方孔障礙物對(duì)瓦斯火焰?zhèn)鞑ビ绊懙膶?shí)驗(yàn)與大渦模擬＊

陳 鵬，李艷超，黃福軍，張玉濤

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

方孔障礙物對(duì)瓦斯火焰?zhèn)鞑ビ绊懙膶?shí)驗(yàn)與大渦模擬＊

陳 鵬1，2，李艷超2，黃福軍2，張玉濤2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

為揭示置障管道內(nèi)甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，運(yùn)用高速攝影技術(shù)對(duì)甲烷／空氣預(yù)混火焰的形狀變化和火焰前鋒的速度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并利用大渦模擬對(duì)管道內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明：置障管道內(nèi)依次出現(xiàn)了球形火焰、指尖形火焰及“蘑菇”狀火焰，且“蘑菇”狀火焰出現(xiàn)之后，火焰開始反向傳播；“蘑菇”狀火焰是雙渦旋結(jié)構(gòu)與火焰前鋒面相互作用的結(jié)果，而火焰的反向傳播是由流場(chǎng)中出現(xiàn)逆流結(jié)構(gòu)引起的；障礙物對(duì)火焰前鋒有明顯的加速作用；大渦模擬成功再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的火焰形狀、火焰前鋒速度及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，說明大渦模擬適用于置障管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯俊?/p>

爆炸力學(xué)；火焰前鋒；大渦模擬；高速攝影技術(shù)；甲烷／空氣預(yù)混火焰；方孔障礙物

瓦斯爆炸是發(fā)生在煤礦井下最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。在實(shí)際礦井巷道中不可避免地存在各種障礙物，如通風(fēng)設(shè)備、支護(hù)設(shè)施及各種管道等，當(dāng)火焰與障礙物相互作用時(shí)，火焰的形態(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、流?chǎng)結(jié)構(gòu)及爆炸壓力等都會(huì)發(fā)生顯著變化［1－4］。因此，研究火焰與障礙物的相互作用機(jī)制及由此引發(fā)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)于有效預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生及降低災(zāi)害損失有著重大意義。

學(xué)者們對(duì)置障條件下的瓦斯爆炸機(jī)理、傳播特性以及火焰和流場(chǎng)相互作用進(jìn)行了深入研究［5－6］。A.R.Masri等［7］進(jìn)行了障礙物孔型對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊憣?shí)驗(yàn)，指出與三角形和圓形障礙物相比，方形障礙物對(duì)火焰的加速作用更明顯。R.Hall等［8］分析了障礙物數(shù)量對(duì)湍流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，發(fā)現(xiàn)爆炸超壓隨障礙物數(shù)量的增加而增大，但存在上限，超過上限后，爆炸超壓隨障礙物數(shù)量的增加而減小。P.Chen等［9］通過改變障礙物阻塞比證明了火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫υ鲩L(zhǎng)速度隨阻塞比的增大而增加，并指出火焰穿越障礙物后速度的改變是火焰和湍流相互作用的結(jié)果。障礙物能顯著增強(qiáng)管道內(nèi)流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度，提高火焰燃燒效率［10］。C.T.Johansen等［11］利用新型的紋影技術(shù)捕捉到了障礙物后的渦旋結(jié)構(gòu)，并指出火焰?zhèn)鞑ヌ匦宰兓母驹蛟谟诨鹧媾c渦旋的相互作用。V.D.Sarli等［12］利用粒子示蹤技術(shù)得到了障礙物后的渦旋結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明了火焰與渦旋的相互作用是火焰加速及火焰形態(tài)變化的主要原因。實(shí)驗(yàn)手段很難得到氣體爆燃過程中火焰和流場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，大渦模擬（large eddy simulation，LES）可以揭示火焰?zhèn)鞑ミ^程中的流動(dòng)現(xiàn)象，有助于理解層流火焰向湍流火焰轉(zhuǎn)變、燃燒不穩(wěn)定性和火焰形態(tài)變化等［13］。本文中通過實(shí)驗(yàn)和大渦模擬對(duì)含障礙物管道內(nèi)甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行研究，研究置障管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ膭?dòng)力學(xué)特性，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，驗(yàn)證大渦模擬的有效性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由定容燃燒管道、高速攝影系統(tǒng)、混氣系統(tǒng)、高壓點(diǎn)火系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)管道為一方形直管，長(zhǎng)度為500mm，橫斷面尺寸為110mm×80mm。障礙物（厚度4mm）與點(diǎn)火點(diǎn)相距200mm，方孔截面積為50mm×50mm，障礙物的材質(zhì)為阻燃有機(jī)玻璃板，實(shí)驗(yàn)前后，方孔玻璃板無結(jié)構(gòu)損壞和形變，障礙物的上下端與固定在管道內(nèi)的凹槽相連接。為提供高速攝影所需光路，管道前后兩側(cè)由石英玻璃板制成。實(shí)驗(yàn)中的點(diǎn)火器和高速攝像系統(tǒng)由同步控制器進(jìn)行同步控制。高速攝像機(jī)的拍攝速度設(shè)置為960s－1。實(shí)驗(yàn)氣體的甲烷的體積分?jǐn)?shù)為7%，管道的初始溫度和壓力分別為298K和0.1MPa?？扇?xì)獗桓吣茳c(diǎn)火器點(diǎn)燃之前，靜置60s，點(diǎn)火電極安裝在管道左端的法蘭上，高能點(diǎn)火器點(diǎn)火能可調(diào)范圍是3～20J。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of experimental system

