障碍物对火焰结构影响的 Realizable k-ε模型数值模拟

在管道内设置长方体障碍物,对火焰翻越障碍物的情形进行数值模拟研究,分析火焰褶皱现象。基于可实现k-ε模型(Realizable k-εmodel)和EDC(涡流耗散概念模型),建立湍流加速火焰现象的数值模型,实现管道火焰流场的可视化,研究障碍物对火焰结构、火焰流场的加速过程,分析了导致火焰发生褶皱的机理,得出火焰在翻越障碍物后会形成两个相反方向的涡流。     

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。     

低压氢气-空气混合物爆炸试验研究及数值模拟

为了预防或控制密闭容器内氢气爆炸事故,运用20 L密闭球形容器试验研究不同初始低压(0.025~0.1 MPa)下氢气-空气混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率;并采用Fluent数值模拟软件,通过标准k-ε湍流模型和概率密度函数(PDF)燃烧模型,模拟不同初始压力下氢气-空气混合物燃烧过程,直观再现不同初始压力下火焰传播过程及流场扰动状况。研究表明:氢气体积分数一定时,氢气-空气混合物的最大爆炸压力和最大压力上升速率与初始低压均成线性关系;初始压力从0.1MPa降低至0.025 MPa,最大爆炸压力降低75.1%~75.9%,最大压力上升速率降低77.1%~83.7%。另外,初始压力降低,火焰前沿到达器壁的时间变长。     

中庭火灾烟气流动数值模拟

根据中庭火灾特点 提出了考虑辐射换热损失和壁面传热损失、不考虑燃烧过程、视火焰为体积热源,浮升力作用下火灾烟气湍流流动的场模型,并将辐射换热损失计人壁面传热损失,简化辐射换热模型计算,运用该场模型对中庭模型实验装置火灾烟气流动进行了数值模拟,采用通用软件PHOENICS进行数值计算,研究表明,数值模拟结果与中庭模型实验装置火灾试验结果吻合;以热源模拟火焰的方法对分析中庭火灾烟流发展规律可行。     

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。     

重气瞬时泄漏扩散的湍流模型验证

重气瞬时泄漏扩散研究对于保障公共安全等具有重要意义,数值模拟已经成为重要的研究手段之一,但湍流模型对重气扩散模拟的影响还需进一步探讨。本文利用CFD软件对英国健康和安全执行局(HSE)开展的氟利昂12场地扩散实验进行了模拟,分析了在相同边界和初始条件设置下2种不同进口湍流条件和3种不同湍流两方程模型Standard k-ε、Realizable k-ε、RNG k-ε对扩散介质浓度分布的影响,结果表明湍流初始边界对于模拟结果影响不大,而采用Realizablek-ε模型的模拟结果与实际情况更接近。     

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.     

采油射流泵内流场数值模拟

采油射流泵内流场是具有逆压力梯度的强湍流场，扩散管部分具有不规则边界。采用代数法生成扩散器贴体坐标系统；并选择使用高Ｒｅ数ｋ－ε。模型及考虑逆压力梯度影响的壁面函数法对射流泵整体流场进行数值模拟。将理论结果与试验值进行对比分析，二者基本符合，数值模拟的可靠性得到了验证。     

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.     

多分支管道油气爆炸特性大涡模拟

为了研究油库常见的分支结构空间内发生油气爆炸时火焰和压力的传播特性,建立了基于WALE湍流模型及Zimont预混火焰模型的油气爆炸模型;模拟了6种不同分支管道结构空间内汽油/空气混合物爆炸发生发展过程;研究了分支管道数量及相对设置位置对爆炸超压的影响规律,以及分支管道对火焰传播形态和速度的影响规律;模拟结果与前人相关实验规律进行对比。研究结果表明:分支管道对汽油/空气混合气预混爆炸具有明显的强化激励作用;火焰锋面传播经过分支管道时,经历规则—褶皱—规则的变化过程;主管道内火焰传播速度,在分支管道对流场的突扩作用和湍流作用的共同影响下呈震荡变化的规律。     

