聚氨酯障礙對(duì)甲烷空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h1>
2019-12-12 07:59:20張承虎范麗佳楊煜潔魏繼宏譚羽非
煤氣與熱力 2019年11期
張承虎， 范麗佳， 楊煜潔， 魏繼宏， 譚羽非
(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150001)
1 概述
天然氣爆燃火焰在各種障礙物和多孔介質(zhì)中的傳播的研究意義重大，目前已有很多研究者致力于預(yù)混燃?xì)饣鹧嬖诓煌系K和容器內(nèi)中的傳播特性研究。喻健良等人[1]研究了光滑壁面、多孔材料內(nèi)襯壁面、實(shí)體障礙內(nèi)襯壁面中燃?xì)忸A(yù)混火焰的傳播規(guī)律，研究結(jié)果表明，內(nèi)襯多孔材料對(duì)火焰溫度和壓力波起削弱作用，而內(nèi)襯實(shí)體障礙對(duì)火焰溫度和壓力波起加強(qiáng)作用。Lei Pang等人[2]探究了滿布式鋁合金絲網(wǎng)對(duì)爆燃火焰的阻燃淬熄效應(yīng)，結(jié)果表明對(duì)于氫氣空氣混合氣，鋁合金絲網(wǎng)不僅不能使火焰淬熄，還會(huì)增大最大爆炸超壓，而對(duì)于甲烷空氣混合氣體，其狀況恰好相反。Xiaoping Wen等人[3]對(duì)內(nèi)置連續(xù)障礙的小尺度受限空間內(nèi)的瓦斯爆燃火焰進(jìn)行了大渦模擬，對(duì)其火焰結(jié)構(gòu)，火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝?，以及火焰模態(tài)進(jìn)行了研究。Kai Zhang等人[4]研究了相連容器內(nèi)的環(huán)狀障礙物參數(shù)對(duì)氣體爆炸特性的影響。Shaojie Wan等人[5]對(duì)側(cè)壁開口位置對(duì)尾端開口內(nèi)置障礙管道中的瓦斯氣體的爆燃火焰特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，泄爆效果隨著側(cè)壁泄爆口與點(diǎn)火點(diǎn)距離的減小明顯增強(qiáng)。Xiaoping Wen等人[6]對(duì)內(nèi)置不同障礙物的方形容器中多孔介質(zhì)對(duì)爆燃火焰的淬熄行為進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，位于多孔介質(zhì)前的障礙物同火焰的相互作用會(huì)導(dǎo)致火焰速度和超壓的提高，最終使得多孔介質(zhì)的淬熄行為失效。Minggao Yu等人[7]研究了半封閉容器內(nèi)，三種不同空心形狀的矩形障礙物對(duì)爆燃火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀Y(jié)果表明，矩形空心形狀可以產(chǎn)生最大的湍流強(qiáng)度、火焰速度和爆炸超壓。Lei Wang等人[8]對(duì)矩形管道內(nèi)內(nèi)置梯形、矩形和球形障礙的甲烷氣體爆燃火焰的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，來流方向的障礙物角度和有效障礙物面積對(duì)爆燃火焰超壓和傳播特性有很大影響。
目前關(guān)于各種障礙物中預(yù)混燃?xì)獗紓鞑ヒ呀?jīng)開展了很多研究，但是對(duì)于網(wǎng)狀聚氨酯障礙中，甲烷空氣預(yù)混火焰的傳播特性的研究幾乎沒有報(bào)道，因此本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)網(wǎng)狀聚氨酯障礙中甲烷預(yù)混火焰的傳播特性進(jìn)行研究。
2 數(shù)值模擬
① 幾何模型及網(wǎng)格劃分
本文將網(wǎng)狀聚氨酯障礙中甲烷空氣的火焰?zhèn)鞑ズ?jiǎn)化為二維流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，容器及多孔介質(zhì)障礙的幾何模型見圖1，容器內(nèi)半徑157.5 mm,網(wǎng)狀聚氨酯障礙內(nèi)半徑40 mm,外半徑80 mm,點(diǎn)火位置位于容器中心。利用Designmodeler 建立二維幾何模型，并采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖2。為提高計(jì)算準(zhǔn)確度，對(duì)點(diǎn)火點(diǎn)附近位置的網(wǎng)格進(jìn)行了局部的加密處理。
圖1 容器及多孔介質(zhì)障礙的幾何模型
圖2 網(wǎng)格劃分
② 基本假設(shè)
a.計(jì)算中涉及氣體均為理想氣體。
b.忽略壁面熱損失，假設(shè)容器壁面為絕熱條件。
c.忽略輻射傳熱。
d.多孔介質(zhì)各向同性，且均布于氣體介質(zhì)中。
③ 基本控制方程與湍流模型
基本控制方程[9]包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分守恒方程。另外，本文選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型描述預(yù)混燃燒過程的湍流特性[1]。
④ 多孔介質(zhì)模型
(1)
(2)
式中α——滲透率
