I , I Rf u.T I 6 r/u-a BpYJ2 ex p［-需］ 7 R砂斶加仔冲垠蛉卫忑 8 式中小为前导因子;E为活化能;R为普氏气 体常数旳为燃烧速率;Cebu为经验常数,通常为 0. 34 0. 4；蛉、蜀、耳分别为燃料、氧气和燃烧产物 的质量分数。 14初始条件及边界条件初始条件及边界条件 考虑管壁与外界环境存在的热传导和辐射效应 将造成管内能量的损失，遂采用光滑、无滑移的固定 壁面。由于标准的肚湍流模型对完全湍流过程具 有较高的模拟精度,但却无法对壁面低雷诺数流场 进行求解计算。并且壁面边界层附近流场受到粘性 阻力和剪切流动的影响，为此采用标准的壁面函数 来修正壁面附近的流动方程。基于正交试验设计原 理对两种管道内预混气体初始条件进行设置，具体 情况如表1所示。 2结果分析讨论 2.1火焰演变及传播过程火焰演变及传播过程 在常规初始温度为300 K和初始压力为 1.0 At m的工况下,两种密闭管内H2/Air预混气体 不同时刻的燃烧火焰面演变及传播过程如图2和图 3所示。其中，由图2可发现，水平直管内整个燃爆 过程预混火焰前锋面演变过程包括球形火焰、椭圆 形火焰、平面火焰、褶皱的“V”形火焰和光滑的“V” 形火焰。当距左端壁面50 mm处的点火域点火引 燃时，预混H2/Air燃烧火焰呈球形向外膨胀扩展, 158爆破2020年12月 此时化学反应速率和组分输运速率对层流燃烧速率 的影响较为明显，以层流燃烧为主的火焰前锋面逐 渐被拉升形成椭圆形火焰，并且燃料区与燃烧区也 逐渐被火焰锋面前导稀松波隔开。随着火焰前锋面 的进一步扩展，由于受到上下壁面的约束和反射作 用，形成了局部湍流效应和涡团运动，在剪切流的作 用下加速该处火焰锋面的传播，追赶中轴线凸型火 焰锋面，大约在70 ms时刻基本完成了椭圆形火焰 的锋面向平面火焰锋面的演变。随着壁面处较快速 的火焰锋面继续追赶，上下两侧火焰则继续被拉伸， 使预混燃烧火焰由原来的向燃料区凸型火焰演变为 内凹形火焰，即形成所谓的“V”形火焰锋面。初始 光滑的“V”形火焰锋面在受到上下湍流涡旋运动表 现为褶皱的曲面，随着进一步传播受到右端壁面反 射的反向稀松波的冲击，减缓了上下壁面的涡运动 而使火焰锋面逐渐变为光滑平顺。由此可知，在水 平直管道内预混火焰的演化及传播过程与早期 Cl a n et和Sea r by所提出的“四阶段”火焰演变特征 基本一致“］，且皱褶的V型火焰锋面也类似于Su n 所提出的“三重郁金香”火焰锋面［如。 表1点火前密闭管道内H2/Air预混气体初始条件 Table 1 The initial conditions of premixed H2-Air in closed tubes before ig nition 序号 初始温度 “K 初始压力 Pq/At m 初始速度Vo/ m ■ s 1 h2质量 比/ 02质量 比/ n2质量 比/ 13001.000.02260.21720.7600 23001.500.02260.21720.7600 33002.000.02260.21720.7600 43731.000.02260.21720.7600 54131.000.02260.21720.7600 64751.000.02260.21720.7600 图2水平直管内比/Air预混气体燃爆过程 Fig. 2 Co mbu st io n pr o c ess o f H2-Air Pr e-mix t u r e ga s in st r a igh t t u be 由图3所示,基于水平管道预混火焰演变传播特 性,H2/Air预混火焰在直角弯管左端水平直管段的演 化传播过程类似于水平直管道，但在形成对称的“ ” 形火焰锋面后因受到直角弯管的壁面约束及诱导作 用而发生畸变,附加的湍流作用使“ V”形湍流火焰的 对称结构遭到破坏。在上弯壁面的阻挡反射压缩波 的作用下加剧了湍流漩涡运动,从而加快了火焰前锋 面的传播速度;而下弯壁面因管截面的突扩产生的稀 松诱导作用增加了预混火焰面厚度及湍流强度,如此 使得原本对称的“V”形火焰锋面逐渐演变为上火舌 长,下火舌短的非对称火焰锋面结构。 2.2燃爆过程温度场分析燃爆过程温度场分析 2.2.1 管道形式的影响 根据图1中两种管道内所布设的数据监测点， 对H2/Air预混气体燃爆过程的温度场动态分布差 异进行对比分析，具体如图4a 所示。