守恒方程在燃燒爆炸學(xué)中的應(yīng)用

朱彥奎　李亞松

【摘 要】本文采用具有模擬復(fù)雜外形的流體流動(dòng)及熱傳導(dǎo)的CFD軟件FLUENT，建立了一個(gè)絕熱式燃燒嘴的二維燃燒空間，選用k-ε湍流模型和有限速率模型對(duì)二維空間進(jìn)行數(shù)值模擬，為復(fù)雜的燃燒實(shí)驗(yàn)作了一些基礎(chǔ)的研究工作，可為燃燒實(shí)驗(yàn)分析和工程應(yīng)用提供一種新的研究手段。

【關(guān)鍵詞】燃燒爆炸；數(shù)學(xué)模型；數(shù)值模擬；FLUENT

0 引言

可燃?xì)怏w爆炸是工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域爆炸災(zāi)害的主要形式之一，迫切要求能夠預(yù)測(cè)好潛在的氣體爆炸的威力和危害，并以此為基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)和實(shí)際建筑安裝中提出合理的方案。氣體爆炸是預(yù)混燃燒的一種。可燃?xì)怏w燃燒爆炸的模式大致可以有4種：定壓燃燒、爆燃、定容爆炸、爆轟。管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸事故中最常見的形式是爆燃，即火焰陣面相對(duì)于未燃?xì)怏w以亞音速傳播，工業(yè)可燃?xì)怏w爆炸事故多足由弱點(diǎn)火（點(diǎn)火能量小于100J）點(diǎn)燃可燃?xì)庠埔鸬摹鞑バ问蕉酁閬喴羲賯鞑サ谋疾āＨ紵省㈩A(yù)混火焰陣面的傳播率及障礙物幾何形狀對(duì)爆燃超壓都有影響，與之相關(guān)的問題是現(xiàn)今研究的主要課題之一。包括實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、模型的建立及數(shù)值模擬等。本文以甲烷燃燒為對(duì)象，首先建立了其物理模型和數(shù)學(xué)模型，并利用商用CFD軟件FLUENT對(duì)二維熱態(tài)燃燒空間進(jìn)行模擬。

1 數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展概述

A.K.Gupta利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法研究了高溫空氣燃燒的火焰狀態(tài)。利用了非均勻網(wǎng)格系統(tǒng)，引入了傳熱模型，湍流模型，考慮了體系內(nèi)的輻射和化學(xué)反應(yīng)。得出了在不同的空氣預(yù)熱溫度（1400K和1200K）下，隨著含氧濃度（21%，15%，8%，5%，2%）的降低，火焰的最高溫度都降低，火焰的體積增大。W.Blasiak，B.Lindblad模擬了具有一個(gè)燃料噴嘴的長(zhǎng)方體型燃燒室，選用不同的模型（RSM/MPDF模型和k-e/FRDE模型），得出空氣預(yù)熱到1300K，氧氣濃度分別為21%，15%，8%，3%時(shí)燃燒室的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)圖，說明了高溫空氣燃燒具有溫度分布均勻，低污染物排放的優(yōu)點(diǎn)。并且得出RSM/MPDF模型模擬火焰燃燒的結(jié)果比k-e/FRDE模型更接近試驗(yàn)拍攝的結(jié)果。

國(guó)內(nèi)具有代表性的是文獻(xiàn)中對(duì)高溫空氣燃燒的火焰特性，全輻射式鍋爐內(nèi)火焰流股結(jié)構(gòu)以及換向瞬間爐膛內(nèi)熱工作特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果與前期的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)和日本學(xué)者發(fā)表的結(jié)果相吻合。西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首先借助Fluent軟件平臺(tái)，應(yīng)用Eulerian/Lagrangian方法，在3種不同工況下對(duì)200MW四角切向燃燒煤粉鍋爐爐內(nèi)的流動(dòng)、傳熱以及燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了爐膛內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，而且對(duì)爐內(nèi)CO、O2、CO2的質(zhì)量濃度分布給出了趨勢(shì)圖，給出了煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。清華大學(xué)熱能工程系由長(zhǎng)福等人比較了軟件FLUENT提供的不同湍流模型：K-ε模型、RNGK-ε模型、帶旋流修正的RNGK-ε模型、Realizable K-ε模型、雷諾應(yīng)力模型在對(duì)四角切向燃燒煤粉鍋爐內(nèi)冷態(tài)氣相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬的效果；探討了為減小數(shù)值偽擴(kuò)散對(duì)強(qiáng)旋流動(dòng)的影響采用的減小網(wǎng)格尺寸和提高差分格式精度等措施的優(yōu)劣，為理論分析強(qiáng)旋湍流流動(dòng)和對(duì)四角切向燃燒煤粉鍋爐內(nèi)流體流動(dòng)的工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。同濟(jì)大學(xué)熱能工程系金穎等運(yùn)用FLUENT軟件模擬計(jì)算了小尺寸下的簡(jiǎn)單煙氣擴(kuò)散規(guī)律，結(jié)果與正態(tài)分布假設(shè)下的高斯煙羽模型驗(yàn)證表明該軟件能很好的模擬出煙氣擴(kuò)散問題。法國(guó)杜埃礦業(yè)研究院工業(yè)能源實(shí)驗(yàn)室在FLUENT平臺(tái)上對(duì)原型為600MW四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行爐膛內(nèi)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)模擬，研究了經(jīng)不同燃燒器送入的空氣在爐膛內(nèi)的流動(dòng)情況以及爐膛內(nèi)的速度分布[1]。

