（工程力学专业论文）泄爆外流场的动力学机理研究.pdf

中文摘要摘要泄爆是工业上广泛采用的爆炸防治手段之一，它是指通过泄爆u ，将内部空间的高压已燃和未燃气体或粉尘导出到外部空间中，使内部爪力迅速降低，以防止爆炸灾害。因泄爆过程的复杂性和某些不确定性，在一定的条f ，| ：下，i jj 1 i ，j m 降低了，i “矽 流场可能现很高的压力峰值，甚至产生所谓的二次爆炸，这对毗邻的建筑物、设备及人员的安令构成威胁。因此，研究泄爆外流场的动力学特征以及一次爆炸的产生机理，具有蘑要的意义。本文利用自行设计的带导管的柱形泄爆装置，刈小同泄爆条f ，i ：( 【! | j 泄爆压力、点火位置、泄爆面积和初始甲烷空气预混气当量比) f 向空气r i 爆的情形进行了实验，获得了内外流场的压力历史。并用y a - 1 6 高速阴影系统拍摄到了泄爆外流场清晰的时序阴影照片。而且，采用基于膏1 湍流模型和漩涡耗散湍流燃烧模型( “e d d yd i s s i p a t i o nm o d e l ”) 的同位网格s i m p l e 算法，刘。典型泄爆条仲下的泄爆过程进行了数值模拟。根据计算结果和相关的计算流动技术( c f i ) ，绘制了汁算| j j 影网。基于实验结果、数值计算结果以及计算阴影图，本文灯一般高压泄爆条件下，泄爆外流场的动力学特征( 如射流火焰、湍流、漩涡以及可燃云闭、波系特征等)进行了详细的系统的阐述，揭示了二次爆炸的产生机理。即在本文的泄爆条件下，泄爆后，首先产生的是引导激波，它山内外压差这个初始间断决定，冈其传播速度较气流速度快，随波l j 乍面的扩大而逐渐衰减为声波。随后，未燃7e 体从泄爆u 泄出，并在外流场与空气混合形成可燃云团。由于高压( 相对环境压力) 气流在管口膨胀，形成欠膨胀射流。管口附近形成p r a n d t l - - m e y e r 流稀释波低压区，而稀释波又在射流边界上反射并在轴线附近汇聚，形成压力相对较高的高压区，即悬吊激波高压区。这样，在火焰泄出前，外流场存在可燃云团、稀释波低压区和悬吊激波高压区，这些特征构成外流场的基本特征。当火焰从容器( 低密度) 进入导管( 高密度) ，受导管壁面剪切层等的作用，火焰失稳，在湍流的作用下加速向导管u 推进，于符u 附近达到极大值，以射流形式泄出。当射流火焰进入高压区时，且外流场处于合适的条件，如高压区的超压强度、可燃气体的密度及其覆盖的i 夏域等足够人时，引起外部可燃气体的剧烈燃烧，从而使得外部压力迅速上升，以致产生二次爆韵：。实验获得的阴影图和计算阴影图，形象的说明了泄爆后火焰、漩涡、日1 导激波以及随后产生的二次爆炸波的特征和变化发展过程。文中还根据实验获得的不同泄爆条件下的外压力历史，分析了外部_ 二次爆炸的影响因素，详细讨论了二次爆炸强度随泄爆条件的变化规律。即在其它泄爆条件不变时，而改变泄爆压力时，泄爆压力愈大，二次爆炸强度也愈人。网样，仅改变点火位臀，l 面其它条件不变时，当泄爆压力较低盱- j ，二次爆炸强度随点火位置离泄爆口愈近，其值愈火；而当泄爆压力较大时，其变化规律与之相反。当其它条件不变而改变： | i f 爆口障碍物的阻塞比时，二次爆炸强度随阻寨比的增大( u | ：j 泄爆丽积减小)而下降。当在改变初始甲烷一空气预混气的组分时，当量比小于】l 佝情形二次爆炸强度较当量比为l 的情形小，而当量比大于】的情形，其值较大。关键词：湍流燃烧，泄爆，外流场，射流火焰，二次爆炸英文摘要a b s t r a c te x p l o s i o nr e l i e fv e n t i n gi so n eo ft h em e t h o d sa p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r i e st oa v o i di n t e r n a le x p l o s i o n n a m e l y ，i tc a nv e n tt h eh i g hp r e s s u r eu n b u r n ta n db u r n tg a sm i x t u r eo rd u s tt ot h eo u t s i d es p a c e ( g e n e r a l l yt h ea m b i e n ta i r ) t h r o u g had e v i c eo fl o wp r e s s u r er e s i s t a n c eo p e n i n g ，w h e nt h ee x p l o s i o ni si nd e v e l o p m e n ta n dt h eo v e r p r e s s u r ee x c e e d sac e r t a i ns a f et h r e s h o l d ( i e f a i l u r ep r e s s u r e ) b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t yi nv e n t i n gp r o c e s s ，t h ei n n e ro v e r p r e s s u r ec o u l dd e c r e a s