障碍物导致甲烷—氧气爆炸的三维数值模拟

第２７巷第４期　２００２年８月　煤　炭　学　报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　ＣＯＡＬ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．　２００２　文章编号：０２５３—９９９３（２００２）０４—０３７１—０３　障碍物导致甲烷一氧气爆炸的三维数值模拟　

范宝春，姜孝海，谢　波　（南京理工大学动力Ｔ程学院，江苏南京２ｔ００９４）　摘　要：许多因燃烧导致的爆炸事故都与空间局部受限有关，例如管壁和管内障碍物可使火焰自　行加速，并导致爆炸．基于湍流模型和ＥＢＵ—Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ燃烧模型，利用ＳＩＭＰＬＥ格式对甲烷一空　气混合物在管内燃烧时，因障碍物的作用而发生的爆炸现象进行了三维空间的数值模拟．计算结　果描述了火焰加速和激波生成的过程．　关键词：爆炸；湍流燃烧；数值模拟　中图分类号：ＴＤ７ｌ２．７ｌ　文献标识码：Ａ　瓦斯爆炸是煤矿主要的恶性事故，由于其发生频率高、破坏性广、社会影响大，故长期以来一直受到　广泛关注　、实践证明，许多因燃烧导致的爆炸都与空间局部受限有关，如坑道的壁面和其间的障碍物　等．燃烧产物因膨胀压缩周围气体而产生流动，坑道壁面或障碍物会把这种流动诱发为湍流，从而大大提　高燃烧速率和火焰传播速度．燃烧、流动、湍流和湍流燃烧间的相互影响和相互加强导致火焰不断的加　速．它类似于加速活塞，可在其前方形成激波，达到一定强度时便产生爆炸．　基于Ｋ—ｓ湍流燃烧的旋涡破碎模型，对充满甲烷一氧气混合物的管内一端点火后，在管壁和管内多　块挡板作用下发生的爆炸现象进行了三维数值模拟．根据计算结果，对管内火焰加速和激波的生成与发展　进行了讨论．　１　数学模型　基于Ｋ—　模型，有守恒方程　＋　一０．　ａ　ｔ　ａ　０ｆｌ￣，ｐｕｉ＋静（　）＝毒　５　＿＿０ｆｌ￣ｐｈ＋静　一ｔ　ｘｏ　Ｏ　ｈ）＝　ｄｔ　，　０　ｆｌ￣ｐ　Ｙｆ．＋帮　一　Ｉ￣．３　Ｙｆｕ，］＝　Ｏ　ｆｌｖＫ＋静（ｐｕｊＫ一　篝）刊Ｇ－ｐｇ），　Ｏｐ　ｅ＋　（ｐ　一　蠢）　Ｃ　Ｇ素一ｃ　ｐ　），　式中，　，ｔ分别为空间和时间坐标；Ｐ为密度；Ｐ为压力；ｈ为　总焓；ｕ　为ｉ方向的速度分量，脚标ｉ，　，后　收稿日期：２００ｔ一１２—０５　基金项目：国家自然科学基金资助项目（１９８３２０３０）

　维普资讯 http://www.cqvip.com 煤　炭　学　报　为求和约定；ＹＣｏ为燃料质量分数；Ｋ和　分别为湍流脉动动能和湍流耗散能；　，　．分别为面空度和体　霞，用以描述障碍物的影响；　为Ｐｒａｎｄｔ１数；ｃ。和ｃ　为常数；５　＝　（　券）一　（　＋ｐＫ）；　５　＝警＋　，　＝　，　＝　ｆ　Ｏｘ＋　）一　

，　：　＋ｃ　ｐ　，其中　为分子ｊ黏Ｏｕ

性ｊ

，　２

为　常数；Ｒ　，为反应速率，采用ＥＢＵ（旋涡耗散）反　应模型　Ｒ　ｈＪ＝ｐＡｍｉｎ（Ｙｆｕ，＇，ｏ　／ｖｏ，）ｓ／Ｋ，其中，　为常数；　为氧气的化学反应计量系数．　由于壁面附近流场结构变化剧烈，用壁面函　数来处理　．数值计算时采用ＳＩＭＰＬＥ格式．　２结果与讨论　鬻；Ｇ＝　（筹＋警）筹一　鬻＋　），　ｕ　

