（安全技术及工程专业论文）可燃液体蒸气爆炸特性试验装置加热及控制部分研究.pdf

中北大学学位论文 s t u d y o nt h eh e a t i n ga n d c o n t r o l l i n gs e c t i o n so ft h ee x p e r i m e n t a l f a c i l i t yf o rt e s t i n gc o m b u s t i b l el i q u i d - v a p o r e x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fp e 拓o l n a t u r a lg a sa n dt h el p ga n dt h e c o n s t r u c t i o n so ft h ei m p o r t a n tp r o j e e l ss u c ha sw e s t - e a s tg a st r a n s m i s s i o na n dl n gs t a t i o n , i tj sm o r ea n dm o r ee m e r g e n tf o rp r e v e n t i n gt h ec o m b u s t i b l el i q u i d - v a p o re x p l o s i o ni n p r o j e c t sa n da s s u r i n gt h es a f e t yo ft h es t o r a g ea n dt r a n s p o r l a 矗o n o ft h e s eh a z a r d o u s s u b s t a n c e s s t u d yo nt h ec o m b u s t i b l el i q u i d - v a p o re x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c si sak e yp r o b l e m o ft h es a f ep r o d u c t i o nw h i c hs h o u l db ei m m e d i a t e l yr e s o l v e df o ri n d u s t r yo r g a n i z a t i o n s c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ld e v i c ei sn e e d e db e f o r et h es t u d yo nt h ec o m b u s t i b l e l i q u i d - v a p o re x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c sc a n b es t a r t e d d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fc o m b u s t i b l el i q u i d - v a p o re x p l o s i o nw e r er e v i e w e d , a n dat h e o r i t i c a la n a l y s i s o nt h em e c h a n i s mo fc o m b u s t i b l el i q u i d - v a p o re x p l o s i o nw a sm a d e b a s e do nt h e s ep r e v i o u s w o r k s , a ne x p e r i m e n t a ld e v i c ef o rt e s t i n gc o m b u s t i b l el i q u i d - v a p o re x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c s w a sd e s i g n e da n de s t a b l i s h e d ，w h i c hp r o v i d e sap l a t f o r mt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h i s s u b j e c t 。 