障碍物场中预混燃烧火焰的数值模拟

利用k-ε湍流模型和拉切滑(SCASM)预混燃烧模型,对障碍物场中预混燃烧火焰进行了三维空间数值模拟。通过对控制方程添加不同的源项以反映障碍物对流场的影响,采用交错网格控制容积法将计算区域进行离散,用SIMPLE算法求解离散控制方程。模拟结果表明,障碍物的存在改变了燃烧流场的结构,成为加速燃烧甚至诱导爆炸过程的不稳定因素。该研究结果对有效预测障碍物场中火焰走势及其流场的分布情况,加强人们对火焰传播规律的认识,对预防工业灾害有重要参考价值。     

置障长管内丙烷-空气爆炸过程的流场特性研究

本文构建了12 m×0.125 m的大长径比密闭管道的二维模型,运用计算流体动力学软件Fluent,基于Realizable k-ε湍流模型和预混燃烧模型,对有障碍物条件下丙烷-空气爆炸过程中湍流对火焰的加速机理进行数值模拟研究,重点分析不同阻塞率对流场微观特性的影响规律。结果表明,阻塞率对管道内流场特性的影响十分明显,在一定范围内,阻塞率越大,火焰锋面前后的速度梯度越高,引起的湍流涡旋规模越大,导致火焰阵面的变形程度越严重,使得火焰锋面传播速度以及气体的扩散速度也越快。     

甲烷/空气预混气体泄爆过程的动力学研究

以甲烷/空气为研究对象,建立小尺寸管道气体爆炸实验平台,利用高速纹影技术,探测了泄爆过程中预混气体火焰在管道内的传播特性,并得出流场压力、火焰传播速度变化曲线;同时建立k-ε模型,对管道内甲烷/空气预混气体泄爆过程进行模拟,得到数值模拟情况下的流场压力和火焰传播速度变化曲线.模拟图像和实验图像变化趋势大体一致.     

置障空间可燃气体火焰传播特性数值模拟研究

为揭示置障管道内丙烷浓度对火焰传播特性影响,借助ANSYS Fluent软件,利用Zimont燃烧模型开展了置障管道内不同丙烷浓度预混气体燃爆规律的大涡模拟研究。结果表明:在阻塞率为0,0.5,0.7,0.9障碍物管道中火焰锋面速度峰值均随给定初始浓度的增加呈现先增大后减小的趋势,且峰值速度随阻塞率的增大而增大,丙烷体积分数为4.5%、阻塞率为0.9时,火焰传播峰值速度可达178.93 m/s;阻塞率越大,涡团规模越大,导致流场紊乱程度增大,湍流脉动增强,火焰面与流场相互作用,促使火焰面褶皱破碎,加速了已燃气体与未燃气体分子间的无规则运动,对燃烧反应起到激励作用;数值模拟结果直观展示了火焰传播进程及火焰结构的发展细节。     

回形障碍物影响火焰的实验和数值研究

在充满甲烷-空气预混气的方形燃烧管内，对火焰穿过回形障碍物的情形进行了实验研究，拍摄到了障碍物附近流场的时序阴影照片。基于k—ε湍流模型和EBU燃烧模型的同位网格SIMPLE算法，进行了三维数值模拟，绘制了火焰阵面三维视图。根据实验结果和数值计算结果，详细讨论了火焰进入到出离障碍物这一过程中，回流区、剪切层、湍流以及火焰形状等的变化特征。     

障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律的影响

为了进一步探究瓦斯煤尘耦合爆炸火焰的传播规律,用自行搭建的半封闭垂直管道爆炸试验系统,研究障碍物对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响。研究结果表明:障碍物能显著提高瓦斯煤尘爆炸火焰的传播速度,其加速机理主要是障碍物诱导的湍流区会促进火焰的传播;火焰在传播过程中的加速度不是一直增加,随着火焰速度的增加会出现上下波动;煤尘的加入会使瓦斯爆炸产生的火焰传播速度显著增大及速度的最大值距离点火端较远;通过障碍物时爆炸产生的火焰形状发生较大的改变,出现拉伸和褶皱现象。     

有障碍物半开口管道内氢气燃烧数值模拟研究

基于有障碍物氢气燃烧实验装置进行数值模拟研究,采用Fluent软件分析了半开口管道内障碍物对氢气/空气燃烧特性的影响。结果表明:障碍物会促进实验管段内氢气火焰加速,随着障碍物阻塞率和数量的增加,火焰加速更快且燃烧压力峰值更大;在相同阻塞率下,障碍物形状对氢气火焰速度和燃烧压力峰值的影响很小;燃烧压力随障碍物间距的增大先增大后减小,障碍物间距为3倍管道内径时产生的燃烧压力峰值最大。     