—一　—一　

耋妻　中　警喜　０　喜　图　管内火焰三维李问传播　被消耗．对点火后的管内火焰传播及流场变化进　．　：　…一’．　……ｇ　ｅｌ　行了计算．图ｌ为不同时刻的管内火焰形状．点　ｄｊ　。　。　ｌ　ｆ　ｗｉｆｈ。ｂ　ｃａｃ．，ｔｈｒｅｅ　ｋ。　火初期，火焰基本保持平整；接近挡板时，火焰　阵面形状发生变化；传至挡板时，从上方翻越，　ｏ　ｏｌ。　，：ｏ　ｏ３５　上方管角处，火焰传播速度最快，形成２个突出　薹薹　二　霎霎蔓　因此，在挡板作用下，火焰形状发生了复杂的变　匿　篁　薹二］　誊　薹　是增加的，阵　霉ｔ　＝０　．０３４　ｓ　：　ｔ　＝Ｏ　．０４翳１　ｓ　面上各点的传播速度是三维分布的．　０　：．：　：Ｊ　：．１　由于燃烧产物的膨胀，火焰阵面两侧均因压　／￡Ⅲ　，／Ｌ１０　动‘一　．ｉ．　！　．０　阵　图２：：　处，燃料组分等位线和速度矢量　面形状（用等组分曲线表示）和质点速度矢量・　Ｆｉｇ．２　Ｃ’ｏｎｔ。　－。ｖｆ．ｆｌＪｖ。ｌ　一ａ　ｖ。ｅｌｏｃ　ｉｔｙ…ｖｅｃ～ｔｏｒｓ—ａｔ。：０．６　当，＝０．０１　Ｓ时，火焰尚未到达第ｌ块挡板，　但阵面前的流动质点已翻越挡板，且影响到火焰阵面的形状．火焰翻越挡板时（ｔ＝０．０３４　ｓ），火焰形状　发生复杂变化，越挡后（ｔ＝０．０３７　ｓ），因质点运　，：ｏ　０ｌ　ｎ　动方向的改变而出现倒流，挡板背面出现旋涡．　火焰阵面相对于管壁的传播速度称为火焰传　播速度，它不但决定于燃烧速度，还与阵面前质　点的运动速度有关．流动会增加火焰传播速度，　这又导致更大的流动，从而可能在壁面和障碍物　附近出现湍流边界层．湍流的存在增加系统的输　运效应，使火焰阵面折褶和变形，宏观上增加燃　烧速率．因此管壁和挡板的存在，对火焰传播产　生正反馈效应，使之不断自我加速．图３为不同　［二＝　■■■　，＝０　０２６　Ｓ　，＝０　０３７　Ｓ　＝二＝　［　二＿　，＝０　０３４　Ｓ　ｆ＝０　０４１　Ｓ　兰　匿　二　５　１０　１５　５　ｌ０　１　５　ｘ／Ｌ　ｘ｜Ｌ　图３：＝０．６处，湍流脉动动能等位线　Ｆｉｇ．３　Ｃｏｎｔｏｕｒｓ　ｏｆ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇ３，ｏｆ　ｌｕｒｈｕｌｅｎｃｅ　ａｔ　

＝０．６　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　范宝春等：障碍物导致甲烷一氧气爆炸的三维数值模拟　时刻：＝０．６截面处湍流脉动动能分布．显然，在火焰阵面前后的壁　面和挡板附近，湍流脉动最强，相应的燃烧速度也最大．正由于此　类湍流，才使火焰不断加速．传播的火焰对于阵面前的质点，类似　于运动活塞．当其加速时，对波前质点的压缩作用将不断加强．这　可能使前方形成强度不断增加的激波．当激波足够强时便具有破坏　作用，形成爆炸．图４为Ｙ＝０．６，ｚ＝０．６的轴心处管内压力的分布　曲线，它描述了在管壁和多重挡板的作用下，激波的生成和成长过　程．　３　结　语　在管壁和多重挡板作用下，燃烧导致的流动有可能形成湍流，　从而加速火焰的传播，这是一个正反馈过程．在适当条件下，此类　加速会导致爆炸．笔者采用的基本方程和数值方法可以对此现象进行数值仿真．　参考文献：　：１：Ｌｉｎｄｓｔｅｄｔ　Ｒ　Ｐ，Ｓａｋｔｈｉｔｈａｒａｎ　Ｖ．Ｔｉｍｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｇａｓｅｏｕｓ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ［Ｊ　．　Ｃｏｍｂｕｓｔ　ａｎｄ　Ｆｌａｍｅ，１９９８，１１４：４６９～４８３．　：２：Ｈｊｅｒｔａｇｅｒ　Ｂ　Ｈ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｆｌｏｗｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣＂，１９８２．　２７：１５９～１７０．　：３：　Ｃａｔｌｉｎ　Ｃ　Ａ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｐｒｅｍｉｘｅｄ　ｆｌａｍｅ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｔｕｂｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｂｕｓｔ　ａｎｄ　Ｆｌａｍｅ，１９９５，１０２：　ｌ１５～ｌ２８．　：４：Ｌａｕｎｄｅｒ　Ｂ　Ｅ，Ｓｐｌａｄｉｎｇ　Ｄ　Ｂ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｆｌｏｗｓ　Ｊ］．Ｃｏｍｐ　Ｍａｔｈ．Ａｐｐｌ　Ｅｎｇ，１９７４，３：２６９～　２Ｒ９　作者简介：　范宗存（１９４５一），男，江苏扬州人，教授，１９８０年于华东工学院获爆炸理论及应用硕士学位，现主要从事燃烧学、　爆轰学和灾害力学等方面的研究１＝作，出版著作《两相系统的燃烧爆炸和爆轰》．　

Ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ　ｉｎ　ＣＨ４—０２　ｍｉｘｔｕｒｅ　ＦＡＮ　Ｂａｏ—ｃｈｕｎ，ＪＩＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｈａｉ，ＸＩＥ　ｂｏ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏ厂Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｒｍｌｏｇ），Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｈａｚａｒｄｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐａｒｔｌｙ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｓｐａｃｅ．Ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｓｅｌｆ—ａｃｃｅｌｅｒａ—　ｔｉｎｇ　ｆｌａｍｅ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ａ　ｔｕｂｅ　ｂｙ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｕｂｅ　ｗａｌ１．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｋ—ｓ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＥＢＵ—Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＣＨ４—０２　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｉｎ　ａ　ｔｕｂｅ　ｗｉｔｈ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＳＩＭＰＬＥ　ｓｃｈｅｍｅｓ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｓｈｏｃｋ　ｗａｖｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｆｒｏｍ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　６　５　４　３　２　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　

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