含双侧分支受限空间油气爆炸火焰行为与超压特性大涡模拟

为研究含分支结构狭长受限空间油气爆炸特性规律，基于大涡模拟WALE模型和Zimont预混火焰模型，对横截面为100 mm×100 mm的含双侧分支管道受限空间油气泄压爆炸特性进行了数值模拟。通过对火焰形态、火焰传播速度和动态超压3个物理量的对比，验证了所建立模型对于含分支结构受限空间油气爆炸计算的适用性。基于数值模拟结果，对爆炸过程中的流场结构、火焰形态和超压变化规律进行了分析，指出了“浪花状”火焰的形成原因。结果表明:（1）火焰传播进入分支管道前，在主管道和分支管道交界处会产生旋转方向相反的对称涡旋结构，并随着火焰传播不断向分支管道内部发展；（2）当火焰传播进入分支管道后，分支管道内部前期已建立流场决定了火焰的形态，火焰锋面在涡旋结构作用下呈“浪花状”，此后火焰和流场相互影响，流场向湍流转捩，火焰锋面褶皱变形；（3）爆炸超压升压过程可划分为4个阶段，受到火焰锋面面积和分支管道泄压共同作用，表明爆炸流场、火焰行为和动态超压呈现出显著耦合性。     

多孔障碍物对预混火焰传播的影响

以甲烷为代表性气体，研究了半封闭管道中设置多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响，基于大涡模拟对实验进行了重现，对比了实验与模拟中火焰传播过程的形状、位置及速度，分析了模拟结果中火焰穿过障碍物前后的流场和表面积变化，给出了衡量火焰褶皱程度的指标及算法。结果表明:大涡模拟结果与实验结果有较好的一致性；火焰在存在障碍物的管道内传播，经历层流快速膨胀、受阻回流、湍流快速发展和脉动减速4个阶段，各阶段火焰依次分别呈现加速、减速、二次加速、二次减速的波动变化；当可燃气体在开口与点火位置同端的管道内爆炸，火焰在接近障碍物时，受管道封闭端和障碍物约束显著，而出现脉动回流现象；火焰穿过多孔障碍物后，传播速度骤升至峰值，较未穿过障碍物前的最大速度可增加58.7%；障碍物是导致火焰面破碎以及面积褶皱率增大的直接原因，火焰褶皱率最大可达44.8%，比未穿过障碍物前的最大褶皱率增大39.27%。     

湍流模型对空泡形态影响的数值研究

为研究湍流模型对空泡尾部气体泄漏方式和空泡外形的影响,基于 FLUENT6.2的 VOF 多相流模型,对考虑重力作用下的三维通气空泡流进行了数值计算,比较了大涡模拟 LES 和 RNG k-ε两种湍流模型下的空泡形态和模型表面压力系数分布。结果显示,RNG k-ε模型计算的空泡内压力较大,空泡长度更长,而 LES 的瞬态计算结果更符合通气空泡的特性,相对而言更适用于通气空泡流的模拟。     

障碍物对丙烷-空气爆炸火焰加速的影响

研究了障碍物阻塞率、障碍物间距、障碍物空间位置对丙烷-空气爆炸过程及火焰加速效应的影响。采用雷诺平均（RANS）方程和湍流火焰封闭燃烧模型计算非稳态燃烧过程,主要分析障碍物周围复杂流场特性以及湍流涡与火焰面作用的详细机理。结果表明:阻塞率在0.5~0.7时,障碍物间距对火焰加速效果的影响较大,其中障碍物间距为一倍管径时火焰加速效应最大;而障碍物的空间位置对火焰传播的影响更为显著,当障碍物位于管道单侧时,湍流涡强度最大,火焰褶皱最明显,火焰传播速度最快。     

湍流加速火焰的三维数值模拟

火焰在设有障碍物的管内传播时会自身加速，并可能导致爆炸。本文基于湍流κ-ε模型和改进的EBU—Arrhenius反应模型，对该现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果反映了障碍物、湍流和火焰之间相互作用的正反馈机理，描绘了火焰在管内加速传播的三维图像。     

