數(shù)值模擬報(bào)告

1、密閉空間內(nèi)甲烷氣體的爆炸數(shù)值模擬陳婷婷 2220130040季曉林 2120130301摘要： 密閉受限空間中可燃?xì)怏w的爆炸研究對(duì)于石油及天然氣工業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要意義。以RNGK-湍流模型基礎(chǔ)，建立了可燃?xì)怏w單步化學(xué)反應(yīng)湍流爆炸 模型, 以有限體積法求解爆炸流動(dòng)及反應(yīng)控制方程 , 從而對(duì)二維受限空間中可燃 氣體爆炸的過程及規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬 , 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有著較好的吻合 性。所做的工作為受限空間中可燃?xì)怏w爆炸特性及規(guī)律的進(jìn)一步研究及工業(yè)防爆 抑爆技術(shù)的工藝實(shí)施、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 ：湍流模型二維受限空間 有限體積法數(shù)值模擬1 引言工業(yè)上由氣體爆炸引起的事故

2、屢見不鮮， 往往造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的 人員傷亡。 氣體爆炸常發(fā)生在密閉空間或者起始階段發(fā)生在密閉空間， 因?yàn)樾孤?的可燃?xì)怏w在封閉場(chǎng)所容易形成可燃?xì)庠啤Ｃ荛]空間的長度與直徑比 ( L /D) 較 大時(shí)，火焰?zhèn)鞑ヅc壓力變化過程更加復(fù)雜。因此研究和分析 L /D 較大的容器內(nèi) 氣體爆炸具有非常重要的實(shí)際意義。本文對(duì)內(nèi)徑100 mm,長3000 mm(L/D=30)的容器內(nèi)甲烷空氣爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模型采用RNG k- &方法計(jì)算湍流，采用基于梯度方法對(duì)燃燒 過程建立模型。 模型中考慮了甲烷濃度、 湍流、溫度和壓力等因素對(duì)燃燒速率的 影響。模擬計(jì)算得到的爆炸最大壓力與爆炸時(shí)間

3、與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合, 驗(yàn)證了數(shù)值結(jié) 果的有效性。數(shù)值結(jié)果揭示了爆炸過程中火焰的傳播規(guī)律、流場(chǎng)特性。2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法基于實(shí)驗(yàn)研究和分析 ,管道中的可燃?xì)怏w爆炸是典型的湍流爆炸 。其本質(zhì)是 一帶壓力波的高湍流度、 高反應(yīng)速率的燃燒過程。 爆炸過程不僅存在一般湍流燃 燒的影響因素 ,還有爆炸過程所特有的高反應(yīng)速率特性以及壓力波的傳播、 壓力 波與火焰的正反饋機(jī)制 ,基于此 ,本文將建立管道中可燃?xì)怏w爆炸過程的湍流爆炸理論分析模型。鑒于湍流爆炸模型的復(fù)雜性，將該模型分為描述流場(chǎng)流動(dòng)的湍流模型和基于該湍流流場(chǎng)的爆炸燃燒模型進(jìn)行研究。采用基于總能方程的RNG k- £湍流模型模擬爆炸過程中的湍

4、流流動(dòng)2.1可燃?xì)怏w爆炸流場(chǎng)湍流模型的建立以甲烷氣體為爆炸介質(zhì)，其爆炸單步化學(xué)反應(yīng)為CH4+2O2= CO2+ 2H2O+ Q,Q= 880 kJ/ mol為反應(yīng)釋放的能量。對(duì)于單步不可逆化學(xué)反應(yīng)，采用阿侖尼烏斯(Ahrre ni us )反應(yīng)率公式即:2ERfu =-K'P mfUmox exp()RTSolverSolverPressure Based Density BasedFormulation* Implicitr_' ExplicitSpace席2D宀 Axisymmetric宀 Axisymmetric Swirl C JDTimeSteadyUnsteadyT

5、ransient Controls廠 Non-Iterative Time Advancenitnt廠 Frozen Flux FormulationVelocity Formulation * AbsoluteRelativeUnsteady FormulationC Explicit' 1 st-Order Implicit2nd-0rder Implicit* Green-Gauss Cell Based Green-Gauss Node Based Least Squares Cell BasedPorous Formulation亍 Superficial Velocity

