爆炸管道出口外流场的数值模拟.pdf

2 0 0 7 年1 2 月爆炸管道出口外流场的数值模拟董刚等 爆炸管道出口外流场的数值模拟‘ 董 刚 于陆军范宝春 南京理工大学动力工程学院瞬态物理重点实验室 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 采用带化学反应的多组分E u l e r 方程。数值模拟了爆炸管道出口形状对爆轰波泄出外流场结构的影响。 采用高速阴影光学显示技术拍摄了外流场的照片，对数值计算方法进行了验证。在此基础上，考察了不同出口形状 对爆轰波溢出后的外流场的动力学演变规律的影响。分析讨论了涡环与激波的相互作用过程。 [ 关键词] 爆轰波外流场悬吊激波涡环数值模拟 [ 分类号] 0 3 8 1 1 引言 泄爆过程是工业部『1 ．广泛采用的一种爆炸防治 技术手段。它主要是指高压容器中压力达到一定阀 值后，可燃爆炸产物从容器出口泄出的过程。泄出产 物在容器出口附近可以形成复杂的外流场结构，对 周围环境、设备以及人员均有不同程度的威胁。因 此，研究爆炸出口外流场的结构特征具有重要的实 际意义。 国内外关于爆炸产物泄出外流场的研究相对偏 少，F o r c i e r 等[ 1 3 根据冲击波理论和计算外部超压的 经验式，提出一种近似关系式，对外流场进行了简单 估算。H a r r i s o n 等[ 2 ] 对大型爆炸管的低压泄爆进行 了试验研究，讨论了不同泄爆条件下，射流火焰、湍 流以及外部爆炸等对内部超压的影响。C a t l i n [ 3 ] 对 内外流场充满相同可燃气体的泄爆过程进行了试验 研究，讨论了火焰射流与外部云团的作用过程。姜孝 海等[ 4 3 则通过实验和数值研究考察了甲烷／空气预 混气泄出后的外流场特征，尤其是指出了二次爆炸 现象的存在。对于以气相爆轰形式泄出的燃烧产物， 外流场除形成逐渐衰减的引导激波外，还存在悬吊 激波等现象[ 5 ] 。然而，关于喷管出口形状对爆轰波泄 出导致的外流场的动力学结构和悬吊激波的影响， 迄今尚未见细致的文献报道。 本文通过数值模拟的方法，研究了管内爆轰波 泄出管外的过程，考察了不同出口形状对泄出工质 形成的外流场的影响，讨论了外流场特有的悬吊激 波、涡环以及它们相互作用的过程。 2 计算方法 采用二维轴对称的、带化学反应的E u l e r 方程 求解； 罂 婺 票 w s 1 式中￡，待求解向量5 F 、G 分别为z 和y 方向的对流项向量； w 轴对称修正向量； S 化学反应源项向量。 计算时采用分裂算法，即；将控制方程中的流动 过程和化学反应过程解耦，在一个计算时间步长内， 可以看成是由冻结化学反应的流体动力学计算和没 有流动作用的化学反应计算组成。先通过流体动力 学步的计算，得到新的流场参数，利用该参数，再进 行化学反应步的计算，从而得到一个完整的化学反 应流动的新参数。流体动力学步的计算采用波传播 算法[ 6 ] ，化学反应步则采用隐式G e a r 算法。 计算区域采用二维轴对称形式 图1 ，管内形 成的稳定爆轰波在管内向右传播，经过有一定扩张 角度的出口后泄出。管壁采用了无滑移的绝热刚性 固壁边界条件，外流场为自由边界，随着计算的进 行，外流场不断向外扩展，因此该自由边界可以不断 扩大，新的网格不断加入。计算初始时计算域总网格 数为5 5 ，o o o ，到计算终了时，总网格数量为 3 8 0 ，5 0 0 。网格尺寸为缸一△了一O ．5 m m 。 轴对称边界 图1 数值模拟的计算域 计算中采用无量纲量，特征压力为籼 1 ．0 1 3 2 5 1 0 5 P a ，特征温度为T 。 2 9 8 ．1 5 K ，特征长 度为，。一o ．0 5 m 。初始时刻，管内充满等当量比H 。／ 空气预混气，其无量纲温度和无量纲压力均为1 ．o 。 * 基金项目。北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金项目 K F J J 0 6 3 。 万方数据 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第6 期 为了适时形成爆轰，管内左端点火区的初始无量纲 温度和压力分别定为7 ．o 和5 ．o 。管外为空气，其初 始无量纲温度和无量纲压力也均为1 ．o 。