管道内甲烷-空气预混爆炸燃烧的数值模拟.pdf

安全工程 管道内甲烷-空气预混爆炸燃烧的数值模拟 3 李帆 谭迎新 中北大学化工与环境学院 太原030051 摘 要 在实际生产过程中,有很多情况能使气体燃料与空气混合,达到可燃浓度,此时若有点火源存在,就可能酿成 燃烧、 爆炸灾害,造成严重的财产损失和人员伤亡。选取甲烷作为研究对象,选用空气作为氧化性气体,对其进行数值模拟。 获得了不同时刻爆燃的压力场、 温度场、 密度场的变化数据,为工程上防爆、 抑爆、 泄爆提供了理论基础和数据。 关键词 甲烷气体 爆燃 数值模拟 计算流体动力学 Numerical Simulation of Detonation and Combustion of Methane - air Premix in Pipeline LI Fan TAN Y ing - xin School of Chemical Engineering and Environmental , North University of China Taiyuan030051 Abstract In the actual production process , it is easy to cause the gaseous fuel and the air mixing , and to achieve the inflammable density in many situations. If there is a little ignition source existed , it possibly leads to combustion , explosion hazards , which could cause serious property damage and human casualties. In this paper , the methane is taken as the object of the study; the air is selected as the oxidized gas. The numerical simulation to the mixture has been carried out. The conflagration pressure field , the temperature field and the density field changing data in the different time have been obtained. The theoretical basis and the data for guarding against explosions , the explosion sup2 pression for project have been provided. Keywords methane gas deflagration numerical simulation computational fluid dynamics 0 前言 现代工业爆炸事故中,相当一部分是由管内悬浮流燃烧 引起的。目前常用的解析模型有等温爆炸模型、 绝热爆炸模 型和一般模型[1],它们均假设整个容器内压力在任何时刻都 均匀分布,没有考虑流体动力学方程,也没有考虑化学反应 动力学问题。随着计算机技术的发展,数值模拟方法能考虑 更多的问题,已成为求解爆炸这类复杂问题的有效手段。在 此,利用描述爆燃过程的流体力学基本方程组和燃烧反应方 程,运用差分方法,对管道内可燃气体的爆燃进行数值模拟。 相对于实验研究,数值模拟具有研究成本低,周期短,无 实验仪器干扰,能获得完整的数据,能将计算情况在计算机 屏幕形象地再现等独特的优点[2]。 1 物理数学模型 1.1 物理模型 建立1个合理的物理模型,是解决流体力学问题的重要 环节。整个爆炸过程可以看作是由点燃开始,一层层新混合 气依次点火,并向未燃混合气传播的过程。这样整个爆炸场 就形成了3个区域燃烧区、 火焰面、 未燃区。 1.2 控制方程 以CFDComputational Fluid Dynamics为基础的数值模拟 方法基本的求解思路,是建立控制方程组,这是求解任何问 题前都必须首先进行的。