突扩管道中H_2/Air预混火焰传播特性的数值模拟

为探究氢气(H_2)/空气(Air)预混气体爆炸事故中突扩型管道对火焰结构形成与发展造成的影响,基于k-ε湍流模型和β-flame火焰增厚模型,采用Flacs软件开展不同突扩角度β对突扩管道内火焰传播特性(速度和超压等)影响的数值模拟研究。结果表明:不同β的管道内H_2/Air预混火焰传播过程都经历熄灭与再次点燃阶段;β对管道内火焰传播距离有明显影响,随着β角度减小,火焰极限传播距离明显降低;β越小,管道内斜压作用对涡旋抑制效果越明显,进而越会抑制燃料组分的输运和火焰的继续传播。     

立体结构障碍物对甲烷预混火焰传播影响的研究

使用自行设计的火焰加速试验系统,研究了3种立体结构障碍物对管道内预混火焰传播速度和超压的影响。选用长方体、正四棱柱和圆柱,其阻塞比均为40%。结果表明,管道内障碍物对火焰传播的初始阶段起阻碍作用,当火焰越过障碍物后,障碍物加速火焰传播过程。有障碍物时管道内最大火焰传播速度和峰值超压比无障碍物时要大。随着点火距离的增大,管道中最大火焰传播速度和超压先变大后减小。当障碍物位于约6倍管径处时,对管道中火焰传播速度和超压影响最大。点火距离的改变对火焰传播速度的影响大于对管道内超压的影响。     

5种结构障碍物对火焰传播影响的试验研究

为了研究障碍物结构对预混甲烷管道内火焰传播速度和峰值超压的影响,自行设计一套火焰加速系统。在火焰加速管道上安装光电传感器和压力传感器分别测定火焰传播速度和超压,试验中选取5种结构障碍物,即平板、长方体、三棱柱、四棱柱和圆柱,其阻塞比分别为20%,40%和60%3种。研究结果表明:初始阶段障碍物阻碍火焰传播,当火焰越过障碍物后,障碍物能显著加速火焰传播。随着阻塞比增加,相同结构障碍物的火焰传播速度总体上不断增加,而峰值超压先变大后减小。相同阻塞比下,平板、三棱柱对火焰传播速度和超压影响相对较大;长方体居中;圆柱、四棱柱对增加火焰传播速度和超压作用相对较小。较小阻塞比障碍物管道内超压与无障碍物管道中的超压相比显著增加,但此后,管道中超压随阻塞比变化不明显。     

湍流模型和壁面函数对有障碍半开口空间氢气燃烧模拟的影响

为了进一步验证有障碍半开口空间内氢气燃烧数值模拟的准确性，使用对比验证的方法对FLUENT软件湍流模型和壁面函数数值模拟结果的准确性进行了研究。研究结果表明:可实现k-ε湍流模型和非平衡壁面函数使燃烧压力和火焰形状与实验结果相比偏差较大，RNG k-ε湍流模型和可伸缩壁面函数可更准确地预测燃烧压力变化及火焰传播行为。     

障碍物对开敞空间贫燃天然气爆炸特性的影响研究

为揭示贫燃条件下障碍物对开敞空间天然气爆炸特性的影响,试验记录了火焰传播形态和爆炸压力,并对火焰结构和压力空间分布进行了数值分析.结果表明:在无障碍物工况下,火焰近似以球形向外膨胀传播,火焰表面较为连续,火焰传播速度较慢,爆炸压力较低;而在障碍物的湍流扰动下,火焰表面出现较大的"褶皱"结构,火焰燃烧表面积显著增大,火焰传播速度升高,爆炸压力也相应增大.相比于由障碍物引起的火焰加速作用,因流体动力学不稳定性产生的失稳效应可忽略不计.由温度分布可清晰观察火焰表面"褶皱"结构的形成过程,计算所得的爆炸压力达到峰值时间较早,且超压峰值相比试验值较低.     

障碍物对采用泄爆管泄放气体爆炸影响的数值模拟

采用k-ε湍流模型和漩涡耗散概念模型(EDC)建立了泄爆管泄放气体爆炸的模型,并模拟容器内置障碍物时泄爆管泄放气体爆炸火焰的传播过程,分析了障碍物形状、阻塞率、位置、个数对超压(pred)和压力上升速率的影响.结果表明:障碍物的出现导致燃烧速度和pred上升,正方形障碍物导致的爆炸后果最严重;增加障碍物个数或增大障碍物阻塞率均可增加超压和燃烧速度;障碍物置于容器中心,爆炸后果较强,而靠近点火源或泄爆口,后果有所减弱.     