e ，w h i l et h eo u t e ro v e r p r e s s u r ei n c r e a s e sr a p i d l yu n d e rs o m es u i t a b l ec o n d i t i o n s ，a n de v e ne x t e r n a ls e c o n d a r ye x p l o s i o n sc a no c c u r t h i sg i v e sp o t e n t i a le x p l o s i o nd a m a g et on e i g h b o r i n gs t r u c t u r eo re q u i p m e n t0 1 p e r s o n n e li nt h ev i c i n i t y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h ed y n a m i c so ft h ev e n t e de x t e r n a lf l o wf i e l da n dt h em e c h a n i s mo f t h es e c o n d a r ye x p l o s i o n sd u r i n gv e n t i n g i nt h i sp a p e r ，w i t hac y l i n d r i c a lv e n t e dv e s s e lc o n n e c t e dt oad u c t ，t h ee x p e r i m e n t so nt h ev e n t i n gt oa i ru n d e rd i f f e r e n tv e n t i n gc o n d i t i o n s ( f a i l u r ep r e s s u r e ，v e n ta r e a ，e q u i v a l e n tr a t i oo ft h em e t h a n e a i rg a sm i x t u r ea n dt h el o c a t i o no fi g n i t i o ns o u r c e ) w e r ep e r f o r m e da n dt h ep r e s s u r e - t i m ep r o f i l e so ft h ee x t e r n a lf l o wf i e l dw e r eo b t a i n e d m o r e o v e r ，s o m ev i s u a l i z a t i o nt e s t so ft h ee x t e m a lf l o wf i e l dw e r ei m p l e m e n t e db yu s i n gy a 一1 6h i g h s p e e ds h a d o w g r a p hi m a g i n gs y s t e m a n dt h ec l e a rs e q u e n t i a ls h a d o w g r a p hi m a g e sw e r ea l s oo b t a i n e di nt e s t s i na d d i t i o n ，t h ev e n t i n gp r o c e s su n d e rt h et y p i c a lv e n t i n gc o n d i t i o nw a ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l y ，b yu s i n gt h ec o l o c a t e dg r i d ss i m p l ea l g o r i t h mb a s e do nt h e k - et u r b u l e n tm o d e la n d e d d yd i s s i p a t i o nm o d e l t u r b u l e n tc o m b u s t i o nm o d e l f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p u t a t i o n a ls h a d o w g r a p hi m a g e sw e r ep l o t t e db a s e do nt h en u m e r i c a lr e s u l t sa n dr e l e v a n tc o m p u t a t i o n a lf l o wi m a g i n g ( c f i ) m e t h o d s f r o mt h ee x p e r i m e n t a lm a dn u m e r i c a lr e s u l t sa n dc o m p u t a t i o n a ls h a d o w g r a p hi m a g e s ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ev