计算使用 了H 。／O 。／N 。详细化学反应机理，包含了1 4 个基元 反应和9 种组分[ 7 ] 。 3 计算结果与讨论 3 ．1 实验验证 采用高速摄影系统拍摄了爆轰波泄出管口后的 外流场实验阴影照片，根据实验条件采用上述计算 方法数值模拟了外流场的变化。图2 为实验和计算 的对比结果。 图2 外流场的实验阴影照片 上 和 计算阴影图 下 的对比结果 实验和计算结果均表明，爆轰波溢出管口后，由 于周围环境为空气，缺少维持化学反应的条件，因此 爆轰波开始衰减并形成球面形的引导激波，引导激 波波后为燃烧阵面，即化学反应已经和激波解耦。其 中燃烧阵面内形成一个垂直的悬吊激波，悬吊激波 的发展将在下节作详细讨论。实验和数值计算结果 都能很好地反映引导激波、燃烧阵面以及悬吊激波 的发展变化过程，表明本文采用的数值模型和计算 方法是可靠的。 3 ．2 出口形状对外流场的影响 为讨论不同出口形状对外流场的影响，选取了 两种不同角度的扩张式出口形状，如图3 所示。 图3 管道出口形状 图4 给出了爆轰波从扩张角度为1 5 。的出口溢 出时，管外流场的变化规律。每张子图的上半部分代 表压力变化，下半部分代表温度变化，曲线为绘制的 流线图。图4 a 表明，当爆轰波溢出管口后，由于缺 少化学反应条件，爆轰波解耦为球形传播的引导激 波和燃烧阵面。燃烧产物以射流方式从管口喷出，与 d O ．3 7 8 m s 图4出口扩张角为1 5 。的外流场变化 万方数据 2 0 0 7 年1 2 月爆炸管道出口外流场的数值模拟董刚等 管外静止空气形成自由剪切层，此外，溢出过程还导 致压力梯度和密度梯度方向的“不一致”，这些都使 得流场在出口附近区域形成涡环 见流线分布 。对 流场而言，涡环相当于流体管壁的效应，图4 a 的 涡环形成了所谓的流体扩张管，其扩张角度与固壁 管口扩张角度大致相当。另一方面，爆轰波溢出管口 后，受扩张管的影响产生P r a n d t l M e y e r 流动，使得 管口附近压力下降，形成低压区。为了调整低压区与 环境压力的压差，于是流场中形成了止于流体扩张 管壁 ，涡环 的悬吊激波，该悬吊激波在靠近轴心处 向流向弯曲。图4 b 表明，随着时间的进行，涡环逐 渐拉长，其扩张角度有所减小，为适应这一变化，悬 吊激波逐渐形成平直的形状，但其位置基本保持不 变。随着泄出工质在外流场的进一步发展，见图4 c ，涡环进一步拉伸并逐渐形成水平的流管，相应 地，悬吊激波在靠近轴心处开始向出口方向弯曲进 而再次成为弯曲的激波。充分发展之后，悬吊激波逐 渐衰减成为斜激波，而此时涡环仍保持水平状态并 进一步拉伸，见图4 d 。 图4 的结果还表明，随着燃烧产物从爆轰管口 的持续泄出，在外流场还呈现出向左端发展的趋势， 同时，受扩张管的影响，在管壁外侧还形成了较小的 涡结构。 图5 给出了O ．2 6 2m s 时，爆轰波分别从扩张角 度1 5 。和4 5 。的出口溢出时，管外流场的变化过程比 较。其中细实线代表等压力线，粗实线代表流场流 线。由图5 a ，图5 b 可以看出，和1 5 。扩张角度的 结果相比，4 5 。扩张角的出口所形成的涡环在初始阶 段具有收敛特征，因而形成了流体收敛管，为适应这 种变化，悬吊激波形状有所变化，尤其是激波在涡环 形成的收敛管壁形成A 脚且始终流向弯曲的形状。 此外，随着时间发展，涡环形成的流体管也逐渐呈水 平状态，激波也逐渐退化为斜激波。 b 4 5 。 图5 不同出口角度下，轴线处压力 和马赫数分布，t O ．2 6 2 m s 图6 为不同出口角度下，￡一o ．2 2 5 m s 时轴线处 压力和马赫数的分布曲线。可以看出，爆轰管内压力 墨 蔷 罢 蔷 b 4 5 。 图6 不同出口角度下，轴线处压力 和马赫数分布，f o ．2 2 5 m s 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第6 期 持续下降，在出口附近 z ／厶 4 ．o ～4 ．6 压力降为 负压。从马赫数分布来看，在出口和涡环形成的流体 管组成的流体通道实际上具有N o z z l e 效应，出口负 压区和环境压力的差值使流体通道形成跨声速流并 产生激波。出口角度的不同影响了涡环的位置和大 小，从而使得流体通道的形状不同，通道内压力和流 速也有所不同，这样形成的激波，其强度、形状和位 置也有所差异。