（安全技术及工程专业论文）微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟.pdf

微犁圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 n u m e r i c a ls t u d yo nt h ep r o p a g a t i o na n dq u e n c h i n go f p r e m i x e df l a m ei nt u b u l e a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o p a g a t i o na n dq u e n c h i n go ff l a m ei nm i c r oc h a n n e li so n eo f i m p o r t a n ts e c u r i t yt e c h n o l o g i e s t od e v e l o pt h es t u d yo nt h ep r o p a g a t i o no ff l a m ei nm i c r o c h a n n e l ，t h eq u e n c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp r e m i x e df l a m ei nt u b u l e sh a v eb e e ns y s t e m i c a l l y i n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nt h et i m e - a v e r a g e de q u a t i o n so fh o m o g e n o u sr e a c t i o nf l o w j f st u r b u l e n t m o d e la n de b u - a r r h e n i n sc o m b u s t i o nm o d e l ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fh o m o g e n o u st u r b u l e n t c o m b u s t i o nf l o wh a sb e e nf o r m e d t h et w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h ep r o c e s s o fp r o p a g a t i o na n dq u e n c h i n go fp r e m i x e df l a m ei nt u b u l e sh a v eb e e nc a r d e do u tb yt h e g e n e r a lc f dc o d ef l u e n tw i t hs i m p l e cs c h e m e t h e p r o c e s so fp r o p a g a t i o no fp r o p a n e a i rp r e m i x e df l a m ei n6 0 mm u l t i l a y e rw i r e w e b h a sb e e ns i m u l a t e df i r s t l y ，a n dn u m e r i c a lv a l u e sa r ei ng o o da 掣e e m e n tw i t hc o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t a lv a l u e s s ot h ev a l i d i t yh a sb e e np r o v e du s i n gt h et u r b u l e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l t os i m u l a t et h ep r o c e s so fp r o p a g a t i o na n dq u e n c h i n go fp r e m i x e df l a m ei nt u b u l e s t h eg e o m e t r i c a lm o d e lo ft u b u l eh a sb e e nf o r m e d ，a n dt h eg r i ds i z es e n s i t i v i t yh a sb e e n p e r f o r m e di nf l u e n t t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e rt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ep r o p a g a t i o n a n dq u e n c h i n go fp r e m i x