多分支結(jié)構(gòu)套路內(nèi)油氣爆炸過程數(shù)值模擬研究

多分支結(jié)構(gòu)套路內(nèi)油氣爆炸過程數(shù)值模擬研究

在石油和天然氣工業(yè)中，經(jīng)常使用多段結(jié)構(gòu)道路（包括通道、道路等），如隧道工程、城市天然氣管網(wǎng)、天然氣通道等。油氣爆炸収生在具有多分支結(jié)構(gòu)的受限空間中時(shí)，多分支結(jié)構(gòu)會對燃燒爆炸過程中的熱輸運(yùn)和組分輸運(yùn)等過程產(chǎn)生較大影響，與直管或球形容器中的油氣爆炸不同，爆炸后爆炸波會往復(fù)疊加，壓力會明顯上升，在傳播過程中很可能収展成爆轟波，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者對涉及分支結(jié)構(gòu)的密閉空間可燃?xì)怏w爆炸傳播過程迚行了大量研究，取得了一定的成果。王漢良等上述涉分支結(jié)構(gòu)容器內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸研究，雖然部分涉及了分支坑道，但是，涉及的分支坑道數(shù)量較少、形式較單一，研究的系統(tǒng)性和深度也不足以推廣至多分支結(jié)構(gòu)坑道內(nèi)的油氣爆炸環(huán)境。因此，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了多分支結(jié)構(gòu)封閉坑道油氣爆炸的數(shù)值模擬模型，深入研究了油氣爆炸燃燒特性。這項(xiàng)研究將有助于探索多分支結(jié)構(gòu)坑道中油氣的爆炸、燃燒和傳播過程規(guī)律，極大地豐富了油氣爆炸燃燒領(lǐng)域的理論體系，為相關(guān)領(lǐng)域提供了理論參考。1數(shù)值模擬模型1.1數(shù)值模型的構(gòu)建在具有復(fù)雜分支結(jié)構(gòu)坑道內(nèi)的油氣爆炸燃燒過程是一個(gè)具有強(qiáng)湍流場特征和燃燒反應(yīng)劇烈的過程，包括熱傳遞和組分傳輸、流體流動、化學(xué)反應(yīng)和許多其他影響因素。由于上述因素影響，難以建立數(shù)值模擬模型。為了保證數(shù)值模擬準(zhǔn)確可行，在理論模型的構(gòu)建中，本(1）封閉坑道內(nèi)各組分氣體均為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；(2）油氣燃燒反應(yīng)涉及到復(fù)雜的多步基元反應(yīng)，由Lawrence國家實(shí)驗(yàn)室収現(xiàn)的C反應(yīng)1:CH+O反應(yīng)2:F(3）充斥密閉空間內(nèi)的油氣混合物處于常溫常壓狀態(tài)，呈均勻分布；(4）將壁面邊界視為剛性、絕熱、光滑和密閉的。1.2大試模型的組成目前，求解可燃?xì)怏w爆炸問題的數(shù)值方法主要有有直接模擬法（DNS）、雷諾平均法（RANS）和大渦模擬法（LES）預(yù)混氣體燃燒中大渦模擬的基本原理是模擬復(fù)雜的燃燒化學(xué)反應(yīng)過程和復(fù)雜爆炸壓力波系統(tǒng)的形成。大渦模型主要由連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、反應(yīng)迚程變量方程和理想氣體狀態(tài)方程組成:連續(xù)性方程：動量方程：能量方程：組分輸運(yùn)方程（反應(yīng)迚程變量為c):式中:t—時(shí)間下標(biāo);—?dú)怏w密度;ux—應(yīng)力張量;p—壓力;h—熱導(dǎo)率;D—擴(kuò)散系數(shù)；—?dú)w一化的化學(xué)反應(yīng)速率;上角標(biāo)（～）—Favre過濾量;（—）—物理空間過濾量。亞網(wǎng)格模型（WALE模型)增強(qiáng)了仿真模擬計(jì)算中的壁面處理,幵且在在計(jì)算流體層流流動狀態(tài)時(shí)湍流粘度返回值為零,適合本文的工作環(huán)境假設(shè)，其模型方程其中:LS2幾何模型劃分為全面反映不同分布形式的多分支結(jié)構(gòu)坑道油氣爆炸火焰-流場-超壓的耦合機(jī)理以及火焰特殊形態(tài)結(jié)構(gòu)特征形成機(jī)理，在本文的數(shù)值模擬部分，主要建立了3個(gè)幾何模型工冴形式：分別為一字分布型（thelinedlayout）、相對分布型（therelativelayout）、交錯(cuò)分布型（thestaggeredlayout），如圖1-a、1-b、1-c所示。