瓦斯爆炸运动火焰生成压力波的数值模拟.pdf

第3 4 卷第4 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．4 2 0 0 5 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y J u l ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 ．1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 2 3 0 4 瓦斯爆炸运动火焰生成压力波的数值模拟 吴兵1 ，张莉聪1 ，徐景德2 1 ．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．华北科技学院煤矿安全技术培训中心，河北燕郊1 0 1 6 0 1 摘要从三维N S 方程出发，用T V D 格式，对瓦斯爆炸过程中火焰产生压力波的过程进行了数 值模拟．在此基础上，模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程以及破膜前后压缩波、稀疏波对火焰阵面 的影响．同时，也研究了瓦斯爆炸过程中，压力波、火焰与障碍物的相互作用．数值模拟结果与 理论分析吻合较好，从而进一步验证了该程序能处理含有化学反应和复杂管道的预混可燃气体 爆炸问题． 关键词瓦斯爆炸；数值模拟；火焰；压力波；障碍物 中图分类号T D7 1 2文献标识码A N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fS h o c kW a v e I n d u c e db yM o v i n gF l a m ef o rG a sE x p l o s i o n W UB i n 9 1 ，Z H A N GL i c o n 9 1 ，X UJ i n g d e 2 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n aI2 ．T h eT r a i n i n gC e n t r eo fC o a lM i n eS a f e t yT e c h n o l o g y ， N o r t hC h i n aI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Y a n j i a o ，H e b e i1 0 1 6 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h r e ed i m e n s i o n a lN Se q u a t i o n sa n dT V Ds c h e m ew e r eu s e dt oe s t a b l i s ht h en u m e r i c a l m o d e lt h a ti sa p p l i e dt os i m u l a t et h ep r e s s u r ew a v ei n d u c e db yf l a m ed u r i n gt h eg a se x p l o s i o n ．O n t h eb a s i so ft h i sm o d e l ，t h ep r o c e s so ft h ed i a p h r a g mb u r s t i n gd r i v e db yh y d r o g e n a i rm i x t u r eg a s d e f l a g r a t i o nw a ss i m u l a t e d ．T h ei n f l u e n c eo ft h ec o m p r e s s e dw a v ea n dr a r ef a c t i o n a lw a v eo nt h e f l a m ew a v ew a sa n a l y z e d ．A tt h es a m et i m e ，t h ei n t e r a c t i o na m o n gs h o c kw a v e ，f l a m ew a v ea n d b a r r i e rw a ss t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni Si na c c o r dw i t ht h et h e o r y a n a l y s i s ．T h e r e f o r e ，t h i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a mc a nb eu s e dt oa n a l y z et h ep r e m i x e d c o m b u s t i b l eg a se x p l o s i o nt h a ti n c l u d e sc h e m i c a lr e a c t i o ni nt h et u b ew i t hc o m p l e xc o n d i t i o n s ． K e yw o r d s g a se x p l o s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l a m e ；s h o c kw a v e ；b a r r i e r 矿井瓦斯爆炸后，火焰锋面沿巷道传播超前于 火焰锋面的压力波，使煤尘从沉积状态变为飞扬状 态，形成煤尘云。．