硬脂酸粉尘爆炸过程中火焰传播试验及数值模拟.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 05. 003 硬脂酸粉尘爆炸过程中火焰传播试验及数值模拟 ❋ 刘静平①② 赵金刚① 潘 峰①② 秋珊珊①② ①南京理工大学化工学院江苏南京,210094 ②国家民用爆破器材质量监督检验中心江苏南京,210094 [摘 要] 采用试验和数值模拟相结合的方法研究了硬脂酸粉尘火焰在上端开口的圆柱形垂直燃烧管道的传播 过程。 试验利用高速摄影系统和红外热成像仪记录了火焰的传播过程和温度分布情况,结果表明火焰传播速度 和火焰温度均呈现先增大后减小的趋势。 采用 Fluent 软件计算得到的模拟结果与试验值吻合较好,模拟结果揭示 了硬脂酸粉尘爆炸过程中气流速度的变化情况,分析结果表明 在同一时刻,气流速度高于粉尘火焰传播速度,是 造成粉尘二次扬尘,进而产生持续爆炸的重要因素之一。 [关键词] 硬脂酸粉尘爆炸;火焰传播;火焰温度;数值模拟;气流速度 [分类号] X932;O381 引言 随着现代工业的高速发展,超细粉尘颗粒在各 行各业中的应用越来越广泛,也导致众多行业发生 粉尘爆炸的可能性急剧上升。 2014 年 4 月 16 日, 江苏如皋市某化工企业发生硬脂酸粉尘爆炸;2014 年 8 月 2 日,江苏昆山市某汽车轮毂抛光企业发生 金属粉尘爆炸;2015 年 6 月 27 日,台湾新北市八里 派对活动中发生粉尘爆炸。 这些事故均造成了大量 的生命和财产损失。 因此,对粉尘爆炸现象的研究 和控制就显得十分必要。 火焰传播是粉尘爆炸过程研究的重要参数之 一,国内外学者对粉尘爆炸过程中的火焰传播过程 进行了大量的试验研究。 Gao 等[1-3]利用高速摄影 技术对常见多元醇类同系物粉尘的火焰传播以及粒 径对火焰的影响进行了研究,结果表明随着粒径的 逐渐减小,存在一个临界点,使得粉尘燃烧过程中的 火焰由连续传播变为离散传播现象;曹卫国等[4-6]通 过将微观机理和宏观试验相结合的方法对煤粉的火 焰传播过程进行了大量的研究,结果表明煤粉的点 燃过程与煤粉中的官能团变化以及煤粉中挥发分的 含量有着重要的联系;Proust、Amyotte、孙金华、闫兴 清等国内外学者[7-10]对粉尘爆炸的燃烧过程也进行 了大量的试验。 以上工作主要基于粉尘爆炸过程中 火焰传播规律的试验研究,然而,由于粉尘爆炸通常 是一种发生在复杂环境中的物理化学现象,单纯依 靠试验研究很难捕捉到直接证据。 为了从机理上解 决问题,采用试验和数值模拟相结合的技术来探讨 粉尘爆炸机理成为近年来的研究热点。 本文中,选取江苏如皋市某企业粉尘爆炸的原 料硬脂酸作为研究对象,采用试验和数值模拟相结 合的方法,研究了在垂直燃烧管道中粉尘爆炸过程 中的火焰传播行为,并将数值模拟结果与试验数据 进行对比,以期为生产此类有机物粉尘的企业提供 有价值的信息。 1 试验装置与材料 1. 1 试验装置 试验装置主要部分为垂直燃烧管、高压喷粉系 统、点火系统、高速摄影装置、红外热成像装置和控 制系统图 1。 燃烧管是一个内径 68 mm、高 300 mm 的上端开口的半封闭圆柱形玻璃管[11]。 利用高 压喷粉系统将均匀铺放在燃烧管底部的硬脂酸粉尘 喷起,点火位置距燃烧管底部 100 mm,点火电极间 距 6 mm,充电电压 8 kV,点火能量 100 mJ。 试验之前,通过高速摄影对不同点火延时条件 下的粉尘云上升高度进行了分析。 结果显示,当粉 尘质量为 0. 6 g、点火延时为 70 ms 时,粉尘云整体 上升高度为 300 mm,恰好充满整个燃烧管,可认为 此时的粉尘云在管内达到了均匀分布。 由此,为了 保证每次点火时粉尘平均浓度的一致性和减少喷粉 结束后残留的湍流强度对火焰传播过程的影响,选 112016 年 10 月 硬脂酸粉尘爆炸过程中火焰传播试验及数值模拟 刘静平,等 ❋ 收稿日期2016-04-06 基金项目国家自然科学基金项目51472119;江苏高校优势学科建设工程二期项目[苏政办发200437 号] 作者简介刘静平1974 - ,女,博士研究生,工程师,主要从事工业炸药的分析以及粉尘爆炸等方面的研究。 