管道內(nèi)甲烷_空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究_圖文

1、第39卷第4期Vol.39,No.42009年4月J OURNAL OF UNIVE RSITY OF SCIE NCE AND TECHNOLO GY OF CHINAApr.2009 文章編號:025322778(20090420419205收稿日期:2007204216;修回日期:2008205222基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50536030資助.管道內(nèi)甲烷2空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究何學(xué)超1,2,孫金華1,陳先鋒3,袁國杰4(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230027;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院,江蘇蘇州215123;3.武漢理工大學(xué)資

2、源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢430070;4.香港城市大學(xué)建筑系,中國香港999077摘要:采用高速紋影攝像系統(tǒng)、壓力傳感器等對小型水平封閉管道內(nèi)甲烷2空氣預(yù)混燃燒火焰的傳播過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了火焰鋒面結(jié)構(gòu)、傳播速度和壓力隨時間的變化關(guān)系.研究結(jié)果表明,管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中,火焰結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯變化,即從向未燃?xì)怏w凸出的球形層流火焰轉(zhuǎn)變成向已燃?xì)怏w凹陷的V 形湍流火焰,同時伴有火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏p小、壓力的不斷增大.另外運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k 2模型,對非定常時的甲烷預(yù)混燃燒火焰進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院突鹧娼Y(jié)構(gòu)的變化規(guī)律.關(guān)鍵詞:預(yù)混火焰;實(shí)驗(yàn)研究;數(shù)值模擬;基元反應(yīng)中圖分類號

3、:T K121文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AExperimental and numerical study on flame propagation and structure behaviors of methane 2air premixed combustion in tube(1.S tate Key L aboratory of Fi re S cience ,US T C ,Hef ei 230027,China;2.S uz hou I nstit ute f or A dvanced S t ud y ,US T C ,S uz hou 215123,Chi na;3.School of N

4、 at ural Resources and Envi ronment al Engi neeri ng ,W HU T ,W uhan 430070,China;4.Depart ment of B uil ding and Const ruction ,Cit yU ,Hongkong 999077,China Abstract :The high speed Schlieren p hotograp hy system and pressure sensors were used to investigate t he flame p ropagation process of met

5、hane 2air mixt ure in a small horizontal t ube.The flame st ruct ure ,propagation velocity and mixt ure p ressure were obtained f rom t he experiment.The result s show t hat flame st ruct ure changes greatly in t he flame propagation p rocess ,suddenly changing f rom a sp herical laminar flame point

6、ing forward to a V shape t urbulent flame forming a cusp toward t he burned gas.In t hisprocess ,t he velocity decreases but t he p ressure increases continuously.Wit h t he k 2t urbulent combustion model ,unsteady p remixed met hane flame in a 2D mat rix burner was numerically simulated.Thecharacte

7、ristics of flame propagation and flame struct ure variation qualitatively agree wit h t he experimentaldata very well.K ey w ords :premixed flame ;experimental st udy ;numerical simulation ;element chemical reaction0引言近年來,各種礦難事故頻發(fā),尤其是瓦斯爆炸事故更是時有發(fā)生.僅在2006年,由于煤礦瓦斯爆炸導(dǎo)致10人以上死亡的重大安全事故就達(dá)14起,累計(jì)死亡人數(shù)達(dá)到292人1,給

8、國家?guī)砭薮蟮呢敭a(chǎn)損失.瓦斯燃燒爆炸產(chǎn)生火焰,促使爆源附近的氣體以極大的速度在巷道內(nèi)傳播.因此,對火焰在管道中的傳播進(jìn)行研究,尤其是研究火焰結(jié)構(gòu)的變化,對有效控制爆炸燃燒過程、防止災(zāi)難事故的發(fā)生有重要意義.在已有的文獻(xiàn)中,陳志華等2研究了在楔形障礙物的情況下甲烷2空氣預(yù)混火焰臥式燃燒在方管內(nèi)傳播與變形的詳細(xì)過程;Fairweat her等3采用甲烷2空氣混合物,在半封閉管道內(nèi)進(jìn)行了爆炸實(shí)驗(yàn),得到了爆炸過程中火焰位置、形狀和產(chǎn)生的超壓值;李宇紅等4通過數(shù)值模擬得到了燃燒過程中基元組分的濃度分布;徐景德等5模擬了激波誘導(dǎo)瓦斯氣體爆燃的過程;Kuzuu等6采用擴(kuò)展的MAC方法和一步不可逆反應(yīng),對封閉

