有障碍物半开口管道内氢气燃烧数值模拟研究

温小健，李 敏，许幼幼,，刘松林，罗广南

(1. 中国科学技术大学核科学技术学院，合肥，230026；2. 中国科学院等离子体物理研究所，合肥，230031)

有障碍物半开口管道内氢气燃烧数值模拟研究

温小健1，李 敏2*，许幼幼1,2，刘松林2，罗广南2

(1. 中国科学技术大学核科学技术学院，合肥，230026；2. 中国科学院等离子体物理研究所，合肥，230031)

基于有障碍物氢气燃烧实验装置进行数值模拟研究，采用Fluent软件分析了半开口管道内障碍物对氢气/空气燃烧特性的影响。结果表明：障碍物会促进实验管段内氢气火焰加速，随着障碍物阻塞率和数量的增加，火焰加速更快且燃烧压力峰值更大；在相同阻塞率下，障碍物形状对氢气火焰速度和燃烧压力峰值的影响很小；燃烧压力随障碍物间距的增大先增大后减小，障碍物间距为3倍管道内径时产生的燃烧压力峰值最大。

氢气；燃烧；障碍物；火焰速度；燃烧压力

0 引言

核电站在发生严重事故时将产生大量氢气，氢气在安全壳内聚集到一定浓度可能发生燃烧甚至爆炸，严重威胁安全壳的结构完整性，可能导致放射性物质释放到环境中[1,2]。2011年日本福岛核事故证明了核电站在严重事故下氢气燃爆会导致严重后果[3]。为了达到核电主管部门提出的力争实现从设计上实际消除大量放射性物质释放可能性的目标，需要对我国自主知识产权的大型先进压水堆CAP1400氢气安全相关技术进行优化[4,5]。为了进一步增强氢气控制系统缓解氢气风险的有效性和分析方法的多样性，有进一步开展氢气三维分析并开发适用于氢气三维分析的有障碍物氢气燃烧分析模型的需求。为了给有障碍物氢气燃烧分析模型的开发提供数据支持，将建立有障碍物氢气燃烧实验装置，通过实验与数值模拟相结合的方法进行半封闭空间有障碍物氢气燃烧特性的研究。

目前国内外研究障碍物对气体燃烧的影响开展了大量的工作。Chapman和Wheeler[6]于1926年率先研究了甲烷燃烧火焰在内置障碍物管道内的传播过程，初步揭示了障碍物作用下的火焰加速过程。Ibrahim和Mosri[7]研究了平板和圆柱形等结构障碍物对石油气燃烧超压的影响，研究得出平板障碍物导致的燃烧超压最大。Porowski和Teodorczyk[8]以及Gaathaug等[9]研究了障碍物结构对氢气燃烧爆燃转爆轰的影响。Hall等[10]研究了点火距离对障碍物管道中甲烷燃烧火焰传播速度和超压的影响。范等[11]研究了封闭方管内多重挡板对甲烷燃烧的影响，阐述了障碍物会引起湍流从而促进火焰加速的过程机理。余等[12]在半封闭腔体内研究了交错障碍物对瓦斯爆炸的影响，并与平行障碍物下的情况进行了比较。丁等[13]研究了长方体、正四棱柱和圆柱结构障碍物对管道内预混火焰传播速度和超压的影响。上述工作内容大部分研究的是障碍物对甲烷气体燃烧的影响，且主要集中在密闭置障管道系统下的研究，而对于具有压水堆障碍物(管道、设备、墙体等)特点的半封闭空间有障碍物氢气燃烧研究较少。

基于氢气燃烧实验装置初步设计，本文采用Fluent软件模拟分析了半开口管道内障碍物结构对氢气燃烧特性的影响。首先对数值模型进行了有效性验证，在此基础上比较分析了氢气在有/无障碍物下的燃烧过程，最后具体分析了障碍物阻塞率、数量、形状和间距对氢气燃烧速度和燃烧压力的影响。

1 实验装置

如图1所示，有障碍物氢气燃烧实验装置含有安全罐、实验管段、气体供应系统、排气系统、加热保温装置、喷淋系统、数据采集系统、控制系统、点火器和高速摄像机。实验管段安装在安全罐内，且内部设有障碍物。气体供应系统将氢气、空气和水蒸气预先混合均匀后充入实验管段进行燃烧实验，安全罐内的废气通过排气系统排出，加热保温装置控制初始气体温度，喷淋系统为安全罐内氢气燃烧实验提供喷淋水环境，高速摄像机用于捕捉氢气燃烧火焰传播行为，利用数据采集系统采集实验数据，将实验数据发送给控制系统，通过控制系统在线监测、控制实验装置各设备和子系统。

本文主要通过数值模拟的方法研究实验管段内的氢气燃烧现象以指导装置设计与实验。实验管段一端封闭，一端开口，点火位置位于封闭一端中心区域。实验管段内安装有不同结构的障碍物，根据不同实验要求，可对障碍物数量、阻塞率、形状和间距进行改变。

