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

1、可燃氣預混燃燒是燃燒實際應用中最基礎、最重要的研究課題，也是其火災、爆炸事故防治的基本研究對象。由于受限空間中的預混火焰動力學是內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、爆燃向爆轟轉變等過程，因此在工程燃燒和爆炸安全等方面均有重要應用。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)和驗證與之相應的、能夠廣泛應用的燃燒模型和方法對于氫氣燃燒應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混燃燒動力學及其機理提供深入的基礎性研究，并為預混燃燒和爆炸安全科學研究和工程應用提供堅實的理論基礎和可靠的燃燒模型與方法。本論文主要完成兩個研究目標。第一個目標是系統(tǒng)地研究管道中預混燃燒動力學特性，包括火焰動力學及其與壓力波的相互作用、動態(tài)升壓特性以及火焰?zhèn)鞑サ膬仍趧恿W機理。本文的另一個重要的目標是研究管道中氣體爆炸動力學特性，在此基礎上發(fā)展和驗證能夠合理預測災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混氫-空氣預混火焰?zhèn)鞑サ膶嶒灉y量和計算流體動力學(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研究了水平放置的半開口管道和封閉管道中不同當量比的氫-空氣火焰動力學和升壓特性。高速攝像儀和紋影設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、開口率和當量比對燃燒動力學的影響。

4、　　 在數(shù)值模擬中，預混火焰的傳播過程分別模擬為二維和三維的化學反應性流動。在二維的數(shù)值模擬中預混燃燒采用動態(tài)增厚火焰模型（TF模型）進行模擬。氫氣在空氣中的化學反應采用19步詳細化學反應機理進行求解。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，即動態(tài)增厚火焰模型。但是在模擬中采用了動態(tài)的自適應性網(wǎng)格加密技術和火焰面追蹤技術。而氫-空氣化學反應采用7步簡化反應機理進行解算。第二種方法為大渦模擬結合

5、湍流燃燒速度模型的方法。采用基于大渦模擬預混燃燒模型的數(shù)值計算以實現(xiàn)對不同的火焰動力學現(xiàn)象及其內在機理的深入研究，并在此基礎上揭示實驗現(xiàn)象的本質規(guī)律與機理。該燃燒模型考慮了四種不同物理機理效應對預混火焰燃燒速度的影響，即流動湍流、火焰前鋒誘導湍流、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混火焰燃燒速度的增強作用。
　　 實驗研究結果表明相比于其他常用氣體燃料，管道中氫-空氣預混火焰經(jīng)歷了更多的復雜火焰動力學特性變

6、化，包括火焰形狀和其他動力學特征。其中一個重要的發(fā)現(xiàn)就是在封閉管道中當氫-空氣預混氣體當量比在0.84≤φ≤4.22范圍內時，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火舌的引導前鋒附近產(chǎn)生變形（凹陷）時引發(fā)。當次生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火焰的動力學特性與經(jīng)典Tulip火焰動力學特性有顯著的不同。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果表明變形

8、Tulip火焰?zhèn)鞑タ煞譃槲鍌€動力學階段，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火焰在低當量比和高當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致實

9、質性的火焰動力學變化。開口率對火焰?zhèn)鞑恿W有重要影響。當開口率小于等于0.4時能形成顯著的變形Tulip火焰?；鹧?zhèn)鞑サ奶卣鲿r間和對應的引導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現(xiàn)象。實驗和數(shù)值模擬中均觀察到了火焰誘導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果符合較好。數(shù)值模擬結果與實驗結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、壓力波與燃燒誘導流動之間的相互作用，特別是當火焰前鋒形成變形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動力學特性。數(shù)值計算結果表明經(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、，直接導致初始Tulip尖端和靠近管道側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-空氣預混火焰?zhèn)鞑恿W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)生反轉之后對燃燒動力學的模擬結果有一定程度的影響。
　　 在實驗與CFD數(shù)值模擬基礎上，基于壓力波與火焰的相互作用關系，對封閉管道中氫-空氣預混火焰?zhèn)鞑恿W進