t h er e l a t i o n s h i po ft h et o t a lh e a tr e s i s t a n c e , h e a te l i m i n a t i o na n dt h ee x t e r n a ld i a m e t e r o fh e a ti s o l a t i o nl a y e ro ft h ei n l e tp i p ew a sa n a l y z e d ，a n ds e v e r a lw a y so ft h ee x p l o s i o n c o n t a i n e rh e a t i n gw e r ec o m p a r e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gh e a ts o u r c e sw e r ec a l a u l a t e d t h e n t h ec r i t i c a ld i a m e t e ro ft h eh e a ti s o l a t i o nl a y e rw a sd e t e r m i n e da n dt h eh e a t i n gs c h e m ew a s m a d ei nw h i c ht w of i b r eg l a s sh e a t i n gs t r i p e sa r ee m p l o y e dt oh e a tt h ei n l e tp i p e , a n dt h e c o n t a i n e rh e a t e ri sac a s ta l u m i u i u mi n f r a r e dl i g h th e a t e ri nt h es h a p eo fh e m i s p h e r e a l lp a r t s h a v eh e a tp r e s e r v a t i o n ss p e c i a l l yd e s i g n e d t h et h e r m o s t a t i cc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g m e t h o d so nt h e e x p l o s i o nc o n t a i n e ra n dt h em i x t u r eo fc o m b u s t i b l el i q u i d v a p o ra n d 中北大学学位论文 c o m p r e s s e da i rp r e h e a t e d t h eh e a tl o a dw a ss y s t e m a t i c a l l y 锄l 弘蜘i nt h ed e s i g n i n gw o r k , a n df i n a l l yar e a lo b j e c tm o d u l ew a sm a d e a ni g n i t i o nd e v i c ea l s ow a sd e s i g n e di nw h i c ha a ce l e c t r i cs p a r km e t h o dw a su s e d a p r e l i m i n a r yt e s tw a sl a k e su s i n gc 1 0 h l sa n d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ed e s i g nh a sm e t t h er e q u i r e m e n to ft h es t u d y i ts u g g e s t st h a tt h ed e v i c ec o u l db eu s e df o rt h es t u d yo ft h e c o m b u s t i b l el i q u i d - v a p o re x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：g a se x p l o s i o n , f l a m m a b l el i q u i d , c o n s t a n tt e m p e r a t u r ed e s i g n , i n t e g r a lc o n t r o l , e x p l o s i o nl i m i t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：监盘冱 日期：趁：墟 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：匦叁盈b 期：羔竺2 ：丝 导师签名：主& ! 与l日期：竺等l l 中北大学学位论文 1 1 选题的目的及意义 1 绪论 爆炸是能量快速释放的过程，是一种高能量密度的能源，在工业上得到了广泛应用。 气体爆炸是工业爆炸灾害的重要形式。在实际生产过程中，很多情况使气体与空气混合 并达到可燃浓度，此时若有火源存在，便能酿成燃烧、爆炸灾害。常见的工业爆炸灾害 有很多，如气体或液体燃烧管道破裂，液化天然气储气罐、油料储罐、油罐槽车泄漏等 引起的燃烧爆炸事故；煤矿瓦斯和煤粉爆炸：粮食、饲科、油脂、食品等农产品粉尘爆 炸；冶金系统金属、合金粉尘的爆炸等。 人类对气体爆炸的研究使从1 8 5 7 年英国发生煤气管道爆炸以后才开始的，直到十 九世纪末期，才确定了对主要可燃气体，如氢、甲烷、一氧化碳、乙炔、乙烯等的燃烧 与爆炸的观察结果，提出了防止事故发生的安全措施，并付诸实施，取得了一定的成效。 