e df l a m ei nt u b u l e sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) p r e m i x e df l a m ei nt u b u l e se x h i b i tt h r e ek i n d so fb e h a v i o r s ，i e ，n o t p a s s i n g t h r o u g h ， n o t p a s s i n g - t h r o u g h - w i t h - r e t a r d a t i o na n dp a s s i n g t h r o u g h - w i t h - r e t a r d a t i o n t h e s eb e h a v i o r s h a v eb e e nd e s c r i b e di nd e t a i lb yt h ec o n t o u r so fr a t eo fr e a c t i o na n dt e m p e r a t u r ea td i f f e r e n t t i m e t h eh e a te n e r g yo f r e a c t i o nn o tb e i n ga b s o r b e di nt i m ei st h ec a u s eo ff l a m er e t a r d a t i o n ( 2 ) t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ef l a m ev e l o c i t i e s ，t u b u l ed i a m e t e r s ，i n i t i a lt e m p e r a t u r e s a n dt h eq u e n c h i n gl e n g t h sa r eo b t a i n e d t h eq u e n c h i n gl e n g t hi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f v e l o c i t y ，d i a m e t e ra n di n i t i a lt e m p e r a t u r e ( 3 ) t h eq u e n c h i n gc h a r a c t e r i s t i c si nt u b u l e sa r ec o m p a r e da m o n gt h ep r o p a n e a i r ， m e t h a n e 。a i ra n da c e t y l e n e 。a i r ，a n dt h ec o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a tt h eq u e n c h i n gl e n g t h i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er e a c t i o na c t i v i t y ( 4 ) c o m p a r i s o n so fq u e n c h i n gc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt u b u l e sa n dn a r r o wc h a n n e l sa r e o b t a i n e d a n dt u b u l e s q u e n c h i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r eb e t t e ri nt h es a m ec o n d i t i o n s 大连理f ：大学硕十学位论文 ( 5 ) b a s e do na n a l y z i n gal a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o n s ，t h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l aa b o u tt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf l a m ev e l o c i t i e s ，t u b u l ed i a m e t e r s ，i n i t i a lt e m p e r a t u r e sa n dq u e n c h i n g l e n g t h si so b t a i n e d ，a n di si ng o o da g r e e m e n tw i t hn u m e r i c a lv a l u e s 业上l j l ：r d 一0 2 v + 5 0 瓦。