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。     

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。     

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。     

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO_3和MgCl_2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl_2和NaHCO_3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl~-销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO_3~-,阳离子Na~+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg~(2+)。     

甲烷/空气预混气体火焰的传播特征

利用高速纹影摄像等技术探讨了密闭管道内不同当量比的甲烷/空气预混气体火焰的传播特征。结果表明,当甲烷含量接近当量值时,预混气体火焰传播中会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程,逐渐由层流燃烧转变成湍流燃烧,并形成Tulip火焰结构;当甲烷含量偏离当量值一定程度时,预混火焰呈现出典型的层流燃烧特征,不会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程。Tulip火焰结构形成于火焰传播速度迅速降低的区间里,且只有当减速阶段的最大加速度的绝对值大于某一数值时才能形成;Tulip火焰结构是预混火焰由层流燃烧向湍流燃烧转变的一个中间过程。     

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%。     

油气在顶部含弱约束结构受限空间内的爆炸特性

建立了顶部含有弱约束结构的受限空间油气爆炸实验系统,并对含有弱约束的受限空间中油气爆炸特性进行实验研究,获得超压变化规律及火焰发展特征。结果表明:(1)容器内部超压受泄流、外部爆炸、火焰扩张等因素的影响,出现多个峰值,并伴以强烈的振荡;容器外部超压随着距离的增大而减小,且竖直方向超压大于水平方向超压。(2)与无约束爆炸相比,弱约束结构对爆炸的影响主要体现在对爆炸超压的增强效应和对爆炸发展速率的滞后效应。(3)爆炸超压随着油气体积分数的增加先增大后减小,最大超压所对应的初始油气体积分数为1.79%。(4)容器外火焰发展过程分为初级燃烧阶段、过渡燃烧阶段、次级燃烧阶段,由于受Rayleigh-Talor不稳定、Helmholtz不稳定、斜压效应的影响,火焰出现褶皱和卷曲,最大火焰高度和直径分别为0.8和0.55 m。     

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%。     

连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟

采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性。结果表明:（1）大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;（2）障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;（3）爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性。     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

LES of Low to High Turbulent Combustion in an Elevated Pressure Environment

A subgrid scale flame surface density combustion model for the Large Eddy Simulation (LES) of premixed combustion is derived and validated. The model is based on fractal characteristics of the flame surface, assuming a self similar wrinkling of the flame between smallest and largest wrinkling length scales. Experimental and direct numerical simulation databases as well as theoretical models are used to derive a model for the fractal parameters, namely the cut-off lengths and the fractal dimension suitable in the LES context. The combustion model is designed with the intent to simulate low as well as high Reynolds number premixed turbulent flame propagation and with a focus on correct scaling with pressure. The combustion model is validated by simulations of turbulent Bunsen flames with methane and propane fuel at pressure levels between 0.1 MPa and 2 MPa and at turbulence levels of $0 < u^{\prime }/s_{L}^{0} < 11$ , conditions typical for spark ignition engines. The predicted turbulent flame speed is in a very good agreement with the experimental data and a smooth transition from resolved flame wrinkling to fully modelled, nearly subgrid-only wrinkling is realized. Evaluating the influence of mesh resolution shows a predicted mean flame surface and turbulent flame speed independent of mesh resolution for cases with 9–86 % resolved flame surface. Additional simulations of a highly turbulent jet flame at 0.1 MPa and 0.5 MPa and the comparison with experimental data in terms of flame shape, velocity field and turbulent fluctuations validates the model also at conditions typical for gas turbines.     

Coupling tabulated chemistry with Large Eddy Simulation of turbulent reactive flows

A new modeling strategy is developed to introduce tabulated chemistry methods in the LES of turbulent premixed combustion. The objective is to recover the correct laminar flame propagation speed of the filtered flame front when the subgrid scale turbulence vanishes. The filtered flame structure is mapped by 1D filtered laminar premixed flames. Closure of the filtered progress variable and the energy balance equations are carefully addressed. The methodology is applied to 1D and 2D filtered laminar flames. These computations show the capability of the model to recover the laminar flame speed and the correct chemical structure when the flame wrinkling is completely resolved. The model is then extended to turbulent combustion regimes by introducing subgrid scale wrinkling effects on the flame front propagation. Finally, the LES of a 3D turbulent premixed flame is performed. To cite this article: R. Vicquelin et al., C. R. Mecanique 337 (2009).     

障碍物对甲烷/氢气爆炸特性的影响

通过自主搭建的小尺寸实验平台,研究管道内障碍物阻塞率及形状对当量比为1时甲烷/氢气爆炸特性的影响。研究结果表明:相同工况下火焰传播结构基本相似,预混火焰传播路径随障碍物阻塞率增大而变窄;预混火焰传播速度随着障碍物阻塞率与氢气体积分数的增大而上升,也随着障碍物形状的改变而产生变化;最大爆炸超压随着障碍物阻塞率和氢气体积分数的增大而增大,达到最大爆炸超压的时间随着阻塞率的增大而缩短;混合气体在管道内爆炸特性受障碍物与混合气体中氢气体积分数共同影响,氢气体积分数小于50%时,受障碍物与混合气体共同影响,氢气体积分数大于50%时,主要受混合气体燃烧特性影响。此研究能够为甲烷/氢气的安全利用提供理论基础。     

含弱约束端面短管道油气爆炸特性实验研究

构建了长径比为4的含弱约束端面的短管道实验系统,对短管道油气爆炸特性进行了实验研究,得到油气爆炸压力和火焰的变化规律。实验结果表明:(1)受破膜、泄流、外部爆炸等因素的影响,含弱约束端面短管道油气爆炸具有多个超压峰值,并产生Helmholtz振荡;(2)弱约束端面对管道内外爆炸超压均具有增强作用,内部最大超压为24.23 kPa,外部最大超压为5.45 kPa,分别为无约束条件下的4.9和2.7倍;(3)火焰变化过程可划分为“层流燃烧-突变加速-外部爆炸-衰弱熄灭”4个阶段;由于湍流、界面不稳定、斜压效应等因素的影响,火焰在突变加速和外部爆炸两个阶段会发生剧烈的拉伸褶皱和卷曲变形,形成Tulip火焰和蘑菇云状火焰。(4)在层流燃烧阶段,弱约束端面对火焰速度有减弱作用,此阶段最大火焰速度为3.5 m/s,相比于无约束时减弱了41.3%;而在突变加速和外部爆炸阶段,弱约束端面破坏产生的强泄流对火焰传播速度有增强作用,此阶段最大火焰速度为80.2 m/s,相比于无约束时增强了106.2%。(5)不同初始油气浓度条件下火焰发展模式具有显著差异,在低浓度和中浓度条件下火焰能够冲出弱约束端面形成外部火球,而在高浓度条件下,火焰无法冲出管道。