多孔球形材料阻火抑爆性能影响因素数值模拟研究

为探究影响多孔球形材料阻火抑爆性能的主要因素,采用气体爆炸模拟软件FLACS建立多孔球形结构中湍流燃烧模型,对填充多孔球形材料后丙烷/空气预混气体燃烧爆炸过程进行数值模拟。研究结果表明:多孔球形材料能够有效衰减爆燃压力波、阻隔火焰传播,起到阻火抑爆作用,且压力波衰减程度和火焰阻隔效果与多孔球形材料的尺寸、孔径及填充密度密切相关。当多孔球形材料的直径为25 mm、孔径为3 mm、填充密度为20层时,压力波衰减程度最大,火焰阻隔效果最明显,说明直径和孔径越小,填充密度越大,材料的阻火抑爆性能越强。     

管道结构对氢/空预混气体爆炸特性影响研究*

为研究管道结构对氢-空预混气体爆炸特性影响,采用实验与数值模拟相结合的方法,分析不同管道结构内氢-空预混气体燃爆时火焰传播进程、爆炸压力、湍流动能变化及流场分布。结果表明:90°弯管对氢-空预混气体爆炸强度增强作用明显高于T型分岔管和直管。火焰阵面在结构突变处褶皱变形较明显,并出现大尺度强湍流和涡团,气团脉动速度与湍流燃烧速率不断增大,氢-空预混气体质量扩散速率与热量扩散速率增大,湍流动能呈迅速上升趋势。     

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。     

LES – DFSD modelling of vented hydrogen explosions in a small-scale combustion chamber

Accidental explosions are a plausible danger to the chemical process industries. In the event of a gas explosion, any obstacles placed within the path of the flame generate turbulence, which accelerates the transient flame and raises explosion overpressure, posing a safety hazard. This paper presents numerical studies using an in-house computational fluid dynamics (CFD) model for lean premixed hydrogen/air flame propagations with an equivalence ratio of 0.7. A laboratory-scale combustion chamber is used with repeated solid obstacles. The transient compressible large eddy simulation (LES) modelling technique combined with a dynamic flame surface density (DFSD) combustion model is used to carry out the numerical simulations in three-dimensional space. The study presented uses eight different baffle configurations with two solid obstructions, which have area blockage ratios of 0.24 and 0.5. The flame speed, maximum rate of pressure-rise as well as peak overpressure magnitude and timing are presented and discussed. Numerical results are validated against available published experimental data. It is concluded that, increasing the solid obstacle area blockage ratio and the number of consecutive baffles results in a raised maximum rate of pressure rise, higher peak explosion overpressure and faster flame propagation. Future model development would require more experimental data, probably in a more congested configuration.     

基于CFD的大型储油罐区池火灾数值模拟*

为研究大型储油罐区池火灾温度、热辐射强度、流速、组分等燃烧特性参数在油罐外不同区域的变化规律，以10万m3原油储罐区为研究对象，构建罐区池火灾燃烧数学模型，运用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术进行数值模拟研究。结果表明:整个火场温度大致呈锥形分布，火焰温度最高可达1 500 K，纵向来看，底部温度较高，上部温度逐渐降低，径向来看，中心温度较高，周围温度逐渐降低；随着距罐壁以及距罐顶距离的不断增加，热辐射强度均呈现逐渐降低的趋势，最高热辐射强度为132 kW/m2；罐顶上方区域存在火焰卷吸现象，中心位置流速最大，最高可达56 m/s，罐底区域存在火焰贴壁现象；得到燃烧产物（CO和CO2）的体积分数分布，以CO体积分数为0.001作为判断依据，推断出火焰高度为120 m。研究结果可为今后此类火灾事故的防治提供理论支撑。     