E-mailliu-jingping163. com 通信作者秋珊珊1981 - ,女,博士,工程师,主要从事粉尘爆炸以及危险化学品分类方面的研究。 E-mailppshanshanqiu126. com 万方数据 1 - 能量存储器;2 - 气动活塞;3 - 红外热成像仪; 4 - 竖直燃烧管;5 - 电极;6 - 粉尘分散系统;7 - 盛 粉室;8 - 阀门;9 - 储气室;10 - 阀门;11 - 高速摄影 仪;12 - 控制系统;13 - 高压空气;14 - 活塞驱动阀。 图 1 粉尘云火焰传播测试装置示意图 Fig. 1 Experimental apparatus for flame propagation of the dust colud 用如下试验条件当粉尘云恰好上升 300 mm 时,用 电火花将其点燃,同时启动与点火系统同步进行的 高速摄影和红外热成像装置,实时记录火焰在管道 内的传播过程及温度分布情况。 1. 2 试验材料 硬脂酸的粒径分布如图 2 所示。 可以看出,硬 脂酸粉尘的中位径约为 28 μm。 图 2 硬脂酸的粒径分布 Fig. 2 Particle diameter distribution of stearic acid 2 数学模型的建立 2. 1 基本控制方程组 基于 CFDcomputational fluid dynamics,计算流 体力学技术,采用 Fluent 软件对硬脂酸粉尘爆炸 过程进行数值模拟研究。 模拟过程中,假设硬脂酸 粉尘为球形颗粒,以化学反应动力学和流体力学为 基础,依据质量守恒、能量守恒、动量守恒和化学反 应平衡建立控制方程组,主要方程如下所示[12-13]。 质量守恒方程 əρ ət əρut əxi 0;1 能量守恒方程 əρh ət ə əxj ρujh - μe σh əh əxj dp dt Sh;2 动量守恒方程 əρui ət ə əxi ρuiuj- μe əui əxj - əρ əxi ə əxj μe əuj əxj - 2 3 ə əxj δijρk μe əuk əxk []; 3 化学反应平衡方程 əρYfu ət ə əxj ρujYfu- μe σfu əYfu əxj Rfu。4 式中p 为压力;t 为时间;ρ 为密度;Yfu为燃料化学 反应速率;u 为速度;μ 为动力黏度;k 为湍流动能;x 为位移;h 为高度;σ 为表面力;δ 为横截面积;e 为内 能;Rfu为化学反应率。 2. 2 湍流模型 硬脂酸粉尘在燃烧过程中的燃烧速率、气流流 动之间是相互耦合、相互促进的图 3。 图 3 粉尘的燃烧过程与气流的相互关系 Fig. 3 Correlation between combustion process of dust and airflow 选取适用于较多工程数据积累且计算精度合适 的标准 k-ε 模型作为湍流计算模型,公式如下[14-15] ρ dk dt ə əxi μ ut σk ək əxi [] Gk Gb- ρε - YM; 5 ρ dε dt ə əxi μ ut σε əε əxi [] C1ε ε k Gk C3εGt - C2ερ ε2 k 。6 式中k 指湍流脉动动能;ε 指湍流脉动动能耗散率; dk/ dt 为 k 随 t 的变化率;dε/ dt 为 ε 随 t 的变化率; Gk是由平均速度梯度引起的湍动能;Gb是由浮力 影响引起的湍动能;YM为可压缩湍流脉动膨胀对总 耗散率的影响;μt为湍流黏性系数;ρ 表示密度;t 表 示时间;C1ε、C2ε、C3ε是默认值常数;k 与 ε 的湍流普 朗特数分别为 σk1. 0、σε1. 3。 2. 3 燃烧模型 硬脂酸在初始燃烧阶段受热分解会产生大量的 小分子有机物,如甲烷、乙烯等。 