障礙物阻塞比及間距對丙烷-空氣預混火焰傳播的影響*

葛俊峰

1.集寧師范學院物理學院，內蒙古 烏蘭察布 012000

2.內蒙古自治區礦土土質改性及綜合利用重點實驗室，內蒙古 烏蘭察布 012000

液化石油氣是工農業生產及日常生活的重要能源，主要成分為丙烷。在日常運輸過程中如果發生泄漏，泄漏的液化氣與空氣混合，極易發生回火和爆炸。陳道陽等[1]研究了障礙物對爆炸后火焰傳播的影響，發現火焰傳播速率會隨障礙物間距、阻塞率的改變而發生較大的變化。Lindstedt等[2]研究了障礙物尺寸和幾何形狀對火焰傳播規律的影響。Ibrahim等[3]系統地研究了障礙物對火焰傳播中超壓的影響，通過對試驗結果進行分析后發現，障礙物對初期層流火焰的影響比較小；而且在阻塞率不斷增大的情況下，爆炸的最大超壓也跟著增加，并且平板形障礙物能夠引起最高的超壓，圓柱形障礙物能夠引起最低的超壓。王成等[4]對邊界層和障礙物對湍流火焰的加速機理進行了深入的研究，發現邊界層效應會增大表面積，增加反應速率，而且會使火焰加速，不同尺度的渦結構在火焰傳播過程中的作用不同，小尺度渦主要影響火焰內部以及反應區的結構特征，而大尺度渦主要控制火焰的全局特征。

文章主要研究不同障礙物阻塞比和間距對管道內丙烷-空氣混合氣體火焰加速機理，運用Gambit軟件對模型進行前處理、劃分網格并設置邊界條件，然后進行模擬，利用模擬數據和圖像對不同障礙物阻塞比、間距對火焰傳播過程中加速機理進行研究。同時，將這些數值模擬的結果與實驗結果進行了對比，不僅為實驗研究提供了可供參考的模型，也為實際中的爆炸事故預防提供了可靠的依據。

1 網格劃分及初始條件設置

1.1 模擬對象

預設長為3m，直徑為0.2m的圓柱形管道，內充體積濃度為4.03%的丙烷-空氣混合氣體，在管道壁面上分別設置不同障礙物阻塞比和間距的障礙物，管道左端中間設置點火點，研究不同障礙物高度和間距對火焰傳播規律的影響。

1.2 網格劃分

由于三維圓柱形管道模型的計算量龐大，將其簡化為二維空間進行研究和分析。同時，為節省模擬計算時間，在保持實驗模型長徑比不變的情況下，對數值模型進行比例簡化，簡化為長3m、寬0.2m的長方形管道，模型四面的邊界類型設置為絕熱，并忽略管道壁厚度。

在簡化的管道網格劃分中，點火區域設置在管道的最左側加密區中間位置，加密網格有利于點火成功。點火區域為以（0，0.1）為圓心，半徑為5mm的半圓（見圖1）。在障礙物及燃燒區網格劃分中，障礙物間距設置為0.2m，網格均勻為0.01m（見圖2）。

圖1 管道前半部分網格劃分

圖2 障礙物間距為0.2m的網格

1.3 初始條件設置

（1）點火條件設置。在預設的密閉管道內，封閉的丙烷-空氣混合氣體遇電火花或者火源發生爆炸，局部丙烷-空氣混合氣體受到點火源加熱，溫度迅速升高，當達到著火點后混合氣體形成局部火焰，后面混合氣體逐步被點燃并迅速傳播，整個管道內的混合氣體被逐層點燃起來。按照點火理論，設置點火區域的參數為T=1500K，P=101325Pa，u=0，v=0；W(C3H8)=0，W(O2)=0，W(N2)=0.7207，W(CO2)=0.1807，W(H2O)=0.0986。

（2）混合氣體參數。丙烷在空氣中發生泄露，在充分混合后，氧氣的含量是充足的，只要達到丙烷的著火點后，丙烷就會逐層發生一系列的燃燒過程。其總反應方程式為

在式（1）中，O2+3.762N2為空氣的主要成分含量，空氣中主要成分為氧氣和氮氣，比例分別為21%和79%。當混合氣體中丙烷和氧氣完全反應時，1體積的丙烷需要和5體積的氧氣發生反應，即5×（1+79÷21）=23.81體積的空氣參與反應，此時丙烷的體積濃度為4.03%，質量分數為0.0602。