随着预混火 焰向右传播，两种管道内各监测点1-1至1-3和2-1 至2-3处气流温度均先后依次开始上升，当火焰面 接近右端壁面时，除左端壁面区域受点火高温的影 响而表现较高峰值温度，其他区域的气流峰值温度 几乎相等。对比分析发现，水平直管内比/Air预混 气体前期燃烧速度及温升速率较快,但在直角弯管 内预混火焰传播后期通过弯管段后，受直角弯管结 构的影响使得管下端2-3处的温升时刻要早于水平 直管右端1-3处,但其温升速率相对较缓慢。为此, 对直角弯管结构对预混火焰传播的影响进行详细分 析，如图4b所示。受弯曲壁面的阻挡反射作用和 稀松诱导作用使得弯曲管段径向同一截面处温度分 第37卷第4期孙从煌，曲艳东 特征管内I/Air预混气体燃爆特性数值模拟研究 159 布不均匀,呈现出内侧弯曲壁面3-4的气流温度 比外侧壁面3-5上升时刻早，且均早于中间位置 3-2，但最终外弯曲壁面峰值温度稍高于内侧弯曲 壁面，如此形成了图3中上火舌长、下火舌短非对称 的“V”形火焰前锋面。由此说明，比/Air预混火焰 沿两种管道轴向传播均呈现峰值温度依次开始上升 的规律,且最终峰值温度基本一致,而直角弯管结构 的改变产生了各种约束、反射对流和诱导作用使得 靠近小曲率弯曲壁面附近火焰传播速度较快，气流 温升时刻较早,而管道中轴线处温升时刻较晚，从而 在直角弯管中形成不对称的“V”形火焰面。 图3直角弯曲管道内H2/Air预混气体燃爆过程 Fig. 3 Co mbu st io n pr o c ess o f H2/Air Pr e-mix t u r e ga s in r igh t -a n gl e t u be 5 5 o o -0 -5 -0 -5 -0 -5 L N mol X 3.m m 3dul3H I______I____I________I____I_______I 100 200 300 400 500 600 Time/ms a 5 0 5 5 0 5o v o v 5 o 5 o 0 100 200 300 400 500 600 Time/ms b 图4两种管道内不同监测点的温度时程曲线 Fig. 4 Th e t emper a t u r e t ime c u r e o dif f er en t mo n it o r po in t s in t wo kin ds o t u bes 2.2.2初始温度的影响 初始温度的不同将直接改变H2/Air预混气体 分子的活化能，使得初始阶段所发生的燃爆反应程 度存在明显差异。由图5a 可知，在点火引爆前 期，水平直管内H2/Air预混气体初始温度越高，气 体分子吸收能量转变为活化分子并发生燃烧反应越 剧烈，燃烧放热使管内峰值温度越高；而在120 ms 以后，由于此时湍流火焰已形成，火焰前锋附近的漩 涡运动使管中轴线处出现逆流现象，抑制了燃烧反 应及火焰面向前传播，且初始温度越高产生的湍流 效应越强，抑制现象越明显,峰值温度上升速度越缓 慢。图5b中直角弯管内不同初始温度下的 H2/Air预混气体最高温度变化趋势与水平直管相 似,但上升速率相对较为平缓。由此说明，初始温度 的不同使得两种管道内比/Air预混气体在燃爆过 程中,均表现出初始温度越高,反应初期的峰值温度 越高，而反应后期的峰值温度却越低。而直角弯管 结构改变了预混火焰传播方向，使得峰值温度上升 速度较缓。 2.2.3 初始压力的影响 由图6所示，在三种初始压力1.0 At m, 1.5 At m和2.0 At m作用下，两种管道内比/Air预 混气体燃爆过程中管内峰值温度所呈现出的变化趋 势基本一致，由此可判断初始压力对管内峰值温度 160爆破2020年12月 的影响并不明显。然而，水平直管内最高温度上升 曲线岀现过两次明显的转折和三种上升斜率，且上 升斜率依次减小;而直角弯管内峰值温度曲线上升 速度相对平缓，上升速率逐渐减少。 3.3 3.0 2.7 2.4 2.1 1.8 Righ t -a n gl e Tu be 300K 373 K 413K 475K 1.5 k h “1,1 I 1 I I 0 100 200 300 400 500 600 Tit ne/ms 1.5 ”................................................................. 