9、管道中甲烷2空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑?shù)值模擬,得到了由火焰引起的漩渦在火焰?zhèn)鞑ミ^程中的變化規(guī)律.但是火焰發(fā)展初期,針對火焰結(jié)構(gòu)的變化以及層流向湍流轉(zhuǎn)變的研究卻相對較少.本文以常見的甲烷燃料(瓦斯和天然氣的主要成分作為研究對象,對它在管道燃燒中的傳播過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,觀測了甲烷2空氣預(yù)混燃燒中的火焰?zhèn)鞑ミ^程,分析了火焰鋒面的變化原因,并將火焰的傳播速度和管道內(nèi)測量的壓力變化與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較.1實(shí)驗(yàn)研究1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1.2實(shí)驗(yàn)過程首先按照圖1所示調(diào)整好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的各儀器設(shè)備,然后用真空泵將燃燒管抽成真空狀態(tài),充入8 2數(shù)值模擬2.1計(jì)算方法為了簡化問題,使用二維可壓縮形式的N2S方程,采用S

10、IM PL E格式求解有限差分方程.對于燃燒管內(nèi)的湍流流動,本文采用標(biāo)準(zhǔn)k2模型進(jìn)行描述,有以下方程7:55t(k+55x ik u i-effk5k5x i=G-(1 55t(+55x iu i-eff55x i=C1Gk-C22k(2湍流燃燒中的燃燒反應(yīng)速率,同時受到化學(xué)反應(yīng)速率和流動參數(shù)的影響,目前還沒有普遍適用的湍流燃燒反應(yīng)模型,應(yīng)用較多的有EBU模型、拉切滑模型、k22g模型、PDF輸運(yùn)方程模型等.由于EBU模型過分突出了湍流混合對燃燒速率的決定024中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報第39卷作用,而忽略了分子輸運(yùn)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程的作用,為了綜合考慮層流反應(yīng)機(jī)制和湍流脈動機(jī)制對管道內(nèi)燃燒過程的

11、影響,選用修正的EBU 2Arrhenius 混合反應(yīng)模型,有時均反應(yīng)率方程:R fu =-min (R fu ,A -R fu ,T (3其中,R fu ,A =B 2Y 1Y 2exp -ER T(4R fu ,T =C EBU (/k min (Y 1,Y 2,Y 3(5式中,x ,t 分別為空間和時間坐標(biāo);,Y 1,Y 2,Y 3分別為密度,燃料、氧和燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù);k 和分別湍流動能和湍流耗散率;u i 為i 方向的速度分量;eff 和R fu 分別為有效粘性系數(shù)和時均燃燒速率;為Prandtl 數(shù);C 1,C 2為常數(shù);eff =+t ,t =C D k 2,C D 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

12、;G =5u i5x jeff5u i 5u j +5u j5u i-23ij k ,ij 為克羅內(nèi)克符號;B 為頻率因子,E 為活化能,R 為普適氣體常數(shù),C EBU 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),通常取為0135014. 對于甲烷空氣反應(yīng)系統(tǒng),前人8已經(jīng)得到了詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理,但研究主要針對燃燒化學(xué)反應(yīng)對流動的影響,因此采用了簡單化學(xué)反應(yīng)模型,即:C H 4+2O 2CO 2+2H 2O(62.2初始條件和邊界條件3結(jié)果分析與討論3.1火焰結(jié)構(gòu)分析圖3為實(shí)驗(yàn)過程中拍攝到的一組典型的火焰?zhèn)鞑ジ咚偌y影圖片.高速攝像機(jī)的拍攝速率是2000幀/s.由圖3可以看出,點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑コ跏?火焰面以球形陣面向四周

13、擴(kuò)張,燃燒產(chǎn)生的高溫氣體均圖3火焰前鋒隨時間變化圖Fig.3High speed Schlieren photographs of flame front勻地向外膨脹;隨后由于上下側(cè)壁的限制,徑向傳播速度明顯小于向右的軸向傳播速度.到t =30ms 左右時,球形火焰的前沿逐漸變平,火焰面積也隨之減小,進(jìn)而形成中部向已燃?xì)獍枷莸幕鹧骊嚸娼Y(jié)構(gòu);隨著火焰的向前傳播,凹陷的深度也不斷加大,直至形成近似V 形火焰.到t =45ms 時,可以看到火焰陣面出現(xiàn)了明顯的褶皺和分層現(xiàn)象,表明強(qiáng)烈的湍流已經(jīng)形成,并開始影響火焰陣面結(jié)構(gòu)10.火焰面從球面變成向內(nèi)凹陷的V 型火焰,也稱為Tulip 火焰.關(guān)于這種特殊

