基于SIMTEC最佳甲烷当量比下的爆炸数值模拟
时间：2022-01-15 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 煤矿安全 ★
基于SIMTEC最佳甲烷当量比下的爆炸数值模拟
瓦斯爆炸是我国煤矿目前发生的主要灾害之一，由爆炸产生的高温、高压对人员、机械设备等造成重大伤亡和损害。瓦斯爆炸通常发生于井下受限空间范围内，因此研究受限空间的瓦斯爆炸特性对于防治煤矿瓦斯爆炸具有重要的意义。由于试验的局限性，数值模拟现已经成为对爆炸过程进行重现和研究的重要手段，而目前如何定义瓦斯爆炸过程中的化学反应对于模拟精度有着重要的影响。在受限空间可燃气体爆炸数值模拟研究方面，科研人员已经取得了很大的进展。毕明树等采用LES湍流模型模拟了密闭长管内甲烷-空气的预混爆炸，研究了爆炸过程中火焰的传播规律以及爆炸流场特性；林柏泉利用Phoenics软件，简单模拟研究了障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰传播的影响规律；罗艾民等利用Auto ReaGas软件对扁平圆环局限空间的蒸气云爆炸过程进行了数值模拟；罗振敏利用FLACS软件对近球型密闭反应容器内的瓦斯爆炸过程进行模拟，表明添加辐射热换模型模拟结果更为准确；王志荣利用Fluent单步化学反应，模拟了连通容器内气体爆炸，研究表明连通器一端燃烧和流动引起的未燃气体的压缩和湍流导致系统中气体爆炸强度增加。目前国内外主流数值软件对于瓦斯爆炸过程的模拟主要以单步化学反应为主，但计算结果与试验结果有一定的差距，因此如何详细分析爆炸过程中的化学反应过程以提高模拟结果的准确性是目前研究的重点。
本文主要利用SIMTEC软件定义多步化学反应方程式并给出相应的化学动力学参数，对近球体密闭容器内甲烷-空气爆炸过程进行了数值模拟研究，分析了最佳甲烷当量比下的爆炸特性参数，并揭示了爆炸过程中的压力、温度、浓度场的变化规律。
1 SIMTEC软件平台与数值方法
对于瓦斯爆炸模拟，SIMTEC软件采用大涡模型，能够模拟爆炸过程中的多步化学反应，目前国内已有中国科学技术大学、中南大学的学者开始使用。爆炸过程遵循以下模型：
1.1 数学模型
质量守恒：
(1)
动量守恒：
(2)
能量守恒：
(3)
燃料质量分数：
(4)
式中：ρ——密度；
ui——i坐标方向上的粒子速度；
mfu——燃料质量分数；
μt——湍流粘性；
Rfu——体积燃烧速率；
Γfu——输运特性的湍流耗散系数。
1.2 湍流模型
用滤波函数对连续不可压缩流的N-S方程进行滤波，得到如下控制方程：
式中：
经过过滤得到的时均速度分量以及时均压力；
亚格子应力(SGS)。
由于
和
无法同时求得，因此采用涡旋粘性亚网格模型进行封闭求解，其形式为：
(6)
式中：μtt——亚格子涡粘系数；
Δ——过滤尺度；
Cs——Smagorinsky常数；
CsΔ——混合长度；
求解尺度下应变率张量。
1.3 燃烧模型
SIMTEC可以定义多步化学反应方程来描述气体燃烧化学过程，根据亚当斯三参量修正方程中反应速度常数：
(7)
式中：A——前因子；
T——绝对温度；
m——由试验决定的常数；
Ea——活化能；
R——摩尔气体常数。
2 模拟方案
西安科技大学的罗振敏教授在爆炸试验中采用 XKWB-1型近球体密闭气体爆炸特性测试装置，反应容器体积为20 L，其最大内径30 cm，内部空间高34 cm，壁面材料为不锈钢。爆炸前密闭容器内初始温度在14.6～21.0 ℃，初始压力为常压，室内环境湿度 54%～74%，点火能量约1 J。试验中压力传感器所在位置坐标为(0.295,0.245,0.15)。
本文在罗振敏爆炸试验的基础上，利用SIMTEC软件对最佳甲烷当量比下(甲烷体积浓度为9.5%)的爆炸过程进行数值模拟。模拟过程中的所有参数设定与试验保持一致，后处理时将测点(0.295,0.245,0.15)数据提取出来进行分析。
3 物理模型与初始条件
环境温度为20 ℃，环境压力为101.3 kPa，求解器选择可压流求解器。湍流模型选用Smagorinsky 大涡模型，Smagorinsky常数为0.1；采用非等温壁面函数处理壁面传热；燃烧模型选择修改的涡耗散模型，辐射模型选择MODAK来描述；计算时间设置为300 ms。
对于甲烷燃烧爆炸化学反应，化学反应速率为：