近些年随着国家经济的快速发展，石油化工、天然气和液化石油气在各个领域中得到了 广泛应用，西气东输工程以及l n g ( 液化天然气) 站线项目等重大工程的建设和投入使 用，使预防这类工程项目中可燃液体蒸气爆炸灾害的发生及保证这类危险物质储运安全 显得尤为突出和急划m l 。 对可燃液体蒸气爆炸的研究，理论和试验有着同样重要的意义，而对于预防爆炸事 故的研究，试验方法有着更加重要意义。通过对可燃液体蒸气爆炸威力特别是爆炸的上 下限进行定性定量的分析，了解其破坏模式，寻找和发现可燃液体蒸气爆炸的抑制方法， 较精确地描述整个爆炸过程，可有效地提出减灾防护措施，最大程度地减少由爆炸引起 地连锁反应造成的人员伤亡和财产损失，具有重大的现实意义和科研价值，同时对丰富 和完善可燃气体爆炸理论，也将起到积极地促进作用。 1 2 国内外研究状况 可燃液体蒸气爆炸是可燃气体爆炸中的一种，其反应机理等与可燃气体爆炸相同。 可燃气体过程是一个持续时间非常短暂同时又相当复杂的物理化学现象，其研究需涉及 1 中北大学学位论文 到诸如化学动力学、爆炸力学、燃烧动力学、爆轰学、固体力学、计算力学、瞬态测试 技术等学科，此外，还需考虑其它一些敏感的因素。随着军备上的需要和工业爆炸灾害 的不断发生，国内外学者从理论、实验和数值模拟等多个方面对可燃气体爆炸发生的条 件和机理进行了深入研究。 可燃气体爆炸过程分为爆燃发生发展过程及燃烧转爆轰( d d t ) 过程，这两种过程 的形成机理及破坏效应具有不同的特点。可燃气体爆燃发生、发展主要与可燃气与空气 混合的浓度、体积及空间分布，点火源的类型、强度及位置，障碍物的形状、数量及分 布以及容器的密闭或泄压情况有关1 2 , 4 , s l 。由于爆炸压力是由气体燃烧和膨胀过程 的相互作用形成的，而约束条件限制了气体的膨胀，从而导致气体燃烧流 动的加速，致使爆炸压力增大。c h a p m a n 和w h e e l e r1 6 l 进行了早期的管道火 焰传播试验。他们发现了连续的火焰加速现象和管道内有障碍物时的火焰 加速和压力增高现象。m o e n f f l 和h i j e r t a g e r 等人【8 l 针对管道内障碍物对甲烷一空气、 丙烷一空气混合物爆燃过程中的火焰速度与压力的影响进行了实验研究。他们在一端开 口的大型燃烧管中分别充入甲烷一空气混合物和丙烷一空气混合物，并依次改变管内障碍 物( 环形板孔) 的数量和堵塞面积，并在闭端点火，观测管内火焰速度和爆炸压力的变 化情况。实验表明，障碍物产生的湍流效应，对火焰产生明显的加速作用，而且通过设 置适当数量和大小的障碍物，能够获得最大的火焰燃烧速度及爆炸压力。此外，通过比 较发现，在同样实验条件下，丙烷一空气混合物和甲烷一空气混合物的爆炸压力之间存在 较大差别。f a i r w e a t h e r 等人【9 】针对预混气体( 甲烷一空气化学计量浓度混合物) 的火焰 在一系列小型圆柱形爆炸管内的传播过程，进行了实验和理论研究。d u n n - r a n k 等人l l o 】 同样针对可燃气体火焰在局部封闭( 一端封闭，另一端开口) 的含有障碍物的管道内的 传播过程进行研究，并提出了预测管内超压的简化模型。 周凯元和李宗芬1 1 1 】针对丙烷一空气爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动及影响因 素等进行了初步的实验研究。研究表明，在内壁光滑或近于光滑的直管道中，闭端点火 比开端点火可以获得更大的爆燃火焰加速度；当管道内有障碍物时，将明显增大爆燃火 焰的加速度，并有可能出现d d t ( 燃烧转爆轰) 。 d d t 是当前气体爆炸研究的热点和难点之一，是造成爆炸灾害的主要原因，这在长 距离输送管道内特别容易出现这一现象。管道内爆燃波是一种不稳定状态的燃烧波，它 2 中北大学学位论文 有可能在爆燃的后边界约束增强或存在障碍物的情况下，使压力波逐渐增强，火焰不断 加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力波阵面，形成带化学反应区的强冲击波，爆燃波转 交为爆轰波1 1 2 , 1 3 。d d t 出现的可能性及转变距离取决于火焰的加速速率。l e e l l 4 l 和m o e n 等人i t s , 1 6 1 针对d d t 及火焰加速机理开展了实验研究。研究表明，对于反应较剧烈的燃料 一空气混合物来说，导致初始层流火焰加速转变成湍流火焰的原因主要有两个：一是当 雷诺数变得足够大时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流；二是压力波与火焰的相互 作用。k n y s t a u t a s 、l e e 1 7 ，1 8 掘过实验观测到了火焰传播的三种状态：( 1 ) 湍流爆燃状 态，典型火焰速度小于l o o m s ：( 2 ) “扼流”状态，火焰速度相当于燃烧产物的声速； ( 3 ) 准爆轰状态，波速为p j 爆速5 0 - - 1 0 0 ，并测得了由湍流爆燃转向扼流和由扼流 转向准爆轰时所对应的计量比浓度值。研究人员还分别在钢管中采用固体炸药直接引发 爆轰，并使用烟膜技术对爆轰波的胞格尺寸进行了测量。