轴对称约束条件下可燃气云爆燃强度研究

论文摘要

开敞空间可燃气云爆燃事故是一类破坏力极强的工业灾害。深入研究因事故泄漏所引发的可燃气云爆炸威力及其相应的规律,是创立抑制和预防此类工业灾害技术的理论基础,具有重要的学术价值和社会经济价值。在现实工业环境中生成的可燃气云,由于受到诸多因素的影响,气云形状极其复杂,可燃气分布也极不均匀。为掌握气云爆燃灾害的内在规律,设计了理想化的规则形状的气云几何模型,并从可燃气浓度均匀分布的气云爆燃入手,进而对简化的非均匀分布气云爆燃进行研究。主要研究内容如下。 1.浓度均匀分布的轴对称可燃气云爆燃过程的数值模拟与实验研究 基于Bakke-Hjertager燃烧模型、流体力学控制方程组、燃料气体组分方程,建立了考虑化学反应的浓度均匀分布的半球形可燃气云爆燃的二维数学模型。 为求解该模型,对数值方法进行了研究。在现在SIMPLE算法基础上,采用压力校正、速度校正、密度校正相结合的思想,推导出改进的密度校正方程,并对计算流程进行了改进,从而得到可用于开敞空间可燃气云爆燃流场计算的算法。 采用VC++6.0语言编制了模拟程序。通过模拟,得到了气云爆燃引发后爆燃流场的变化、发展规律;在此基础上,探讨了气云爆燃过程中超压的生成机理;考察了地面、弱约束物、气云形状等因素对爆燃强度的影响规律;预测、分析了工业大尺寸气云的破坏强度。 设计并进行了大量的实验。通过实验得到了各因素对爆燃超压的影响规律,并为数值模拟提供了考核数据。考核结果表明,计算值与实验测得的相应结果基本吻合。 2.半球形高斯分布可燃气云爆燃的数值模拟 以可燃气体呈简化的高斯分布的气云为例,对非均匀分布的可燃气云爆燃,采用数值模拟的方法进行了研究。经数值模拟分析,预测了该类气云爆燃的强度。经过与均匀分布气云爆燃结果进行对比,发现两类气云爆燃强度相差较大,并对这种差异产生的原因进行了探讨。 3.障碍物对可燃气云爆燃强度的影响研究