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，計(jì)算流體力學(xué)在燃燒科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛［14－15］。本文中大渦模擬所采用的控制方程為濾波后的三維瞬態(tài)質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和反應(yīng)進(jìn)程變量方程［3，16］。大渦模擬放棄對(duì)全尺度范圍上渦結(jié)構(gòu)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的模擬，只將比網(wǎng)格尺度大的湍流運(yùn)動(dòng)通過瞬時(shí)N－S方程直接計(jì)算，而小尺度渦對(duì)大渦運(yùn)動(dòng)的影響則通過亞格子模型（sub－gridscale model）進(jìn)行建模處理。其中，反應(yīng)進(jìn)程變量方程控制著甲烷／空氣反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)，通過控制反應(yīng)進(jìn)程變量捕捉火焰燃燒面，大渦模型的控制方程為［17］：

式中：LES濾波的參量標(biāo)注為橫線上標(biāo)，質(zhì)量權(quán)重濾波的參量標(biāo)注為波浪線上標(biāo)；ρ為密度，p為壓力，ui、uj為速度分量，t為時(shí)間，應(yīng)力張量σij由分子黏度μ決定，可表示為，τij為亞網(wǎng)格尺度應(yīng)力，將其定義為為顯焓，λ為熱導(dǎo)率，亞網(wǎng)格熱焓通量可通過梯度假設(shè)近似為：，其中：μSGS為亞網(wǎng)格黏度，PrSGS為亞網(wǎng)格的普朗特?cái)?shù)，cp為定壓比熱，T為溫度。

2.2 初始條件和邊界條件

點(diǎn)火前，管道內(nèi)甲烷／空氣混合氣保持靜止，初溫和初壓分別為298K和0.1MPa。設(shè)反應(yīng)過程變量c為量綱一化的產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，相應(yīng)地，c＝0對(duì)應(yīng)為未燃反應(yīng)物，c＝1對(duì)應(yīng)為已燃產(chǎn)物。將初始化學(xué)反應(yīng)過程變量在整個(gè)流體區(qū)域設(shè)置為c＝0，并通過將c設(shè)置為0.1來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，點(diǎn)火半徑為10mm。管道邊界條件為無滑移、絕熱邊界條件。網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元特征尺寸為2mm×2mm×2mm。應(yīng)用ANSYS Fluent軟件作為計(jì)算平臺(tái)，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)采用二階逆風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。