+ l s ot h i se x p e r i e n t i a lf o r m u l ai sa p p l i c a b l et od e s c r i b et h eq u e n c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f p r e m i x e df l a m ei nt u b u l e s k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r e m i x e df l a m e ；t u b u l e ；q u e n c h i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期：之毖盘型墨 大连理l + 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 如坚 班 盘厶年占一月垒_ 日 大连理工大学硕士学位论文 引言 可燃气体是石油化工、煤矿、储运等过程中经常遇到的介质。这些介质与一定浓度 的氧气混合后遇到点燃源就会发生燃烧爆炸。工业中的很多燃烧爆炸事故都是这样形成 的，而且造成了相当惊人的损失。因此，对火焰传播和爆炸的抑制技术一直是世界范围 内的热门研究课题。 为防止火焰沿工艺管道从一台设备传入其他设备，工业上广泛采用了机械阻火器这 一装置。大多数机械阻火器是由许多细小的通道或孔隙组成，这些通道或孔隙能够通过 气体，但可以阻止火焰的传播。其阻火的主要原因是，当火焰进入这些细小通道后就形 成许多细小的火焰流，由于通道或孔隙的传热面积相对增大，火焰通过壁面加速了热交 换，使温度迅速下降，从而被淬熄。根据这一机理，人们通过大量实验得到了一些关于 计算临界火焰传播速度、淬熄直径和淬熄长度之问的关系，然而这些研究还远远不能满 足机械阻火器的设计和应用方面的需求。因此，对火焰在微型通道中的传播与淬熄进行 系统深入的研究，是当今防燃抑爆领域的一个重要课题。 另外，由于微尺寸下的实验研究存在着设备成本高、监测难、数据少等缺点，因此 随着计算机技术的快速发展和计算流体力学理论的日益成熟，数值模拟以其成本低、速 度快、数据丰富、具有模拟理想条件的能力等优点，已经成为科学研究的一个重要方法 和途径。 鉴于上述研究背景，为了完善和发展微型通道内预混火焰的传播和抑制的学术研 究，本文采用数值模拟方法，对微型圆管内预混火焰的传播与淬熄进行了大量的研究。 得出了微型圆管内预混火焰的淬熄规律。 分别研究了火焰速度、微管管径和预混气仞始温度对微管内预混火焰的淬熄性能的 影响。得到了火焰速度、微管管径、预混气初始温度与淬熄距离之间的关系。同时对丙 烷空气、甲烷空气和乙炔一空气预混火焰的淬熄性能进行了比较，从而研究了反应活性 对淬熄性能的影响。通过对微型圆管与平板狭缝的淬熄性能的比较，得出了通道结构对 淬熄性能的影响。 为了更好地描述火焰速度、微管直径、预混气初始温度与淬熄距离之间的关系，本 文在分析了大量数值模拟数据的基础上，总结出火焰速度、微管管径、预混气初始温度 与淬熄距离的经验公式。从而为定量研究微型圆管的淬熄规律提供了更为直接的途径。 上述研究结果能够为管道内预混火焰的传播和抑制提供理论基础，有较高的学术价 值，同时还能为工业上防爆抑爆等安全技术提供理论依据，有深远的实际应用背景。 微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 1 文献综述 可燃气体爆炸是现代工业事故中最具有破坏性的灾害之一，造成了相当惊人的损 失。基于可燃性气体爆炸的巨大破坏性，因此关于防止和抑制爆炸技术的研究一直是国 内外众多科研工作者所关心的课题。而多数情况下可燃气体都是在管道中流动的，因此 关于管道中火焰传播状况及其抑制方法的研究意义重大。 本章介绍了国内外有关气体爆炸及抑爆研究的最新进展。介绍了预混火焰在管道内 传播过程的研究现状，并详细总结了火焰淬熄的研究进展。通过文献评述，确定了本文 的研究方向。 1 1 可燃气体的爆炸 1 1 1 可燃气体爆炸的基本形式 爆炸是能量快速释放的过程，因此它是一种高能量密度的能源，在工业上得到了广 泛的应用。爆炸常分成物理爆炸和化学爆炸，前者是指爆炸过程中只发生物理状态变化 的爆炸，如锅炉爆炸、雷电、地震、高速碰撞等。后者是指爆炸过程中既有物理变化， 又有化学变化的爆炸，如炸药爆炸、瓦斯爆炸、粉尘爆炸等，而可燃气体爆炸，它本质 上是可燃气体与空气或氧的快速氧化反应，属于化学爆炸。其爆炸的主要特征是快速的 燃烧，高温度的燃烧产物膨胀和压缩周围的空气，燃料混合物的燃烧热部分转变为机械 能，膨胀的燃烧产物的机械能以爆炸波的形式转移到周围环境中，从而产生爆炸波和冲 击波，导致被作用物体产生较大的变形、位移乃至破坏。 可燃气体燃烧爆炸的模式大致可以有四种【l 】：定压燃烧，爆燃，爆轰和定容爆炸。 f 1 1 定压燃烧 定压燃烧是无约束的敞开型燃烧，属于稳定的过程，其燃烧产物能够及时向后排放， 其压力始终与大气环境压力相平衡，因此系统的压力是恒定的。定压燃烧的一个特征参 数为定压燃烧速度，或基本燃烧速度。它取决于燃烧的输运速率和发应速率。一般来说 定压燃烧危害较小，其研究的时间比较长，在某一些情况下已获得解析解。 ( 2 ) 爆燃 爆燃是一种带有压力波的燃烧。与定压燃烧不同点证是在于有压力波产生。