图1 有障碍物氢气燃烧实验装置构成图Fig.1 Experiment device of hydrogen combustion in obstacles

2 数值模拟

2.1 模型介绍

图2所示为内置5个圆形障碍物的实验管段结构示意图。实验管段长度L为1620 mm，内径D为180 mm，障碍物沿轴向布置，阻塞率为0.5，第1个障碍物距离实验管段封闭端270 mm，障碍物间距为270 mm。为研究障碍物不同参数对氢气燃烧的影响，将基于图2所示实验管段进行结构变化，障碍物阻塞率BR=0.3～0.8，数量N=1个～5个，形状包括圆形和环形，间距W=0.5 D～5 D。在数值模拟中，根据实验管段的结构尺寸建立二维几何模型，由于氢气燃烧持续时间短，不考虑氢气快速燃烧过程中气体的重力作用。

图2 实验管段结构示意图Fig.2 Schematic of the experimental pipe

2.2 网格尺寸的确定

采用结构化网格划分方法对计算区域进行网格划分，网格均为四边形，为了保证模型计算的准确性，在进行数值模拟计算时，首先对网格独立性进行验证。分别采用6种网格尺寸(3 mm、4 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm)对模型进行网格划分，计算结果如图3所示，当网格尺寸减小到5 mm以下时，网格大小对计算结果影响较小。因此，为了缩短计算时间，本文采用5 mm网格划分尺度开展以下数值模拟研究。

图3 网格独立性验证Fig.3 Validation of grid independence

2.3 燃烧模型的选择

有障碍物氢气燃烧是一种湍流扩散燃烧，燃烧过程较为复杂，常见的湍流燃烧模型有旋涡破碎(EBU)模型、EBU-Arrhenius模型、层流小火焰模型、涡耗散概念燃烧(EDC)模型、条件矩封闭(CMC)模型、直接数值模拟(DNS)、概率密度输运方程PDF等[14]。

为了详细考虑氢气燃烧化学反应动力学特征，本文将引入详细的氢气反应机理进行湍流燃烧数值模拟，因此需要选择一种能耦合反应机理的燃烧模型。EBU模型是一种建立在快速化学反应基础上的模型，假设化学反应的平均速度与化学动力学无关，无法考虑多步化学反应；EBU-Arrhenius模型一般适用于单步或双步反应，模拟多步化学反应时可能会出现不正确的结果；层流小火焰模型和CMC模型都可以考虑化学反应机理，但模型比较复杂，计算量大；DNS模型与PDF模型由于计算量巨大，一般用于简单燃烧环境的模拟[15]；EDC模型是涡耗散模型的扩展，假设化学反应都发生在小涡中，反应时间由小涡生存时间和化学反应所需时间共同控制，在湍流流动中可有效耦合详细的化学反应机理，较准确的反映出湍流化学的作用，并且计算量适中，已得到较好的验证和应用[15,16]，因此，本文将采用EDC燃烧模型。湍流模型选用目前广泛使用的k-ε湍流双方程模型，并用Chemkin导入氢气详细化学反应机理[17]，该机理包含9种组分、19步基元反应。

2.4 初始条件与边界

在初始时刻，实验管段内充满静止的氢气/空气均匀混合气体，其中氢气体积分数为20%。氢气的质量分数为0.0169，氧气的质量分数为0.2278，氮气的质量分数为0.7553。初始温度与初始压力分别为300 K和0.1 MPa。点火位置位于左端壁面中心，给标记区域瞬时高温2000 K点燃气体。由于氢气燃烧反应持续时间很短，燃烧过程中壁面热量损失较少，因此壁面采用绝热边界条件。实验管段的出口设为压力出口。

2.5 模型有效性验证

采用上述数值模拟方法对文献[18]中不同浓度氢气燃烧实验进行数值模拟，模拟结果与文献实验结果对比如表1所示，不同氢气浓度的预混气体燃烧产生的最大压力与实验值接近，最大误差不超过8.5%。对于10% H2体积浓度的燃烧模拟，火焰锋面位置随时间的变化趋势与实验结果基本一致，如图4所示。由此说明本文所采用的氢气燃烧模型具有较好的准确性。

表1 最大压力的模拟结果与文献[18]实验结果对比

图4 火焰锋面位置随时间变化Fig.4 Comparison of time history of flame front location

3 结果与分析

3.1 火焰传播过程

图5中(a)与(b)分别显示了氢气在无障碍物管道和有障碍物管道内的燃烧传播过程，其中图5(b)的管道内等间距布置有5个圆形障碍物。气体被点燃后火焰面呈椭圆形向管道开口端传播。在火焰传播前40 ms内，火焰在有障碍物和无障碍物情况下的传播过程基本一致，传播速度都较为缓慢，呈层流燃烧状态，速度约为7 m/s。当火焰遇到第一个障碍物后，火焰传播出现明显变化，由于受到障碍物扰动影响，火焰加速从障碍物与管壁之间的空隙穿过，此时燃烧状态为湍流燃烧，在63 ms时火焰接近出口位置，速度达到200 m/s。

