多孔介质对火焰及压力波抑制作用的数值模拟

论文摘要

管道内可燃气体燃烧爆炸抑制研究是安全技术领域的一项重要课题,为了发展和完善管道内可燃气体燃烧爆炸抑制的学术研究,本文通过数值模拟深入研究了多孔介质对管道内火焰及压力波的抑制作用,探讨气体爆炸抑制的新技术和新方法,不仅可以为防爆抑爆研究工作提供理论依据和参考,对保障安全生产和人民的生命安全也具有重要的现实意义。本文主要工作和结论如下：(1)建立了数学模型,数值模拟了不同类型内壁结构管道内的燃烧爆炸过程,并加以比较,得出硅酸铝棉多孔介质对火焰及压力波能够进行有效的抑制。数值研究了硅酸铝棉多孔介质对管道内乙炔／空气、丙烷／空气预混火焰传播的抑制作用。初始及边界条件如下：乙炔浓度为化学计量比(6.74%),丙烷浓度为化学计量比(6.02%),采用点点火方式、爆炸初压为常压,管道内径为81mm,长度为2200mm,点火端密闭,出口端开放,并采用轴对称、压力出口、多孔区域等边界条件。(2)得出了硅酸铝棉长度、厚度变化对火焰传播速度的影响关系。当硅酸铝棉厚度一定时,火焰传播速度与硅酸铝棉长度成幂函数关系,硅酸铝棉长度越大,火焰传播速度越小。当硅酸铝棉长度一定时,在较小长度下,火焰传播速度随硅酸铝棉厚度变化是先减小后增加的,即存在着一临界厚度,而当硅酸铝棉长度较大时,随着硅酸铝棉厚度的增加,火焰速度不断减小,火焰传播受到抑制。(3)得出了硅酸铝棉长度、厚度变化对火焰压力波的影响关系。当硅酸铝棉厚度一定时,压力波超压值与硅酸铝棉长度成线性函数关系,硅酸铝棉长度越长,超压值越小。当硅酸铝棉长度一定时,在较小长度下,压力波超压值随硅酸铝棉厚度变化是先减小后增加的,即存在着一临界厚度,而当硅酸铝棉长度较大时,随着硅酸铝棉厚度的增加,压力波超压值不断减小,火焰压力波受到抑制。(4)得出了硅酸铝棉多孔介质孔隙率变化与其抑制火焰传播速度及压力波的能力成反比关系。孔隙率越大,其抑制火焰传播速度及压力波能力越弱；孔隙率越小,其抑制火焰传播速度及压力波能力越强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 可燃气体爆炸
• 1.2.1 可燃气体燃烧爆炸的基本形式
• 1.2.2 可燃气体燃烧爆炸的基本参数
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 抑制爆炸压力波的研究
• 1.3.2 火焰熄灭机理研究
• 1.4 数值模拟
• 1.4.1 数值方法简介
• 1.4.2 常用的CFD商用软件
• 1.5 前人研究不足与本文研究内容
• 2 多孔介质内湍流燃烧数学模型及数值方法
• 2.1 基本控制方程组
• 2.1.1 连续方程与组分方程
• 2.1.2 能量方程
• 2.1.3 动量方程
• 2.2 湍流模型
• 2.3 燃烧模型
• 2.4 壁面函数
• 2.5 混合理想气体方程
• 2.6 数值方法
• 2.6.1 二维方程的离散
• 2.6.2 压力-速度耦合
• 2.7 本章小结
• 3 网格独立性分析及数值解有效性验证
• 3.1 多孔介质结构
• 3.1.1 硅酸铝棉概述
• 3.1.2 硅酸铝棉类型
• 3.1.3 硅酸铝棉性能
• 3.2 多孔介质几何模型
• 3.3 基本假设与边界条件、初始条件
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 初始条件
• 3.4 网格独立性分析
• 3.4.1 网格划分
• 3.4.2 网格密度对计算结果的影响
• 3.5 数值解有效性验证
• 3.6 本章小结
• 4 不同管道内壁结构对火焰及压力波抑制作用的数值模拟
• 4.1 几何模型
• 4.2 不同管道内壁结构对火焰传播的抑制
• 4.3 不同管道内壁结构对压力波的抑制
• 4.4 本章小结
• 5 多孔介质抑制火焰速度的数值模拟研究
• 5.1 多孔介质长度、厚度变化对乙炔-空气预混火焰传播速度的抑制作用
• 5.1.1 长度变化对乙炔-空气预混火焰传播速度的影响
• 5.1.2 厚度变化对乙炔-空气预混火焰传播速度的影响
• 5.2 多孔介质长度、厚度变化对丙烷-空气预混火焰传播速度的抑制作用
• 5.2.1 长度变化对丙烷-空气预混火焰传播速度的影响
• 5.2.2 厚度变化对丙烷-空气预混火焰传播速度的影响
• 5.3 多孔介质孔隙率变化对火焰传播速度的影响
• 5.3.1 孔隙率变化对乙炔-空气预混火焰传播速度的影响
• 5.3.2 孔隙率变化对丙烷-空气预混火焰传播速度的影响
• 5.4 本章小结
• 6 多孔介质抑制火焰压力波的数值模拟研究
• 6.1 多孔介质长度、厚度变化对乙炔-空气预混火焰压力波的抑制作用
• 6.1.1 长度变化对乙炔-空气预混火焰压力波的影响
• 6.1.2 厚度变化对乙炔-空气预混火焰压力波的影响
• 6.2 多孔介质长度、厚度变化对丙烷-空气预混火焰压力波的抑制作用
• 6.2.1 长度变化对丙烷-空气预混火焰压力波的影响
• 6.2.2 厚度变化对丙烷-空气预混火焰压力波的影响
• 6.3 多孔介质孔隙率变化对火焰压力波的影响
• 6.3.1 孔隙率变化对乙炔-空气预混火焰压力波的影响
• 6.3.2 孔隙率变化对丙烷-空气预混火焰压力波的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