以甲烷为例,甲烷 21 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 5 期 万方数据 燃烧主要包括链的引发、链的传递、链的终止等阶 段[16],其主要特点是在反应过程中单个自由基可以 生成两个或更多的自由基,完整的反应为 CH4 M→CH3 H M; CH4 O2→CH3 HO2; O2 M→2O M; CH4 O→CH3 OH; CH4 H→CH3 H2; CH4 OH→CH3 H2O; CH3 O→H2CO H; CH3 O2→H2CO OH; H2CO OH→HCO H2O; HCO OH→CO H2O; CO OH→CO2 H; H O2→OH O; O H2→OH H; O H2O→2OH; H H2O→H2 OH; H OH M→H2O M; CH3 O2→HCO H2O; HCO M→H CO M。 上述反应链表明,甲烷在高温环境中发生氧化 反应的进程一般为 CH4→CH3→H2CO→CO→CO2。 为合理简化,硬脂酸粉尘的整个燃烧过程中的 数值模拟采用一步不可逆反应 CxHyOz y 4 x- z 2 O2→ y 2 H2O xCO2。 常用的适用于燃烧过程的模型主要有层流有限 速率模型与涡旋耗散EBU模型。 考虑到湍流在 整个硬脂酸粉尘燃烧过程中的作用,选用 EBU 模型 进行描述。 EBU 模型方程如式7所示[17-18]。 Rfu,T - CRρg 1 2 fuε k 。7 式中k 为湍动能;ε 为湍动能耗散率;Rfu,T为湍流燃 烧速率;CR为常数;g 1/2 fu 为燃料质量分数的脉动均方 根; ρ 为密度。 2. 4 计算模型 假设硬脂酸颗粒为规则球体,选取粒径为 28 μm 的硬脂酸粉尘作为模拟对象,计算网格图如图 4 所示。 计算模型包括两个部分,分别为竖直燃烧管 和燃烧管上方外部流场计算域。 竖直燃烧管的内径 为 68 mm、管长为 300 mm;为了对管外的火焰变化 进行仿真,在管外部建立直径 300 mm、高 360 mm 的圆柱体计算域。 管壁为无滑移壁面边界条件,由 于整个燃烧时间较短,假定该过程与外界无热交换、 热对流等,整个燃烧过程固定在边界网格之内,管上 端的大圆柱体与外界大气连通。 以 Fluent 软件中自 带的涡旋耗散燃烧模型为基础,设定点火能量为 100 mJ,对硬脂酸燃烧过程进行三维数值模拟。 图 4 不同视角下的计算网格图 Fig. 4 Computational grid graph at different perspectives 3 结果与讨论 3. 1 火焰传播过程 图 5 显示了采用高速摄影装置记录的硬脂酸粉 尘云火焰在燃烧管中的传播过程。 硬脂酸颗粒被点 燃后,初始阶段火焰传播速度迅速上升至最高,此阶 段为火焰快速加速阶段,随着反应的进行,火焰传播 速度逐渐减小。 由图 6 可以看出数值模拟过程中不同时刻计算 域火焰面发展情况。 模拟计算区域包括垂直燃烧管 和管口外部流场区域,在初始时刻,火焰从点燃位置 向四周缓慢发展,火焰锋面形状近似为球形,随着爆 炸的发展,火焰从管口喷射到周围环境中。 图 5 硬脂酸粉尘云火焰传播高速摄影图 Fig. 5 High-speed photographs of flame propagation of stearic acid dust cloud 312016 年 10 月 硬脂酸粉尘爆炸过程中火焰传播试验及数值模拟 刘静平,等 万方数据 3. 2 火焰传播特征分析 图 7 为试验和模拟条件下,硬脂酸粉尘云燃烧 过程的火焰前锋阵面高度 h 和火焰传播速度 v 随时 间变化的关系图。 火焰前锋阵面高度逐渐上升,点 火 110 ms 后,火焰前锋面分别上升至 605 mm 和 632 mm,试验和模拟值的最大误差在 5 以内。 试 验和模拟条件下,火焰传播速度整体上均呈现先增 大后减小的趋势,且硬脂酸粉尘云火焰在 15 ms 后 达到最大值,分别为 11. 9 m/ s 和 12. 