油氣在持續熱壁下熱著火發生的數值模擬*

吳松林，杜 揚，歐益宏，張培理，梁建軍

(1.陸軍勤務學院基礎部，重慶 401311；2.陸軍勤務學院供油工程系，重慶 401311)

可燃氣體著火過程的影響因素、燃燒特性、傳播特性等一直是安全領域的研究熱點，已取得了許多成果。其中對單質可燃氣體的研究成果較多，對混合可燃氣體的研究較少，如油氣。油氣是一種主要由輕質烷烴組成的混合物。混合物的研究較困難，如對汽油燃燒特性的研究，往往采用其替代物進行研究[1-3]。Du等[4]已通過實驗研究了油氣著火的影響因素，歐益宏等[5]、杜揚等[6]、Ou等[7]已通過實驗研究了受限空間爆炸的傳播特性。但受實驗條件限制，某些研究還有待深入，如溫度、壓力、火焰速度、湍流變化速度、組分變化速度等參數的演變特征。數值模擬是研究可燃氣體著火、爆炸過程的一種有效方法，如Bi等[8]、Wang等[9]、Skjold等[10]研究了具有某種特殊幾何結構的封閉管道內的氣體爆炸過程，Sarli等[11]研究了有障礙物直管道內的氣體爆炸過程。通過數值模擬能獲得采用實驗方法不能測試和觀察到的一些信息，而且還具有安全、經濟的特點。但是數值模擬的關鍵是建立恰當的模型、反應機理和初始條件。吳松林等[12]對油氣的化學反應機理進行了簡化，為油氣著火、爆炸的數值模擬奠定了基礎。本文中，基于油氣簡化機理[12]和實驗結果[13]，將油氣化學動力學、輻射模型和傳質相互耦合，通過建立統一控制方程組模型，選擇適當的數值解法和初始條件，對持續熱壁條件下油氣熱著火的發生進行數值模擬，以期獲得的相關數值結果可作為實驗結果的有益補充和啟發進一步探討。

1 統一控制方程組模型和數值解法

基于實驗背景，對受限空間中油氣熱著火的發生作如下假設：(1)混合氣體處于絕熱環境中，受限空間與外界的熱量傳遞可忽略；(2)混合氣體處于可壓縮、低馬赫數的二維流動狀態；(3)黏性耗散、壓縮功的影響可忽略。

油氣著火過程是流動過程和組分化學反應過程的耦合。在受限空間持續熱壁加熱情況下，還要同時考慮熱壁與氣體之間的對流換熱、氣體間能量的輻射。因此，對油氣熱著火需要同時建立化學反應模型、對流換熱模型、輻射模型以及綜合上述模型的流場控制方程組模型。對化學反應采用吳松林等[12]提出的47個組分、100個基元反應的油氣簡化機理；對輻射模型采用P-1模型；對加熱熱壁與可燃氣體的對流采用牛頓冷卻公式；其他的控制方程有連續方程、動量方程、能量方程、組分方程、k方程、ε方程。化學反應和流場方程通過組分和能量關系直接耦合，輻射模型、對流換熱方程與能量方程直接耦合。

統一模型中基本方程組可表示為瞬態項、對流項、擴散項和源項組成通用輸運方程：

式中：φ代表溫度、質量分數、單位體積的能量和單位體積的動量等控制變量，Γ為對應的交換系數，S為對應的源項，u為氣體的速度。

由于這類方程相互耦合，有強烈的非線性，特別是源項,因此，采用迭代法進行數值求解，即將方程表示為節點的迭代關系，把連續的基本方程離散化，獲得迭代方程。在計算方法上采用有限體積法，在體積域采用混合格式，時間域上采用向后差分格式對控制方程進行離散。控制方程的分離式解法如圖1所示。

