激波诱导瓦斯气体爆燃的三维数值模拟.pdf

第27卷 第6期 2005年6月 武 汉 理 工 大 学 学 报 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOG Y Vol. 27 No. 6 Jun. 2005 激波诱导瓦斯气体爆燃的三维数值模拟 徐景德1 ,2,张莉聪3,杨庚宇1 1. 华北科技学院安全培训处,北京101601 ;2.中国科学技术大学机械与力学工程系,合肥230026 ; 3.中国矿业大学北京资源与安全工程学院,北京100083 摘 要 基于激波诱导瓦斯爆炸的19步化学反应模型,建立了三维非定常守恒方程,采用迎风的TVD格式对方程进 行数值离散,数值模拟了氢氧燃烧驱动点燃甲烷和空气混合气体的爆炸过程,根据爆炸产物以及流场中压力和温度变化 的结果,说明了激波诱导瓦斯爆炸的物理机制,同时验证了程序在模拟化学反应起主导作用的瓦斯预混爆炸现象中的可 靠性和精确性,为研究煤矿瓦斯爆炸过程的特性,制定有效的防爆、 抑爆技术措施提供了技术和理论支持。 关键词 瓦斯; 爆燃; 化学反应; 数值模拟 中图分类号 TD 712文献标志码 A文章编号16712443120050620022204 Three Dimensional Numerical Simulation About G as Explosion Induced by Shock Wave XU Jing2de1 ,2 , ZHAN G Li2cong3, YAN G Geng2yu1 1. Safety Training Department ,North China Institute of Science 2. Department of Mechanics and Mechanical Engineering ,University of Science 3. School of Resources deflagration; chamical reaction; numerical simulation 收稿日期2005201212. 基金项目国家 “973” 项目200CB40020071 作者简介徐景德19652 , 男,副教授. E2mail xujd1450 ncist. 瓦斯爆炸是威胁煤矿安全生产的重要隐患。矿井瓦斯爆炸的实质是甲烷 CH 4与氧气 O 2在外界热源 激发下的化学反应 CH4 2O2 CO2 2H2O 886. 2 kJ/ mol1 但式1化学反应过程不能表示燃烧爆炸过程的详细机理,实验研究表明,这一化学反应过程能够用19 步基元化学反应来描述。因此要准确描述爆炸过程,在数值模拟中必须将基元化学反应过程耦合到数学模 型中。而基元反应模型的引入,导致控制方程中组分增多,使得计算量非常庞大,为了解决计算精度和计算 机能力之间的矛盾,以实验研究为基础,首先采用氢氧混合爆炸作为驱动,使爆炸很快进入传播阶段。研究 结果对瓦斯爆炸事故的勘察、 预防和阻爆、 隔爆措施的制定有一定的参考价值。 1 模 型 1. 1 物理模型 基于矿井瓦斯爆炸的环境特征分析,建立如图1所示的物理模型。 1 爆炸是在左端封闭、 右端开口、 边界光滑的方形钢管中进行 ;2 初始气体 混合物的温度、 压力和浓度场沿径向均匀分布 ;3 初始的浓度场分为2部分,即 当1≤IX≤151时,按当量比混合的H2、O2和N2;当151≤IX≤MX时,按当量比混合的CH4、O2和N2,其 中IX和MX为无量纲距离,151为膜片位置处的网格数 ;4 初始混合物的密度分布均匀。 1. 2 化学反应模型 采用可燃气体的14种组分19步基元反应模型[1 ,2]来描述CH4、AIR的爆炸化学反应机制,其化学反应 的一般形式为 ∑ ns i 1 v′ ijMi kfj kbj ∑ ns i 1 v″ ijMi 2 式中, v′ ij和v″ij分别为反应物和生成物的第j个基元反应第i个组元的化学计量系数,Mi为第i个组分的化 学符号。通过各组分的质量生成速率Si与数学模型耦合, Si由质量作用定律得到 Si Wi∑ NR j 1 v ″ ij- v′ ij k f j∏ ns l 1 nv ′ ij l -kbj∏ ns l 1 nv ″ ij l 3 式中, Wi为第i种组分的摩尔质量, ni为第i种组分的摩尔浓度假定化学反应是以有限速率进行的,基元反 应遵循Arrhenius定律,正反应速率可以写为 kf j AjT β jexp -Ej R T 4 逆反应的速率常数kbj由kf j和Kcj确定,即 kbj Kcj kf j 5 其中, Aj 、 β j、Ej分别为第j个基元反应的指前因子、 温度指数和活化能,基元反应的平衡常数Kcj根据组分 的Gibbs自由焓确定。 