湍流射流C3H8/H2/air扩散火焰中的局部熄火和再燃现象

C3H8是液化石油气的主要成分之一,对其湍流燃烧特性的研究对火灾消防等行业具有十分重要的意义。建立了一维湍流模型(ODT)的大规模计算平台并研究在固定雷诺数Re=9800的情况下,丙烷非预混湍流射流火焰中的局部熄火和再燃现象。丙烷火焰的模拟结果显示局部熄火现象主要发生在近场区域。火焰主要自由基OH、O及主要燃烧产物在局部熄火区域都迅速减少,随着之后再燃的发生,这些组分也开始逐渐增多。但是从这些组分增加的量可以看出,丙烷火焰的再燃过程相对比较慢并且没有达到完全再燃。     

Large eddy simulation of methane–air deflagration in an obstructed chamber using different combustion models

In this paper, simulations of methane–air deflagration inside a semi-confined chamber with three solid obstacles have been carried out with large eddy simulation (LES) technique. Three sub-grid scale (SGS) combustion models, including power-law flame wrinkling model by Charlette et al., turbulent flame speed closure (TFC) model, and eddy dissipation model (EDM), are applied. All numerical results have been compared to literature experimental data. It is found that the power-law flame wrinkling model by Charlette et al. is able to better predict the generated pressure and other flame features, such as flame structure, position, speed and acceleration against measured data. Based on the power-law flame wrinkling model, the flame–vortex interaction during the deflagration progress is also investigated. The results obtained have demonstrated that higher turbulence levels, induced by obstacles, wrinkle the flame and then increase its surface area, the burning rates and the flame speed.     

A method for simulation of vapour cloud explosions based on computational fluid dynamics (CFD)

The effectiveness of the application of CFD to vapour cloud explosion (VCE) modelling depends on the accuracy with which geometrical details of the obstacles likely to be encountered by the vapour cloud are represented and the correctness with which turbulence is predicted. This is because the severity of a VCE strongly depends on the types of obstacles encountered by the cloud undergoing combustion; the turbulence generated by the obstacles influences flame speed and feeds the process of explosion through enhanced mixing of fuel and oxidant. In this paper a CFD-based method is proposed on the basis of the author’s finding that among the various models available for assessing turbulence, the realizable k-? model yields results closer to experimental findings than the other, more frequently used, turbulence models if used in conjunction with the eddy-dissipation model. The applicability of the method has been demonstrated in simulating the dispersion and ignition of a typical vapour cloud formed as a result of a spill from a liquid petroleum gas (LPG) tank situated in a refinery. The simulation made it possible to assess the overpressures resulting from the combustion of the flammable vapour cloud. The phenomenon of flame acceleration, which is a characteristic of combustion enhanced in the presence of obstacles, was clearly observed. Comparison of the results with an oft-used commercial software reveals that the present CFD-based method achieves a more realistic simulation of the VCE phenomena.     

局部扰动对主坑道爆炸波发展的数值模拟与实验研究

在地下建筑物,如隧道、地下储油库、人防工程、地下物资仓库等里面,由主通道旁结分支通道是最常见的一种布置形式,是一种典型的复杂受限空间结构.一旦有可燃气体发生爆炸燃烧,爆炸压力波和火焰的传播将受众多因素的影响,其中局部扰动的影响是主要因素之一.本文通过实验和数值模拟的方法研究了油气混合物在该复杂受限空间中由弱点火引起爆炸燃烧的发展过程,湍流强度经旁接分支坑道后在主通道中的变化,以及爆炸压力波和火焰经局部扰动后的变化过程;并将数值模拟结果与实验结果进行了对比和综合分析,得到了与地下受限空间安全相关的重要结论.湍流强度是复杂受限空间中可燃气体爆炸燃烧发展过程的主要影响因素之一,局部扰动将增强爆炸流场的湍流强度,加速燃烧化学反应,能量的释放量和速率大大提高.这些能量的快速加入促进了高峰值压力波的形成,火焰也被加速,爆炸从此由弱转强,出现跃升.研究结果对地下受限空间爆炸过程的进一步研究以及爆炸灾害的预防都有参考价值.