4 m/ s,这主要 是因为点火端封闭时,燃烧产物的膨胀作用使得火 焰传播速度逐渐加快,随着火焰传播到燃烧管口,由 于上端口属于开放空间,燃烧管对火焰失去了约束 作用,燃烧管口处的未燃颗粒泄放,导致火焰速度逐 渐降低。 此外,图 7a还显示,在试验过程中,随着 燃烧过程的持续,火焰传播速度呈现振荡传播,在点 火后 65 ms,火焰传播速度达到最小值 0. 5 m/ s,之 后火焰传播速度又有小幅上升,并在 95 ms 达到一 个极大值 3. 0 m/ s 后,火焰传播速度再次下降。 其 主要原因在于无约束条件下,燃烧颗粒的存在导致 热辐射和热传递之间的不匹配[6]。 模拟条件下火 焰传播速度始终高于试验值,且火焰传播速度在 65 ms 后也未出现图 7a中出现的小幅度振荡,这与 模拟结果基于理想条件,未能完全考虑粉尘实际燃 烧过程中复杂的两相流过程有关。 图8是粉尘云火焰在燃烧管管口中心处的最高 温度随时间变化的关系图。可以看出,燃烧过程中 火焰温度和火焰传播速度具有相似的规律,即火焰 温度呈现先上升后下降的趋势,且火焰温度的模拟 值均略高于试验值,粉尘云的火焰温度在点火60 ms后达到最大值,相对于火焰传播速度达到最大值 时所需的时间15 ms要滞后。最高温度点的试验和 模拟值分别为1 152 ℃ 和1 208 ℃ 相对误差小于 5 ,这主要是由于粉尘云燃烧的环境温度较低, 燃烧产生的热量要用来加热周围的环境温度,而且 图 6 硬脂酸粉尘云火焰传播模拟图 Fig. 6 Simulation photographs offlame propagation of stearic acid dust cloud a试验值 b模拟值 图 7 硬脂酸粉尘燃烧的火焰前锋阵面高度和火焰传播速度 Fig. 7 Flame front position and flame propagation velocity in combustion of stearic acid dust 41 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 5 期 万方数据 图 8 燃烧管管口中心处最高火焰温度的变化 Fig. 8 The highest flame temperature in the center of combustion tube mouth 整个燃烧过程中还与周围空气存在着热交换,火焰 温度的上升需要一定时间。 3. 3 火焰传播过程中的气流分析 通过模拟,还得到了粉尘云燃烧过程中周围气 流的最大流动速度 vmax图9,而这个结果在试验中 是很难直接测得的。 图 9 最大气流速度随时间的变化趋势 Fig. 9 Varying trend of the highest airflow velocity with time 由图 9 可以看出,点火后 10 ms,气流速度达到 最大值 78 m/ s;之后,气流的速度逐渐减低。 可能 是由于管内左右侧以及底部为壁面,对气流传播有 加速作用,因此,气流速度上升较快;点火后 10 ms, 气流开始逸出燃烧管管口向四周扩散,造成气流速 度降低,火焰在管外部形成了典型的蘑菇云形状 图 5 和图 6;随着燃烧反应的进行,蘑菇云火焰进 一步扩大,此时硬脂酸粉尘进一步燃烧;此后,由于 燃料浓度逐渐降低,气流速度也相应地不断衰减。 此外,对比图 7a和图 9 可知,在同一时刻,气 流的速度均高于同一时刻的火焰传播速度。 由此可 以看出,气体的流动是形成粉尘爆炸的一个重要因 素,粉尘初始燃烧过程中产生的气流会使周围粉尘 层扬起,在新的空间内形成有效浓度的粉尘云;而飞 散的火花和辐射热可提供点火源,形成连锁爆炸,最 终导致粉尘存在的整个场所受到爆炸破坏。 4 结论 采用竖直燃烧管进行试验,并对其进行了数值 模拟研究,揭示了硬脂酸粉尘爆炸过程的火焰面上 升阶段的传播规律,结果如下 1采用标准 k-ε 模型较好地重现硬脂酸粉尘火 焰传播速度和火焰温度的变化规律。 试验和模拟结 果均表明,随着燃烧过程的进行,粉尘云的火焰传播 速度和火焰温度均呈现先增大后减小的趋势。 