2 初始條件及結果驗證

數值模擬區域采用和實驗[13]一致的1 700 mm×400 mm絕熱受限空間，如圖2所示。模擬區域共分1 400個單元、2 910個內部面、1 511個點。初始壓強為一個標準大氣壓，環境溫度為300 K，熱壁溫度為2 000 K。初始組分如表1所示。以下通過油氣熱著火發生過程的流場特征和某些點參數的變化曲線來分析著火特征，選取的7個點位置見圖2。圖3中給出了通過數值模擬獲得的熱壁表面3個點的溫度變化曲線。當熱爆炸發生時，熱壁表面的臨界溫度為880 K，這與實驗結果877 K[13]基本一致。

表1 初始組分Table 1 Initial components

3 數值結果及分析

3.1 溫度

3.1.1溫度場變化過程

選取有代表性的6個時間點來刻畫溫度場和參數的變化過程，如表2所示，表中t為時間，n為計算步數，Tmax為最高溫度，pmax為最高壓力，vx,max為最高橫向速度，vy,max為最高縱向速度,I為最大擾動強度，其溫度場模擬結果如圖4所示。

表2 熱著火過程的6個時間點的基本參數Table 2 Basic parameters of the thermal ignition process at 6 time points

圖4(a)顯示熱對流換熱和熱輻射后，加熱壁上空溫度場呈筆尖狀，氣體流動和升溫同時發生；圖4(b)溫度場顯然受到了流動的影響，其形狀有所變化，向一側傾斜，這同實驗的可視化結果[13]完全一致；圖4(c)～(e)顯示的現象幾乎是瞬間完成的，熱著火已經發生，形成燃燒核，同時顯示了溫度場變化過程也是化學反應和流動的耦合過程，使得燃燒向上和向兩側擴張；圖4(f)顯示已經形成了次級燃燒火焰，向兩側擴張，弱沖擊波也已經形成。

3.1.2不同位置的溫度突變

圖5為7個測試點的溫度變化曲線。從圖5可知:

(1)溫度存在突變現象，整個熱著火發生過程可分成兩段，分別為溫度受加熱壁和緩慢氧化放熱影響的溫度緩慢上升過程，以及熱著火發生后溫度躍升過程；

(2)在溫度緩慢上升過程階段，7個空間點的溫度基本呈現與空間相關上升，空間對稱兩側的溫度并不一定對稱;

(3)在溫度緩慢上升過程階段，受流場的影響，7個點的溫度穩定上升;

(4)從圖5(b)可以發現，盡管起燃時間很短，但還存在2個小的溫度突變階段，說明起燃中存在非線性特性，其原因需要深入研究;

(5)受流場影響，燃燒過程呈現不對稱性。

3.2 壓力

3.2.1壓力變化過程

選取與溫度場同樣的6個時間點，作受限空間的壓力等值線,如圖6所示。圖6(a)中，隨著氣體受熱壁影響，壓力開始在熱壁上方上升，壓縮受限空間的氣體，使得受限空間的氣體開始向四周流動。從圖6(b)、(c)開始，熱著火發生了，壓力等值線開始變得稠密。模擬數據結果顯示最大壓力有1個多大氣壓，這與實驗結果基本一致[13]。圖6(d)中，壓力等值線較彎曲，壓縮兩側的氣體，形狀不規則。圖6(e)和(f)的等值線在兩側非常稠密，說明隨著氣體燃燒強度的增大，兩側的弱沖擊波已經形成。但是，燃燒火焰還主要在熱壁的中上部，最高壓力還處于中間，燃燒化學反應和氣體流動的強烈耦合還需要更大的空間，所以總的壓力并不高，模擬數據顯示最高壓力有3個多大氣壓。

3.2.2不同位置壓力突變

圖7是7個點的壓力變化曲線，從圖7可知：(1)熱著火發生前，7個點的壓力變化不大；(2)熱著火發生后，壓力也存在階段性突變特征。在同一時刻，7個點的壓力不同，存在很大的差別；(3)從模擬的最后時刻的壓力來看，第3～6點的壓力很接近，而第7點壓力很低，這也說明弱沖擊波正在形成。