在一定条件下，煤尘云会引起二 次爆炸．从本质上看爆炸是火焰生成压力波的过 程，搞清火焰传播生成压力波的物理机制具有十分 重要的意义阻2 | ．在实际研究中，主要考虑爆炸过程 中压缩波、稀疏波、火焰锋面和障碍物之间的相互 作用‘3 。4 ] ．本文采用氢氧燃烧驱动引燃激波管中按 收稿日期l2 0 0 4 1 1 1 6 基金项目；国家自然科学基金重点项目 5 0 1 3 4 0 4 0 作者简介；吴兵 1 9 6 7 - ，男，山西省阳泉市人，副教授，工学博士，从事安全工程方面的研究． E - n m l l w b e l e y v i p ．s i n a ．c o r n * D o n a l dNHC ，H e n r yEP ．M a t h e m a t i c a ls t u d yo fp r o p a g a t i n gf l a m ea n di t sa e r o d y n a m i c si nac o a lm i n ep a s s w a y ．R e p o r to f I n v e s t i g a t i o n 7 9 0 8 ，P i s t t s b u r g hM i n i n ga n dS a f e t yR e s e a r c hC e n t e r ，P i s t t s b u r g h ，C a l i f o n i a 。U S A ，1 9 7 4 ． 万方数据 4 2 4 中国矿业大学学报第3 4 卷 当量比预混的甲烷和空气混合气体．其工作原理 是点火后，火焰在管道中自左向右传播，在火焰的 前方诱导出压力波，压力波在膜片上反射，当膜片 处的压力大于破膜压力时，膜片破裂．实践证明，预 混气体燃烧导致的爆炸均与空间受限有关E s ] ，如井 下巷道壁面、矿车、风门和密闭墙等．本文在对障碍 物的影响研究的同时，对风门和密闭墙也进行了相 关分析．可以把风门和密闭墙看作膜，则理论上，破 膜前，火焰面诱导的压力波反射后与火焰锋面相互 作用，使得火焰传播速度减小甚至滞止；但由于压 缩波后温度、压力的增大，对燃烧又起到促进作用． 破膜后，稀疏波会大大加快火焰 化学反应 的传播 速度，但因稀疏波降低了甲烷混合物的温度、压力 等参数，会导致燃烧速率下降，甚至造成火焰熄灭． 因此，如何使得上述过程匹配，保证稀疏波既加速 火焰锋面，又不至于造成火焰熄灭是我们研究问题 的关键所在． 1 数学模型 对于三维非定常、黏性、可压缩预混气体爆炸 问题可以建立如下数学模型№7 3 警 卺 考十鲁 警 鲁 鲁 s ，魂’缸‘a v 。a z缸’a v 。弛1 。’ 其中S 为气相反应源项 S 一硼。一∑w l k I ％一硼l 一厶 舭 一 一∑WW2 w 2 k I ％ 一 一厶 “ i W 。一∑W 础r p km 一厶础I O O O 姒Q ， 一峨，蓦一歹I 罨．瓦a p 瓦a p I D e c 。 专 ％螽 - 1 一c 。P 等 数值计算时，采用隐式方法处理化学反应源 项，采用L U 分解和迎风T V D 格式分别处理对流 项的隐式和显式部分，扩散项采用中心差分． 2 计算结果及分析 初始条件初始压力P 。为1 个大气压，初始温 度T 。为3 0 0K ，初始的马赫数为0 f 初始气体混合 物的温度、压力和浓度场沿径向均匀分布，初始浓 度场分为两部分，即当1 ≤I X ≤4 1 8 1 时，为按当 量比4 2 ％混合的H 。，O 。和N 。，即H 2 0 2 激波点 火段；当4 1 8 1 ≤I X ≤M X 时，为按当量比9 ．5 ％ 混合的C H 。，O 。和N 。，其中I X ，4 1 ，8 1 和M X 为无 量纲距离． 边界条件反应装置是左端封闭、右端开口、边 界光滑的方形钢管如图l 所示，管子的抗压强度足 够大．沿壁面，气体取无滑移速度条件，温度取绝热 条件，气相压力法向梯度取为零．出口采用外推条 件，膜设为固壁条件．方管的长径比为1 5 1 ，断面 为4 0m i x 4 0m E ． 臣至丑囵 图1 试验装置 F i g ．1E x p e r i m e n t a ld e v i c e 由于壁面附近，流场结构变化剧烈，采用指数 加密方式处理，另外，为了减少计算量，取管道的一 半作为计算域 图2 ． 图2 计算域网格 F i g ．2T h em e s ho fc a l c u l a t i o n 为了研究火焰和压力波的情况，我们选择方管 的一个面 腰 2 1 ，亿 1 1 进行分析． 图3 所示为咒H 5 0 0 时压力、温度和流线图， 其中砚咒为无量刚时间步数．从图3 中可见，在左端 面点火后，火焰阵面自左向右传播并诱导出压力 波，其超压为2 个大气压左右． 图3 点火示意图 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fi g n i t i o n 波的实质是扰动的传播 图4 ．，点火后，波阵 万方数据 第4 期吴兵等瓦斯爆炸运动火焰生成压力波的数值模拟 4 2 5 面成为已受扰动影响的质点和未受扰动影响的质 点之间的“分界面”，随着燃烧的不断进行，球形波 变成平面波． 