反应动力学参数由爆炸试验经验值得到，其中C、D、E为反应物，a、b、c分别为反应物的反应级数，依次给定每一个化学反应动力学参数A、m、Ea、a 、b、c即可得出每一步化学反应速率。甲烷三步化学反应方程及动力学参数如表1所示。
表1 甲烷三步化学反应方程及动力学参数
分步反应方程AMEaabc1CH4+1.5O2=CO+2H2O+0.03SOOT7.222E+100.02000000.70.82CO+0.5O2+0.1H2O=CO2+0.1H2O2.219E+110.01670001.00.250.53CO2=CO+0.5O25.00E+80.01670001.0
密闭近球体物理模型如图1所示，几何体为长径340 mm，短径为300 mm的近球体密闭容器。点火源位于容器中心位置，点火方式为电火花点火，持续时间0.001 s，点火能量为1 J。采用结构化六面体网格，对流体计算区域采用均匀网格，X、Y、Z 3个方向上网格数目均为100个，网格总数为1000000个，网格划分如图2所示。
图1 近球体密闭容器数值模拟几何体
对于壁面网格分为2层，每一层网格厚度为0.005 mm。在流体初始条件文件中设置整个近球体区域的气体质量分数(需要将体积分数转换为质量分数)。为了简化计算，对模型做出了如下假设：
(1)除瓦斯爆炸的点火源外，密闭容器内没有其他的热源；
(2)瓦斯的初始浓度、温度和压力都均匀分布；
(3)密闭空间内气体满足真实气体状态方程。
本文采用三维瞬态数值计算气体爆炸过程，在整个计算区域空间坐标采用有限体积法离散微分方程，无粘项采用二阶精度TVD差分格式ALBADA方法离散，粘性项采用中心差分格式，时间上采用显式方法。
图2 网格划分
4 数值模拟结果及分析
4.1 爆炸压力、温度、爆炸强度以及爆炸火焰分析
处理分析得出最佳甲烷当量比下的爆炸超压随时间变化曲线，如图3所示。最佳甲烷当量比下的爆炸温度随时间变化曲线如图4所示。由图3和图4可以看出，爆炸超压、温度随着时间的增加先迅速上升，在115 ms时爆炸超压与温度同时达到了峰值。最大爆炸超压为0.6695 MPa，最高温度为2085 ℃。随后爆炸超压缓慢下降，而温度呈脉冲状震荡缓慢下降。
图3 爆炸超压随时间变化图
图4 爆炸温度随时间变化图
描述密闭空间内爆炸参数除了最大爆炸超压、温度以外还有最大压力上升速率及爆炸强度。密闭装置内的最大压力上升速率(dp/dt)max定义为压力-时间曲线上升段拐点处的切线斜率，而爆炸强度指数定义为最大爆炸压力上升速率和装置体积三次方根的乘积。因此，在Origin中对爆炸超压关于时间求取导数，在上升段取得最大爆炸压力上升速率10.78 MPa/s，从而计算出最佳甲烷当量比下密闭近球体内爆炸强度为29.26 MPa·m/s。
以反应容器为研究对象，截取容器的最大垂直截面在5 ms、20 ms、50 ms、115 ms 4个不同时刻下最佳甲烷当量比的爆炸压力场、温度场如图5和图6所示。由图5可以看出，每一时刻的压力都是均匀的，可见在密闭小空间内发生爆炸后，压力会在极短时间恢复均匀，而不会出现压力场分布。由图6可以看出，密闭近球体内的甲烷被点火源点燃后，形成了一个近球形爆源，其核心温度最高达3178℃。火焰不断向未燃烧气体中传播，由于燃烧产物的密度小于未燃物的密度，使得燃烧产物气体在高温作用下膨胀，压缩未燃气体，压缩波叠加产生冲击波在其周围形成的燃烧波以球面波的形式向四周传播，火焰向四周蔓延。由于近球体壁面阻挡、剪切作用，燃烧火焰会沿着壁面反射回来，与冲击波相遇，从而导致燃烧速度加快，反过来又加剧了未燃气体的运动，两者互相激发，火焰加速形成涡旋。由于SIMTEC加入了湍流加速因子、燃烧不稳定性因子和火焰面变形系数，因此对爆炸过程中的不稳定湍流有较好的模拟。在115 ms时甲烷气体充分反应，湍流火焰充满整个空间，此时爆炸最为剧烈，爆炸特性参数温度、压力达到最大。
图5 不同时刻下的瓦斯爆炸压力场
图6 不同时刻下的瓦斯爆炸温度场
4.2 甲烷、二氧化碳质量浓度场分析
将可燃物浓度与爆炸产物浓度变化分别绘制出来，甲烷和二氧化碳质量浓度随时间变化如图7和图8所示。
图7 甲烷质量浓度随时间变化图
由图7和图8可以看出，在爆炸的初始阶段，密闭近球体内温度较低，化学反应所需要的活化能较高，因此，化学反应速率较低，反应物浓度基本保持不变，产物浓度接近于零。而随着温度的升高，化学反应速率急剧升高，氧气与甲烷快速大量被消耗，产物浓度迅速增加，此时爆炸最为剧烈，在最佳甲烷当量比下，氧气与甲烷同时消耗殆尽，随后化学反应停止，产物浓度保持不变。