e n t e de x t e r n a lf l o wf i e l d ，n a m e l y ，t h ej e tf l a m e ，t u r b u l e n c e ，v o r t e x ，f l a m m a b l ec l o u da n dt h es t r u c t u r eo ft h ep r e s s u r ew a v e si nt h ee x t e r n a lf l o wf i e l dd u r i n gv e n t i n g ，e t c ，w e r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l yi nd e t a i l i nt h ev e n t i n gc o n d i t i o n sc o v e r e di nt h i sp a p e r , t h el e a d i n gs h o c kw a v eg e n e r a t e dd u et ot h ei n i t i a ld i s c o n t i n u i t yo ft h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eo ft h ee x t e r n a la n di n t e r n a lf l o wf i e l d ，w a sf i r s t l yc o m i n go u to ft h ev e n t t h e n ，t h ec o m b u s t i b l eg a sr u s h e do u ta n dm i x e dw i t ht h eo x y g e no ft h ea i rt of o r mc o m b u s t i b l ec l o u d t h el e a d i n gs h o c kw a v ed e c a y e dt os o u n dw a v ew i t hi t sf r o n te x p a n d i n g t h ev e n t e dg a sm i x t u r ej e t t e do u tu n d e re x p a n s i o nf o ri t sh i g h e rp r e s s u r er e l a t i v et oa m b i e n tp r e s s u r e ；a n dt h el o wp r e s s u r ea r e an e a rt h ee x i tw a sf o r m e dd u et ot h er a r e f a c t i o nw a v e so ft h ep r a n d t l m e y e rf l o w a n dt h eh i g hp r e s s u r ea r e a ( a l s oc a l l e d s u s p e n d e ds h o c kw a v e ，) n e a rt h ea x i sf a r t h e rt ot h ee x i tw a sa l s og e n e r a t e dd u et ot h ec o n v e r g e n c eo ft h o s er a r e f a c t i o nw a v e sr e f l e c t e df r o mt h e英文摘要b o u n d a r i e so ft h ej e t t h eo c c u r r e n c eo ft h ec o m b u s t i b l ec l o u d ，l o wp r e s s u r ea r e ao ft h er a r e f a c t i o nw a v e sa n dh i g hp r e s s u r ea r e ao fs u s p e n d e ds h o c kw e r et h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c si nt h ee x t e r n a lf l o wf i e l db e f o r et h ef l a m es p o u t e do u t w h e nt h ef l a m ep e n e t r a t e df r o mt h ev e s s e l ( 1 0 wd e n s i t y ) i n t ot h ed u c t ( h i g hd e n s i t y ) ，i tw a sa c c e l e r a t e dd u et oi n s t a b i l i t i e so c c u r r i n go ni t sf r o n ta n di n t e r a c t i o no ft h es h e a rl a y e ro ft h ed u c tw a l l a n di t sv e l o c i t yn e a rt