图4 平面波示意图 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a n ew a v e 从图5 可见，压力波到达膜片后，在膜片上反 射为左行传播的压力波，随着波的不断传播，与滞 后的火焰面相互作用，产生压缩波和透射波，左行 的压力波使火焰速度减小，甚至滞止．当膜片处的 压力大于破膜压力时，膜片瞬时破裂，同时产生右 行激波和左行的稀疏波．稀疏波和后面的火焰面又 相互作用，使火焰加速． 图5 破膜过程参数变化示意图 F i g ．5S c h e m a t i cd i a g r a mo fp a r a m e t e rc h a n g e f o rt h ed i a p h r a g mb u r s t i n g 火焰与障碍物相互作用的情况如图6 所示，由 图可见，随着火焰与障碍物的不断接近，火焰锋面 开始变形，在障碍物的左侧由于壁面的反射使火焰 滞后，在障碍物的上面，特别是左上角处，火焰的传 播速度较快[ 8 ] ．随着时间的推移，火焰阵面从障碍 物上方越过，同时火焰阵面被拉长，在障碍物的两 侧附近能看到湍流漩涡的存在． 由于化学反应的延迟性，质点在激波压缩后， 经过一段诱导时间才能点火，紧随激波后面的是化 学反应诱导区[ 9 ] ．从图7 中可见破膜后甲烷并没 有立即在膜处被点燃，而是经过一段距离后才被氢 氧燃烧的火焰点燃，且在障碍物的左上角最为剧 烈． 图7C O 组分变化图 F i g ．7D i a g r a mo fs p e c i e sc h a n g ef o rC O 3结论 1 瓦斯爆炸后，火焰阵面附近区域，障碍物左 上角和管子封闭端附近区域温度变化较为陡峭；火 焰逐渐接近障碍物时，温度上升很快，但由于管壁 的吸收，温度开始下降．总的来说，在火焰传播的管 道中设置的障碍物对气相火焰具有加速的作用，加 速的机理障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反 万方数据 4 2 6 中国矿业大学学报第3 4 卷 馈造成的． 2 当火焰遇到障碍物时，火焰面发生变形，燃 烧面扩大，燃烧速度加快，火焰对前驱冲击波提供 的能量突然增加，使得前驱冲击波的压力和速度等 参数突然上升，出现火焰正的激励效应．另外由于 管道的截面突然减小，气流速度增大，湍流度增加． 火焰传播过程中的湍流效应是产生冲击波的主要 因素，爆炸火焰的传播速度的大小直接影响着爆炸 冲击波的生成和加强程度． 3 破膜后压力变化氢氧燃烧破膜后如果后 面没有甲烷化学反应的话，相当于氢氧产生的冲击 波在空气中传播，膜片后面产生左行稀疏波，传到 左壁面，反射的稀疏波会透过膜片传播过去，压力 逐渐的衰减的．如果后面有甲烷化学反应，会使冲 击波加强．另外破膜需要一个过程，同时损耗能量， 破膜后由于与前面的未扰动气体有压差，波速又会 增大，破膜压力的衰减是很小的．破膜压力越高，火 焰在管内传播的时间越长． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] 余立新，孙文超，吴承康．半开口管道中的氢／空气火 焰加速和压力发展过程[ J ] ．工程热物理学报，2 0 0 1 ， 2 2 5 6 3 7 ～6 4 0 ． Y uLX ，S u nWC ，W uCK ．F l a m ea c c e l e r a t i o na n d p r e s s u r ed e v e l o p m e n to fH 2 一A i ri nas e m i o p e nt u b e [ J ] ．J o u r n a lo fE n g i n e e r i n gT h e r m o p h y s i c s ，2 0 0 1 ，2 2 5 6 3 7 6 4 0 ． 高泰荫，黄军涛．C H 。一O 混合气中爆燃爆震转捩的数 值模拟[ J ] ．爆炸与冲击，1 9 9 8 ，1 1 8 4 3 2 3 3 3 0 ． G a oTY ，H u a n gJT ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no f d e f l a g r a t i o nt Od e t o n a t i o nt r a n s i t i o n D D T o fC H 4 一O z g a sm i x t u r e l J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，1 9 9 8 ， 1 1 8 4 3 2 3 3 3 0 ． [ - 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9 1 C l i f f o r dLnM i l n eAM ．N u m e r i c a lm o d e l i n go fc h e m i s t r y a n d g a sd y n a m i c sd u r i n g s h o c k - i n d u c e d e t h y l e n ec o m b u s t i o n [ J ] ．C o m b u s t i o na n dF l a m e ， 1 9 9 6 1 0 4 3 1 1 3 2 7 ． 责任编辑陈其泰 万方数据