3 結(jié)果與討論

3.1 火焰前鋒發(fā)展的高速攝影圖片

圖2所示為置障條件下甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ母咚贁z影圖像。t＝10ms時(shí)，由于未受到障礙物和管道側(cè)壁影響，火焰陣面以球形向前傳播；之后，管道側(cè)壁開始阻礙火焰的自由發(fā)展，火焰形狀由球形轉(zhuǎn)變成指尖形，且火焰裙邊在t＝32ms時(shí)接觸管道側(cè)壁，火焰燃燒表面積開始減??；t＝42ms時(shí)，障礙物開始作用于火焰前鋒，平滑的弧面火焰前沿開始變尖；t＝44ms時(shí)，火焰恰好穿過障礙物的方孔；t＝48ms時(shí)，穿過方孔的火焰再次發(fā)生變形，并在t＝50ms時(shí)形成“蘑菇”狀的火焰前端；50ms之后“蘑菇”狀火焰開始破碎，值得注意的是，“蘑菇”狀靠近上下壁面的部分開始反向傳播，并在t＝53ms時(shí)反向穿過方孔結(jié)構(gòu)。從火焰形態(tài)特征而言，置障條件下管道內(nèi)的預(yù)混火焰經(jīng)歷了層流向湍流燃燒的轉(zhuǎn)變。

圖2 置障管道內(nèi)甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ母咚贁z影圖像Fig.2 Sequences of high－speed images of premixed methane／air flame propagating in an obstructed duct

3.2 火焰前鋒發(fā)展的大渦模擬

圖3所示為置障條件下甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ拇鬁u模擬，其中燃燒面的反應(yīng)進(jìn)程變量c＝0.1。

圖3 甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ拇鬁u模擬Fig.3 Large eddy simulation of premixed methane／air flame propagating in obstructed duct

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，基于大渦模型的數(shù)值模擬成功再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀察到的火焰形態(tài)及傳播現(xiàn)象，如球形火焰、指尖形火焰、“蘑菇”狀火焰及其反向流動(dòng)等。這也證明了大渦模型對(duì)于模擬置障條件下甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ目尚行浴?/p>

3.3 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖4所示為置障條件下甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬中紅色代表已燃?xì)怏w，藍(lán)色代表未燃?xì)怏w，白色箭頭線代表速度矢量。

圖4 置障管道內(nèi)甲烷／空氣預(yù)混燃燒的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Flow field of premixed methane／air flame propagating in an obstructed duct

在t＝42ms之前，管道內(nèi)的氣體流動(dòng)是層流狀態(tài)，流線分布均勻無交叉；t＝49ms時(shí)，未燃區(qū)域出現(xiàn)雙渦旋結(jié)構(gòu)，且渦旋范圍不斷擴(kuò)大，渦旋中心逐漸向障礙物移動(dòng)；t＝50ms時(shí)，已燃區(qū)的流動(dòng)方向由原來的正向流動(dòng)反轉(zhuǎn)成逆向；t＝51ms時(shí)，未燃區(qū)域方孔障礙物附近也出現(xiàn)逆流。可以推斷，“蘑菇”狀火焰的形成與雙渦旋結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而燃燒后期的火焰反向傳播是由流場(chǎng)的逆流結(jié)構(gòu)造成的。

3.4 火焰前鋒的動(dòng)力學(xué)變化

圖5所示為火焰前鋒位置隨時(shí)間的變化關(guān)系的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢姡瑃＝42ms時(shí)刻是火焰前鋒位置隨著時(shí)間變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在42ms之前，變化速率較為緩慢，在42ms之后，變化速率突然增大。圖6所示為火焰前鋒速度隨時(shí)間的變化特性。從圖6中可以看出，在32ms之前，火焰前鋒速度隨著燃燒表面積的增大而緩慢上升；當(dāng)t＝32ms時(shí)，火焰裙邊觸壁，燃燒表面積突然減小，進(jìn)而引起火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊男》葴p?。划?dāng)t＝44ms時(shí)，火焰前鋒速度達(dá)到最大值17m／s，此時(shí)火焰前鋒正在穿越障礙物的方孔。