国内胡栋等人1 1 9 】在柱形激波管 中进行了氢一氧混合物d d t 过程研究，测得了爆炸极限、临界初始压力、爆炸波传播速 度和压力等，并利用烟膜技术测量了气体爆轰形成的胞格结构。徐守彬等人l 刎在水平激 波管内进行了民用液化石油气燃烧转爆轰的初步实验研究，得出了一些反应爆炸压力随 时问和距离变化规律的数据，并证明了不同的点火能量对可燃混合物的d d t 有影响，随 着点火能量增大，d d t 转变距离变短，在重复设置障碍物的情况下，转变距离也将大大 缩短余立新等人1 2 1 】针对氢一空气混合物，通过实验研究了其预混火焰在半开口管道中 的火焰传播加速现象。结果表明，火焰传播状态随着氢气浓量比的变化而发生改变。 综上所述，国内外可燃气体爆燃、爆燃转爆轰等方面取得了一些研究成果，国也进 行了一些研究，但研究成果与国外存在较大差距，特别是针对混合气体爆炸威力及其抑 爆技术的研究更为薄弱。随着国民经济的高速发展，气体爆炸灾害不断发生，- 国内外学 者从实验、理论和数值模拟等多个方面对可燃气体从低速层流、预混燃烧发展到快速爆 炸的条件和机理进行了深入研究。 1 2 1 实验室研究进展情况 西方发达国家关于气体爆炸问题已做了很多的实验工作。l e y e r 2 2 1 在实验室做 了一系列点燃半球形肥皂泡内可燃气体的试验，同时也对气体内障碍物的存在及射 流对燃烧特性的影响进行了详细的研究。对于直径在4 4 0 c m 之间的肥皂泡内的燃 3 中北大学学位论文 料一空气混合物在无障碍物的情况下，火焰速度接近层流火焰速度。不同长径比的 圆筒形肥皂泡内的气体燃烧速度更低，如乙烯的最大火焰速度为4 2 m s 。h o f f 纠 用模拟试验研究了直径l o c m 的天然气管道破裂泄漏的点火爆炸，管道初始工作压 力6 0 0 0 k p a ，流量为4 0 0 0 0 0 m 3 d ，试验中测得的最大火焰速度约为1 5 m s ，在距离 5 0 m 处测得的最大超压约为1 5 0 p a ；z e e u w e n 等1 2 4 】在荷兰w e s t e r s c h e l d t 河口南岸 的开阔水平地势上进行了大规模的丙烷( 1 0 0 0 4 0 0 0 k g ) 自然扩散后燃烧试验，目 的是研究可燃气体爆炸冲击波的破坏效应。结果表明，火焰阵面的速度具有很强的 方向性，并且与风速有关。 在有约束、有障碍物的气体爆炸事故中。爆炸火焰可以加速到每秒几百米甚至 更高的速度。障碍物引起火焰加速的机理是由于气流与障碍物相互作用产生大的涡 流以及反应阵面内热量和质量的湍流输运。当未燃气体燃烧后，体积会膨胀至原来 的8 9 倍，燃烧产物会推动未燃气体向前流动，由于障碍物的存在，加速了湍流 的形成，当火焰穿过湍流区域时，燃烧速度会显著提高。增大的燃烧速度会进一步 促使流动速度和火焰面前方湍流度的提高。 爆轰是可燃气体爆炸事故中破坏最为严重的一种情况。爆轰波是一种超音速燃 烧波。一般气体的爆轰波传播速度可达1 5 0 0 2 0 0 0 m s ，峰值压力可达1 5 0 0 2 0 0 0 k p a 。在实际的可燃气体爆炸过程中，一般情况下的点火能量都较低，如静电 点火，机械摩擦点火或故障电火花点火等，开始火焰以3 4 m s 的层流火焰速度 向前传播，如果可燃气体周围的环境是无约束无障碍的情况，则其火焰速度一般不 会超过2 0 2 5 m s ，由其产生的超压也比较小。像可燃气体被高能量起爆装置点燃 后发生直接爆轰这样的情况在工业爆炸事故中发生的可能性极小。一般的情况是， 可燃气体被弱点火而导致爆燃，然后通过火焰传播过程与其自身诱导的膨胀流动相 互作用后才有可能发展成爆轰。 顾根i 巧1 对1 9 2 1 1 9 7 7 年间发生的1 0 0 起蒸气云爆炸事故进行了统计分析，结 果表明，多数蒸气云爆炸事故是爆燃而不是爆轰。尽管蒸气云被点火后直接发生爆 轰的可能性很小，但蒸气云发生爆燃后转变为爆轰的可能性是存在的。蒸气云的爆 燃转爆轰现象是由m o e n 等1 1 6 】在一个大型乙炔一空气爆炸试验中发现的，后来的许多 研究表明气体射流湍流燃烧引起爆轰也是可能的。对于活性相对较低的气体一空气 4 中北大学学位论文 混合物，只有在其燃烧过程存在合适的边界条件时才会发生爆轰，这些边界条件在 火焰阵面前的气体流动中诱导湍流结构，从而引发燃烧反应的正反馈加速机制。 上面分别对无约束条件及有约束条件下的可燃气体爆燃及爆轰进行了综述，从 前人的实验结果可以看出，初始情况为静止的完全无约束可燃气体在弱点火条件下 一般不会产生很大的冲击波。湍流是燃烧加强的决定因素，它可以通过以下两种方 式产生，一是由于燃料在高压下的猛烈释放或容器破裂时的爆炸性释放；二是由于 燃烧过程产生的气体流动与边界条件的相互作用，合适的边界条件可能会使火焰传 播加速从而达到爆轰状态。这些边界条件包括有足够的约束程度或足够障碍物的不 规则约束。在化工厂、煤矿井下或炼油厂稠密的工业处理设备中曾发生过很多蒸气 云爆炸事故。可以说，在各种工业可燃气体爆炸灾害中，部分约束的爆炸模型是比 较普遍的。 国内对可燃气体爆炸的研究起步较晚，但是发展很快。为了研究矿井下瓦斯煤 尘爆炸，煤炭科学研究总院重庆分院在2 0 世纪8 0 年代初建成了断面积7 2 m + 、长 7 2 0 m 的地下爆炸实验巷道和一系列刚性地面爆炸实验管道。