0 100 200 300 400 500 600 700 Time/ms b 图5不同初始温度下两种管道内燃爆过程峰值温度时程曲线 Fig. 5 Th e ma x imu m t emper a t u r e t ime c u r e o f ga s ex pl o sio n u n der dif f er en t in it ia l t emper a t u r e in t wo kin ds o f t u bes 图6不同初始压力下两种管内燃爆过程峰值温度时程曲线 Fig. 6 Th e ma x imu m t emper a t u r e t ime c u r e o f ga s ex pl o sio n u n der diHer en t in it ia l pr essu r e in kin ds o f t u bes 2.3燃爆过程压力场分析燃爆过程压力场分析 受管道尺寸效应的影响，管内不同位置处的 H2/Air预混气体燃爆过程的峰值压力相差并不明显, 但因初始温度和初始压力的不同，两种管道内的峰值 压力则表现出明显差异。由图7和图8可发现，两种 密闭管内的峰值压力均随燃爆反应的进行而逐渐升 高，但预混气体初始温度越高,峰值压力上升速率越 慢,最终管内的峰值压力值越小;而预混气体初始压 力越高，管内峰值压力上升速度越快,最终峰值压力 值也越大。由此说明，预混气体初始压力对管内峰值 压力呈正相关影响,即促进作用;而初始温度对密闭 管内峰值压力呈现负相关影响,即抑制作用。 2.4燃爆过程流体域分析燃爆过程流体域分析 两种密闭管内H2/Air预混气体燃爆过程中各 观测点的气流速度时程曲线，如图9所示。由此可 知，点火后随着预混火焰向右传播,燃烧放热促使气 流向右流动，两种管道中轴线上各观测点的气流流 速由左向右先后依次出现单峰值，但中间观测点涉 及到预混火焰层流燃烧和层流向湍流燃烧的演变, 在前导稀松波诱导作用和湍流涡团运动作用下反复 震荡后出现向右的高峰值流速。随着湍流涡运动的 不断增强，形成“V”形火焰前锋面后,管中轴线处气 流出现逆流现象，使得中间测点的峰值流速迅速衰 减。随着预混火焰继续向右传播，受右端壁面阻挡 及反射冲击波的压缩作用，中监测点出现向左的反 向峰值流速，并随着燃烧火焰的熄灭和反向冲击波 的弱化及消散而逐渐衰减。然而，对比分析发现，直 角弯管结构的影响使得中间测点2-2向右的峰值 流速衰弱了 19.49,且向右流速衰减后并出现向 左的反向流速的时刻也延迟了 38. 5 ms,但向左的 反向峰值流速却增加了 39. 37。为此，进一步分 析直角弯管段的流场情况，由图9b所示。弯曲管 第37卷第4期孙从煌,曲艳东 特征管内比/Air预混气体燃爆特性数值模拟研究 161 段中轴线上各观测点3-1至3-3的峰值流速时程 曲线的变化趋势随预混火焰的传播趋于相同，但同 截面内侧弯曲壁面3-4处的峰值流速要比外侧弯 曲壁面3-5处的峰值流速明显要高,气流波动时刻 也相对较早,且均明显高于中轴线3-2处峰值流 速。由此说明，直角管道结构能明显改变H2/Air预 混气体燃爆过程的气流流速，顺应气流导向方向的 弯曲壁面附近的气流流速相对较大，而垂直于气流 流向的壁面附近气流速度较小。弯曲壁面的存在改 变了燃爆过程中各应力波的传播及反射方向，增加 了湍流涡运动强度,从而加快预混气体燃烧反应强 度和气流速度。 图7不同初始温度下两种管内燃爆过程峰值压力时程曲线 Fig. 7 Th e pea k pr essu r e t ime c u r e o f ga s ex pl o sio n u n der dif f er en t in it ia l t emper a t u r e in kin ds o f t u bes 图8不同初始压力下两种管内燃爆过程峰值压力时程曲线 Fig. 8 Th e pea k pr essu r e t ime c u r e o f ga s ex pl o sio n u n der dif f er en t in it ia l pr essu r e in kin ds o f t u bes 图9两种管内不同监测点处的气流速度时程曲线 Fig. 9 Th e f l o w-v el o c it y t ime c u r e o dif f er en t mo n it o r po in t s in kin ds o t u bes 162爆破2020年12月 不同初始温度和初始压力对两种管道比/Air 预混气体燃爆过程的气流峰值速度的影响的对比分 析如图10和图11所示。