6、廠 Physical VelocityOK | CancelHelpSolution ControlsUnder-Relaxation FactorsSolver ParametersCourant Number5Flux Type Rg-FD£FlowSecond Order UpwindTurbulent Kinetic EnergyFirst Order UpwindTurbulent Dissipation RateFirst Order UpwindJDiscretization兼顧湍流模擬精度和計(jì)算量，本文采用兩方程湍流模型為流場(chǎng)湍流模型。由于RNG k- &模型

7、具有嚴(yán)格統(tǒng)計(jì)分析得到的系數(shù)和有效粘度的微分格式的特點(diǎn)，使其在廣泛的流動(dòng)范圍內(nèi)比標(biāo)準(zhǔn)k- &模型精確，并且RNG k- &模型在快速應(yīng)變 流的計(jì)算中也具有一致認(rèn)可的良好精度。因此，以RNG k- &模型作為爆炸流場(chǎng)的湍流模型。采用總能形式的能量方程能較好地描述高速流動(dòng)，而且在求解時(shí)可 以利用矢通分裂方法提高壓力計(jì)算的精度,因此，采用總能E= e+ ( 1/ 2) u uj作 為能量的度量。S2! vi 5cqus ModelModel廠 Inviscidr' LaminarSpalart-Allmras (1 eqn冷 k-epsilon 2 eqn)廠 k-om

8、ega (2 eqn)_ Reynolds Stress (5 eqnk-epsilon Model-Standard 金RNG 廠 RealizableRNG Options廠 Differential Viscosity ModlelNear-Wall TreatmentStandard Wall Functions Non-Equilibrium Wall Functions Enhanced Wall Treatment User-Defined Wall FunctionsModel ConstantsCmu "oTesusCl-EpsilonC2Epsilon|l.68U

9、ser-Defined FunctionsTurbulent Viscosity noneCancelHeljj氣體爆燃數(shù)學(xué)上為理想氣體由于熱導(dǎo)致膨脹流動(dòng)基本方程：質(zhì)量守恒方程:能量守恒方程:(")=0J *：t : x j動(dòng)量守恒方程：rL、L、r.r.Eu.C E)( : ujE)(一 E)(puj j -一 t: Xj: Xj:Xj:Xj:Xj.ijdx j湍流方程：湍流動(dòng)能J"#"匕一犬）耗散率(L)(汕；)-()Ci ijztXjXjXjkk燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù):'(:m fu )- ( ?u j m fu)-(-.t:x j:x jfu叫+Rfu:Xj

10、2.2物理模型如圖1所示，受限空間為封閉空間，其直徑為100 mm，長度為3 m，整個(gè)空間內(nèi)充滿了甲烷-空氣的混合物。在管道封閉端有一高溫啟爆源，以直接誘導(dǎo)爆炸圖1模型幾何結(jié)構(gòu)采用與x , y坐標(biāo)平行的正交網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分邊界條件：壁面采用無滑移、無傳熱的邊界條件。采用壁面函數(shù)法補(bǔ)充壁面 區(qū)域的流動(dòng)條件。由于非平衡壁面函數(shù)法考慮了壓力梯度的影響和邊界區(qū)域 k和 的產(chǎn)生與消耗，在有壓力梯度存在的流場(chǎng)模擬中仍能得出正確的模擬結(jié)果，因 此采用非平衡壁面函數(shù)法處理壁面邊界條件。初始條件：?jiǎn)⒈碩o= 1.5kK,高溫火源誘導(dǎo)爆炸；其他區(qū)域：p 0= 0, To=300 K,其中壓力為101

11、. 325 kPa,惰化區(qū)的惰氣按不同工況設(shè)為不同的值。2.3數(shù)值計(jì)算方法采用有限體積法（FVM）求解所建立的理論模型，各控制方程中的粘性通量的處 理直接利用中心差分格式:&= （ 1/ 2）（ 0+血）+ （ 1/ 2） （A 材rP o+A相* r" 1）,中 心差分格式離散粘通量可以使粘通量的計(jì)算保持二階精度。無粘通量處理較為復(fù)雜，利用矢通分裂法進(jìn)行處理，F(xiàn)f=1/2（ Fr+ Fl） 1/2ir A | （ Qr- Ql）其中：| A | = M|A | M-13數(shù)值結(jié)果分析如表一所示時(shí)間(ms)壓強(qiáng)（Pa）溫度（K）速度（m/s）最小（min）最大(max)最小(m