9 0 年代初，北京理工 大学建成了爆炸灾害预防与控制国家重点实验室，其中的实验设备。如激波管、2 0 l 及1 m 3 爆炸实验装置等，都以研究管道和密闭容器中的爆炸为主。9 0 年代中期，中 国矿业大学建成了瓦斯爆炸试验系统，试验管道为8 0 m m x 8 0 m m 的方管，每节长有 0 5 ，1 0 ，1 5 ，2 5 m 四种，总长2 4 m 。在方管上有压力、温度、火焰传感器和点 火装置的安设孔。林柏泉博士等1 2 6 l 利用此设备对瓦斯爆炸过程中障碍物对火焰和爆 炸波的影响进行了实验研究。结果表明，有障碍物存在时，火焰的传播速度将迅速 提高，在2 0 倍长径比处达到最大值，随后逐渐衰减，直至熄灭。对于敞开空间的 气体爆炸也开展了很多实验研究，毕明树等人1 2 7 4 l 】进行了可燃气云浓度均匀分布的半 球形可燃气云爆炸实验研究，可燃气体为7 7 5 的乙炔，气云半径为0 3 1 5 m 。研究 发现，气云爆炸超压与气云初始半径的平方( 体积的：2 3 次方) 成正比，与离开爆源中 心的距离成反比，即 p - 埘， ( 1 1 ) 罗正鸿等人嗍进行了可燃气云浓度均匀分布的圆柱形可燃气云爆炸实验研究，可燃 5 中北大学学位论文 气体为7 7 5 的乙炔，气云体积为0 2 6 m 3 ，通过实验，考察气云形状因子( 高径比) 对 爆炸强度的影响。实验发现，气云爆炸超压与气云形状有关，半球形气云爆炸超压最高， 圆柱形气云爆炸超压随着形状因子的增大而升高。 1 2 2 理论研究进展情况 在气体爆炸的理论研究中，研究者们在大量气体爆炸事故的基础上对数据进行 分析和处理之后，得到了一些有用的经验公式。代表性的有t n t 当量法、t n o 与多 能模型、改进的多能法、b r i t i s hg a s 法和s h e l l 法【3 3 捌i 。这些方法有各自的使用 条件。 理论研究的另一个重要方面是探索可燃气体爆炸场的解析解。k u h l 与 o p p e n h e i m 3 5 j 用自相似方法研究了稳定火焰在可燃气云中传播产生的压力波，为了 满足流场的自相似条件，仅考虑火焰达到稳定传播的情况。由于假设火焰阵面后的 流场为静止的，因此该自相似解只适用于燃速低于c - j 燃速的火焰传播问题。用自 相似方法求解非理想爆源的冲击波生成规律的还有d a b o r a l 3 6 】等人。k u h l 的结果通 常用来校正其它方法得到的结果，但需要进行数值积分。 1 2 3 数值模拟研究进展 由于混合性气体爆炸的影响因素众多，如燃料的活性，障碍物，流速，爆炸源的初 始压力和初始温度等，而且混合性气体爆炸时能量不是瞬时释放，爆源的体积不能忽略， 属于一种非理想爆炸源，通过实验测量一般只能得到爆炸流场某些特定点的压力波 形，对于整个爆燃场的作用载荷分布通过实验和理论研究得出结果困难极大。7 0 年代 以来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法作为理论研究的辅助工具得到了 广泛的应用，随着计算机计算能力的飞速发展，以c f d 为基础的数值模拟方法也得以 高速发展，它以流体力学基本方程组和化学动力学方程为基础，利用有限元法，对微分 方程进行离散，通过建立合适的坐标系，给定合适的边界条件和初始条件，从而对爆炸 过程进行数值求解旧。 最初的数值模拟使由k a i l a s a n n a t h 等人【3 8 】进行的，他们采用二步化学反应模型， 粗略计算了横波结构数值模拟s c h o f e l 【3 9 l 和l e f e b v r e 等人i 加1 进行的，他们成功的模 6 中北大学学位论文 拟了完整的胞格结构；l e f e b v r e1 4 l 】等人采用了反映真实化学反应的基元反应的模型精 确地计算了马赫结构和胞格的形成过程；o r a n 【4 2 】研究了粘性、扩散、湍流和边界层作用 对爆轰波结构的影响，计算结果表明，湍流对爆轰波阵面和反应区的影响不大，但对反 应区后方的流场有较大影响。宁建国教授所领导的课题组f 4 3 删采用基于人为燃烧函数法 的多流体网格程序对管道内和球形容器内的煤气爆炸进行了二维数值模拟，并对这一过 程开创性地进行了驾驭式和可视化研究；彭金华等人【朽问用t v d 格式对贴地的二维轴对 称气云爆炸场进行了数值模拟，但爆源的能量认为是瞬时释放的；徐胜利教授等人【4 7 9 1 分别用能量波模型和均匀能量释放模型，采用等时间步长，约束每步时间循环能量波走 过的固定网格对无约束云雾产生的爆炸场进行了一维数值模拟。同时，他也运用基元反 应模型对管道中h ：也混合物的爆轰进行了数值模拟；胡宗民等人i 删应用频散可控格式 和基元反应模型计算了氢气一氧气和氢气一空气混合物的爆轰波一维结构，并对爆轰波在 二维轴对称突扩截面管内的传播过程进行了数值模拟；胡湘渝等人1 5 1 墚用高精度w e n o 格式和以基元反应为基础的真实化学模型，对低压混合气体氢气一氧气和氢气一空气混合 气体爆轰的直接起爆和传播特性进行了一系列的数值模拟研究。这些研究验证了采用真 实化学反应模型计算的爆轰波结构的可靠性和所采用的差分格式、化学反应计算、两者 藕合以及化学反应过程中温度的处理方法的可行性；李辉煌等人1 5 2 】以脉冲爆轰发动机尾 喷管非定常流动问题为背景，发展了二维基于非结构四边形自适应网格c f d 程序，加入 了基于有限速率基元化学反应模型，对爆轰波在变截面管中的传播进行了数值模拟。 