h ee x i tw a su pt ot h em a x i m u ma n dt h e nt h ej e tf l a m er u s h e do u t u n d e rs u i t a b l ec o n d i t i o n s ，f o re x a m p l es u i t a b l eo v e r p r e s s u r ei n t e n s i t ya n dd e n s i t yi nt h eh i g hp r e s s u r ea r e a ，a n dt h ea r e ac o v e r e db yt h ec o m b u s t i b l ei nt h ee x t e r n a lf l o wf i e l d ，e t c ，t h eo v e r p r e s s u i ei nt h ee x t e r n a lf l o wf i e l di n c r e a s e dr a p i d l ya n de v e nt h es e c o n d a r ye x p l o s i o no c c u r r e dd u et ot h ev i o l e n tc o m b u s t i o no ft h ee x t e r n a lc o m b u s t i b l eg a si g n i t e db yt h ej e tf l a m e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l a m e ，v o r t e x ，l e a d i n gs h o c kw a v ea n ds e c o n d a r ye x p l o s i o ng e n e r a t e dl a t e r ，w e r es h o w e do b v i o u s l yf r o mt h ec l e a rs e q u e n t i a le x p e r i m e n t a ls h a d o w g r a p hi m a g e sa n dc o m p u t a t i o n a ls h a d o w g r a p hi m a g e s i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e n s i t yo ft h es e c o n d a r ye x p l o s i o n ( 踟。) w e r ed i s c u s s e di nd e t a i la c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a le x t e m a lp r e s s u r e - t i m ep r o f i l e so b t m n e du n d e rd i f f e r e n tv e n t i n gc o n d i t i o n s n a m e l y ，p m “i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gf a i l u r ep r e s s u r e ，w h e nt h eo t h e rv e n t i n gc o n d i t i o n sw e r ef i x e d 。w h e nt h ei g n i t i o ns o u r c ec h a n g e da n dt h eo t h e rc o n d i t i o n sw e r ef i x e d ，肼f “i n c r e a s e dw i t hd e c r e a s i n gt h ed i s t a n c eo ft h ei g n i t i o ns o u r c et ot h ee x i ti nl o wf a i l u r ep r e s s u r ea n dd e c r e a s e di nh i g hf a i l u r ep r e s s u r e t h ep md e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h eb l o c k a g er a t i oo ft h eo b s t a c l ei nt h ed u c t ，w h i l et h eo t h e rc o n d i t i o nw a sf i x e d t h ep ，。