12、in)最大(max)最小(min)最大(maX5-3.403eA-161125.301299.99652558.761020.3931210-5.814eA-151288.777299.99742666.397025.8025715-4.62eA-151630.345299.99772703.465030.8696220-4.13eA-152025.768299.99782695.26038.7856325-3.59eA-152517.984299.99792685.699043.8047530-3.07eA-153206.634299.99782683.436051.9751835-7.05

13、eA-144195.595299.9982682.015063.1597140-1.66eA-135685.614299.9982679.731078.03758454.34eA-58077.87299.99812677.385098.33509502492.90621403.08311.2572693.0040330.723813857824.5237844.7082652.6822739.36609.53表2不同時(shí)間各個(gè)量的最大值分布表時(shí)間（ms）最大壓強(qiáng)所在位 置（cm）最大速度所在位 置（cm）最大溫度所在位置（cm）5-149.445-139-15010-120-120-14515-

14、93-90-14420-60-68-14425-29-28-1443002-147354035-14740757514750150150-147分析說明：從以上表中分析可得火焰的速度：從以上的數(shù)據(jù)和分布圖火焰分布圖 中可以看出從5m開始火焰的速度一直在增加，當(dāng)火焰漸漸接近壁面 后，由于受到壁面阻礙和管端的約束作用，火焰改變方向與已燃區(qū)內(nèi) 的已燃?xì)怏w相作用，使已燃區(qū)內(nèi)發(fā)生湍流（5ms）。壁面的約束加劇了 湍流的產(chǎn)生，在湍流旋渦的作用下，火焰開始發(fā)生變形、拉伸，火焰進(jìn) 入加速傳播階段后（5-40ms）,火焰面的變大使更多的可燃?xì)怏w參與 反應(yīng),增大了燃燒反應(yīng)速率，燃燒反應(yīng)速

15、率的提高使反應(yīng)釋熱速率增 大，導(dǎo)致了燃燒產(chǎn)物的進(jìn)一步膨脹加速，壓力增大;壓力的增大又推動(dòng) 了火焰面前方可燃?xì)怏w的流動(dòng)，導(dǎo)致了火焰面附近更高的湍流動(dòng)能和 燃燒速率,在這種正反饋機(jī)制作用下，最終使火焰加速傳播。隨著火焰 的繼續(xù)發(fā)展（50ms后）,受到密閉管道管壁的約束，火焰陣面兩側(cè)氣體 出現(xiàn)反向流動(dòng)，火焰面后端氣體出現(xiàn)與火焰?zhèn)鞑シ较虻姆聪蛄鲃?dòng)，而 前端氣體流動(dòng)與火焰?zhèn)鞑シ较蛳嗤瑥亩够鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扔兴档停?此時(shí)管道內(nèi)最大速度降為19m/s。隨著火焰?zhèn)鞑サ睦^續(xù)進(jìn)行（1385ms）, 管道尾端管壁對(duì)氣體流動(dòng)的障礙作用越來越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸掷m(xù)下 降，管道軸線上的速度只有9m/s。最大壓強(qiáng)：在50m時(shí)

16、達(dá)到最大壓強(qiáng)21403.08Pa。最大溫度：在50m以后整個(gè)管道內(nèi)溫度基本上處于波動(dòng)不大的狀態(tài)，在 25002768K之 間。圖2為不同時(shí)刻管道內(nèi)壓力分布圖，可以清晰地看出管道內(nèi)氣體爆燃過程中的壓 力變化情況；圖2火焰?zhèn)鞑D（壓強(qiáng)分布圖）自上而下依次是5ms 10ms 15ms 20ms 30ms 40ms 50ms可見到50m啲時(shí)候火焰?zhèn)鞑サ焦艿赖淖钣叶耍藭r(shí)的管壁承受的壓強(qiáng)最大，達(dá)到了 0.2MPa,此時(shí)的溫度達(dá)到了 2700KB此往后開始往回傳播， 壓強(qiáng)逐漸降低，直至達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)一共經(jīng)歷了1400 ms,管內(nèi)基本上達(dá)到了一個(gè)平衡狀態(tài)， 壓強(qiáng)達(dá)到了 7844.708Pa ,溫度達(dá)到了 2724&圖3溫度分布圖50mS寸候最大壓強(qiáng)處的一些特性曲線圖湍動(dòng)能圖湍流耗散率圖速度矢量圖流函數(shù)分布圖1 42&-0J2.70B+02.55&+02 41&*02.27&+05.6B&-0J4.26&-0-2,B4e+02.13&*01.&9O