定压燃 烧时燃烧产物能及时排放，压力不会增长，也就不可能产生压力波。但当燃烧阵面后边 界有约束或障碍物，燃烧产物就可以建立起一定的压力，波阵面两侧就建立起一个压力 差，这个目 力波以当地的声速向前传播，这就是压力波。由于这个压力波传播速度比燃 人连理r 大学硕士学位论文 烧阵面( 火焰阵面) 要快，行进在燃烧阵面前，因此也叫前驱冲击波( 或前趋压力波) ， 由此可见，爆燃是由前驱压力波和随后的燃烧阵面构成。 爆燃是一种不稳定状态的燃烧波。它可以因约束的减弱，排气及时而使压力波减弱， 直至压力波消失，爆燃就沦为定压燃烧。相反，如果爆燃的后边界约束增强，火焰加速， 直至火焰阵面追赶上前驱压力波 i 车面，火焰阵而和压力阵萄合二为一，成为一个带化掌 反应区的冲击波，这就是爆轰波。如图1 1 所示为爆燃波的三个流场区域。 2 区 e z ，p 2 ，p 2 ，u z c 。，t 2 ，丫2 p l 区 e i ，p i ，p b u c ，t l 爿。 卜 0 区 e 。，p 0 ，p o ，u o c 。，t 0 ，丫0 爆燃波阵面前驱冲击波库面 图1 1 爆燃渡的三个流场区域 f i g ，1 - 1t h r e ef l o wf i e l d so fd e f l a g r a t i o nw a v e 注脚0 、1 、2 分别表示o 区、1 区和2 区； o 区一可燃混合气体的初始状态：1 区一前冲击波通过后的状态 2 区一爆燃波阵面( 火焰面) 通过后的状态 ( 3 ) 定容爆炸 定容爆炸是燃料混合物在给定体积的剐性容器中均匀她同时点火对所发生的燃烧 过程，这是一个理想的模型实际情况是不大可能均匀同时点火的，常见的是局部点火， 扩展到整体。由于爆炸过程进行得很快，密闭容器中局部点火所形成的参数与定容爆炸 参数相差无几，一般就用定容爆炸模型来处理。在定容爆炸过程中，容器体积保持不变， 密度也不变，而压力随燃烧释放的化学能的增加而增加。 ( 4 ) 爆轰 爆轰是气体燃烧爆炸的最高形式，其特征是超音速传播( 相对于波前未反应混合物) 的荣化学反应盘口冲击波。跨过波阵面，压力和密度是突跃增加的。爆轰的解析解也已经在 某一些隋况得到，相似理论在这方面也已经得到很好的应用。 燃烧学中称雨果利奥( h u g o n i o t ) 曲线【2 l 下支以亚音速传播的燃烧波为爆燃 ( d e f l a g r a t i o n 波，以上是超声速传播的为爆轰( d e t o n a l i o n ) 波，如图1 2 所示。慢速 爆燃模式很容易实现，只需用一个很弱的点火源点火即可。两对大多数燃料一空气化台 物，直接激发爆轰需要大约1 0 3 1 0 4 j 的起爆能量。这两种模式，在适当的条件下可以 发生突变，即从爆燃模式转变为爆轰模式。此过程般称为d d t ( d e f l a g r a t i o nt o 微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 d e t o n a t i o nt r a n s i t i o n ) ，在实际情况下，有许多因素可使火焰由层流燃烧加速到爆轰状 态。 图1 2r a y l e i g h 线和h u g o n i o t 线 f i g 1 2r a y l e i g hc u r v ea n dh u g o n i o tc u r v e 1 1 2 影响可燃气体爆炸的因素 影响可燃气体爆炸超压和火焰速度的主要因素有：可燃气体的性质、混合气体中可 燃气体的浓度、点火能量以及可燃气体爆炸的环境。 ( 1 ) 可燃气体的性质 气体爆炸出现的可能性以及爆炸后产生的后果在很大程度上取决于气体反应活性。 气体活性越强，分子扩散越快，则它爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度越大，产生爆轰 的可能也越大。目前，根据可燃气体的反应活性对爆炸威力的影响，对可燃气体的反应 活性分为低、中、高三类，见表1 1 。 表1 1 可燃气体反应活性的参照分类 t a b 1 1c l a s s i f i c a t i o no fr e a c t i o na c t i v i t yo fc o m b u s t i b l eg a s e s 夫迮理1 ：人学硕十学位论文 ( 2 ) 混台气体中可燃气体的浓度 预混合气体只能在合适的燃料浓度下( 在上、下可燃极限之f n j ) 才能发生爆炸，燃 料浓度越接近上、下可燃极限，燃烧速度越低，超压越小。在密闭容器中，当燃料以上、 下极限的比例与空气混合并且燃烧时，其爆炸超压是初始压力的4 倍；当燃料与空气 以化学配比混合燃烧时，爆炸超压一般为初始压力的7 - 9 倍p j 。 ( 3 ) 点火能量 足够的点火能量是可燃气体爆炸的三个要素之一，般工业上将点火能量分为强点 火和弱点火。强点火，如雷管、炸药等，这种情况下可燃气体爆炸则会直接发生爆轰i 引。 一般情况下，可燃气体爆炸是在弱点火条件下进行的，如静电、火花等这样低能量的点 火方式，这也是工业上常见的点火方式。因此，在分析中普遍采用较低的点火能量作为 实际条件处理。 ( 4 ) 可燃气体爆炸的环境 如果可燃气体是在有障碍物或外部有约束的区域形成的，则爆炸时产生的爆炸超压 和火焰速度较大，它潜在的危害也较大1 5 】。因此，在预测可燃气体爆炸危害的时候，一 定要考虑可燃气体受约束的程度。 1 2 火焰的加速机理 1 21 层流火焰传播机理 温 度 丁e t 毛 图1 3 穿越个薄层层流火焰的温度分布豳 f i g ，1 3t e m p e r a t u r ea c l o s sal a m i n a rf l a m e 微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 静止的可燃气体混合物被一个弱点火源点火后，形成一个薄层层流火焰。然后能量 不断输送给邻近的冷混合气层。层流火焰的厚度一般为毫米级，由两个区域组成：反应 区和预热区。热量主要是由反应区的化学反应产生的，然后反应区的热量通过热传导和 分子扩散而传送到预热区。在预热区，混合物被预热，这是预热区发生化学反应的先导 条件。所以，热传导和分子扩散现象组成了层流火焰前驱的基本传播机理【6 j 。 图1 3 显示了穿越一个薄层层流火焰的温度的变化情况。在化学反应区，燃烧产物 温度很高，于是未燃烧的混合物受到压缩，产生一个前驱冲击波。随着火焰继续向前延 伸，相对于反应的混合物来说( 一直处于运动状态) ，火焰以层流燃烧速度传播，这样， 就形成了爆燃典型的“二波三区”结构。 1 2 2 湍流火焰加速机理 火焰传播过程中，由于火焰的不稳定会褶皱火焰的表面，增大火焰面积，因此增大 了火焰的有效燃烧速度，从而导致火焰传播速度加快。在活性相对较低的碳氢混合物燃 烧过程中，火焰的不稳定对火焰传播的作用会受到冲击波的限制。火焰传播过程进一步 的加速只有在合适的刚性边界条件下才会发生，因为刚性的边界会诱导膨胀流的内部产 生速度梯度和湍流的动机。当燃烧过程接触到膨胀流的内部的时候，局部燃烧速率会在 几个方面增加。在速度梯度里火焰会被延伸，从而增加火焰面积和有效的燃烧速度。湍 流不仅会增加热传递过程，而且会增加有效的火焰面积，即增大未燃烧的混合物和燃烧 产物之间的界面的面积。 图1 4 可燃气体爆炸过程的正反馈 f i g 1 4 t h e p o s i t i v e f e e d b a c k c a u s i n g t a m ea c c e l e r a t i o n 刚发牛湍流时，湍流强度较低，旋涡只会褶皱火焰表面和增加火焰的有效燃烧速率， 当燃烧速度增加后，将会产生一个更强的膨胀流，强的膨胀流又会导致流速增加，而高 大连理1 大学硕士学位论文 的流速又将加大湍流的强度，在高强度的湍流的影响下，火焰会逐渐的丢失它的原来的 光滑的表面，内部也发生变化。于是湍流的旋涡又倾向于分裂火焰前驱，从而导致一个 更高的燃烧速率，高的燃烧速率将又会产生更强的膨胀流和湍流。这样，就会形成火焰 加速的正反馈，其反馈机理如图1 4 所示1 7 1 。 1 3 火焰淬熄的研究进展 抑制管道中火焰传播的一个重要途径就是促使火焰熄灭，从而阻止火焰继续传播。 火焰在狭缝或狭小的通道中传播时，如果狭缝的间距或通道直径足够小，火焰在其中传 播一段距离后就会自动熄灭，这种现象称为淬熄。因此对淬熄现象和规律的研究是防爆 抑爆的一项重要课题，长期以来受到众多科研工作者的青睐。 1 3 1 初步研究和理论 早期的淬熄研究是1 8 1 5 年h d a v y 为解决煤矿中瓦斯爆炸问题而进行的淬熄实验， 根据这种淬熄现象，d a v y 用丝网使瓦斯火焰淬熄，成功地解决了当时煤矿中使用沼气 灯可能引起的瓦斯爆炸事故。对淬熄现象的定量化实验研究是在二十世纪后。w p a y m a n 等人用煤气一空气和甲烷一空气所做的火焰通过小直径管道的实验研究表明，火焰穿越小 直径管道的能力主要取决于火焰的传播速度。j m h o l m 采用烧嘴法对多种燃气预混火 焰的淬熄直径进行测量实验后得到的结论是，小直径通道对火焰的淬熄作用受多种因素 的影响，主要取决于通道的尺寸( 淬熄直径) ，通道壁面材料的导热系数居其次。1 9 6 1 年a g s t r e n g 和a v g r o s s i8 】实验研究了臭氧火焰的淬熄直径，研究装置非常简单，在 细小的管中以火焰通过不通过来判断火焰是否淬熄，从而确定淬熄直径。1 9 6 3 年，k n p a l m e i9 】等人用丙烷一空气作为实验介质，对工业用的波纹板阻火器进行了淬熄性能实验 研究，从热量平衡的观点解释了淬熄机理，给出了火焰进入波纹板前的传播速度与三角 形7 l 径及淬熄长度的关系，实验验证了该结果可用于火焰速度较低时的情况。由于实验 技术的落后，火焰在狭缝中温度压力和组分的变化以及火焰形状的变化一般都当作黑箱 来看待，不作实验研究，仅对火焰进入狭缝前和从狭缝中是否穿出的宏观现象进行了简 单的测试和判断，是淬熄研究的初步阶段。 这一期间经典的理论是由s p a l d i n g i ”】提出的，用能量平衡的观点来描述火焰淬熄， 该理论认为火焰熄灭和燃烧极限是由于燃烧反应的热量损失引起的。因此，可用冷壁效 应来解释在一对平行板间的火焰淬熄。对于一对平行板问的二维问题，淬熄间距d 。可定 义为释热率q 。刚好等于散热率q ：时的平行板距离。其中q 。和q ，的公式分别如式( 1 1 ) 和 式( 1 2 ) 所示。 