以c f d 为基础的数值模拟方法一般的基本求解思路可以概括如下： ( 1 ) 建立基本控制方程组 建立控制方程组，是求解任何闯题前都必须首先进行的。其是由流体力学、热力学、 传热传质学、燃烧学等基本原理出发，建立质量、动量、能量、组分、湍流特性等守恒 方程组，如连续方程、扩散方程、湍流方程等。这些方程构建联立成非线性偏微分方程 组，不用经典的分析法，两只能用数值方程求解。单相层流流动的基本方程组已经很少 存在争议，对湍流，由不同的模拟理论出发，往往基本守恒方程组也不相同，因此，如 何构造基本方程组，首先就成为模拟理论的重要部分常用的爆燃的气体动力学方程组 为1 5 3 l ： 质量守恒方程；旦旦+ 旦一( 冈；) 。0 ( 1 2 ) a t 缸j ” 7 中北大学学位论文 动量守恒方程： 砉c 刚+ 毒洄一，_ 詈+ 等 。， 能量守恒方程： 昙c 加，+ 专c 伊用毒以考卜考。+ 巧考 n 4 ， 燃料质量分数： 昙( 叫+ 毒( 即考( k 鲁m 卢 ( 1 5 ) 湍流方程： 昙c 应，+ 毒c 班力。专c l 毒+ 瞎一班 言c 纠+ 毒c 伊力。毒c 嗜，+ c t 如瓦a u _ l 譬 。b 叫r 考+ 鼍，一知眦警， 式中：p 为流体密度； u 为流体流速； p 为压力； t 为湍流应力； g 为广义扩散系数； 而为单位矢量点积； e 为能量( e = c ，r + m 如比) 5 也为焓； 七为湍动能； # 为湍流耗散率； 删为燃料质量分数； 胁为湍流粘度； 胁= c f p k 2 。 为待测定体积燃烧率； c r 为比热( 恒定体积) ； 8 ( 1 _ 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 中北大学学位论文 r 为温度。 ( 2 ) 确定边界条件与初始条件 初始条件与边界条件是控制方程有确定的解的前提，控制方程组与相应的初始条 件、边界条件的组合构成了一个物理过程完整的数学描述。对于初始条件和边界条件的 处理，直接影响计算结果的精度，也是数值模拟成败的关键。 ( 3 ) 划分计算网格 采用数值方法求解控制方程组时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散， 然后求解得到离散方程组，要想在空间上离散控制方程，必须使用网格。现已发展出多 种对各个区域进行离散以生成网格的方法，统称网格技术 ( 4 ) 建立离散方程 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解的。但由于所处理的问题自 身的复杂性，一般很难获得方程的真解。因此，就需要通过数值方法把计算域内有限数 量位置上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程 组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其它位置上的值则根据节 点位置上的值来确定。方法组要包括；有限差分法、有限元法、有限体积法等不同类型 的离散化方法。， ( 5 ) 离散初始条件和边界条件 前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，现在需要针对所生成的网格，将连 续型的初始条件和边界条件转化为特定的节点的值，在各节点处建立离散的控制方程， 才能进行方程组求解。 ( 6 ) 给定求解控制参数 在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件与边界条件 后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数。此外，还要给定迭代计算的控 制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率。 ( 7 ) 求解离散方程 在进行了上述设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。对于这些方程组，数学 上有相应的解法，在选择过程中，通过选择不同的解法，以适应不同类型的河题。 ( 8 ) 判断与验证 9 中北大学学位论文 完成上述设置后，可以对各种工况进行大量的模拟计算，得到一批变量场的预测方 法结果。此后必须将这些模拟预测结果和变量场的实验结果进行对照，以便评价本模型 理论及方法的优缺点及可靠性。 1 3 可燃气体爆炸试验装置研究状况 有关可燃气体爆炸特性的研究，国外进行的比较早。最早提出测定气体与可燃蒸气 的爆炸极限的是美国矿山局的c o w a r d 及j o n e 在1 9 5 6 年发表的气体和蒸气燃烧范围 的报告，介绍了如何测定气体爆炸极限，其中介绍了测定装置。把一根直径5 m m ，长度 1 8 m 的管子垂直起来，上端封闭，底端开口与大气相通，将要试验的可燃气体混合物 置于管内，在下面开口端点火。如果火焰被传进管子上升到顶端，达到全部高度，则认 为该混合物是可燃的。如果火焰传进管内不远就熄灭了，则认为该混合物是不可燃的。 