ε——湍流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率
Dp——平均粒子直徑，m
ξ——多孔介質(zhì)孔隙率，%
C2——慣性阻力系數(shù)
⑤ 燃燒模型
本文選擇EBU-Arrhenius燃燒模型描述預(yù)混燃燒中的湍流燃燒速率[1]，實(shí)際的燃燒速率取層流燃燒機(jī)制和湍流脈動(dòng)機(jī)制的計(jì)算值中較小的一個(gè)。
Rfu=-min(|Rfu,A|,|Rfu,T|)
(3)
(4)
(5)
式中Rfu——EBU-Arrhenius燃燒速率，kg/(m3·s)
Rfu,A——Arrhenius類型燃燒速率，kg/(m3·s)
Rfu,T——湍流燃燒速率，kg/(m3·s)
B——指前因子
ρ——密度，kg/m3
w1——燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)
w2——氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)
Ea——活化能，J/mol
R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)
T——?dú)怏w溫度，K
CEBU——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，范圍為0.34～0.40
κ——湍流脈動(dòng)動(dòng)能，J
w3——產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)
⑥ 邊界條件及初始條件
a.壁面及流體域初始溫度為300 K，流體域初始?jí)毫?01 325 Pa。
b.采用電火花點(diǎn)火，點(diǎn)火能量5 J，點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)0.001 s。
c.甲烷空氣組分比例為當(dāng)量比。
d.多孔介質(zhì)參數(shù)見表1。
表1 多孔介質(zhì)參數(shù)
3 聚氨酯障礙中甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h2>
① 網(wǎng)狀聚氨酯孔徑對(duì)壓力波抑制作用的影響
圖3為無網(wǎng)狀聚氨酯泡沫(以下圖中稱為0ppi)，填充10ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫以及20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預(yù)混氣體爆燃超壓(爆燃?jí)毫εc大氣壓的壓力差)隨時(shí)間的變化曲線。
圖3 孔徑對(duì)爆燃超壓的影響
由圖3可見，3種狀況下，甲烷空氣預(yù)混氣體的爆燃超壓隨火焰?zhèn)鞑r(shí)間(從電火花點(diǎn)火瞬間開始直到火焰?zhèn)鞯饺萜鲀?nèi)壁)逐漸增大，最終趨于定值。同時(shí)，由圖3還可見，混合氣體的爆燃超壓及升壓速率隨孔徑減小有顯著降低?？梢?，網(wǎng)狀聚氨酯的孔隙率越大，吸收的壓力波能量越小，因而對(duì)爆燃超壓的抑制作用也越弱。
② 網(wǎng)狀聚氨酯泡沫對(duì)火焰鋒面位置的影響
圖4為無網(wǎng)狀聚氨酯泡沫、填充10ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫以及20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預(yù)混氣體的火焰鋒面隨時(shí)間的變化曲線。
圖4 孔徑對(duì)火焰鋒面位置的影響
由圖4可見，沒有填充網(wǎng)狀聚氨酯材料的情況下，火焰鋒面位置由點(diǎn)火點(diǎn)逐漸向外擴(kuò)展，直到到達(dá)容器壁面。在填充10ppi和20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，火焰鋒面在到達(dá)0.04 m位置，也就是網(wǎng)狀聚氨酯障礙內(nèi)表面時(shí)出現(xiàn)了回溯，但是，對(duì)于10ppi的情況，火焰鋒面出現(xiàn)回溯后重新向前傳播，而對(duì)于20ppi的情況，火焰則熄滅，爆燃并未得到持續(xù)傳播。另外，網(wǎng)狀聚氨酯的孔隙率越大，火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)容器壁面所需時(shí)間越短，平均火焰?zhèn)鞑ニ俾试酱蟆?/p>
③ 網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的孔徑對(duì)爆燃溫度場(chǎng)影響
圖5為無網(wǎng)狀聚氨酯泡沫，填充10ppi以及20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預(yù)混氣體在距離點(diǎn)火點(diǎn)徑向距離分別為0.04 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m的爆燃火焰溫度隨時(shí)間的變化曲線。