泄爆夹层内障碍物对泄爆效果影响的数值模拟研究*

为研究泄爆夹层内障碍物位置对燃气泄爆效果的影响,以某大型商业综合体暗厨房为研究对象,考虑泄爆夹层中结构梁不同位置的泄爆效果,对暗厨房燃气爆炸的泄爆过程开展数值模拟研究。研究结果表明:在火焰没有到达泄爆窗前的爆炸初始阶段,障碍物对火焰结构和传播速度基本没有影响,当火焰进入泄爆夹层后,障碍物的存在可引发火焰加速现象;当障碍物距离泄爆窗1.7 m时,火焰加速现象较为明显,火焰最大传播速度可达591.5 m/s,此时厨房内压力峰值约2.9 MPa,约为没有结构梁情况下1.42倍;障碍物距离泄爆窗较近时,二者将协同影响火焰传播;厨房内压力峰值随着障碍物与泄爆窗距离的增大遵循增大-突降-增大的规律。研究结果可为商业综合体暗厨房泄爆设计提供一定理论依据。     

障碍物对火焰传播过程影响数值模拟

采用CFD软件AutoReaGas建立典型的物理模型及数值模型来研究管道内障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响规律。结果表明,障碍物间距、阻塞率的改变会对爆炸场内的火焰传播速率产生巨大影响。障碍物间距的改变对火焰传播速率的影响是一个先增大后减小的过程;低阻塞率下,火焰传播速度较低。但随着阻塞率的增大可燃气体爆炸火焰传播速度得到明显的增大。为障碍物对可燃气体爆炸传播规律的影响的进一步研究提供了理论依据。     

对称障碍物条件下瓦斯爆炸火焰与压力波耦合作用研究

为了研究对称障碍物条件下瓦斯爆炸压力波与火焰传播的耦合作用,在150 mm×150 mm×1 700 mm的有机玻璃瓦斯爆炸管道中,距离点火端不同距离安装0.5阻塞率的对称障碍物,进行8.5%甲烷体积分数的爆炸试验,采集瓦斯爆炸的超压信号并同步拍摄火焰传播图像。结果表明:火焰穿越板式对称障碍物的过程经历了火焰加速、火焰降速到火焰再加速的过程,火焰降速的时间仅为5 ms。距离点火焰源不同长度的对称障碍物在火焰加速过程中的作用存在明显差异,近点火源的障碍物作用主要为诱导湍流,远离点火源的障碍物作用主要为湍流增强。     

置障管道内天然气爆炸过程微观特性数值模拟研究

为揭示障碍物对于火焰传播过程中的激励作用,采用Zimont火焰面模型对内置不同阻塞率障碍物的密闭管道内天然气-空气预混气体的燃爆过程进行数值模拟,结果表明障碍物对于天然气燃爆过程中火焰传播的激励作用明显,火焰传播经历了从层流向湍流的转变过程,70%阻塞率时激励作用达到最大,火焰前锋速度达到了1 156 m/s,管道内最大爆炸压力达到1.02 MPa;火焰传播至障碍物处时,不同阻塞率障碍物场中湍流动能峰值变化趋势基本一致,且高湍流动能区的分布与湍流动能峰值发生剧烈变化。     

山地地形重气扩散模拟中湍流模型的选择

针对类似开县井喷的毒气扩散事故,研究山地地形条件下如何合理选择湍流模型对重气扩散进行大范围数值模拟.在初始条件和边界条件相同条件下,采用密切值法对6个BANS模型(RSM、标准k-ε、RNG k-ε、可实现k-ε、标准k-ω和SST k-ω)的计算结果进行多方案选择,同时参考模拟中所消耗的CPU时间,使选用的模型尽可能在"计算精度"和"计算时间"之间取得平衡.结果表明,对山地条件下的大范围毒气扩散事故的模拟,采用标准k-ε模型时可在"计算精度"和"计算时间"之间取得较好平衡.可见,对山地地形条件下大范围重气扩散的数值模拟宜采用标准k-ε模型.     

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。     

甲烷爆炸传播过程膜状障碍物的激励效应研究

针对管状空间内膜状障碍物对甲烷爆炸传播的激励效应现象,基于机理分析进行了数值模拟和实验研究,计算分析薄膜附近爆炸冲击波压力峰值大小与火焰速度变化,同时运用激波管道进行相同工况条件下的实验,并对两者结果对比分析,发现有无膜状障碍物的压力峰值相差6倍以上。研究表明,膜状障碍物的激励效应是破膜以后形成的带压燃烧,提高了燃烧速率,导致甲烷爆炸的火焰传播速度剧增。实验结果一定意义诠释了同样数量的甲烷气体爆炸在不同环境内后果上的巨大差异,研究结果对矿井瓦斯爆炸事故调查及防治具有指导意义。