微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 q 。= e a o 陋) ( a a ) o 。 ( 1 1 ) 乱：州d 万t ( 1 2 ) 黜 、 其中，d ，a ，九，a ，q 。，q 。和r r 分别为两平行板问距，板上的微元面积，可 燃混气的当量摩尔数，壁面的导热系数，每摩尔可燃混气的释热率，每摩尔可燃混气的 散热率和化学反应速率。 令：l 为能保持火焰传播的最低温度；t o 为冷端温度，并假定气体的温度分布为直 线段，中心温度最高，取为。由能量平衡方程，得到 拍a 等堋。r r a d ( 1 3 ) 或者 如等掣 ( 1 d i l , ) “；fl 、 九尉纨 ”一7 由能量平衡得 蛾= c ，( 0 一瓦) 将( 1 5 ) 式代入( 1 4 ) 式中，得： n 蝇4 2 l(。tq-一t瓦orr) 式c ，1 0 一瓦j 又口：土，所以： c p o 妒j 盖 蔓。艘 因为 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 大连理：f 大学硕十学位论文 九。、f 兰。三 ( 1 1 0 ) d - ”、面。i u 由上述分析可知，反应越强烈( r r 愈大) ，淬熄越困难，淬熄间距越小；壁面的导 热系数a 越大，淬熄越容易，淬熄间距越大；火焰压力p 越大，淬熄越困难，淬熄间距 越小。 上述单纯采用冷壁效应来描述淬熄的理论有明显的局限，有实验证明，比如玻璃管 和铜管，虽然这两种材质的导热系数相差数百倍，但是其最大淬熄直径是一样的【1 1 1 。可 见，淬熄不单纯是由冷壁传热引起的。 1 3 2 半经验和半理论研究 f 1 ) 淬熄的实验研究 h p h i l i p si l l l 于7 0 年代提出了热点火理论模型来研究容器内可燃气点燃后能否通 过类似于法兰口的狭缝传递到环境中。实验考虑了容器容积、点火位置、氧浓度、湿度、 压力和环境温度对火焰能够传播的最大狭缝间距的影响，与计算结果吻合较好。 受到h p h i l i p s 的影响，m a s a om a e k a w a 1 2 】建立双燃烧室实验装置。在主辅燃烧室 之间用一组平行板组成的狭缝通道相连，两个燃烧室中充满可燃气体，当主燃烧室点火 燃烧后，如果火焰通过狭缝传递到了辅燃烧室，那么，此时的狭缝通道淬熄火焰不成功。 反之，如果火焰不能传递到辅燃烧室，表示淬熄成功。用辅燃烧室可燃气体是否点燃来 判断狭缝的淬熄特性非常直观有效。通过定量化的实验研究，得出了淬熄距离g 与通道 长度l 的关系： g = b e “+ b l ( 1 1 1 ) 其中，口。口和k 是常数。 该研究成果第一次考虑了除了淬熄距离以外的通道长度的影响，但是，影响淬熄的 诸多因素如火焰速度、可燃介质浓度等在实验中没有得到足够的重视。而且该结果只是 针对矩形狭缝通道这种特例得出的统计规律，不能从机理上解释淬熄过程。 1 9 8 5 年n o r i m a s ai i d a l l 3 1 1 1 4 】等研究了高速火焰在狭缝中的传播特性，确定了影响这 些特性的因素。实验装置如图1 5 示。以高速摄影和纹影技术来观测燃烧室和狭缝中火 焰的传播姿态。如图1 6 所示为每隔5 1 0 m s 跟踪获得的火焰运动轨迹。图1 7 高速摄 影拍摄到的火焰在狭缝中的传播的姿态。通过在狭缝的不同位置装设的探测火焰电离度 的静电探针( 电离传感器) 来判断火焰传播的位置和时间，进而可以确定火焰的速度。 火焰通过狭缝的速度是这样确定的： 微型堪l 管结构对火焰传播抑制作_ 珥j 的数值模拟 _ ：上州s (1_12)tt 。 o w h 、7 其中，f ，t 。，t 。分别为火焰速度，狭缝长度，火焰进入狭缝的时间和从狭 缝中穿出的时间。 0 3 图1 5n o r i m a s al i d a 研究高速火焰在狭缝中淬熄的实验装置 f i g t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fq u e n c h i n go fh i g hs p e e df l a m ei nn a r r o wc h a n n e lb yn o r i m a s al i d a _ 罗饰匀阁 图1 7 火焰在狭缝中的传播姿态 f i g 1 7t h ep o s eo ff l a m ep r o p a g a t i o ni n n a r r o wc h a n n e l 夫连理工大学硕十学位论文 通过研究可燃气配比浓度、狭缝入口圆角、狭缝问距以及点火位置对火焰淬熄特性 的影响，得出了下列结论： 火焰在狭缝中传播时，可表现为火焰穿过、火焰作稍许停滞后再穿过和火焰不 能穿过三种状态，影响这三种状态的因素有狭缝宽度、可燃气浓度和点火位置。 火焰停滞后再穿过的现象是由随火焰一同流入的未燃气体引起的淬熄作用产生 的。 火焰不作停滞而穿过狭缝的速度。) 。，与狭缝间距的关系可用经验式( 1 1 3 ) 来 表示： ( u m ) 。= a l n b + 卢( 1 1 3 ) 其中，a 、口为基于可燃气配比和入口狭缝浓度确定的经验常数；b 为狭缝间距。 