但1 9 6 5 年美国矿山局的z a b e t a k i s 发表了可燃性气体及蒸气的可燃特性一文，指出 了c o w a r d 由于使用的装置存在问题，其测试结果并不可靠。z a b e t a k i s 通过新的内容对 爆炸极限数值做了很大的修改。以后，日本、苏联等一些国家在美国矿山局装置的基础 上进行改进，设计出新的试验装置，使得测试结果更加可靠1 1 】。 国内通过相关试验装置对可燃气体爆炸特性进行研究起步较晚，但近些年来发展很 快，表1 1 有国内一些单位使用的气体爆炸试验装置： 1 0 中北大学学位论文 表1 1 国内用于气体爆炸研究装置一览表 单位 实验种类 装置基本形式各注 1 l ：2 9 m ，d ：2 m 1 6 9 n 钢，耐压2 0 m p a 南京工业大学安全工程研究所气体2 8 0 8 0 r a m ，l ：2 4 m ， 6 ：1 2 j m 以上 1 l ：1 9 0 r a m ，d 内：1 6 0 r a m 2 l ：5 0 0 r a m ，d 内：7 2 r a m 3 l ：7 6 5 m m ，d 内：1 0 9 m m 大连理工大学化工学院气体 4 l ：9 8 0 r a m ，d 内：1 4 3 n n 5 l ：1 5 0 0 m m ，d 内：8 1 m m 6 l ：2 8 0 0 m ，d 内：8 1 r a m 煤炭科学研究总院重庆 气体 1 0 1 5 m 0 1 8 5 m ，l ：5 m 分院 2 1 5 0 m 1 2 0 r a m 。l - 6 m 8 0 m 8 0 m l ，6 ：1 2 m m 。l ： 1 6 1 i n 钢，耐压2 0 m p a 中国矿业大学气体 2 、2 1 、2 4 不等以上 1 7 2m 2 ，l ：8 8 6 m ，方形 2 d ：5 0 m ，l ：1 5 2 m ，9 0 。 中国科技大学 气体 弯 3 d ：l o o m ，l ：2 4 m 4 1 0 0 1 0 0 。l ：3 m 1 d ：8 0 m m ，l 5 m 中国科学院力学研究所 气体 2 d ：6 0 。l ：5 0 m 。3 d ：4 0 m ，l ：5 6 m d 内：2 4 0 m m ，d 内：2 0 0 r a m ， l ：5 4 m 南京理工大学气体 d 内：1 4 0 m m ，l ：9 2 m d 内：3 2 m m ，l ：4 m 1 d ：8 6 m ，球形 青海师范大学气体 2 l ：7 2 4 m m ，d 内：8 6 m m 3 l ：7 2 4 j m ，b 内：4 0 n m 从上表可以看出，目前国内一些单位设计和使用的试验设备，都是单一的气体爆炸 装置，并不能做可燃蒸气的爆炸特性研究。 1 4 本论文的研究内容 虽然对可燃气体爆炸的研究由来已久，并在许多方面取得了很大进展，爆炸理论有 了较为完善的结构和体系，但是有关可燃蒸气爆炸研究进行的相对较少，对可燃蒸气爆 1 1 中北大学学位论文 炸特性还需要进一步的研究，为此，本研究中心拟建一套可燃液体蒸气爆炸特性试验装 置，本文重点对该套装置的加热及控制部分进行研究，具体主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 了解气体爆炸反应机理； ( 2 ) 研究并设计了进气管路及爆炸容器的加热、保温装置； ( 3 ) 研究并设计了恒温控制电路和整体控制箱； ( 4 ) 在研究点火电源相关原理的基础上，结合本试验装置的实际要求，委托加工了 一台火花发生器； ( 5 ) 利用试验装置进行了初步实验，实验结果表明所做设计能达到预期要求，可用 于进一步对可燃液体蒸气爆炸进行研究。 中北大学学位论文 2 可燃气体爆炸反应的相关理论研究 自气体作为能源用于工业和家庭生活以来，它在给人们带来方便的同时，也造成了 极大的危害。由于气体爆炸的形式不仅限于某些单一成分的气体在一定条件下的分解爆 炸，而且很多可燃气体、液体蒸气等可燃物与空气混合，达到可燃浓度后，一旦有点火 源的作用，便会酿成燃烧、爆炸灾害。随着科技进步和生产的发展，大量的新型可燃物 不断涌现，更为复杂的多元化的情况层出不穷。气体爆炸事故不仅在石油、化工、仓储 部门发生，而且在交通、运输、居民家庭中也频繁发生，阻碍了社会进步和经济的发展， 给人民的生活造成了极大的危害，因此开展气体爆炸反应的研究，对今后指导安全生产， 防止此类事故的再次发生具有重要的意义。 2 1气体爆炸的相关基本理论 凝聚相爆炸被称为理想爆炸源，该类爆炸具有如下特点：爆源能量密度较高；伤害 的主要形式是空气冲击波，其初始爆炸压力可达到5 0 m p a 量级；起爆时阀短，微秒量级 即可发展成爆轰；爆源体积可以忽略不计。 与之相对应的气体爆炸其形式多为爆燃，能量释放速率较低，爆炸参数与爆源的体 积、能量密度有关f 5 4 5 悃此称为非理葱爆源爆炸。气体燃烧分为四个基本形式，在不同 的条件下，这些形式又可以相互转化【1 l ： ( 1 ) 定压燃烧 定压燃烧是无约束敞开型燃烧。燃烧产物能及时向后排放，压力始终保持与初始环 境压力相平衡，系统压力是恒定的。 ( 2 ) 定容爆炸 定容爆炸是可燃气体与空气的混合物在给定体积的刚性容器内的燃烧过程。爆炸过 程释放的能量被气体本身吸收，温度升高，压力升高。