2 数学模型和数值方法 根据物理模型见图2 , 建立三维非定常、 粘性、 可压缩气体混合物爆炸 问题的N2S方程[3] 5 Qg 5t 5Eg 5x 5Fg 5y 5Gg 5z 5Eg , v 5x 5Fg , v 5y 5Gg , v 5z S 6 其中S为气相反应源项 Qg ρ1 ρ2 M ρns ρu ρv ρw ρh -p ρ κ ρ ε Eg ρ1u Y1 ρ2u Y2 M ρnsu Yns ρu2 p ρvu ρw u u ρh - p ρ κu ρ εu Fg ρ1v Y1 ρ2v Y2 M ρnsv Yns ρuv ρv2 p ρwv v ρh - p ρ κv ρ εv Eg ρ1w Y1 ρ2w Y2 M ρnsw Yns ρuw ρvw ρw 2 p u ρh - p ρ κw ρ εw 32第27卷 第6期 徐景德,等激波诱导瓦斯气体爆燃的三维数值模拟 Eg, v ρD 5Y1 5x ρD 5Y2 5x M ρD 5Yns 5x τxx τxy τxz uτxx vτxy wτxzPx qx μlμt/σk 5 k 5x μlμt/σ ε 5ε 5x Fg , v ρD 5Y1 5y ρD 5Y2 5y M ρD 5Yns 5y τyx τyy τyz uτyx vτyy wτyzPy qy μlμt/σk 5 k 5y μlμt/σ ε 5ε 5y Gg , v ρD 5Y1 5z ρD 5Y2 5z M ρD 5Yns 5z τzx τzy τzz uτzx vτzy wτzzPz qz μlμt/σk 5 k 5z μlμt/σ ε 5ε 5z S s1 s2 M sns 0 0 0 0 -σij 5ui 5xj μt 5ρ ρ 25 xj 5p 5xj -ρ ε -C1 ε κ σij 5ui 5xi Pi - C2ρ ε 2 κ 7 各参数的物理意义见文献[2] ,其中n 14表示组分个数。由于壁面附近,流场结构变化剧烈,采用指 数加密方式处理。数值计算时,采用隐式方法处理化学反应源项,采用LU分解和迎风TVD格式分别处理 对流项的隐式和显式部分,扩散项采用中心差分。由于化学反应特征时间远小于流场的特征时间,所以如果 要同时求解流场和化学反应,必须对化学反应进行隐式处理。 3 数值模拟结果分析 计算域的长宽高之比为25∶1∶2 ,在IX 151处设置膜片,膜厚度为零,破膜的无量纲压力为1. 5 ,膜的 一侧管内充满当量比为9. 5 的甲烷和空气的混合物,另一侧充满当量比42 的氢气和空气的混合物。 初始条件初始压力P0为101 325 Pa ,初始温度T0为300 K,初始的MACH为0。 边界条件如图2所示左端面,上下壁面和后壁面为固壁条件,前面为对称面,右端面为外推出口条件。 从图3可以看出,压力波先以球面传播,逐渐形成平面波,在图 3a 中可以看到压力波与壁面相互作用 情况。当压力大于破膜压力时,膜片瞬时破裂,由于冲击波传播速度远快于火焰速度,破膜后,前驱冲击波逐 渐衰减,当火焰点燃瓦斯混合气体后,化学反应能量使冲击波逐渐增强,在火焰附近出现第2个峰值压力,随 着反应的进行,有逐渐吞掉低压区的趋势。 从图4可以看出火焰温度的升高依赖于化学反应放出的热量,而爆炸火焰温度的高低直接影响着爆炸 冲击波的生成和强度。 42 武 汉 理 工 大 学 学 报 2005年6月 图5可以进一步说明燃烧与爆炸冲击波的正激励效应。图2～图5示均为I Y 21 ,IZ 11分别表示 Y , Z方向的网格数。从图6中可以得到化学反应的各组分的浓度变化,H2O、CO、CO2、O和OH质量分数 较大,它们是主要的反应物和生成物,快速消耗和生成后在稀疏波区缓慢变化并达到稳定值,其它组分的质 量分数很小,在图6中几乎看不到,在10 - 3量级以下 ,表明不同组分在爆燃化学反应中所起的作用不同。 4 结 论 a.将基元化学反应模型与爆炸过程的数学模型进行耦合,提高了数值模拟过程的真实性。在模拟中采 用了区域计算的方法,大大地节省了计算时间,为瓦斯爆炸数值模拟提供了较好的研究方法。 b.通过数值模拟揭示了爆炸区温度的升高与化学反应之间的关系,证明了瓦斯爆炸冲击波的强度与燃 烧的密切关系。 c.压力、 火焰的数值模拟结果揭示了火焰与冲击波之间的正激励效应关系,验证了瓦斯爆炸传播过程 中,爆炸波逐渐增强的趋势。 d.化学反应中不同的自由基对瓦斯爆炸反应中激波强度的影响不同。其中H2O、CO、CO2、O和OH对 爆炸波的强度起决定作用。 参考文献 [1] Al2Farayedhi A A , Antar M A , Khan A. Effect of Equivalence Ratio on the Concentration of CH4/ NO2/ O2Combustion Prod2 ucts[J ]. International Journal of Energy Research , 1999 ,23 1165～1175. [2] 张莉聪,徐景德,吴 兵,等.甲烷2煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究[J ].中国安全科学技术,2004 ,4 8 81～85. 52第27卷 第6期 徐景德,等激波诱导瓦斯气体爆燃的三维数值模拟