14、火焰結(jié)構(gòu)的形成原因和機(jī)理有諸多解釋,如Dunn 2Rankin 等11認(rèn)為火焰前方的軸向速度梯度差是形成Tulip 火焰的主要原因;Guenoche 等12把Tulip 火焰的形成原因歸結(jié)為火焰面與壓力波的相互作用;Markstein 13和St rehlow 等14認(rèn)為當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ饺紵軅?cè)壁時,火焰面積減小,火焰?zhèn)鞑ニ俣葧鄳?yīng)減小,這是產(chǎn)生Tulip 火焰的原因,也被稱為Taylor 2Markstein 不穩(wěn)定性;G onzalez 等15認(rèn)為沿管道方向的速度分布和Darrieus 2Landau 不穩(wěn)定性是導(dǎo)致Tulip 火焰形成的兩個重要因素.本研究組根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,燃燒面積減小,進(jìn)

15、而降低火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约癉arrieus 2Landau 不穩(wěn)定性是Tulip 火焰形成的主要原因.圖4是火焰?zhèn)鞑ミ^程的數(shù)值模擬結(jié)果.對比圖3可以看出,火焰結(jié)構(gòu)的變化過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相符.數(shù)值模擬結(jié)果顯示,在火焰?zhèn)鞑コ跗?火焰結(jié)構(gòu)的變化更加明顯.在本文的數(shù)值模型中,將電火花124第4期管道內(nèi)甲烷2空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶?shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究點(diǎn)火過程模擬成在點(diǎn)火瞬間,把一小團(tuán)高溫氣體置于靜止的均勻混合未燃?xì)怏w中,通過擴(kuò)散與對流作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火.實(shí)驗(yàn)采用電火花點(diǎn)火,初始階段是一個比較緩慢的發(fā)展過程.這是數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因 .圖4火焰?zhèn)鞑ミ^程數(shù)值模擬圖Fig.4Simulat

16、ion results of flame propagation3.2火焰?zhèn)鞑ニ俣群土鲌鰤毫Ψ治鰧τ诠艿纼?nèi)預(yù)混氣體火焰,它的火焰?zhèn)鞑ニ俣萔 f :V f =V a +V c(7式中,V a 為燃燒產(chǎn)物膨脹引起的氣流速度,V c 為預(yù)混氣體的燃燒速度.本文中的火焰?zhèn)鞑ニ俣榷x為軸線上火焰鋒面相對于靜止坐標(biāo)系的速度,根據(jù)高速攝像機(jī)拍攝的紋影圖像計(jì)算得出.圖5 所示是火圖5火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間變化關(guān)系圖Fig.5R elationship betw een flame propagation velocity and time焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在點(diǎn)火初期,火焰?zhèn)鞑?/p>

17、速度迅速增加,當(dāng)t =27ms 左右達(dá)到最大值;而后,火焰速度開始下降,到t =39ms 時火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最小值,并維持在較小速度向前傳播;當(dāng)t =47ms 時,管道內(nèi)壓力增加到一定值導(dǎo)致泄壓膜破裂,由于泄壓口稀疏波的作用,速度急劇上升.根據(jù)數(shù)值模擬得到的預(yù)混火焰速度,在火焰?zhèn)鞑ラ_始階段,火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增加,在35ms 時達(dá)到最大值;然后緩慢下降;在43ms 時容器泄壓,氣體速度瞬間上升然后急劇下降.在t =30ms 之前,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,速度的最大值也比較接近;在t =30ms 以后,實(shí)驗(yàn)值逐漸下降而數(shù)值模擬的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓^小.這一方面主要是因?yàn)橛?jì)算中運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k 2模型來描

18、述管道內(nèi)的湍流運(yùn)動,該模型假設(shè)流動為完全湍流,分子粘性的影響可以忽略,只適合完全湍流的流動過程模擬,當(dāng)湍流度增加時,預(yù)混火焰的傳播速度、熱釋放速率和壓縮波的強(qiáng)度隨之增加,壓力峰值出現(xiàn)的時間也會變短、位置前移、強(qiáng)度增加,但是實(shí)際的試驗(yàn)過程中,在點(diǎn)火后的一個階段,預(yù)混火焰是以層流形式向前傳播,湍流影響比較小,而且結(jié)合圖3可知,僅在試驗(yàn)的最后階段湍流的影響才比較明顯.另一方面,計(jì)算時假設(shè)氣體為理想的絕熱膨脹過程,沒有考慮火焰?zhèn)鞑ミ^程中已燃區(qū)域熱散失的影響;但實(shí)際上,在整個實(shí)驗(yàn)時間段內(nèi)火焰的傳播速度都較慢(大部分時間為幾米每秒,顯然在這樣較為緩慢的傳播速度下,絕熱過程的假設(shè)會給計(jì)算結(jié)果帶來誤差:由于已