由流体力学、 热力学、 传热传质学、 燃烧学等基本原理出发,建立质量、 动量、 能量、 组分、 湍流特 性等守恒方程组。这些方程构建成非线性偏微分方程组,不 用经典的分析法,而只能用数值方程求解。单相层流动的基 本方程组已经很少存在争议,对湍流,由不同的模拟理论出 发,往往基本守恒方程组也不相同,因此,构造基本方程组, 就成为模拟理论的重要部分。常用的爆燃气体动力学方程 组为[3] 质量守恒方程 9 ρ 9t 9 9xj ρuj 01 动量守恒方程 9 9t ρui 9 9xj ρujui - 9p 9xi 9 τ ij 9xj 2 能量守恒方程 9 ρ 9t ρE [ v ρE ρ ] k eff T - ∑ i hiJ → i Sh 3 式中, E h - P ρ ; h ∑ i Yihi; hi∫ T Tref CP, jdT; Tref298.15 K;Yi为组分i的质量分数; keff为有效导热系数; J → i为组分i 的扩散准热通量; Sh为化学反应生成热。 湍流方程 在标准k-ε模型中, k和ε是2个基本未知量,与之相 应的输运方程为 9 ρ 9t 9ρkvx 9x 9 9x [ μ μi σk 9k 9r ]GkGb-ρ ε-YM Sk4 3 项目资助山西省留学人员科研资助项目。 82 工业安全与环保 Industrial Safety and Environmental Protection 2009年第35卷第4期 April 2009 9ρ ε 9t 9ρ εvr 9r 9 9r [ μ μt σ ε 9 ε 9x ]C1εε k G kC3εGb- C2ερε 2 k Sε5 式中, Gk为平均速度梯度下的湍流动能产生项; Gb为浮力 湍流动能产生项,对不可压流体, Gb 0; YM代表可压湍流中 的脉动膨胀贡献, YM、C1ε、C2ε和C3ε为常数;σk 和σ ε分别为 湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数; Sk和Sε为用户自 定义源项。 1.3 边界条件 对于两端密封长度为L 790 mm、 管道内体积分数10 的甲烷2空气混合物爆炸,采用二维湍流燃烧模型。 1.3.1 流场初始化条件 管道密闭,0≤x≤L ,0≤r≤R ,流场初始化条件如下 反应方程式CH4 2O2CO2 2H2O6 初始时刻t t0 0;初始速度v t0 0。 已燃区 T 2 000 K, P0 101 325 Pa ,YCH4 0 ,YO2 0 , YCO2 0.151 4 ,YH2O 0.123 9。 未燃区 T 300 K, P0 101 325 Pa ,YCH4 0. 055 ,YO2 0.22 ,YCO2 0 ,YH2O 0。 1.3.2 边界条件 在模拟气体爆炸过程时,二维管道结构需设置4种类型 的边界条件,即对称、 进口、 出口、 绝热壁面。当管道为密闭 空间时,可以不设进口和出口条件。 对称边界条件 v 0, 9vx 9x 0, 9Yi 9x 0, 9T 9x 0。 壁面边界条件 由于气体爆炸在瞬间即告完成,故在模拟时可以忽略热 损失,因此假设壁面为绝热。v R , t 0, 9 ρ R , t 9x 0, 9T R , t 9x 0, 9Yi R , t 9x 0;绝热壁面热流密度为零,即qw 0,壁面无滑移。 管道两端边界条件 x 0和x 800 mm,0≤t≤∞ 处 , v 0 , t 0, 9 p 0 , t 9x 0, 9 ρ 0 , t 9x 0, 9 T 0 , t 9x 0, 9Yi0 , t 9x 0。 2 结果与分析 2.1 不同时刻管道内火焰温度分布 图1为点火后不同时刻管道内火焰的温度场分布图,可 以较为直观地看到气体爆炸的发展变化过程。 从图1可见,当火焰渐渐接近壁面后,由于受到壁面阻 碍和管端的约束作用,火焰改变方向与已燃区内的已燃气体 相作用,使已燃区内发生湍流10 ms。壁面的约束加剧了 湍流的产生,在湍流旋涡的作用下,火焰开始发生变形、 拉 伸,火焰进入加速传播阶段后20 - 40 ms ,火焰面的变大使 更多的可燃气体参与反应,增大了燃烧反应速率,燃烧反应 速率的提高使反应释热速率增大,导致了燃烧产物的进一步 膨胀加速,压力增大;压力的增大又推动了火焰面前方可燃 气体的流动,导致了火焰面附近更高的湍流动能和燃烧速 率,在这种正反馈机制作用下,最终使火焰加速传播。 