2 物理模型及其網(wǎng)格劃分

本文所建的物理模型是二維圓筒形燃燒器。在燃燒器的中心有一個(gè)小的噴嘴注入甲烷。空氣從噴嘴周圍進(jìn)入燃燒器。其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和速度由操作面板輸入。圓筒內(nèi)壁每格0.5m有高為0.1m的擋板。物理模型及尺寸如圖1所示：

本物理模型的特點(diǎn)是：燃料噴嘴為絕熱材料，壁面初始溫度為300K，燃料由噴嘴處高速噴出，并與低速流動(dòng)的空氣混合。壁面上的擋板會(huì)使氣流產(chǎn)生明顯的渦流，在模擬中可以清晰的看到。

本模擬采用FLUENT的前置處理器GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于模型是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以只對(duì)一半模型進(jìn)行劃分，除了周邊界和4個(gè)長(zhǎng)壁面的ratio分別選為0.38和0.55外，其他均為1。噴嘴處的網(wǎng)格放大圖如圖2所示：

由圖2可以看出，網(wǎng)格劃分采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格信息如表1：

1 cell zone，7 face zones。最大網(wǎng)格體積為5.389917e-005m3，最小網(wǎng)格體積為4.484518e-007m3，大于0，可以正常計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

計(jì)算工程可以生成火焰從發(fā)生到噴出燃燒器的動(dòng)畫效果。以下是計(jì)算過程中的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)隨時(shí)間的變化圖（圖3、圖4、圖5）。

4 結(jié)論

本文采用具有模擬復(fù)雜外形的流體流動(dòng)及熱傳導(dǎo)的CFD軟件FLUENT，建立了一個(gè)具有高效蓄熱式燒嘴的二維燃燒空間；選用k-湍流模型、species transport模型對(duì)二維空間進(jìn)行數(shù)值模擬。通過計(jì)算結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

（1）計(jì)算模型、湍流模型和組分模型的選擇對(duì)收斂的速度和計(jì)算的花費(fèi)有著直接的影響，因此應(yīng)該綜合考慮，以使計(jì)算花費(fèi)和收斂時(shí)間達(dá)到能夠接受的程度。

（2）FLUENT的計(jì)算只是一種數(shù)值模擬計(jì)算，跟實(shí)際實(shí)驗(yàn)值存在一定誤差。

（3）組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能影響火焰的發(fā)生和傳輸。燃料組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低或過高都不能順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。過低可能導(dǎo)致火焰不能點(diǎn)燃，過高則有可能使火焰在短時(shí)間內(nèi)迅速熄滅。

（4）本實(shí)驗(yàn)假定除了密度以外的所有物性不變進(jìn)行初始化計(jì)算。因?yàn)榱鲃?dòng)為完全發(fā)展湍流，使用常傳輸物性是可以接受的。但是不變比熱的假定對(duì)燃燒的求解有較大的影響。

（5）擋板對(duì)燃燒的氣流有明顯的影響，通過動(dòng)畫可以明顯的看出在擋板處產(chǎn)生了渦旋氣流。

（6）本實(shí)驗(yàn)的渦—耗散反應(yīng)模型忽略了化學(xué)動(dòng)力學(xué)。因此僅使用混合率參數(shù)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)未被激活。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]李珍香，張躍華.仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[J].電腦學(xué)習(xí).2000（5）：2-14.

[4]劉霞，葛新鋒.FLUENT軟件及其在我國(guó)的應(yīng)用[J].能源研究與利用，2003（2）：36-38.

[責(zé)任編輯：王楠]