圖5 火焰前鋒位置隨時(shí)間的變化特性Fig.5 Histories of flame front surface position

圖6 火焰前鋒速度隨時(shí)間的變化特性Fig.6 Histories of flame front surface velocity

4 結(jié) 論

本文中通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了方孔障礙物對(duì)管道內(nèi)甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?。采用高速攝影技術(shù)揭示了火焰過程中的形狀變化和火焰?zhèn)鞑ニ俣忍匦?，并?yīng)用大渦模擬對(duì)火焰?zhèn)鞑バ袨樽隽诉M(jìn)一步分析。得到結(jié)論如下：

（1）由于未受到方孔障礙物的影響，前期火焰經(jīng)歷了球形火焰和指尖形火焰兩個(gè)階段，指形火焰觸壁之前，火焰燃燒面積快速增大；觸壁之后，火焰燃燒面積迅速減小。臨近方孔時(shí)，平滑的弧面火焰前沿開始變尖，并且火焰前沿在穿過方孔障礙物后形成“蘑菇”狀火焰；火焰前沿接近管道尾端時(shí)，“蘑菇”狀火焰的靠近上下壁面的部分開始反向傳播，并在t＝53ms時(shí)反向穿過方孔結(jié)構(gòu)。

（2）火焰前沿形狀的變化與管道內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過分析流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，“蘑菇”狀火焰的形成與雙渦旋結(jié)構(gòu)有直接聯(lián)系，而燃燒后期的火焰反向傳播是由流場(chǎng)中出現(xiàn)的逆流造成的。

（3）方孔障礙物對(duì)預(yù)混火焰的加速作用顯著，火焰未穿過障礙物之前，火焰裙邊觸壁時(shí)刻，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到5.72m／s；當(dāng)火焰穿越方孔時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅芜_(dá)到最大值17m／s。

（4）大渦模擬成功再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的火焰形狀、火焰前鋒速度及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。說明大渦模擬對(duì)于模擬置障管道內(nèi)甲烷／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ目尚行浴?/p>

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LES approach to premixed methane／air flame propagating in the closed duct with a square－h(huán)ole obstacle

Chen Peng1，2，Li Yanchao2，Huang Fujun2，Zhang Yutao2
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining ＆Technology，Beijing100083，China；2.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining ＆Technology，Beijing100083，China）

Aiming at revealing the characteristics of premixed methane／air flame propagating in an obstructed duct.A 4mm thick obstacle with a square hole of 50mm×50mm was equipped at 210mm from the ignition source.In the experiment，the high－speed video photography was used to study the flame shape changes and flame front speed.In the numerical simulation，the large eddy simulation（LES）was applied to investigating the flow structure.The results demonstrate that the flame－tip successively takes on a spherical，finger and mushroom－like shape，and the flame begins to propagate in the backward direction after the mushroom－like flame appears.The mushroom－like flame can be explained by the interaction of the flame with two vortexes，and the reverse flow emerged in the flow field leads to the backward motion of the premixed flame.The flame speed is accelerated significantly due to the obstacle and the flame tip speed reaches the maximum value of 17m／s when the flame passes through the square hole of the obstacle.The flame shape changes and the flow structure observed in the experiments can be well reproduced in the numerical simulations using the LES model.It is indicated that the LES model can be used to predict the premixed flame propagating in an obstructed duct.

mechanics of explosion；flame front surface；large eddy simulation；high－speed video photography；premixed methane／air flame；square－h(huán)ole obstacle

O381；TD712國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0021－06

（責(zé)任編輯 王易難）

2015－05－20；

2015－08－25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51274205）；煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目（SKLCRSM10KFB13）

陳 鵬（1971— ），男，博士，副教授，chenpeng＠cumtb.edu.cn。