g e n e r a t e du n d e rt h el o we q u i v a l e n tr a t i o ( 1 e s st h a n1 0 1o ft h em e t h a n e - a i rm i x t u r ew a sl o w e rt h a nu n d e rt h eh i g he q u i v a l e n tr a t i o ( m o r et h a n1 0 1 k e yw o r d s ：t u r b u l e n tc o m b u s t i o n ，v e n t e de x p l o s i o n ，e x t e r n a lf l o wf i e l d ，j e tf l a m e ，s e c o n d a r ye x p l o s i o n作者声明：y6 8 3 2 8 0本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，论文不存在抄袭现象：与我一同工作的同事对本研究所做的其它贡献均已在论文中作出了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名)2 0 0 4 年1 1 月1 6 日2 0 0 4 年1 1 月1 绪论1 1 课题背景和意义随着科学技术的发展，人类需求的不断增长，现代工业生产规律愈来愈大，结构也越来越复杂。而工业生产过程中不可避免地产生可燃性气体、液雾或粉尘，这些可燃介质在适当的条件下，被引燃而产生火灾、甚至爆炸灾害。这种爆炸灾害威胁、严重程度和发生频率变得越来越大。1 9 7 4 年6 月，英国f l i k b o r o o g h 城的n y r o工厂5 0 吨环乙烷泄漏引起火灾，造成2 8 人死亡，1 0 8 人受伤，经济损失达1 亿英镑，环境污染严重；1 9 8 4 年1 1 月，墨西哥城的s aj u a ni n h u a t e p e c 工厂，因液化石油气爆炸，燃烧的火球半径达3 0 0m ，造成5 0 0 人死亡，7 0 0 0 人受伤，1 2 0 万人撤离家园的惨剧；1 9 8 8 年7 月6 日，英国北海石油平台着火爆炸，造成1 6 3 人死亡，5 _ 3 亿英镑的平台毁坏。1 9 9 6 年，墨西哥圣胡安伊克斯华特佩克，一座1 3 0 0 立方米贮罐上一个阀门的汽油泄漏引起火灾，造成该贮罐爆炸，4 人死亡，1 6 人受伤，火灾持续2 天，才被控制。这些事故给人们的教训是惨痛的。在我国，近二十年来，随着经济的发展，工业安全事故频发，重大恶性事故较多，一次性死亡人数上升。1 9 8 7 年3 月1 5 日，在我国哈尔滨亚麻纺织发生的震惊中外的特大粉尘爆炸事故，摧毁厂房，爆炸导致的火灾蔓延近2 0 0 0 m 2 ，人员伤亡2 3 5 人，其中死亡5 8 人，重伤6 6 人，摧毁设备1 5 8 台套 2 1 。1 9 9 1 年4 月，山西三交河煤矿瓦斯爆炸，死亡1 4 7 人 3 1 ；2 0 0 0 年9 月2 7 日，贵州省水城矿务局木冲沟煤矿发生瓦斯爆炸事故，死亡1 6 2 人，受伤8 2 人；2 0 0 2 年6 月2 0 日，黑龙江省矿业集团城子河煤矿发生了特大瓦斯爆炸，造成了1 2 4 人死亡、2 4 人受伤。2 0 0 3 年5月1 3 日，安徽省淮北矿业集团芦岭煤矿井下二水平发生瓦斯爆炸事故，造成8 6 人死亡，9 人重伤，1 9 人轻伤。据不完全统计2 0 0 3 年全国发生一次死亡l o 一2 9 人特大事故1 1 5 起，死亡1 7 3 2 人。这些事故所造成的经济损失和人员伤亡、对社会的影响都是巨大的。国外关于工业爆炸灾害、火灾安全等进行了广泛而深入的研究，而我国在这方面的研究与国外比较起来差距较大，随着我国经济的快速发展，新产业和新技术的泄爆外流场的动力学机理研究f 冉i 。学位论文不断运用，生产规模的不断扩大，气体爆炸灾害的预防和相关的理论研究变得尤为紧迫，若不及早深入开展这方面的工作，势必制约和阻碍相关产业的发展。在这些爆炸灾害事故中，大部分是由可燃气体燃烧，爆燃以致引起爆炸，造成巨大的损失。为防止或减轻这种气体爆炸灾害，通常采用的防治手段有泄爆、抑爆和隔爆等。其中泄爆是指通过某个薄弱环节，如泄爆门，泄爆膜，门窗等，将密闭容器、建筑物等的内部高压( 因气体或粉尘的燃烧导致的压力上升) 气体导出到外部空问( 一般为大气) 中，即当内压力超过某一临界值时( 即薄弱环节的最大耐压值) ，膜片破裂或门窗裂开，内部高压高温气体泄出，使得内压力迅速降低，以防止和减轻爆炸灾害 4 巧j 。泄爆是工业上应用很广泛的爆炸防治方法，其实质是对已经或处于发展中的爆炸进行人为的干预，由于泄爆过程强烈耦合了湍流、热化学反应和振荡燃烧，这种干预所导致的物理和化学变化是很复杂的，对其产生后果的预言和控制仍然是有限的。这种复杂性和许多不确定性，使德在泄爆过程中，常出现了一些异常现象，如泄爆后，内流场压力虽下降了，而外流场可能出现很高的压力峰值，甚至产生所谓的外部爆炸【6 j 。这对毗邻的建筑物、环境、人员的安全等构成潜在的威胁。而关于外部爆炸的产生机制、泄爆后射流火焰与湍流的相互作用等，到目前为止仍没有被很好的认识。因此，研究泄爆后，外流场的动力学特征，尤其是外部爆炸( 二次爆炸) 的产生机制，具有重要的意义。泄爆的研究涉及到湍流力学、化学反应流、燃烧理论、爆炸力学和计算力学等，具有重要的理论和学术价值。目前关于泄爆的研究仍主要以试验为主，集中于内流场的超压产生机制、经验关系式的确立与验证、泄爆容器的合理设计等等【5 ，7 - ，而数值研究，因受流场复杂程度、当前的计算能力、燃烧模型的限制，这方面的研究还比较少。尤其，对于泄爆外流场，特别是外部爆炸的产生机制，迄今仍没有详细而系统的研究。