论文目录

• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 可燃气云爆燃事故的危害
• 1.1.2 可燃气云爆燃研究的主要研究方向
• 1.1.3 可燃气云爆燃强度研究的国内外开展情况
• 1.2 可燃气云爆燃强度研究的相关理论基础
• 1.2.1 可燃气云爆燃的基本形式及特点
• 1.2.2 可燃气云爆燃强度的评价准则
• 1.2.3 影响可燃气云爆燃强度的因素
• 1.3 可燃气云爆燃强度的实验研究方法
• 1.3.1 内部无障碍物的可燃气云爆燃实验
• 1.3.2 局部约束或有障碍物的可燃气云爆燃实验
• 1.3.3 火焰加速机理的实验研究
• 1.3.4 可燃气云爆燃强度的简单预测方法
• 1.3.5 小结
• 1.4 可燃气云爆燃强度的数学解析研究方法
• 1.5 可燃气云爆燃强度的数值模拟研究方法
• 1.5.1 可燃气云爆燃的数值模拟
• 1.5.2 火焰加速机理的数值模拟
• 1.5.3 与可燃气云爆燃数值模拟有关的几个问题
• 1.5.4 小结
• 1.6 本课题研究技术路线
• 1.6.1 无障碍物可燃气云爆燃强度研究技术路线
• 1.6.2 有障碍物可燃气云爆燃强度研究技术路线
• 2 数值方法
• 2.1 数学模型的离散以及离散方程的求解方法
• 2.1.1 区域的离散
• 2.1.2 方程的离散
• 2.1.3 离散方程的求解
• 2.2 压力-速度耦合问题的解决
• 2.2.1 交错网格的使用
• 2.2.2 SIMPLE算法
• 2.3 压力-速度-密度耦合问题的解决思想
• 2.4 本文改进算法
• 2.5 计算顺序和程序框图
• 2.6 数值特性研究
• 2.6.1 计算区域选取
• 2.6.2 网格划分
• 2.6.3 时间步长选取
• 2.6.4 计算敛散性分析
• 2.7 小结
• 3 无障碍物可燃气云爆燃实验研究
• 3.1 实验方案设计
• 3.2 实验系统与实验方法
• 3.2.1 实验现场布置
• 3.2.2 点火系统
• 3.2.3 数据采集系统
• 3.2.4 弱约束物影响的实验系统与方法
• 3.2.5 实验方法
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 弱约束物影响的实验结果
• 3.3.2 可燃气浓度与气云半径对气云爆燃强度影响的实验结果
• 3.3.3 圆柱形气云爆燃实验结果
• 3.4 小结
• 4 浓度均匀分布的可燃气云爆燃的数值模拟
• 4.1 理论模型
• 4.1.1 几何模型
• 4.1.2 物理模型
• 4.1.3 数学模型
• 4.1.4 初、边值条件
• 4.1.5 燃烧模型
• 4.1.6 完全气体混合关系式
• 4.2 计算结果的实验考核
• 4.2.1 超压-时间曲线分析
• 4.2.2 实验数据考核
• 4.2.3 讨论
• 4.3 可燃气云爆燃的流场变化规律分析
• 4.4 可燃气云爆燃的机理探讨
• 4.4.1 爆燃波的构成分析
• 4.4.2 超压生成机理探讨
• 4.5 地面、聚乙烯薄膜对可燃气云爆燃影响的数值模拟
• 4.5.1 地面对可燃气云爆燃影响的模拟
• 4.5.2 弱约束物对可燃气云爆燃影响的模拟
• 4.6 气云形状对气云爆燃强度的影响-圆柱形可燃气云爆燃的数值模拟
• 4.6.1 理论模型
• 4.6.2 计算结果实验考核
• 4.6.3 计算结果与讨论
• 4.7 工业大尺寸气云爆燃强度预测
• 4.8 小结
• 5 高斯分布可燃气云爆燃的数值模拟
• 5.1 高斯分布可燃气云的形成
• 5.1.1 影响可燃气云形成的因素
• 5.1.2 高斯分布模型介绍（Gaussian model）
• 5.1.3 简化高斯分布模型
• 5.2 高斯分布可燃气云爆燃的数值模拟
• 5.2.1 理论模型
• 5.2.2 气云内部可燃气体的浓度分布
• 5.3 数值模拟结果分析与讨论
• 5.3.1 数值模拟结果
• 5.3.2 计算结果分析与讨论
• 5.4 小结
• 6 有障碍物可燃气云爆燃实验与人工神经网络预测
• 6.1 实验系统与实验方法
• 6.1.1 障碍物设计
• 6.1.2 实验现场布置
• 6.1.3 实验方案设计
• 6.2 实验结果与分析
• 6.2.1 正交实验结果与分析
• 6.2.2 主体实验结果
• 6.3 BP网络的构造与计算机实现
• 6.3.1 BP网络构造
• 6.3.2 模型网络的归一化处理
• 6.3.3 训练与检验样本的确定
• 6.3.4 模拟、预测的计算机实现
• 6.4 模拟预测的实际应用
• 6.4.1 神经网络的训练
• 6.4.2 神经网络的检验
• 6.4.3 可燃气云爆燃的模拟与预测
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 展望
• 创新点摘要
• 符号说明
• 附录1 无障碍物气云爆燃实验数据与计算结果汇总
• 附录2 半球形可燃气云爆燃二维数学模型的推导
• 附录3 半球条栅形障碍物正交实验数据
• 附录4 半球条栅形障碍物实验数据
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表的相关论文
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书