不管火焰是否在狭缝中停滞，火焰不能穿过狭缝的极限条件只与通道间距有关， 而与火焰速度和入口通道圆角无关。 在随后的研究中，考虑了未燃混合物预燃烧混合物湍流混合造成的淬熄作用以及冷 壁热传导造成的淬熄作用，并得出结论：当未燃气体的冷却混合作用和冷壁的热传导冷 却作用造成的热损失超过燃烧放出的化学反应热时，火焰就会淬熄。用上述理论来解释 火焰在狭缝中的淬熄特性比用单纯的冷壁效应来解释要合理。 9 忆。 一j i a ：电荷放人器，b ：波形存储器，c ：点火花起爆器，d ：气体预混器，e ：真空泵 f 相机，g ：真空阀门，p ：真空压力计，s ：激波管，w ：摄影窗口 图1 8 爆燃火焰淬熄研究实验装置 国内1 9 9 7 1 9 9 9 年周凯元等【1 5 】1 1 6 1 1 1 7 】采用图1 8 的装置进行了气体爆燃火焰在狭缝 中淬熄的研究。给出了用甲烷、丙烷、乙炔、氢气等可燃气体与空气混合进行的爆燃火 焰淬熄实验时，火焰的传播速度与淬熄直径和淬熄长度的关系。实验时只测量了火焰进 入狭缝前的传播速度，火焰是否淬熄和淬熄长度用相机的口门拍摄火焰通过狭缝时的照 微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 片来判读。根据实验结果分析，认为气体爆燃火焰在狭缝中淬熄主要是由于火焰阵面的 化学反应放热和散热条件不匹配造成的。 ( 2 ) p e c l e t 数的研究 对于研究火焰在平板通道或圆管内的传播与熄灭理论来说，熄灭p e c l e t 数是一个非 常重要的参数。p e c l e t 数表示对流传热与传导传热的比值： p e ：i u o l 螳 ( 1 1 舢 d , h 其中，u 。，a 和d 。分别为火焰速度、通道宽度和热扩散系数。 a l y 和h e r m a n c e l l8 】利用多步阻尼p i c a r d 迭代数值方法对常压下冷平板间线形火焰 传播模型进行了求解。结果给出了火焰锋面前后任何位置的火焰速度，熄灭距离，燃烧 速度，火焰结构以及熄灭极限。同时指出，燃料浓度的降低使得熄灭p e c l e t 数有所增加。 而在常压以下范围，对于初始压力的较大幅度的降低，熄灭p e c l e t 数几乎没有变化。 燃料组分的轴向扩散对熄灭p e c l e t 数没有影响。这些结论也得到了实验的验证。 b u c k m a s t e r l l 9 】利用完整的一维火焰传播模型( 参考w i l l i a m s 2 0 1 ) 描述火焰的熄灭过程， 得到的熄灭p e c l e t 数接近6 0 ，这一结果已被a l y 和h e r m a n c e 的二维模型理论所证实。 c a r r i e r l 2 1j 利用a d i 格式对冷壁面条件下火焰在平板中的传播做了类似的工作，得到的的 p e c l e t 数( 利用水力直径计算) 为2 5 4 ，和s p a l d i n g t 2 2 l 得到的4 0 以及a l y 和h e m a n c e 得到的6 0 相比有一定的差距，但属于同一数量级。后来的l e e 和t i e n ”j 以及l e e 和 t s a i t 2 4 1 分别对等温壁面和等温冷壁面条件下圆管中静止火焰进行研究。得到的熄灭 p e c l e t 数分别为2 0 和1 8 ，这一结果与c a r r i e r 的结果相吻合。 在进一步的工作中，h a c k e r te ta 1 i 笛1 对多种热边界条件下火焰的结构和熄灭进行了 更为详细的探讨，提出了有限传导和对流热损失时的熄灭标准，得到了熄灭p e c l e t 数和 总体传热系数的平方根成正比的重要结论。 对于熄灭p e c l e t 数来说，由于理论的建立和实验条件上的差异，没法得到确切值， 因此熄灭p e c l e t 数仍是需要研究的一个重要参数。 f 3 1 多层丝网结构的淬熄性能研究 多层丝网结构因其体积小、重量轻、淬熄性能好等优点，已成为管线中最常用的阻 火结构。日本的北条英光、津田健等人和国内的喻健良、周崇等人先后对多层丝网结构 的淬熄性能进行了系统的研究。 1 9 8 9 年滓田健北条英光1 2 6 j 详细研究了多层丝网的阻火淬熄性能。实验装置如图 1 8 所示，在水平透明树脂管的中部设置多层丝网，用光敏i 极管来感应火焰。实验得 大连理1 人学硕士学位论文 到了下列结果：丝网的孔径越小，能淬熄的火焰速度越大，淬熄消焰性能越好；丝网的 设置角度对淬熄性能无影响；研究还发现，丝网间距从紧贴位置逐渐增大时，淬熄效果 没有变化，此时的淬熄效果最佳，当间距继续增大到某一值时，淬熄性能开始下降，此 时的丝网阳j 距称为允许间距；当丝网大于允许间距时，淬熄性能开始下降，当大于某一 值时，淬熄性能又保持稳定，此时多层丝网的淬熄效果与单层丝网的淬熄效果相同，若 再增大间距，增加丝网层数就没有效果了。此时的距离称为界限间距。上述两个间距都 随着目数的增大而增大，在小于允许间距范围内，丝网层数的增加，淬熄性能呈指数增 加，但是，增加到一定层数后，淬熄性能不再变化。 