管道中氫—空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)實驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、可燃氣預(yù)混燃燒是燃燒實際應(yīng)用中最基礎(chǔ)、最重要的研究課題，也是其火災(zāi)、爆炸事故防治的基本研究對象。由于受限空間中的預(yù)混火焰動力學(xué)是內(nèi)燃機燃燒的典型過程，同時也代表爆轟波發(fā)展中的火焰加速、爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變等過程，因此在工程燃燒和爆炸安全等方面均有重要應(yīng)用。另外，氫氣作為一種未來具有廣闊前景的新能源，開展氫-空氣可燃混合氣體燃燒特性和行為的研究勢在必行。同時，開發(fā)和驗證與之相應(yīng)的、能夠廣泛應(yīng)用的燃燒模型和方法對于氫氣燃燒應(yīng)用和爆炸安全具有舉足輕

2、重的作用。
　　 本研究的主要目的是為預(yù)混燃燒動力學(xué)及其機理提供深入的基礎(chǔ)性研究，并為預(yù)混燃燒和爆炸安全科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和可靠的燃燒模型與方法。本論文主要完成兩個研究目標(biāo)。第一個目標(biāo)是系統(tǒng)地研究管道中預(yù)混燃燒動力學(xué)特性，包括火焰動力學(xué)及其與壓力波的相互作用、動態(tài)升壓特性以及火焰?zhèn)鞑サ膬?nèi)在動力學(xué)機理。本文的另一個重要的目標(biāo)是研究管道中氣體爆炸動力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上發(fā)展和驗證能夠合理預(yù)測災(zāi)害性氣體爆炸的理論模型和

3、數(shù)值方法。本論文的研究基于管道中預(yù)混氫-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ膶嶒灉y量和計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬。
　　 在實驗中，運用高速紋影攝像方法和壓力測試技術(shù)研究了水平放置的半開口管道和封閉管道中不同當(dāng)量比的氫-空氣火焰動力學(xué)和升壓特性。高速攝像儀和紋影設(shè)備用來記錄燃燒過程中火焰形狀和位置隨時間的變化規(guī)律。壓力傳感器用來測量這種非穩(wěn)態(tài)燃燒過程中的瞬態(tài)壓力隨時間變化特性。另外，實驗還研究重力、開口率和當(dāng)量比對燃燒動力學(xué)的影響。

4、　　 在數(shù)值模擬中，預(yù)混火焰的傳播過程分別模擬為二維和三維的化學(xué)反應(yīng)性流動。在二維的數(shù)值模擬中預(yù)混燃燒采用動態(tài)增厚火焰模型（TF模型）進行模擬。氫氣在空氣中的化學(xué)反應(yīng)采用19步詳細化學(xué)反應(yīng)機理進行求解。三維的數(shù)值模擬通過兩種不同的數(shù)值方法開展。第一種方法基于與二維模擬一樣的燃燒技術(shù)，即動態(tài)增厚火焰模型。但是在模擬中采用了動態(tài)的自適應(yīng)性網(wǎng)格加密技術(shù)和火焰面追蹤技術(shù)。而氫-空氣化學(xué)反應(yīng)采用7步簡化反應(yīng)機理進行解算。第二種方法為大渦模擬結(jié)合

5、湍流燃燒速度模型的方法。采用基于大渦模擬預(yù)混燃燒模型的數(shù)值計算以實現(xiàn)對不同的火焰動力學(xué)現(xiàn)象及其內(nèi)在機理的深入研究，并在此基礎(chǔ)上揭示實驗現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律與機理。該燃燒模型考慮了四種不同物理機理效應(yīng)對預(yù)混火焰燃燒速度的影響，即流動湍流、火焰前鋒誘導(dǎo)湍流、熱-擴散不穩(wěn)定性以及未燃氣體瞬態(tài)溫度與壓力等物理因素對預(yù)混火焰燃燒速度的增強作用。
　　 實驗研究結(jié)果表明相比于其他常用氣體燃料，管道中氫-空氣預(yù)混火焰經(jīng)歷了更多的復(fù)雜火焰動力學(xué)特性變

6、化，包括火焰形狀和其他動力學(xué)特征。其中一個重要的發(fā)現(xiàn)就是在封閉管道中當(dāng)氫-空氣預(yù)混氣體當(dāng)量比在0.84≤φ≤4.22范圍內(nèi)時，經(jīng)典Tulip火焰會產(chǎn)生顯著的變形。實驗表明變形Tulip火焰在火焰形成經(jīng)典Tulip形狀之后產(chǎn)生，并在初始Tulip火舌的引導(dǎo)前鋒附近產(chǎn)生變形（凹陷）時引發(fā)。當(dāng)次生Tulip尖端傳播到初始Tulip火舌中部并與初始Tulip尖端大小形狀相當(dāng)時，變形Tulip火焰發(fā)展成為“三重”Tulip火焰。在第一個變形Tul