通過查找參與反應的各物質的摩爾質量，并且運用式（1），理論計算得出丙烷-空氣混合氣體的參數如下：T=300K，P=101325Pa，u=0，v=0；W(C3H8)=0.0602，W(O2)=0.2191，W(N2)=0.7207，W(CO2)=0，W(H2O)=0。

2 數值模擬結果及其分析

2.1 障礙物高度對火焰傳播規律的影響

在距離點火端0.25m處設置監測點，監測管道內火焰經過不同高度障礙物后的壓力、溫度和流動速度隨時間變化的規律。

在2ms之前，障礙物高度為0.03m時的超壓略大于障礙物高度為0.05m的情況。但是之后，障礙物高度較高時的超壓明顯高于低障礙物的情況，且在11ms時，高障礙物時的超壓開始激增，超壓增加速率和幅度都明顯大于低障礙物的情況，而低高度障礙物的超壓激增時間明顯滯后。因此，障礙物高度較高時，即阻塞比較大時管道內爆炸超壓增加，并且超壓達到最大值的時間提前，會造成更大的危害。

不同障礙物阻塞比（高度）對管道內溫度傳播規律的影響不大，在整個火焰傳播過程中，溫度-時間曲線幾乎一致。

障礙物高度對火焰傳播過程中的流動速度有很大影響。在6ms之前，出現障礙物高度較高時管道中的流動速度明顯高于低障礙物時的情況。在11ms時高障礙物時的流動速度激增到400m/s，而低障礙物時的流動速度激增時間是12ms，并且最高流動速度為350m/s。因此，障礙物高度會影響爆炸過程中管道內的流動速度，并且高度越高阻塞比越大，流動速度的最大值也越大。

2.2 障礙物間距對火焰傳播規律的影響

為了研究障礙物間距對火焰傳播的影響，模擬了障礙物間距為0.2m（見圖3）、障礙物間距為0.35m（見圖4）和障礙物間距為0.5m（見圖5）時的火焰傳播情況。障礙物的高度為0.05m，寬度為0.03m，數量為3個。在用Fluent進行計算時，時間步長為10-5s，每隔100步保存一次文件，即每1ms保存一個云圖。

圖4 障礙物間距S=0.35m時的火焰面隨時間變化規律

通過對比圖3～圖5可以發現，隨著障礙物間距的增大，火焰面不斷發生變化，傳播速度也在不斷地發生變化。在5ms之前，間距為0.2m的火焰傳播面和間距為0.35m的火焰面傳播情況相似，但在5ms后，火焰的傳播明顯加快。對照圖3～圖5后發現，間距越小，火焰面的傳播速度越大。

圖3 障礙物間距S=0.2m時的火焰面隨時間變化規律

圖5 障礙物間距S=0.5m時的火焰面隨時間變化規律

在三種障礙物間距下，隨著火焰的傳播，管道內流動速度都經歷兩個峰值，第二個峰值都大于第一個峰值的數值。障礙物間距越小，第二個峰值對應的值越大，即最大流動速度值隨障礙物間距減小而增大。超壓變化也經歷兩個明顯的加速階段，障礙物間距對超壓最大值影響不大，三種不同間距下，最大超壓都為0.9MPa。障礙物間距較小時，同一位置的溫度激增的時間節點提前，但是對達到的最大溫度影響不大。障礙物間距越小，火焰面受到障礙物影響的時間間隔越短，火焰面變形，與壁面充分接觸，火焰表面積增加，從而導致化學反應速率增加，火焰傳播速度增加，火焰達到同一位置的時間提前。

3 結論

文章利用流體力學軟件Fluent，對簡化的二維管道內填充體積濃度為4.03%的丙烷-空氣混合氣體，在管道內設置等間距障礙物，對火焰傳播過程進行了數值模擬研究及分析。通過設置Fluent軟件中的監測點，分別測得了不同位置、不同時間的超壓、溫度和速度的數值變化情況，并依據此監測數據繪制圖表，分析火焰傳播過程中的加速機理。

通過數值模擬得出以下主要結論：障礙物高度（即阻塞比）會顯著影響超壓和流速。障礙物高度越高，超壓和流速及其二者幅值均會增大，到達幅值時間提前，溫度隨障礙物高度變化不明顯。障礙物能加速火焰傳播速度；障礙物間距越小，管道內流動速度提高越明顯；障礙物間距對管道內火焰傳播時的最大超壓值影響不大；障礙物間距越小，管道內同一位置溫度激增的時間節點明顯提前，但對火焰達到的最大溫度影響不大。