出口角度为4 5 。时生成的激波，其强 度大于出口角度为1 5 。时的情况，其位置也略靠近 出口。 图7 选取了两个轴线处不同流向位置点来考察 流场温度和压力随时间的变化关系。图7 a 为更靠 近出口处 z ／如 4 ．5 不同出口角度下的温度和压 力变化，该点在0 ．1 1m s 时首先经历引导激波的掠 过，其压力迅速上升，温度也有所上升。接下来该点 经历膨胀过程，压力又迅速衰减至负压，另一方面， 由于高温燃烧产物的泄出有所滞后，温度经历了一 t ／m s a z 以o 4 ．5 ，y 以o O t ／m s b z 以o 5 ．0 ，y 以o O 图7 不同位置处，压力和温度随时间的变化关系 个略微滞后的上升过程，然后随着膨胀过程缓慢下 降0 ．4 3m s 以后，该点又经历了一次温度和压力增 加的过程，这主要是由于随着外流场的发展，悬吊激 波开始向出口方向移动，因而导致了该点又一次经 历激波的作用。图7 b 为z ／z 。一5 ．0 处测点的时间 变化，其温度和压力经过引导激波的作用后，迅速上 升然后逐渐衰减，在发展后期，该点压力和温度基本 维持不变，这表明悬吊激波在一定时期内是驻定的， 且位置位于z ∥。一4 ．5 ～5 ．O 之问，超过该时期 ￡ o ．4 3 m s ，悬吊激波将向出口方向运动。图7 的结果 还表明，不同出口角度对悬吊激波的运动过程没有 显著的影响。 4 结论 采用带基元化学反应的二维轴对称E u l e r 方 程，结合高精度算法，对爆轰波泄出爆炸管口的外流 场变化过程进行了数值模拟。通过光学显示测量得 到的阴影照片验证了计算模型和算法的可靠性。通 过数值模拟讨论了不同出口形状对外流场动力学特 征的影响。结果表明，小角度出口形成的悬吊激波呈 现了先向流向方向弯曲再过渡到向出口方向弯曲的 变化特征，大角度出口形成的悬吊激波则始终呈现 先流向弯曲的特征并在涡环形成的流体壁面形成入 脚。此外大角度出口形成的悬吊激波比小角度出口 的强度要大。上述区别主要是由于出口角度的不同 导致了形成涡环的形状不同，从而导致出口和涡环 构成的流体通道形状不同，因此形成了不同的跨声 速流条件。计算结果还表明，悬吊激波形成后在一定 时期内是驻定的，而后会朝向出口方向运动，不同出 口角度对这一现象的影响不显著。 参考文献 [ 1 ] F o r c i e rT ，Z a l o s hR ．E x t e r n a lp r e s s u r e sg e n e r a t e db y v e n t e dg a sa n dd u s te x p l o s i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fL o s s P r e v e n t i o ni nt h eP r o c e s sI n d u s t r i e s ，2 0 0 0 ，1 3l4 1 1 ～ 4 1 7 ． [ 2 ] H a r r i s o nAJ ，E y r eAJ ．E x t e r n a le x p l o s i o n sa sa r e s u l to fe x p l o s i o nv e n t i n 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投产不久就发生油水窜槽现象。另外使用性能较差 的射孔器材进行射孔施工作业的生产井，油气产能 很低，寿命很短，甚至对油藏产生误判。后来经过采 用性能较好的射孔器补孔后，有一部分死井又重新 获得有开采价值的工业油气流，甚至部分井产油 气 量增加几倍至几十倍。 2 射孔器检测技术现状 目前我国在射孔器检测方面分别对射孔器、射 孔弹、射孔枪等产品进行检测。射孔器、射孔弹和射 孔枪检验标准是修改采用A P IR P 4 3 A P IR P l 9 B 美国石油学会的射孔器检验标准，射孔器检测技术 共分6 个方面。 2 ．1 射孔器地面混凝土靶射孔试验[ 1 1 在地面常温常压条件下用环状混凝土靶检验射 孔器穿孔性能、安全性能和对套管的损坏状况。 混凝土靶是按标准G B ／T2 0 4 8 8 2 0 0 6 油气井 聚能射孔器材性能试验方法第3 章要求制作的，将 水泥 油井水泥A 级 、砂子 压裂砂 、清水按1 s2 0 ．