7、ip火焰消失之際，火焰前鋒將產(chǎn)生第二次Tulip火焰變形，此時火焰前鋒形成一連串的次生Tulip尖端。實驗中對這種顯著的Tulip火焰變形進行了細致的研究，并與經(jīng)典Tulip火焰的瓦解和消失過程進行了區(qū)分。變形Tulip火焰的動力學(xué)特性與經(jīng)典Tulip火焰動力學(xué)特性有顯著的不同。前者經(jīng)歷了更多的火焰形狀變化和更不穩(wěn)定的燃燒動力學(xué)過程。經(jīng)典Tulip火焰在第一次變形Tulip火焰消失時可重新出現(xiàn)。實驗高速紋影圖像和壓力測試記錄結(jié)果表明變形

8、Tulip火焰?zhèn)鞑タ煞譃槲鍌€動力學(xué)階段，即球形火焰、指尖形火焰、接觸壁面火焰、Tulip火焰和變形Tulip火焰。實驗中火焰形狀變化（包括Tulip和變形Tulip形狀的產(chǎn)生）的引發(fā)與火焰前鋒突然減速和壓力上升的驟然下降同步發(fā)生。Tulip和變形Tulip火焰的形成及其動力學(xué)特性對混合氣體的組成具有較強的依賴性。重力對Tulip火焰具有顯著的影響，能使Tulip火焰在低當(dāng)量比和高當(dāng)量比時以不同的方式消失，但是在本文實驗中重力并不能導(dǎo)致實

9、質(zhì)性的火焰動力學(xué)變化。開口率對火焰?zhèn)鞑恿W(xué)有重要影響。當(dāng)開口率小于等于0.4時能形成顯著的變形Tulip火焰。火焰?zhèn)鞑サ奶卣鲿r間和對應(yīng)的引導(dǎo)前鋒特征位置均隨開口率的增大而增大。
　　 基于動態(tài)增厚火焰模型的二維數(shù)值模擬合理地再現(xiàn)了實驗中觀察到的火焰五個特征階段的動力學(xué)現(xiàn)象。實驗和數(shù)值模擬中均觀察到了火焰誘導(dǎo)逆向流動和渦旋運動?；鹧媲颁h、逆向流動與已燃區(qū)渦旋運動之間的相互作用將改變火焰形狀并使火焰前鋒發(fā)展成為Tulip形狀?；鹧?/p>

10、第一次接觸管道側(cè)壁面時所觸發(fā)的壓力波是變形Tulip火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰前鋒急劇減速和周期性振蕩現(xiàn)象的直接原因，并對變形Tulip火焰的形成具有重要作用。采用動態(tài)增厚火焰的三維數(shù)值模擬能夠較好地重復(fù)實驗中的火焰特性。并且三維模擬的壓力上升過程與實驗結(jié)果符合較好。數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果之間較好的吻合性表明增厚火焰模型對于管道中氫-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ哪M具有較高的適用性。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)Tulip和變形Tulip火焰均可以在沒有壁面摩擦的情況

11、下形成，這說明壁面摩擦對Tulip和變形Tulip火焰的形成并不重要。
　　 通過大渦模擬方法進一步深入研究了火焰前鋒、壓力波與燃燒誘導(dǎo)流動之間的相互作用，特別是當(dāng)火焰前鋒形成變形Tulip形狀時。同時完善并通過實驗驗證了LES燃燒模型。LES模擬很好地再現(xiàn)了實驗觀察到的變形Tulip動力學(xué)特性。數(shù)值計算結(jié)果表明經(jīng)典Tulip火焰形成之后在火焰前鋒附近已燃區(qū)形成大尺度的渦旋運動。這些渦旋在火焰附近持續(xù)運動從而改變火焰前鋒附近流場

12、，直接導(dǎo)致初始Tulip尖端和靠近管道側(cè)壁面的火焰前鋒傳播速度大于初始Tulip火舌中部火焰速度。這種火焰前鋒傳播速率之間的差異最后可導(dǎo)致變形Tulip火焰形成。LES燃燒模型很好地再現(xiàn)了管道中氫-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)和壓力上升特性。數(shù)值模擬也表明網(wǎng)格分辨率在火焰前鋒發(fā)生反轉(zhuǎn)之后對燃燒動力學(xué)的模擬結(jié)果有一定程度的影響。
　　 在實驗與CFD數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，基于壓力波與火焰的相互作用關(guān)系，對封閉管道中氫-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)進