硬脂 酸粉尘云火焰在 15 ms 后达到最大值,试验和模拟 值分别为11. 9 m/ s 和12. 4 m/ s。 试验结果表明,粉 尘云火焰的传播速度存在振荡现象;火焰温度达到 最高所需时间60 ms明显滞后于火焰传播速度达 到最大值时所需时间15 ms,粉尘云的火焰温度 在点火 60 ms 后达到最大值,试验和模拟值分别为 1 152 ℃和 1 208 ℃相对误差小于 5。 2模拟结果揭示了在试验过程中很难直接测 得的粉尘火焰传播过程中气流速度的变化规律,即 在同一时刻,气流的流动速度明显高于火焰传播速 度。 这说明气体流动是造成粉尘层扬尘,进而使粉 尘产生持续爆炸的一个重要原因。 因此,在硬脂酸 的生产过程中,应该时刻注意生产车间或厂房的粉 尘堆积情况,及时清理粉尘,使得车间内的粉尘量达 到最低程度,这样就切断了粉尘连锁爆炸的条件,使 得企业生产能够更加安全。 参 考 文 献 [1] GAO W, DOBASHI R, MOGI T, et al. 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Experiment and Numerical Simulation on Flame Propagation in Stearic Acid Dust Explosion LIU Jingping①②, ZHAO Jin’gang①, PAN Feng①②, QIU Shanshan①② ①School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology Jiangsu Nanjing, 210094 ②National Quality Supervision and Inspection Center for Industrial Explosive Materials Jiangsu Nanjing, 210094 [ABSTRACT] Flame propagation behavior of stearic acid dust explosion in semi-enclosed vertical combustion tube was studied by experiment and numerical simulation. The results were recorded by a high speed video camera and a thermal infrared imaging device, from which it is observed that the flame propagation velocity and flame temperature both increased at first and then decreased. Simulation results obtained by Fluent software show a good agreement with test results. Simula- tion results also indicate that flow velocity is higher than flame propagation velocity during the combustion process, which is the main reason for secondary dust ation and successive explosion. [KEYWORDS] stearic acid dust explosion; flame propagation; flame temperature; numerical simulation; flow velocity 61 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 5 期 万方数据