圈1 8 多层丝网淬熄装置 f i g 1 8t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to ff l a m eq u e n c h i n gu n d e rm u l t i l a y e rw i r e w e b 研究还发现火焰通过丝网的姿态与火焰通过狭缝的姿态相似，从火焰通过丝网层前 后的姿态照片发现，火焰前端通过丝网达到另一侧会有稍许停滞。津田健北条英光认 为这是因为火焰通过金属丝网时被分成若干股，火焰速度下降的缘故；之后，随着火焰 的加速传播，速度逐渐增大。通过大量的实验还得出了淬熄时的临界火焰速度与丝网几 何尺寸之间的关系： 屹d e = 3 5 2 x 1 0 3 q w e ) 1 瑚 ( 1 1 5 ) 其中，旷，d ，c o 和分别表示临界淬熄速度，金属丝网直径，丝网孔径和丝网的 体积空隙率。 并通过单纯的传热计算，导出了界限距离s ，的表达式： s 。= k w 。”( d e ) o 2 8 ( 1 1 6 ) k = 3 5 2 1 0 p c 。( 丁，一l ) r 甘( 1 1 7 ) 微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 其中，无，丁，c 。，p 和h 分别表示被丝网散热后的火焰温度，火焰温度，火焰 气体的比热，火焰气体的密度和混合气体的燃烧热。 2 0 0 3 年以来，大连理工大学化机系喻健良、周崇、孟伟等人对多层丝网结构的淬熄 性能进行了大量的研究1 2 7 1 1 冽【2 9 】。提出了用临界淬熄压差和l 每界淬熄量来描述阻火结 构性能的新概念，并将火焰传播速度和压力差综合起来研究，使用临界淬熄量来衡量多 层丝网结构的淬熄性能。同时还研究了多层丝网结构对管内火焰传播的影响，得到i 临界 淬熄速度、临界淬熄压差、临界淬熄量与丝网层数、丝网目数、金属丝径这三个多层丝 网结构的几何参数之间的关系式。实验装置如图1 9 所示，测点位置如表1 2 所示。 1 可燃气2 ，真空泵3 圆形管道4 压力和火焰传感器 5 程控点火系统6 计算机7 摄像 图1 9 实验装置 f i g 1 9e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 表1 2 测点位置表 t a b 1 2l o c a t i o no fl e s tp o i n l s 人连理f 大学硕十学位论文 临界淬熄速度与丝网层数的关系 在该实验条件下，得出了丙烷空气预混气在4 0 目和6 0 目丝网中的临界淬熄速度 与丝网层数之间的关系和经验公式，分别如图1 1 0 、图1 1 1 和式( 1 1 8 ) 和式( 1 1 9 ) 式所示： 图1 1 04 0 目丝网临界淬熄速度与层数的关系( 丙烷空气) f i g 1 1 0 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r i t i c a lq u e n c h i n gs p e e d sa n d t h e n u m b e r o f l a y e r s w i t h w i n - w e bo f 4 0 m e s h ( p r o p a n e a i r ) 图1 1 16 0 目丝网临界淬熄速度与层数的芙系( 丙烷空气) f i g 1 1 1r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc r i t i c a lq u e n c h i n gs p e e d sa n d t h e n u m b e ro f l a y e r s w i t h w i r e - w e bo f 6 0 m e s h ( p r o p a n e a i r ) 微型圆管结构对火焰传播抑制作用的数值模拟 k = 7 0 3 6 2 n 一3 5 8 8 k ；2 4 9 7 3 n 一2 3 5 4 5 ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) 其中，k 和n 分别为临界淬熄速度和丝网层数。 对比图1 1 0 和图1 1 1 ，在相同丝网层数的条件下，6 0 目的多层丝网结构的临界淬 熄速度明显大于4 0 目丝网的临界淬熄速度。说明在其他参数不变的情况下，丝网目数 越大，临界淬熄速度就越大，淬熄性能越好。 临界淬熄速度与多层丝网几何参数的关系 以丝网层数h 、丝网目数m 和余属丝径d 之积表征多层丝网几何参数，用n m d 表 示。得到临界淬熄速度与几何参数之间的关系和经验公式，分别如图1 1 2 和式( 1 2 0 ) 所 示： 2 加 1 1 1 4 d j 1 2 0 ； 1 0 口 锄 柏 火焰速度- n m d i 。4 - 6 4 0 0z 一 。 。一 7 r v7 ， 0 dd 1 00 2 00 300 400 50 嘶00 700 800 90 月 f d 图1 1 2i | 台i 界淬熄速度与几何参数的关系( 丙烷一空气) f i g 1 1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r i t i c a lq u e n c h i n gs p e e d sa n dg e o m e t r i c a l