不同初始温度使管内气流 峰值速度的波动趋势基本一致，均在100 ms前出现 单峰值后逐渐开始波动衰减,但初始温度越高,管内 峰值流速越小，峰值速度突变时刻也相对较晚。然 而，初始压力的不同对管内气流峰值速度的影响并 不明显。 s 旦 - 3 p n J sa D s sO E o 5 o 5 3 2 3 2 5 5 o o o o St r a igh t Tu be 300K 373 K 413K 475K 6 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0 S u f } - 3 p n M s M a w e s0 1 3 A 0 100 200 300 400 500 Time/ms b 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time/ms a 图io不同初始温度下两种管内气流速度时程曲线 Fig. 10 Th e f l o w-v el o c it y t ime c u r e o f ga s ex pl o sio n u n der dif f er en t in it ia l t emper a t u r e in kin ds o f t u bes s 呂-apn二 o - O O 5 5 3 左 O O2 2 0 5 0 0 5 0 1 0 1 0 St r a igh t Tu be ■ 1.0 At m 1.5 At m 2.0 At m 6 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0 100 200 300 400 500 Time/ms b 0 100 200 300 400 500 600 700 Timelms a 图11不同初始压力下两种管内气流速度时程曲线 Fig. 11 Th e f l o w-v el o c it y t ime c u r e o f ga s ex pl o sio n u n der dif f er en t in it ia l pr essu r e in kin ds o f t u bes 2.5燃爆过程流体域能量及涡量分析燃爆过程流体域能量及涡量分析 预混气体的燃爆过程伴随着复杂的能量释放、 传播和转化过程。由气体分子动理可知，气体分子 在永不停息地做无规则的热运动，因此密闭管内预 混气体动能的大小宏观上反应在气流流速上。由图 12可知,预混气体燃爆过程中动能的变化趋势及特 性与气流流速的变化趋势相同，只是中间测点（1-2 和2-2）的峰值动能及波动时刻存在差异』心 心且Tg “，说明直角弯管结构削弱了中间 测点的动能,延长了峰值动能的衰减时间,但在接触 壁面出现反向流时增加二次峰值动能，且直角弯管 结构明显增加小曲率内侧弯管壁面处的动能。分子 无规则热运动的动能和分子间相互作用的势能统称 为分子内能，而气体温度越高,分子间的热运动越剧 烈，因此在固定体积的密闭管道内，气体分子内能的 大小宏观表现在气体温度的高低。由图13可知，预 混气体内能的变化趋势与管内气体温度变化趋势基 本相同。在空气动力学原理中，又常用涡旋来描述 流体湍流运动特征，涡团的产生、运动、转移和消散 均伴随着复杂的流体动力学运动。由图14可知，预 混气流的涡团是随着预混火焰自左向右传播而产 生、增强及震荡的，燃爆反应及预混火焰的传播是密 闭直管内涡团产生及运动的根本。而直角管结构增 强了气体分子的涡运动，且下弯曲壁面处的涡量要 明显高于上弯曲壁面及中轴线流域，由此说明该阶 段弯曲壁面结构是加强气流漩涡运动的决定性因 素，其根本原因是由于上壁面阻碍作用和反射波压 缩作用，以及下壁面截面突扩诱导作用和稀松波拉 第37卷第4期孙从煌,曲艳东 特征管内比/Air预混气体燃爆特性数值模拟研究 163 伸作用，促使H2/Air预混火焰前锋面的涡流发生扰 强度。 动和曲折，从而明显增加火焰表面积,提高燃烧反应 ■ Ekl_25.10 kJ 為一2二3.99 kJ 6 5 4 3 2 1 6 5 4 3 2 1 - 、盒 * 3 c g * 3 c g q e3 sm 0 100 200 300 400 500 600 Time/ms 0 6 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 0 g - “ -5M g - “ -5M 0 100 200 300 400 500 600