3.3 主要組分質量變化

3.3.1主要反應物變化

圖8是1號位置的主要反應物質量變化曲線。從圖8可知，t∈[0,0.36] s時，主要反應物相差不大，它們的質量分數從0.01還降到了0.009 6，這主要是受熱壁加熱影響，密度下降的原因。t∈[0.36，0.415] s時，主要反應物呈現了明顯的階段性特征。第1階段，從0.36 s到0.39 s，主要反應物發生了緩慢氧化反應，濃度呈現下降趨勢，特別正庚烷發生了熱裂解，質量分數幾乎變為了零。第2階段，從0.39 s到0.40 s，主要反應物質量分數有所增大。主要原因是密度回升，流場影響相對減弱，大分子熱裂解成低碳烷烴的因素增加，造成了C1～C4的質量分數增大。第3階段，從0.40 s到0.41 s，主要反應物發生反應被消耗，濃度降低。0.41 s后，熱著火發生，反應速度增大，流場變化加劇，主要反應物質量分數呈現波動。

3.3.2不同位置的組分質量分數

圖9～13為不同位置主要組分的質量分數變化曲線。從以上反應物在不同階段的質量分數變化曲線可知：(1)t∈[0,0.15] s階段，主要生成物CO、H2O基本沒有變化，但隨后到0.39 s，這些生成物有較小量級增加，說明隨著溫度的增加，主要反應物發生了非常緩慢的氧化反應，特別是1號位置表現明顯。(2)t∈[0.39,0.41] s階段，發生緩慢氧化階段，生成物不斷增加，組分的質量分數與反應強度，流場變化特征、空間位置關系緊密，CO、H2O等組分的質量分數總體增加，O2、輕質烷烴等組分質量分數總體減小，但波動較明顯。(3)熱著火發生后，主要受燃燒反應強度的影響，反應物減少，生成物增加。從OH基團的變化可以發現不同位置反應強度不同。

綜上，受限空間油氣熱著火發生過程中，無論是緩慢氧化階段，還是熱著火發生過程中，整個受限空間內氣體都受到了化學反應和流動的耦合作用，氣體間化學反應不斷加劇，流動不斷增強。但從所起的主導作用來看，加熱初期，輻射換熱為主導作用；在加熱中期，輻射換熱和緩慢氧化反應為主導作用；在熱著火發生階段，化學反應和流動強烈耦合，同時占主導作用。

3.4 火焰速度

3.4.1層流火焰速度

圖14～17為不同位置流場速度變化曲線。由橫軸方向層流速度來看：熱著火發生前，速度很小，僅有每秒幾個厘米，左右流動也基本對稱；受受限空間影響，氣體流動發生了回流，兩側氣體呈現向中間流動的現象。在0.405 s后，熱著火發生，形成弱沖擊波，氣體向兩側流動。速度超過了100 cm/s。從第1和第2點的流動方向來看，熱著火發生前，火焰基本呈振動狀態，方向不斷擺動，熱著火發生后火焰偏向右側，說明有湍流影響流動方向。由縱軸方向的層流速度來看：與橫向速度比較，開始加熱階段，最大速度略大，而后受上壁面影響，速度相對減小。起燃階段，速度方向總體向上，呈現震蕩特征。

3.4.2湍流火焰速度

圖18為不同位置湍流變化曲線。湍流也出現了2個階段的特征：在加熱開始階段，湍流突然增大，而后略有降低；當熱著火發生時，湍流急劇增大。

4 結 論

油氣在熱壁下的熱著火發生過程主要受輻射放熱、化學反應和流動的耦合作用，呈現出階段性。在高溫熱壁加熱初始階段，加熱使得氣體膨脹，同時氣體溫度升高。流動改變了流場流動特征，造成受限空間中組分濃度、流速等參數的變化，輻射放熱和流動成為主導作用；在熱著火發生前，隨著輻射放熱進行，熱壁上方溫度升高，油氣緩慢氧化反應放熱逐漸成為影響流場特征的主導作用。在熱著火發生后，劇烈化學反應和高強度湍流相互耦合，弱沖擊波瞬間形成，化學反應和流動同時占主導作用，氣體的溫度、壓力、質量分數、湍流強度等參數均呈現出一定的震蕩和非線性特性。

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