由圖5b、5c、5d可見，爆燃火焰溫度隨火焰?zhèn)鞑r(shí)間均逐漸增大，最終趨于定值。圖5a中在初始時(shí)刻的溫度突越是電火花點(diǎn)火引起的。同時(shí)，由圖5可見，混合氣體的爆燃火焰溫度隨孔徑減小顯著降低，可見，網(wǎng)狀聚氨酯對(duì)混合氣體爆燃的抑制作用隨孔徑的減小而增強(qiáng)。另外，填充20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫時(shí)，由各位置溫度及圖4中20ppi工況下的火焰鋒面位置可知，此時(shí)電火花引起的爆燃并未得到持續(xù)傳播。其原因在于多孔介質(zhì)的孔徑越小，燃燒火焰的自由基與網(wǎng)狀聚氨酯材料內(nèi)部通道碰撞的概率越大，導(dǎo)致被銷毀的自由基數(shù)量越多，而參與反應(yīng)的自由基數(shù)量越少，導(dǎo)致火焰溫度降低，另外，網(wǎng)狀聚氨酯材料的三維多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)吸收燃燒釋放的熱量，導(dǎo)致火焰溫度的降低，因此，火焰溫度呈現(xiàn)隨孔徑減小而減小的趨勢(shì)，甚至在孔徑為20ppi時(shí)電火花引起的爆燃并未得到持續(xù)傳播。
4 結(jié)論
① 網(wǎng)狀聚氨酯的孔隙率越大，吸收的壓力波能量越小，對(duì)爆燃超壓的抑制作用也隨之減弱。
② 火焰鋒面在到達(dá)網(wǎng)狀聚氨酯障礙內(nèi)表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)回溯現(xiàn)象，當(dāng)孔隙率較大時(shí)，火焰鋒面回溯后會(huì)重新向前傳播，當(dāng)孔隙率較小時(shí)，火焰會(huì)熄滅，電火花引起的爆燃將不會(huì)得到持續(xù)傳播。
圖5 孔徑對(duì)爆燃溫度的影響
③ 由于網(wǎng)狀聚氨酯材料對(duì)火焰自由基的銷毀作用和對(duì)熱量的吸收效應(yīng)，預(yù)混氣體的爆燃火焰溫度隨網(wǎng)狀聚氨酯障礙的孔徑的減小有顯著降低。
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目前關(guān)于各種障礙物中預(yù)混燃?xì)獗紓鞑ヒ呀?jīng)開展了很多研究，但是對(duì)于網(wǎng)狀聚氨酯障礙中，甲烷空氣預(yù)混火焰的傳播特性的研究幾乎沒有報(bào)道，因此本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)網(wǎng)狀聚氨酯障礙中甲烷預(yù)混火焰的傳播特性進(jìn)行研究。
2 數(shù)值模擬
① 幾何模型及網(wǎng)格劃分
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圖1 容器及多孔介質(zhì)障礙的幾何模型
圖2 網(wǎng)格劃分
② 基本假設(shè)
a.計(jì)算中涉及氣體均為理想氣體。
b.忽略壁面熱損失，假設(shè)容器壁面為絕熱條件。
c.忽略輻射傳熱。
d.多孔介質(zhì)各向同性，且均布于氣體介質(zhì)中。
③ 基本控制方程與湍流模型
基本控制方程[9]包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分守恒方程。另外，本文選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型描述預(yù)混燃燒過程的湍流特性[1]。
④ 多孔介質(zhì)模型
(1)
(2)
式中α——滲透率
ε——湍流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率
Dp——平均粒子直徑，m
ξ——多孔介質(zhì)孔隙率，%
C2——慣性阻力系數(shù)
⑤ 燃燒模型
本文選擇EBU-Arrhenius燃燒模型描述預(yù)混燃燒中的湍流燃燒速率[1]，實(shí)際的燃燒速率取層流燃燒機(jī)制和湍流脈動(dòng)機(jī)制的計(jì)算值中較小的一個(gè)。
Rfu=-min(|Rfu,A|,|Rfu,T|)
(3)
(4)
(5)
式中Rfu——EBU-Arrhenius燃燒速率，kg/(m3·s)
Rfu,A——Arrhenius類型燃燒速率，kg/(m3·s)
Rfu,T——湍流燃燒速率，kg/(m3·s)
B——指前因子
ρ——密度，kg/m3
w1——燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)
w2——氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)
Ea——活化能，J/mol
R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)
T——?dú)怏w溫度，K
CEBU——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，范圍為0.34～0.40
κ——湍流脈動(dòng)動(dòng)能，J
w3——產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)
⑥ 邊界條件及初始條件
a.壁面及流體域初始溫度為300 K，流體域初始?jí)毫?01 325 Pa。
b.采用電火花點(diǎn)火，點(diǎn)火能量5 J，點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)0.001 s。
c.甲烷空氣組分比例為當(dāng)量比。