本文将对高压泄爆后，外流场的动力学特征进行了详细的试验和数值研究，揭示二次爆炸的产生机理，并根据实验结果详细讨论了二次爆炸强度在不同泄爆条件下的变化规律。本课题得到国家重点基础研究发展规划项目火灾动力学演化与防治基础( 2 0 0 1 c b 4 0 9 6 0 0 ) 的资助。2 0 0 4 年1 1 月l 绪论1 2 国内外的研究状况1 2 ，1 内流场实验和关系式研究概况泄爆的目的是通过泄爆口卸去内部高压，防止和减轻爆炸灾害。为提高泄爆效果，人们对内流场超压的产生机镥8 及其变化规律进行了广泛的研究。许多泄爆研究表明，内压力随时间而发生变化，它取决于初始可燃混合物的状态和特性，如组分、初始压力和温度、点火前的湍流，以及泄爆容器的特征，如形状和尺寸、点火源的位置、泄爆门( 膜) 的强度和形状、容器内的障碍物等。另外还与泄爆口的位置、泄爆面积的大小、泄爆压力、点火源的位置以及泄爆外流场特性对内流场的影响等等有关。泄爆后，内压力并不是持续下降的，容器内的未燃气体的继续燃烧可能使内压力上升，甚至出现多个峰值孤。c o o p e r 等【7 】根据方形泄爆容器，在低压泄爆时获得的实验结果，对内流场所出现的多个峰压的物理机制进行了详细的讨论。当在容器中心处，点火时，内流场先后出现四个明显的峰压，分别对应四种主要的产生机制，如图1 所示，i ? 1 4 分别为对应的四个内压力峰值，它们的产生不仅与内流场的特性有关，还与外流场的特征有关，如图中的峰压p 2 ，它可能受外部爆炸的影响，从而出现压力突升。但文中并没有对外部爆炸作进一步的讨论。当内流场存在障碍物时，会影响内压力的大小和变化规律。障碍物的存在使得火焰和湍流之间发生相互作用，形成所谓的正反馈机制【旧。”，火焰被加速，内压力上升【1 3 - 1 4 , 1 8 - 2 1 , 2 2 。在长导管泄爆时，火焰进入导管后，会在其问加速，p o i n t z y 等 9 , 1 0 1 试验研究泄爆容器与导管的作用机制，点火位置、膜片和湍流对内压力的影响等。结果表明火焰在长导管内加速以及导管内的燃烧是内压力增强的重要因素。文献田j 实验研究了大长径比的泄爆容器，在不同点火位置时，内压力的变化特征。在底端点火的泄爆情形下，产生的内压力较侧面点火的情形大( 除了中心点火时，内压力趋于相等) 。这些试验和理论研究为认识泄爆内流场提供了依据。泄爆外流场的动力学机理研究博i 擘位论文l圣善壁g若t l h e ，s图1 1 方形泄爆容器，中心点火时，泄爆内流场的压力历史7 】为便于工程应用，根据实验结果和泄爆理论，人们提出很多简单的经验和半经验关系式 5 , 8 , 2 4 - 2 7 】，这些关系式在实际工作中得到了广泛的应用。r a z u s 等吲对已存在的关于气体泄爆的经验和半经验关系式进行了比较，讨论了它们的有效使用范围、物理背景和适用性，并对它们的实用性提出了一些建议。为了进一步规范和科学的使用泄爆理论和关系式，以帮助和指导人们设计泄爆容器获得最佳的泄爆效果，许多国家出版了泄爆指南，如欧洲的v d l 3 6 7 3 ，美国的n f p a 等1 2 。1 2 2 外流场实验和关系式研究概况关于泄爆外流场的研究的相对较少【2 9 】，仍以实验为主，且都是关于低压泄爆的情形 6 3 0 - 3 2 j 。泄爆后，在火焰从泄爆口泄出瞬间，若内压力大于外部环境压力，高温混合气体的流动为欠膨胀射流 3 3 1 ，形成所谓的射流火焰。如果外流场存在可燃气体时，在一定的条件下，外部燃烧会变得异常剧烈，甚至可能引起外部爆炸。h a r r i s o n 等【6 1对3 0 m 3 大型爆炸管的在低压泄爆时所诱导的外部爆炸现象进行了较为详细的试验研究，拍摄到了外部火焰的照片，讨论了不同泄爆条件下，射流火焰、湍流以及外部爆炸等对内部超压的影响。并指出外部爆炸能引起内部超压的上升，故在研究内流场时，不应忽略外部爆炸的作用。c a t l i n 3 0 】对初始时内外流场充满相同可燃气体泄爆情形进行了试验，对泄爆引起的外部爆炸现象进行了定性分析，但在研究火焰与外部云团的作用过程时，因采用的摄影系统帧频( 5 0 0f r s ) 不够高，并未拍摄到相应的照片，故仅仅是作了相应的推测讨论。w i r k n e r 等p l 】根据实验结果，提出了相吣加02 0 0 4 年1 1 月绪论干和不相干两种外部爆炸方式，前者因泄爆口附近的可燃云团点火燃烧所致，后者因射流火焰点燃外部可燃云团所致。t o mf o r c i e r 等【3 4 】根据已有的计算外部超压的关系式 3 5 - 3 7 i ，运j 目球形和椭球形爆炸波理论，提出了一种计算外部超压的经验关系式，且其计算结果与实验数据较为接近，但这种关系式并未考虑外部燃烧的情形，其适用范围较窄，即没有考虑外部爆炸的情形。1 2 3 流场可视化研究概况流场可视化技术已成为研究泄爆问题的有力工具，通过可视化技术，如高速摄影、阴影、纹影等，人们可获得关于泄爆流场的许多有用信，皂 7 , 2 9 - 3 2 1 。泄爆后，火焰、气流、激波等传播速度极快，为捕捉到它们的变化，可视化系统的i 帧频应足够高。文献【7 】在研究内流场超压的产生机制时，获得了内流场火焰的变化照片，该摄影系统的帧频为4 0 0 f p s 。