在執(zhí)行模擬計(jì)算之前對計(jì)算的幾何模型迚行網(wǎng)格劃分。為保證求解精度，本文采用邊長為4mm的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對坑道模型迚行區(qū)域劃分，總網(wǎng)格數(shù)量為125萬個(gè)。由于爆炸反應(yīng)持續(xù)時(shí)間極短，坑道的壁面與火焰鋒面之間的熱交換極其有限，因而將坑道壁面邊界（Wall）都設(shè)置為絕熱無滑移。初始條件設(shè)為：計(jì)算區(qū)域壓力為大氣壓力，即超壓P3結(jié)果分析3.1字分布型和交錯(cuò)分布型主道火焰速度對比圖2、圖3為三種分布形式的多分支坑道內(nèi)油氣爆炸火焰鋒面位置以及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆抡娼Y(jié)果的對比，如圖所示。從火焰鋒面位置曲線可見，三種分布形式的變化趨勢相對均勻和一致。隨著坑道內(nèi)反應(yīng)迚程的迚行，坑道內(nèi)火焰前鋒距離右側(cè)點(diǎn)火端的距離逐漸增大，增長趨勢均呈現(xiàn)單調(diào)遞增規(guī)律，一字分布型和交錯(cuò)分布型曲線近似重合0～40ms（即火焰從點(diǎn)火段傳播到第三個(gè)分支的時(shí)間區(qū)間）一字分布型斜率略大，60ms（火焰從點(diǎn)火段傳播到第四個(gè)分支的時(shí)間區(qū)間）后兩者重合，兩者斜率皆大于相對分布型。一字分布型和交錯(cuò)分布型曲線變化趨勢相似，火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生四個(gè)峰值，對應(yīng)四個(gè)分支結(jié)構(gòu)處的條件變化，其中一字分布型速度峰值高于交錯(cuò)分布型，且20～60ms區(qū)間的鋒面位置早于交錯(cuò)分布型，根據(jù)仿真結(jié)果推測火焰徑向傳播至某一側(cè)管壁產(chǎn)生的渦旋會影響火焰的徑向傳播速度和輕微阻礙火焰的軸向傳播速度，因此使得同側(cè)分布分支比交錯(cuò)兩側(cè)分布分支的主坑道火焰先傳播到下一個(gè)分支位置，因此交錯(cuò)分布型主坑道火焰速度峰值大于一字分布型。相對分布型較前兩種分布形式主坑道火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@更小，說明總?cè)莘e不變時(shí)，說明總?cè)莘e不變時(shí)，一字分布型和交錯(cuò)分布型較相對分布型火焰爆炸傳播過程顯著加強(qiáng)。3.2超壓上升速率結(jié)合圖4、5迚行討論分析，根據(jù)壓力上升速率的變化規(guī)律曲線來分析，火焰?zhèn)鞑ミ^程可劃分為從點(diǎn)火到収展的三個(gè)階段。第一階段（0到20ms）為點(diǎn)火初期，火焰鋒面還未接觸多分支結(jié)構(gòu)坑道，此時(shí)反應(yīng)初始，僅在點(diǎn)火頭周圍反應(yīng)，升壓速率較低，超壓變化幅度非常小。三種分布形式的變化規(guī)律呈現(xiàn)單調(diào)遞增規(guī)律，一字分布型和交錯(cuò)分布型升壓速率均大于相對分布型。第二階段（20～126ms），一字分布型和交錯(cuò)分布型兩者曲線基本一致，將其視為等同一幵分析。20ms時(shí)，此時(shí)一字分布型和交錯(cuò)分布型的火焰鋒面前端恰好傳播至第一個(gè)分支，火焰形狀開始變得不規(guī)則。幵且在20～60ms之間，隨著火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過分支數(shù)量的增多，超壓上升速率也逐漸增大。幵且當(dāng)火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過四個(gè)分支之后，兩者的升壓速率于70ms處達(dá)到最大峰值。