图8 二氧化碳质量浓度随时间变化图
结合图3和图4表明，压力、温度峰值时间与产物浓度峰值时间基本吻合，进一步说明爆炸反应越完全，产物浓度越大，爆炸压力越大，爆炸温度越高。
图9 不同时刻下的甲烷质量浓度场
图10 不同时刻下的二氧化碳质量浓度场
图9和图10是不同时刻下的甲烷以及二氧化碳质量浓度场，可以看出随着反应的进行，甲烷爆炸已燃区(蓝色区域)越来越大，已燃区的甲烷和氧气被燃烧产物(二氧化碳和水)充满，未燃区(红色区域)越来越小，在已燃区和未燃区之间有一条浅绿色条带，为预热反应区，其逐渐向外扩大，直至充满整个近球体空间。
5 结论
(1)本文利用SIMTEC软件模拟了密闭近球体内最佳甲烷当量比下(甲烷体积分数为9.5%)有三步化学反应的瓦斯爆炸。爆炸超压、温度随时间增加先迅速上升，在115 ms时爆炸超压与温度同时达到了峰值，随后爆炸超压缓慢下降，温度呈脉冲状震荡缓慢下降。在最佳甲烷当量比下，模拟出该近球体容器最大爆炸超压为0.6695 MPa，最高温度为2085 ℃，最大爆炸压力上升速率10.78 MPa/s，爆炸强度为29.26 MPa·m/s。
(2)在爆炸的初始阶段，密闭近球体内温度较低，化学反应所需要的活化能较高，因此，化学反应速率较低，反应物质量浓度基本保持不变，产物质量浓度接近于零。而随着温度的升高，化学反应速率急剧升高，氧气与甲烷快速大量被消耗，产物浓度迅速增加，此时爆炸最为剧烈，在最佳甲烷当量比下，氧气与甲烷同时消耗殆尽，随后化学反应停止，产物质量浓度保持不变。
(3)压力、温度与产物质量浓度在115 ms同时达到峰值，进一步说明爆炸反应越完全，产物质量浓度越大，爆炸压力越大，爆炸温度越高。
[1] 毕明树,董呈杰,周一卉.密闭长管内甲烷-空气爆炸火焰传播数值模拟[J].煤炭学报, 2012(1)
[2] 林柏泉,桂晓宏.瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的模拟研究[J].中国矿业大学学报, 2002(1)
[3] 罗艾民,李万春,吴宗之等. 扁平圆环局限空间蒸气云爆炸数值模拟及其在事故调查中的应用[J].中国安全科学学报, 2008(1)
[4] 罗振敏.基于FLACS的受限空间瓦斯爆炸数值模拟[J].煤炭学报,2013(8)
[5] 王志荣,蒋军成,郑杨艳. 连通容器气体爆炸流场的CFD模拟[J].化工学报, 2007(4)
[6] 张玉洲.大涡模拟和低雷诺数k-ε模型对浮升流的数值研究[D].杭州：杭州电子科技大学, 2018
[7] Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations [J]. Monthly Weather Review, 1963(3)
[8] C.K.Westbrook,Frederick.L.Dryer.Simpli
ed Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hydrocarbon Fuel Inflames[J].Combustion Science and Technology，1981(11)
[9] 尉存娟.水平管道内甲烷—空气预混气体爆炸过程研究[D].中北大学, 2010
[10] 王志荣.受限空间气体爆炸传播及其动力学过程研究[D].南京：南京工业大学, 2005
[11] 陈晓坤,张自军,王秋红等. 20 L近球形容器中微米级铝粉的爆炸特性[J].爆炸与冲击, 2018(5)
[12] 李润之.点火能量与初始压力对瓦斯爆炸特性的影响研究[D].山东科技大学,2010
Numerical simulation on explosion under optimal methane equivalent ratio based on SIMTEC
Gou Baoyang, Wu Bing, Su Jingliang. Numerical simulation on explosion under optimal methane equivalent ratio based on SIMTEC [J]. China Coal, 2019，45(7):52-57.
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