h a r r i s o n 等【”悃帧频约为4 3 0 f p s 的高速摄影系统，获得了从大型爆炸管中泄出的火焰在外流场的形状变化照片。文献【30 】中因摄影系统的帧频不够高，并未拍摄到相应的火焰照片。可见，根据研究对象不同，应采用相应性能的可视化系统。阴影照片反映的是流场折射率( 或密度) 的平面二维变化，流场中存在大的密度梯度时，如激波、火焰等，它可以有效地显示其阵面形状【3 8 。3 。本文采用y a 一1 6高速阴影摄影系统，其帧频最大可达到1 0 6 f p s ，而且，其光源与底片相对静止，可以获得清晰的阴影照片j 。1 2 4 数值研究概况因泄爆过程的复杂性和不确定性，以及实验的实际困难。而仅靠实验获得的有限数据来研究泄爆现象是远远不够的。虽然经验关系式可以简单而快捷的估算出流场超压的大小，较c f d 经济适用，节省时间；但是数值计算可以获得丰富的流场信息，这是前者无法相比的。在实际的应用中，经验关系式适于工程应用，而c f d 模型则广泛用于泄爆机理的研究。结合实验和数值计算，对泄爆过程进行研究，已成为泄爆研究领域的有力工具。由于泄爆过程涉及到湍流燃烧、爆炸甚至爆轰，对于泄爆的模拟取决于湍流燃烧模型的发展、算法的改进以及计算能力的提高。湍流燃烧被认为是2 1 世纪重要的研究领域，研究的主要内容是火焰结构和预测( 数值) 方法【4 1 】；而火焰数值方法( 数值模型) 的快速发展为我们理解燃烧提供了更好的手段h 2 1 ，湍流燃烧的模拟方法有直接模拟( o n s ) 【4 3 - 4 ”、大涡模拟( l e s ) h “、概率密度函数( p d f ) 输运方程模拟1 4 6 , 4 8 j 、条件矩模型( c m c ) 4 9 ，5 叫、简化概率密度泄爆外流场的动力学机理研究博i 学位论文函数模型( 如层流小火焰模型和b m l 模型) 4 3 , 5 1 - 5 3 1 、关联矩模型【5 4 埽口基于物理概念的一些唯象模型，如e b u 模型 5 5 - 5 6 1 ，e s c i m o 理论 5 5 8 埤。其中，直接模拟d n s和大涡模拟l e s 的精度最高，但计算量巨大，仅用于流场较简单、低雷诺数的情形。输运方程的概率密度函数法因其求解方法复杂，计算量亦较大，仍未得到广泛应用。层流小火焰模型、b m l 模型、e b u 模型、简化的p d f 模型是j i + 程能够接受并有潜力的研究方向【5 9 1 。而条件矩( c m c ) 和概率密度法仍处于发展之中，层流小火焰模型也只适用于特定的领域【6 0 1 。在实际应用中，占主导地位的仍是采用r e y n o l d s 平均和简单的化学模型( 如e b u l 6 1 , 6 2 】) 的计算方法。这是因为其所需的计算要求和容量并不高，且能处理复杂形状的流场，获得的结果也接近实际【2 。已有的关于泄爆的数值研究的文献【2 0 2 石6 ，包含采用基于e b u 模型的 2 0 , 6 2 - 6 3 1 和采用简化的燃烧模型 6 4 - 6 5 1 ，如s c o p e ，c e b a m 等。这种简化模型介于c f d 和关系式之间，采用较关系式更为合理、可信的物理模型，计算量很少，仅用于爆炸超压的计算【6 ”。而关于泄爆过程的完全的数值模拟，仍比较少。考虑到模型的复杂性和精度要求以及计算成本，本文的采用基于缸s 湍流模型m 和e b u 湍流燃烧模型 6 2 , 6 8 】的同位网格s i m p l e 算法 6 9 - 7 3 1 ，对泄爆过程进行数值模拟。计算流动显示( c o m p u t a t i o n a lf l o wi m a g i n g ，c f i ) 【7 4 j 是运用光学流动显示的原理和科学计算可视化方法，将数值计算获得的流场数据转换并在计算机上模拟实现，得到相应的光学数字图像，如阴影图、纹影图及干涉图，以反映流场的特征。它融合了计算流体力学，实验流体力学，科学计算可视化等领域，是近年来在流体力学领域中出现的一个新的研究方向，是流场可视化技术的一个新的分支1 7 “。由于计算流动显示技术模拟真实的光学过程，得到的结果与实验结果是严格对应的，故计算图像与实验图像具有可比性，能直观的进行对照比较。随着计算流体力学理论研究的深入和科学计算可视化技术的日趋成熟，它已被越来越多地应用于实验结果分析、实验和理论的验证等方面l m o “。为使计算结果能与实验阴影照片直接进行对照，本文运用阴影光学原理和相关的可视化技术，根据数值结果绘制了相应的计算阴影图。本文还根据数值训算结果，运用计算光学理论，绘制了计算阴影图。由以上分析可知，关于向空气泄爆的外部流场的数值模拟和理论分析，特别是关于泄爆诱导的外部二次爆炸现象的机理的阐述，则迄今尚未进行详细而系统的研究。2 0 0 4 年1 1 月绪论1 3 本文的主要工作本文利用自行设计的，容积为o 0 0 8 1 4m 3 的带导管的柱形泄爆容器，在充满为甲烷一空气预混气，不同泄爆条件下，向空气中泄爆的情形进行了详细的实验研究，实验获得了外流场的压力历史和清晰的时序阴影照片。并采用基于k e 湍流模型和e b u 湍流燃烧模型的同位网格s i m p l e 算法，对典型泄爆过程进行数值模拟；根据计算结果和计算光学的有关理论绘制了相应的计算阴影图。