19、燃區(qū)熱散失的影響,使得已燃區(qū)的溫度和壓力迅速下降,對未燃區(qū)氣體的熱膨脹效應(yīng)減弱.因此,在今后的工作中,應(yīng)該針對管道內(nèi)預(yù)混火焰由層流到湍流的發(fā)展過程,對相關(guān)的控制方程和流動模型等進(jìn)行修改,同時考慮湍流度對計(jì)算結(jié)果的影響.火焰在管道的傳播過程中會產(chǎn)生壓力波,同時壓力波也會反過來影響火焰的傳播.圖6為火焰?zhèn)鞑ミ^程中壓力隨時間變化的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果,兩者較為吻合.泄壓以前,壓力值均隨時間不斷增加.當(dāng)t >35ms ,實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)小的振蕩,然后達(dá)到一個峰值.由圖3的紋影圖片結(jié)果可知,此時火焰陣面結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,湍流尺度不斷加強(qiáng),導(dǎo)致火焰結(jié)構(gòu)變形和流場的不穩(wěn)定,從而引起壓力的振蕩和波動;計(jì)算時由于采用

20、標(biāo)準(zhǔn)k 2模型,湍流脈動的影響加速了動量、能量和質(zhì)量的輸運(yùn),使得壓力以較快的速度224中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報第39卷圖6預(yù)混氣體壓力隨時間變化圖Fig.6R elationship betw een pressure and time增加,達(dá)到的峰值更大.當(dāng)管道內(nèi)壓力增加到一定程度后,泄壓膜破裂導(dǎo)致管道內(nèi)壓力急劇下降,實(shí)驗(yàn)過程中由于泄壓后管道內(nèi)的已燃?xì)怏w會過度膨脹,壓力驟降更為劇烈,因此實(shí)驗(yàn)過程中壓力值比模擬值下降更加明顯.4結(jié)論本文利用高速紋影攝像等手段,對封閉管道內(nèi)甲烷2空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程中的火焰結(jié)構(gòu)、傳播速度以及壓力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并結(jié)合k2模型和修正的EBU2Arrhenius

21、混合反應(yīng)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論:(點(diǎn)火初期,火焰以穩(wěn)定的球面波向前加速傳播,當(dāng)t=27ms左右達(dá)到最大值.而后,火焰速度開始下降,到t=39ms時火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最小值,并維持在較小速度向前傳播.但整個過程的流場壓力不斷增大.(在火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档倪^程中,即從t= 27ms到t=45ms之間,不僅火焰結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生了改變,而且火焰陣面的燃燒狀態(tài)也發(fā)生了改變.火焰結(jié)構(gòu)由向未燃區(qū)凸出的球面結(jié)構(gòu)變成了向燃燒產(chǎn)物側(cè)凹陷的V型火焰結(jié)構(gòu),火焰面的燃燒狀態(tài)也由層流燃燒逐漸發(fā)展成湍流燃燒.(運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k2模型,對非定常時的甲烷預(yù)混燃燒火焰進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了火焰陣面結(jié)構(gòu)、傳播速度和壓力隨時間的變化過程

22、,與實(shí)驗(yàn)值較為吻合.在下一步工作中,需要對相關(guān)控制方程和流動模型進(jìn)行適當(dāng)修正,同時深入分析湍流度對實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響,使計(jì)算值更加吻合實(shí)驗(yàn)結(jié)果.參考文獻(xiàn)(R eferences1國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局EB/OL.http:/www.2陳志華,葉經(jīng)方,范寶春,等.方形管內(nèi)楔形障礙物對火焰結(jié)構(gòu)與傳播的影響J.爆炸與沖擊,2006,2(3: 2082213.3Fairweather M,Hargrave G K,Ibrahim S S,et al.Studies of premixed flame propagation in explosion tubesJ.Combustion and F

23、lame,1999,116(4:5042 518.4李宇紅,祁海鷹,張宏武.甲烷預(yù)混燃燒火焰的詳細(xì)數(shù)值模擬J.工程熱物理學(xué)報,2002,23(1: 1192122.5徐景德,張莉聰,楊庚宇.激波誘導(dǎo)瓦斯氣體爆燃的三維數(shù)值模擬J.武漢理工大學(xué)學(xué)報,2005,27(6: 22225.6Kuzuu K,Ishii K,Kuwahara K.Numerical simulationof premixed flame propagation in a closed tubeJ.Fluid Dynamics Research,1996,18(3:1652182. 7Wiekema B J.Vapour c

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