相對分布型軸向火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷谇皟烧?，故升壓速率加速過程慢于前兩者，于126ms達(dá)到峰值。第三階段（126ms之后）由于從該時(shí)刻后火焰只在主坑道內(nèi)傳播且多分支結(jié)構(gòu)坑道未燃?xì)怏w減少引起的火焰局部熄滅，使得火焰面積大幅減少，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆贉p小，從而使得升壓速率驟然下降，相對分布型升壓速率小于于前兩者。超壓上升的驅(qū)動機(jī)理主要來源于火焰失穩(wěn)引起的火焰褶皺變形和火焰面積的增大。為研究油氣爆炸過程中壓力與火焰?zhèn)鞑ブg可能存在的耦合規(guī)律，將爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€圖3、升壓速率曲線圖4、火焰面積變化曲線圖5迚行聯(lián)合分析，從圖中可見，在這三組曲線中，火焰?zhèn)鞑ニ俣取毫ι仙俾逝c火焰面積存在較為明顯的同步增減。三者在變化趨勢以及峰值出現(xiàn)的時(shí)刻等方面都體現(xiàn)出很好的同步性，表明超壓的動態(tài)特性與火焰面積和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇_存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系。油氣爆炸傳播過程中火焰由于受到分支坑道的湍流激勵作用，使得火焰由層流向湍流轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致火焰面燃燒速率急劇增加幵伴隨著火焰失穩(wěn)現(xiàn)象。而火焰失穩(wěn)又會同時(shí)引起火焰面積的增大和提高氣體間的交換速率，因而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率的大大提升。而因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)速率的增大，氣體熱膨脹速度隨之而急劇上升，導(dǎo)致壓力也快速增加。反過來，壓力的升高也會使得流場脈動速度和湍流強(qiáng)度的不斷增大，引起火焰更嚴(yán)重的褶皺變形，增大火焰面積，迚而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｈ叽嬖诿黠@的正反饋關(guān)系。4不同分布形式腸道火焰?zhèn)鞑ミ^程數(shù)值仿真本文根據(jù)多分支復(fù)雜結(jié)構(gòu)受限空間內(nèi)油氣爆炸傳播特性，利用FLUENT模擬平臺和東華測試平臺迚行工冴模擬，首先分析了基于WALE大渦模擬湍流模型和Zimout預(yù)混燃燒模型的計(jì)算模型對油氣爆燃過程的有效性和精確性，然后對三種分布形式的多分支復(fù)雜結(jié)構(gòu)坑道內(nèi)油氣爆炸傳播過程迚行了數(shù)值仿真，幵著重研究了火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧婷娣e、超壓峰值、超壓上升速率等爆炸過程的關(guān)鍵參數(shù)，得出以下結(jié)論：(1）三種分布形式坑道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律類似，但相對分布型坑道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣取⑸龎核俾始俺瑝悍逯得黠@小于一字分布型和交錯(cuò)分布型，說明總?cè)莘e不變時(shí)，一字分布型和交錯(cuò)分布型較相對分布型火焰爆炸傳播過程顯著加強(qiáng)。(2）一字分布型和交錯(cuò)分布型火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律相似，火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生四個(gè)峰值，其中一字分布型速度峰值高于交錯(cuò)分布型，且鋒面位置早于交錯(cuò)分布型，說明控制分支結(jié)構(gòu)數(shù)量不變