5 2 的比例浇注成型后，靶顶部应保持不低7 6 m m 的清水，在O ℃以上至少养护2 8d 。试验时将装 配好的射孔器放人套管内，居中放置，注满清水 模 拟射孔液 后进行射孔试验。 给出射孔器平均穿孔深度、穿孔深度试验标准 差、平均穿孔孔径、穿孔孔径试验标准差、内毛刺高 篁望篁篁鳖篁筻盟望鲎望篁望盟盟堑鲎望笪甏篮篁笪笠鳖笪望篁鲎篁鲎望篮鲎篁鲎篁望鲎篁箜鲎篁望望笠望篁篁 [ 6 ] L e v e q u eRJ ．w a v ep r o p a g a t i o na l g o r i t h m sf o rI n u l t i -[ 7 ] 董刚，范宝春，谢波．氢气一空气混合物中瞬态爆轰过程 d i m e n s i o n a lh y p e r b o l i c [ J ] ．J o u r n a lo fC o m p u t a t i o n a l 的二维数值模拟[ J ] ．高压物理学报，2 0 0 4 ，1 8 1 1 4 0 ～ P h y s i c s ，1 9 9 7 ，1 3 1 3 2 7 ～3 5 3 ．4 6 ． N u m e r i c a lS i m u l a t i o n so fE x t e m a IF l o wF I e l df r o mE x p l o s i o nD u c t D 0 n gG a n g ，Y uL u j u n ，F a nB a o c h u n L a b o r a t o r yo fT r a n s i e n tP h y s i c s ，l n s t i t u t eo fP o w e rE n g i n e e r i n g ， N a n j i n gU n i v e r S i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n 0 1 0 9 y J i a n g s uN a n j i n g 2 l 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ] T h ee f f e c to fe 】【i ts h a p eo fe x p l o s i o nd u c to nt h ee x t e m a ln o wf i e l ds t n l c t u r ei ss i m u l a t e dn u m e m c a l l y ，u s i n gm u l t i s p e c i e sE u l e re q u a t i o n s 诵t hc h e m i c a l 弛a c t i o n 3 ．T h eh i g h s p e e ds h a d o wp h o t o g 地p h so ne x t e r ． n a ln o wf i e l d 盯eu s e dt ov a l i d a t et h en u m e r i c a lm e t h o d s ．T h ed m a m i c a lp r o c e s s e so fe x t e m a ln o wf i e l dp r o d u c e d b yd e t o m t i o nv e n t i n ga r ei n v e s t i g a t e df o r t h ed i f f e r e n te x i ts h a p e s ．T h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e8 h o c kw a v ea n d V o n e xr i n ga r ed i s c u s s e d ． [ K E YW O R D s ]d e t o n a t i o n 啪v e ，e x t e m a lf l o wf i e l d ，s u s p e n d e ds h o c kw a v e ，v o r t e xr i n g ，n u 姒r i ∞ls i m u I a t i o n 万方数据