d.多孔介質(zhì)參數(shù)見表1。
表1 多孔介質(zhì)參數(shù)
3 聚氨酯障礙中甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h2>
① 網(wǎng)狀聚氨酯孔徑對(duì)壓力波抑制作用的影響
圖3為無網(wǎng)狀聚氨酯泡沫(以下圖中稱為0ppi)，填充10ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫以及20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預(yù)混氣體爆燃超壓(爆燃?jí)毫εc大氣壓的壓力差)隨時(shí)間的變化曲線。
圖3 孔徑對(duì)爆燃超壓的影響
由圖3可見，3種狀況下，甲烷空氣預(yù)混氣體的爆燃超壓隨火焰?zhèn)鞑r(shí)間(從電火花點(diǎn)火瞬間開始直到火焰?zhèn)鞯饺萜鲀?nèi)壁)逐漸增大，最終趨于定值。同時(shí)，由圖3還可見，混合氣體的爆燃超壓及升壓速率隨孔徑減小有顯著降低?？梢?，網(wǎng)狀聚氨酯的孔隙率越大，吸收的壓力波能量越小，因而對(duì)爆燃超壓的抑制作用也越弱。
② 網(wǎng)狀聚氨酯泡沫對(duì)火焰鋒面位置的影響
圖4為無網(wǎng)狀聚氨酯泡沫、填充10ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫以及20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預(yù)混氣體的火焰鋒面隨時(shí)間的變化曲線。
圖4 孔徑對(duì)火焰鋒面位置的影響
由圖4可見，沒有填充網(wǎng)狀聚氨酯材料的情況下，火焰鋒面位置由點(diǎn)火點(diǎn)逐漸向外擴(kuò)展，直到到達(dá)容器壁面。在填充10ppi和20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，火焰鋒面在到達(dá)0.04 m位置，也就是網(wǎng)狀聚氨酯障礙內(nèi)表面時(shí)出現(xiàn)了回溯，但是，對(duì)于10ppi的情況，火焰鋒面出現(xiàn)回溯后重新向前傳播，而對(duì)于20ppi的情況，火焰則熄滅，爆燃并未得到持續(xù)傳播。另外，網(wǎng)狀聚氨酯的孔隙率越大，火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)容器壁面所需時(shí)間越短，平均火焰?zhèn)鞑ニ俾试酱蟆?/p>
③ 網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的孔徑對(duì)爆燃溫度場(chǎng)影響
圖5為無網(wǎng)狀聚氨酯泡沫，填充10ppi以及20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的情況下，甲烷空氣預(yù)混氣體在距離點(diǎn)火點(diǎn)徑向距離分別為0.04 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m的爆燃火焰溫度隨時(shí)間的變化曲線。
由圖5b、5c、5d可見，爆燃火焰溫度隨火焰?zhèn)鞑r(shí)間均逐漸增大，最終趨于定值。圖5a中在初始時(shí)刻的溫度突越是電火花點(diǎn)火引起的。同時(shí)，由圖5可見，混合氣體的爆燃火焰溫度隨孔徑減小顯著降低，可見，網(wǎng)狀聚氨酯對(duì)混合氣體爆燃的抑制作用隨孔徑的減小而增強(qiáng)。另外，填充20ppi網(wǎng)狀聚氨酯泡沫時(shí)，由各位置溫度及圖4中20ppi工況下的火焰鋒面位置可知，此時(shí)電火花引起的爆燃并未得到持續(xù)傳播。其原因在于多孔介質(zhì)的孔徑越小，燃燒火焰的自由基與網(wǎng)狀聚氨酯材料內(nèi)部通道碰撞的概率越大，導(dǎo)致被銷毀的自由基數(shù)量越多，而參與反應(yīng)的自由基數(shù)量越少，導(dǎo)致火焰溫度降低，另外，網(wǎng)狀聚氨酯材料的三維多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)吸收燃燒釋放的熱量，導(dǎo)致火焰溫度的降低，因此，火焰溫度呈現(xiàn)隨孔徑減小而減小的趨勢(shì)，甚至在孔徑為20ppi時(shí)電火花引起的爆燃并未得到持續(xù)傳播。
4 結(jié)論
① 網(wǎng)狀聚氨酯的孔隙率越大，吸收的壓力波能量越小，對(duì)爆燃超壓的抑制作用也隨之減弱。
② 火焰鋒面在到達(dá)網(wǎng)狀聚氨酯障礙內(nèi)表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)回溯現(xiàn)象，當(dāng)孔隙率較大時(shí)，火焰鋒面回溯后會(huì)重新向前傳播，當(dāng)孔隙率較小時(shí)，火焰會(huì)熄滅，電火花引起的爆燃將不會(huì)得到持續(xù)傳播。
圖5 孔徑對(duì)爆燃溫度的影響
③ 由于網(wǎng)狀聚氨酯材料對(duì)火焰自由基的銷毀作用和對(duì)熱量的吸收效應(yīng)，預(yù)混氣體的爆燃火焰溫度隨網(wǎng)狀聚氨酯障礙的孔徑的減小有顯著降低。
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