结合实验结果和数值结果，对泄爆外流场的动力学特征进行了详细系统的讨论，揭示了外部二次爆炸的产生机制。还根据实验获得的不同泄爆条件下的压力历史，详细分析了二次爆炸的影响因素，讨论了二次爆炸强度在不同泄爆条件下的变化规律。具体的研究内容包含如下：1 利用自行设计的泄爆实验系统，对不同泄爆条件下( 即不同泄爆压力、点火位置、泄爆面积和容器内初始甲烷一空气预混气当量比) 的泄爆过程进行了一系列的实验，获得了内外流场的压力历史。2 由于泄爆是一个复杂的瞬态的热化学流动过程，为捕捉到外流场动力学结构变化特征，可视化系统的性能应足够高。本文采用高频率高清晰度的y a 一1 6 多闪光高速阴影系统，对不同泄爆条件下( 不同点火位置、泄爆压力等) 情形进行了实验研究，拍摄到了外流场清晰的时序阴影照片。这些阴影照片形象地反映了二次爆炸波的产生和发展过程，这在国内外文献中尚未见到。3 基于k - 湍流模型和“e d d y d i s s i p a t i o n m o d e l ”燃烧模型的同位网格s i m p l e算法，对典型的泄爆过程进行了数值模拟。计算结果成功的反映了泄爆过程的动力学特征。并根据计算结果，结合计算流动显示技术绘制了相应的计算阴影图。4 根据实验结果和计算结果，讨论了一般高压泄爆条件下，泄爆外流场所出现的射流火焰、湍流、激波等的变化特征，详细的分析了泄爆外流场的动力学特征，系统地揭示了二次爆炸的产生机理。关于二次爆炸机理的系统阐述，国内外文献迄今未见到。5 由实验获得的不同泄爆条件下的外流场压力历史，分析了二次爆炸的影响因素，讨论了不同泄爆条件下( 泄爆压力、点火位置、泄爆面积和预混气当量比) ，二次爆炸强度的变化规律。这对工业安全和泄爆系统的设计具有现实的指导意义。泄爆外流场的动力学机理研究啡i 学位论文2 实验研究2 1 引言泄爆是一个强烈耦合了热化学与流动的过程。从容器中泄出的可燃气体，在高温已燃混合气、高速火焰以及湍流等的作用下，还会发生剧烈的燃烧，从而使外流场的动力学结构特征发生强烈的变化。为研究这些变化，揭示二次爆炸产生机制及其影响因素，需对泄爆外流场进行详尽的实验研究，以获得有关的流场信息，如压力历史和高速阴影照片等。本文采用带导管的柱形泄爆容器，向空气中泄爆的情形进行了一系列的泄爆实验。实验内容包括压力测量和外流场的可视化。对于前者，由于柱形容器泄爆时，受内外压差的作用，气流从导管口沿轴线泄出；同时，外流场所出现的膨胀波或压缩波均沿轴线而向外发展。故轴线压力的变化应能反映流场波系的主要结构特征。因此，本文关于压力测试的工作，主要是关于外轴线压力测点的布置和测量上。但如何合理布置和安装外流场的测压点，以尽量消除或减弱其对外流场的影响，是泄爆外流场压力测量的难点。泄爆实验中有关类似的压力测量的文献也并不多【“圳。h a r r i s o n q 对水平安装的大型爆炸管的泄爆过程进行了实验，其多个测压点布簧在水平地面上。虽然这样可以减少对流场的扰动，但这样可能并未测得轴线附近，变化最为剧烈的区域的压力特征。而且对于小的泄爆容器，因强度较小，离轴线较远时，其强度衰减得也快，并不能很好的测得外流场压力波系的变化特征。为了较真实的揭示泄爆外流场轴线压力的变化，本文的压力测量将直接在泄爆外流场与泄爆容器同轴的轴线上，并在同一侧垂直并排安装多个传感器，且传感器测压端与轴线垂直。对于外流场的可视化实验，采用高速阴影系统。由于传感器的布置和安装设施不可避免地对外流场产生影响。因此，如若同时对外流场进行高速摄影时，所拍得的照片并不能完整真实地反映流场的特征，而是包含了由外压力测量引入的扰动后的流场阴影照片。为减少流场外来因素的干扰，本文将泄爆外流场的实验分成两个独立的部分，即一部分为测压实验，这时不进行高速摄影工作，即移除高速阴影系统，仅进行压力测量实验；另一部分为高速阴影实验，这部分工作不进行外流场轴2 0 0 4 年1 1 月2 实验i i j | = 究线压力的测压，同样移除外流场测压系统。这样外流场的可视化实验拍摄到的阴影照片能真实的反映泄爆外流场的特征。但这对实验的可重复性推出较高的要求，本文关于外流场可视化与对应外流场轴线压力测量的实验条件，严格保持一致，并均经过至少3 次以上的重复实验。由于泄爆过程是一个瞬态过程，高速火焰和激波的传播速度极快，为更好的捕捉到它们，所采用的高速阴影系统的性能应能满足实验的要求，比如系统的帧频应该足够高，所获得的照片清晰度也应足够高。c a t l i n 4 】采用帧频为5 0 0f p s 的摄影系统研究外部流场，但未能拍摄到火焰与外部云团变化的照片，可见阴影系统的帧频对外流场的可视化起决定性的作用。本文的可视化系统采用y a 一1 6 高速阴影系统，该系统的分幅照片的时间间隔最小可达到1 0 。6 秒；另外该系统还采用了菲涅尔透镜1 7 8 ，降低或消除了因被测试流场自发光对阴影照片清晰度的影响；而且陔系统光源和相机相对固定，因此可以获得清晰度较高的阴影照片。根据实验内容包含测压和摄影两部分，本章首先详细介绍实验所用到的主要装置和设备，如泄爆装最、高速阴影系统以及抽充气系统等。然后分别对测压和摄影实验的原理和方案分别加以阐述。最后分别对实验获得的部分结果进行简单的分析。而主要的实验结果将在第四章和第五章中关于二次爆炸机理和影响因素的讨论中，进行具体的分析。2 2 实验装置2 2 1 泄爆装置简介及其安装方式本文所用的泄爆装置为一圆