方管内汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性研究

为研究汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性，采用可视化方管进行了两种爆炸模式实验研究，并基于壁面自适应局部涡黏(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)模型和Zimont预混火焰模型进行了数值模拟研究。结果表明:（1）泄爆工况超压-时序曲线峰值数量多于密闭爆炸工况，且泄爆工况超压-时序曲线存在剧烈的类似简谐振动的振荡，而密闭爆炸工况的爆炸超压特征参数显著高于泄爆工况；（2）密闭爆炸工况最大火焰传播速度明显小于泄爆工况，但前者在火焰传播初期即达到最大值，而后者在火焰传播末期才达到最大值；（3）密闭爆炸工况出现郁金香形火焰，而泄爆工况出现蘑菇形火焰，郁金香火焰的形成与管道内火焰锋面、流场和流场动压三者之间耦合效应相关，蘑菇形火焰由外部流场湍流和斜压效应的共同作用引起。     

T型分支管道对油气爆炸压力的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气爆炸压力的影响,进行了不同初始油气体积分数、不同初始点火能工况下多参数对比实验,并对火焰传播进行了可视化研究。实验结果表明:T型分支管道对油气爆炸压力有强化作用,强化程度和初始油气体积分数关系密切,在当量比附近,强化程度表现最显著;初始点火能对油气爆炸最大超压影响显著,随着点火能的增大,最大爆炸超压呈线性增长;波的绕射和反射、流场湍流度增强、管道通道面积增大和障碍物扰动是导致T型分支管道内爆炸压力增强的主要因素;T型分支管道会导致火焰阵面严重地弯曲褶皱变形,增大火焰面积,并且回传火焰对T型分支结构壁面具有较强的破坏作用。     

耦合火焰不稳定的爆炸超压预测

基于火焰不稳定和爆炸超压的耦合机制，通过向光滑火焰模型中引入褶皱因子，建立了褶皱火焰模型和湍流火焰模型，对密闭燃烧室内爆炸超压进行理论预测，且对比了绝热压缩和等温压缩对爆炸超压预测的影响规律。结果表明:在增强的流体动力学不稳定作用下，膨胀火焰失稳加剧，且在定容燃烧阶段形成胞状火焰；光滑火焰模型忽略了火焰不稳定，爆炸超压理论预测值比实验值偏低，且等温压缩下超压预测值低于绝热压缩下的预测值；湍流火焰模型高估了火焰褶皱程度，超压预测值远高于实验值；褶皱火焰模型可成功预测丙烷/空气爆炸压力和燃烧室体积V=25.6 m3的甲烷/空气爆炸压力；对于甲烷/空气爆炸，燃烧室体积V≤1.25 m3时，实验压力值介于褶皱火焰模型和绝热光滑火焰模型预测值之间。     

内锥流量计流出系数预测方法研究

采用标准k-ε模型、RNG(Renormalization Group)k-ε模型、Realizable k-ε模型和Reynolds应力方程模型 RSM(Reynolds Stress Model) 对100 mm口径6种结构的内锥流量计内流场进行了数值模拟.在等效直径比β值为0.65的三种结构内锥流量计流出系数的仿真计算中,四种湍流模型计算结果与物理实验结果误差的平均值分别为4.19%,2.84%,2.88%和-0.822%;对β值为0.85的情况,各模型计算误差的平均值分别为11.8%,9.62%,9.30%和4.76%.研究结果表明,RSM模型在6种结构内锥流量计流出系数的预测中,计算精度较高,表现出了较好的性能,优于三种k-ε涡粘模型,更适于内锥流量计流场数值模拟与流出系数的预测.     

几种k-ε模式在细长体分离流计算中的应用

分别利用Launder—Spalding k-ε模式、Shih k-ε模式和重整群(Renorma—lizationGroup)k-ε模式模拟了细长旋成体在超音速中等大攻角下的背风面分离流，从背风面分离涡的强度和位置、物面压力分布、集中力和力矩以及湍流粘性比等方面比较了三种模式的计算结果，并与已有的试验结果进行了对比。结果证实，三种k-ε模式均能很好地模拟背风面分离流，其中又以重整群k-ε模式的结果与试验结果最为接近。     

模拟立式拱顶油罐内油气爆炸实验研究

为探究立式拱顶油罐内油气体积分数、点火位置和液位对爆炸超压特性参数与火焰发展的影响规律,开展了一系列的实验研究,得到以下结果:（1）1.7%是任一工况下的最危险油气体积分数,内场超压发展都可以分为超压上升、超压泄放和振荡衰减3个阶段。爆炸过程中CH、C₂、OH等自由基的生成和空间分布,使得不同初始油气体积分数下或不同爆炸阶段的火焰呈现不同的颜色变化。（2）点火位置对油气爆炸超压特性参数的影响较大,位置越靠下,爆炸威力越大。罐底中心点火时,内外场平均升压速率取得最大值,分别为0.46和0.05 MPa/s。（3）液位变化对油气爆炸内外场超压的影响较大,油罐侧壁上部位置点火时,50%液位是最危险的液位。任意液位下外场超压随比例距离的增大都呈现幂指数衰减规律,不同液位下油气爆炸外场冲击波超压峰值与距离和油气混合物体积的关系可以用一个公式统一表示。相比于气相空间,液相空间的超压变化具有延后性、负压增强和振荡衰减更快的特点。     