关于可燃气体定容爆炸威力方面 的研究包括等温爆炸模型、绝热爆炸模型、一般模型等。对大多数烃类燃料和空气的混 合物，在化学计量浓度下，定容爆炸的压力约为初始压力的7 8 倍。 中北大学学位论文 e已2,p气2,p妇2,地卜e既l,p死i,p九l,机卜eo,po,)n咖,蜘 1 4 中北大学学位论文 数值模拟工作。经典的爆轰理论有c 理论、z n d 模型、b d z i l 稳态二维爆轰模型。c i 理论假设爆轰过程的化学反应是在一个无限薄的间断面上完成的，因此在数学模型中就 可不考虑化学反应的详细过程，从而建立了最早的基于流体力学和热力学的a 条件， a 理论用于理想爆轰的计算误差只有1 2 。为了揭示爆轰波的结构，z n d 模型提出 了前导冲击波的概念，成为a 理论的重要发展。b d z i l 考虑了边界效应，并成功的应用 于二维空间，形成了稳态二维爆轰理论。在工程中，相似理论及霍金森定律己得到很好 的应用【5 3 l ，1 n 1 炸药的爆炸威力己预测得相当精确 5 4 1 。可见，理想爆轰问题至少在工 程应用中已经基本得到解决，当然非理想爆轰问题还处于大力研究阶段。 2 2 气体爆炸的基本形式 通常按气体燃烧和爆炸的危险性把气体分为四大类：可燃性气体、助燃性气体、分 解爆炸性气体及惰性气体。而一般情况下又可将气体爆炸分为以下两种基本形式： ( 1 ) 分解爆炸性气体的分解爆炸 ( 2 ) 爆炸性混合气体的爆炸 2 2 1 分解爆炸性气体的分解爆炸 在日常生活中我们经常遇到这样一种情况：某些气体即便在没有空气或氧气的情况 下同样可以发生爆炸，如乙炔在没有氧气的情况下，若被压缩到2 0 0 k p a 以上，遇火星 就能引起爆炸。此外还有其它一些分解反应为放热反应的气体如：乙烯，氧化乙烯，氧 化乙炔，四氟乙烯，丙烯，臭氧，一氧化氮等也具有同样的性质。出现这种情况的原因 在于这类气体在分解时能放大量的热量，使分解出来的气体受到膨胀，造成压力急剧升 高和释放而导致爆炸，气体的分解爆炸过程是以伴随放热的分解反应为主的，同时产生 特殊的分解火焰。 1 5 中北大学学位论文 图2 2 乙炔分解爆炸时乙炔压力与最小点火能的关系 在对分解火焰的发生与传播进行观察中发现，其状态与气体爆炸极为相似，而分解 爆炸性气体绝大多数是可燃气体，它们与空气混合后同样存在着爆炸的危险，故将其作 为气体爆炸的特殊类型来进行研究和处理。 2 2 2 爆炸性混合气体的爆炸 可燃性气体与助燃性气体混合并达到爆炸极限而引起爆炸，这一类气体混合物称为 爆炸性混合物。例如可燃性气体和空气预混合后在一定范围内遇火可以发生燃烧，它是 由发火源产生的火焰在混合气体中向前传播的所谓“火焰传播”现象，这时，在已燃气 体和未燃气体的界面有火焰产生，出现高温和强光。因为燃烧气体能够自由膨胀，所以 在火焰速度较慢时，开始时火焰蔓延的速度只有每秒几米或更小一点，几乎不产生压力 波和爆炸声响，而当火焰速度很快时，将可能产生压力波和爆炸声响，当火焰速度进一 步加快，其速度可达每秒数百米甚至上千米时，则可向爆轰转变而形成强大的冲击波， 给周围环境以强大的破坏力。 在可燃气体( 或蒸气) 与空气均匀混合成预混合气的情况下，若其浓度在爆炸范围 内，则其燃烧的物理模型如图2 3 所示： 1 6 中北大学学位论文 图2 3 预混气火焰蔓延物理模型 当预混气被一点火源，立即形成一个小火球，成为中心火源在其周围形成的燃烧波 以球面波的形式向周围传播，火焰向四周蔓延。中心点火源外层的预混气被点燃，成为 一个较大的火球，也就是一个新的燃烧波面，它又继续向外蔓延，使球壳形的反应区逐 层增大。由此可知，火球以一层层同心球面波的形式往各个方向蔓延和扩展，最终将空 气中的预混气点燃，如果燃烧过程发生在密闭的容器中，则由于气体燃烧产物温度的上 升，以及由此引起的压力急剧增加，形成爆炸，可造成极大的破坏作用 5 1 。 对比于气体的燃烧过程，从机理上说，爆炸性混合气体发生爆炸的原因可用链式反 应理论和热爆炸机理来加以解释。 ( 1 ) 链式反应理论 链式反应理论是由前苏联科学家谢苗洛夫提出来的。根据链式反应机理，爆炸性混 合物与火源接触，就会有活性分子生成而成为连锁反应的活动中心，活性分子自由基与 另一分子作用，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反应，形成一系列的连锁反应， 从宏观上看，爆炸性混合物在一点上着火后。热量及活性中心都向外传播，促进相邻一 层混合物化学反应，然后该层又成为热量和活动中心新的源泉而引起新的相邻一层混合 物的反应，如此循环往复的进行，直到全部反应物均反应完为止。通过实验也可观察到 在爆炸对火焰是以球面的形式往各个方向蔓延的。 链式反应又分为直链反应和支链反应两种。氯和氢的反应是典型的直链反应。直链 反应的基本特点有： 每一个活性分子( 自由基) 与作用分子反应后，仅生成一个新的活性粒子，自 由基与价饱和的分子反应时自由基不消失； 1 7 中北大学学位论文 自由基或原子与价饱和的分子反应时活化能很低。 氢和氧的反应是典型的支链反应。支链反应的特点在于：在反应中一个自由基 能生成一个以上的自由基。不论是何种链式反应都由三个阶段构成：即链的引发， 链的传递( 包括链的支化) 和链的终止。以氢和氧的支