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

多分支結(jié)構(gòu)套路內(nèi)油氣爆炸過(guò)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(huì)對(duì)燃燒爆炸過(guò)程中的熱輸運(yùn)和組分輸運(yùn)等過(guò)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(huì)往復(fù)疊加，壓力會(huì)明顯上升，在傳播過(guò)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(zhuān)家學(xué)者對(duì)涉及分支結(jié)構(gòu)的密閉空間可燃?xì)怏w爆炸傳播過(guò)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(guò)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(guò)程是一個(gè)具有強(qiáng)湍流場(chǎng)特征和燃燒反應(yīng)劇烈的過(guò)程，包括熱傳遞和組分傳輸、流體流動(dòng)、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(mǎn)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(guó)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(wèn)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(guò)濾量;（—）—物理空間過(guò)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(dòng)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(chǎng)-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(duì)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(duì)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(zhǎng)為4mm的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)坑道模型迚行區(qū)域劃分，總網(wǎng)格數(shù)量為125萬(wàn)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(wú)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(duì)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(duì)比，如圖所示。從火焰鋒面位置曲線(xiàn)可見(jiàn)，三種分布形式的變化趨勢(shì)相對(duì)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(zhǎng)趨勢(shì)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(xiàn)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(duì)分布型。一字分布型和交錯(cuò)分布型曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相似，火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生四個(gè)峰值，對(duì)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(cè)火焰徑向傳播至某一側(cè)管壁產(chǎn)生的渦旋會(huì)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(duì)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(shuō)明總?cè)莘e不變時(shí)，說(shuō)明總?cè)莘e不變時(shí)，一字分布型和交錯(cuò)分布型較相對(duì)分布型火焰爆炸傳播過(guò)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(xiàn)來(lái)分析，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)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?chē)磻?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(duì)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(xiàn)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(kāi)始變得不規(guī)則。幵且在20～60ms之間，隨著火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)過(guò)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(guò)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(duì)分布型軸向火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷谇皟烧?，故升壓速率加速過(guò)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(duì)分布型升壓速率小于于前兩者。超壓上升的驅(qū)動(dòng)機(jī)理主要來(lái)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(guò)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(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€(xiàn)圖3、升壓速率曲線(xiàn)圖4、火焰面積變化曲線(xiàn)圖5迚行聯(lián)合分析，從圖中可見(jiàn)，在這三組曲線(xiàn)中，火焰?zhèn)鞑ニ俣?、壓力上升速率與火焰面積存在較為明顯的同步增減。三者在變化趨勢(shì)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(dòng)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(guò)程中火焰由于受到分支坑道的湍流激勵(lì)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(huì)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(guò)來(lái)，壓力的升高也會(huì)使得流場(chǎng)脈動(dòng)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?。三者存在明顯的正反饋關(guān)系。4不同分布形式腸道火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)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(tái)和東華測(cè)試平臺(tái)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(duì)油氣爆燃過(guò)程的有效性和精確性，然后對(duì)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(guò)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(guò)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(lèi)似，但相對(duì)分布型坑道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?、升壓速率及超壓峰值明顯小于一字分布型和交錯(cuò)分布型，說(shuō)明總?cè)莘e不變時(shí)，一字分布型和交錯(cuò)分布型較相對(duì)分布型火焰爆炸傳播過(guò)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(shuō)明控制分支結(jié)構(gòu)數(shù)量不變