T型分支管道对油气爆炸强度的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气混合物爆炸强度的影响规律,测试了不同初始体积分数条件下直管和具有T型分支管中爆炸波超压值,并利用有机玻璃透明管道对火焰传播规律进行了可视化研究。得到以下结论:(1)T型分支管道对油气爆炸有强化作用,在油气体积分数为1.2%至1.6%范围内表现最明显; (2)T型分支管道对油气爆炸的强化作用受管道横截面突扩和障碍物扰动以及波的反射、绕射三方面的影响; (3)火焰经过分支管道时,火焰阵面发生极大的扭曲,火焰表面积显著增大,燃烧速率增大,增强了热量和活性物质的输运速率,提高了爆炸波的强度; (4)在T型分支管道附近, 油气爆炸的压力突变增强, 是由压力波反射、绕射引起的温升效应和压力波引起湍流强度增强共同导致。     

油气爆炸的氮气非预混抑制实验

依靠激波管可视化实验台架，完成了油气爆炸的氮气非预混抑制实验，获得了火焰前锋在氮气非预混段内衰减、熄灭过程的高速摄影照片。通过对实验数据和高速摄影照片的分析，讨论了油气爆炸氮气非预混抑制过程的超压特性和火焰行为。结果表明，采用氮气非预混手段能显著降低油气爆炸过程的超压与超压上升速率。油气爆炸的氮气非预混抑爆过程经历了惯性相持期、抑制衰减期和扩散熄灭期3个阶段。氮气分子作为第三体参与化学反应并携带走高能自由基的能量，促使链式反应向中止链大量发展，这是油气爆炸氮气非预混抑制过程的主要机理。抑制衰减期的火焰由衰减抑制区和核心区火焰构成，火焰与氮气的相互作用主要发生在衰减抑制区内。在抑制衰减期内，火焰速度的衰减可用线性公式描述。     

耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测

通过揭示当量比对氢气云爆炸火焰形态、火焰半径和爆炸超压峰值的影响规律,本文拟建立耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测模型。结果表明:氢气云爆炸火焰传播速度由大至小对应的当量比依次是Φ=2.0、Φ=1.0和Φ=0.8。Le＜1.0和Le＞1.0的氢气云爆炸火焰表面均出现胞格结构,胞格结构的出现必然会增加火焰燃烧表面积,进而出现“火焰自加速”现象。对于特定的当量比,随着压力监测点和点火位置间距的增加,爆炸超压峰值的正值和负值绝对值均单调减小;对于特定的压力监测点,爆炸超压峰值的正值和负值绝对值随当量比的关系存在些许差异;不同当量比和监测点位置的爆炸超压峰值的负值绝对值大都高于正值。耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测模型可成功预测不同压力监测点薄膜破裂前氢气云爆炸超压的发展过程。     

圆柱形管道旁侧油气泄爆实验研究

油气是一种组分复杂的可燃气体,极易发生爆炸。为了研究油气在受限空间的泄爆规律,对不同体积分数油气在圆柱形直管道旁侧的单孔和双孔泄爆进行了可视化实验,获得了管道内外流场的爆炸超压规律和管道外流场的火焰特征。发现油气泄爆过程存在未燃气体从开孔泻出、形成“蘑菇云”、持续剧烈燃烧、逐渐熄灭4个阶段。通过对最大爆炸超压的数据对比分析,获得了双孔泄爆可以数倍分流单孔的外部最大超压;开孔位置距点火端越远,孔外最大超压越大;泄爆中外流场最大超压远大于内流场最大超压等结论。     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果，采用自主搭建的爆炸实验平台，探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明，不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时，爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低，并在厚度较大时，火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时，预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄，但随后一段时间内，由于负压抽吸作用，在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象，且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率，同时可吸收能量，进而提高爆炸超压的上升速率，降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时，与当量比为1的预混气体爆炸相比，超压峰值最大可提高约2倍，造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄，最大超压衰减可达47.17%，δ=30时最大超压衰减了24.62%。