图1 不同时刻管道内温度分布 2.2 不同时刻管道内压力分布 图2为不同时刻管道内压力分布图,可以清晰地看出管 道内气体爆燃过程中的压力变化情况。 图2 不同时刻管道内压力分布 对比图1和图2可以看出,不同时刻管道内最大压力集 中分布于火焰面前方一个很薄的区域内,形成了压力波。 2.3 不同时刻管道内速度分布 管道内预混可燃气体被点火源点火后,在最初的时间内 5 ms ,可燃气体由于点火源的加热而开始发生膨胀运动 , 此时最高速度为18 m/ s左右。经过一段时间的运动后21.4 ms ,火焰速度增加,该时刻管道中部气体流动速度较快,气 体流动加快了火焰向前传播,顶部火焰传播速度增加较快, 而壁面处气体流动较慢,火焰传播速度增加较慢,因此,火焰 在轴向拉伸较长,此时轴线最大速度可达36. 3 m/ s。随着火 焰的继续发展74.4 ms ,受到密闭管道管壁的约束,火焰阵 面两侧气体出现反向流动,火焰面后端气体出现与火焰传播 方向的反向流动,而前端气体流动与火焰传播方向相同,从 而使火焰传播速度有所降低,此时管道内最大速度降为13 m/ s。随着火焰传播的继续进行254. 4 ms ,管道尾端管壁 对气体流动的障碍作用越来越大,火焰传播速度持续下降, 管道轴线上的速度只有5 m/ s。 图3 不同时刻管道中火焰传播速度-距离分布 从图3中可以看到,火焰开始阶段速度增加较快,通过 管道1/ 3后,火焰开始减速,火焰速度在管道的1/ 3附近达 到最大值,继而火焰传播速度开始下降,这是因为管道为密 闭空间,火焰向右传播过程中,火焰面前方的压力波挤压火 焰面右边的未燃混合气体,在管道尾端受到管壁的阻碍,并 逐渐产生了与火焰传播方向相反的气流,从而降低了火焰的 传播速度。 92 氯乙烯聚合反应器爆炸危险性分析 郭尹亮 东北大学资源与土木工程学院 沈阳110004 摘 要 通过故障树方法辨识出可能导致氯乙烯聚合反应器发生爆炸的基本事件,及其与聚合釜爆炸之间的逻辑关 系。利用危险与可操作性研究方法分析了工艺中可能导致聚合釜爆炸的工艺偏离及其产生的原因和后果,明晰了工艺危险 性的主要控制因素。针对聚氯乙烯生产工艺提出安全控制措施。 关键词 聚氯乙烯 聚合釜 爆炸 工艺危险性 Risk Analysis on Chloroethylene Polymerization Reactor Explosion G UO Y in - liang School of Resources Ⅱ- B型爆炸为由化学反应热蓄积导致的反应失控型爆 炸,即化学反应热的蓄积使温度上升和反应速度加快,使物 3 结论 根据可燃气体燃烧爆炸的各种不同模式和现有的实验 装置的特点,采用CFD技术,建立了管道几何模型和流体力 学、 燃烧学控制方程组,采用有限体积法对方程进行了离散, 对甲烷-空气混合气体在管道内的爆炸传播进行了二维数 值模拟,得到不同时刻管道内压力、 火焰速度、 湍流动能的分 布。根据仿真结果,对火焰的加速传播机理进行了研究,分 析火焰在传播过程中火焰面凹陷的原因,通过火焰面和压力 波在同一时刻的分布图形,证明了本装置气体爆炸仍然属于 爆燃的范畴。 参考文献 [1]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理.北京北京理工大学出版社,1996. 15 - 22 ,162 - 182. [2]韩占忠,王敬,兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用.北 京北京理工大学出版社,2004. [3]李小东.固体燃料-空气混和物爆炸过程研究[博士学位论文]. 北京北京理工大学,2007.52 - 53. 作者简介 李帆,女,1978年生,中北大学化工与环境学院安全技术 及工程专业硕士研究生,研究方向是火、 爆灾害研究及预防。 收稿日期2008 - 11 - 6 03 工业安全与环保 Industrial Safety and Environmental Protection 2009年第35卷第4期 April 2009