而在无障碍物管道内，火焰传播相对缓慢，火焰传播60 ms时火焰锋面只到管长的四分之一位置，火焰传播200 ms后，火焰锋面呈郁金香形，直至出口位置，最终火焰传播了680 ms才到达出口位置，此时的火焰速度为2 m/s。加入障碍物后，火焰到达出口的速度约为无障碍物时火焰速度的100倍，到达出口的时间约为无障碍物时所需时间的十分之一。由此可见，障碍物对火焰加速起到了明显的促进作用。

图5 管道内火焰传播过程Fig.5 Flame propagation process in tube

3.2 障碍物阻塞率的影响

基于图2所示实验管段结构，改变障碍物尺寸研究阻塞率对氢气燃烧的影响。如图6所示，随着障碍物阻塞率的增加，火焰到达出口位置所需的时间逐渐减少。当阻塞率为0.3时，火焰到达出口所需时间为77 ms，火焰最大速度为130 m/s；当阻塞率为0.8时，火焰到达出口所需时间降至57 ms，火焰最大速度接近200 m/s。

图6 火焰锋面位置随障碍物阻塞率BR的变化Fig.6 Flame front location variation with the blockage ratio of obstacles

图7 燃烧压力随障碍物阻塞率BR的变化Fig.7 Combustion pressure variation with the blockage ratio of obstacles

从图7可看出，燃烧压力峰值随障碍物阻塞率的增加不断增大，压力峰值出现的时间也不断提前。阻塞率为0.3时压力峰值接近50 kPa。当阻塞率从0.7增加到0.8时，障碍物周围间隙产生较大压力梯度，出现了类似于激波管的高速射流，产生大幅度燃烧压力跃升，压力峰值增加到220 kPa。

3.3 障碍物数量的影响

从实验管段封闭端依次保留1～5个障碍物，研究障碍物数量对氢气燃烧的影响。如图8所示，在不同障碍物数量下氢气火焰在实验管段内的传播均呈加速趋势。氢气刚被点燃后，火焰锋面位置随时间变化情况基本一致，并且火焰传播速度比较缓慢，当火焰锋面到达第1个障碍物之后火焰开始加速，此时对应氢气燃烧时间约为40 ms。当障碍物数量增加到2个或3个时，火焰锋面到达实验管段出口处所需的时间逐渐减小，仅布置1个障碍物时，火焰燃烧时间约为80 ms，对于3个障碍物燃烧时间减少到63 ms。当障碍物数量大于3个时，障碍物数量的增加对火焰加速的促进作用不明显。

图8 火焰锋面位置随障碍物数量N的变化Fig.8 Flame front location as a function of the number of obstacles

如图9所示，燃烧压力随着时间的推移先增大后减小，最后由于燃烧能量不断地向大气扩散，压力逐渐降低至大气压。随着障碍物数量的增加，火焰加速的次数增多，燃烧越剧烈，相应的燃烧产生的最大压力也不断增大，但增幅逐渐减小。当障碍物数量为5个时的燃烧最大压力为85 kPa，约为障碍物数量为1时产生最大燃烧压力的7倍。

图9 燃烧压力随障碍物数量N的变化Fig.9 Combustion pressure variation with the number of obstacles

3.4 障碍物形状的影响

采用阻塞率相同的圆形和环形障碍物研究障碍物形状对氢气燃烧的影响。如图10和图11所示，在圆形和环形障碍物下，火焰锋面位置及燃烧压力随时间的变化趋势基本一致。在两种障碍物下，火焰几乎同时到达出口位置，最大速度达到200 m/s。燃烧产生的最大压力值很接近，约为85 kPa，出现在65 ms左右。由此可以看出，阻塞率相同时障碍物形状对火焰传播特性影响很小。

图10 火焰锋面位置随障碍物形状的变化 Fig.10 Flame front location variation with the shape of obstacles

图11 燃烧压力随障碍物形状的变化 Fig.11 Combustion pressure variation with the shape of obstacles

3.5 障碍物间距的影响

在实验管段内设置2个障碍物，靠近封闭端的第1个障碍物位置固定不变，通过改变第2个障碍物与第1个障碍物之间的间距来研究障碍物间距对火焰传播的影响，障碍物之间的间距在0.5 D～5 D范围内变化。如图12所示，火焰锋面到达出口处所需的时间随障碍物间距的增大先减少后增加，相应的火焰速度先增大后减小。障碍物间距为2 D时所需时间最少，为67 ms，最大速度接近120 m/s，而间距为0.5 D和5 D时所需的时间分别为80 ms和73 ms。

从图13可以看出，随着障碍物间距的增大，燃烧产生的压力峰值先增大后减小，间距为3 D时燃烧压力最大，达到55 kPa。随着障碍物间距的增大，火焰获得第二次加速的时间延后，因此出现压力峰值的时间更晚。

图12 火焰锋面位置随障碍物间距W的变化Fig.12 Flame front location variation with the distance between obstacles

图13 燃烧压力随障碍物间距W的变化Fig.13 Combustion pressure variation with the distance between obstacles

4 结论

本文针对有障碍物氢气燃烧实验装置半开口实验管段内氢气燃烧火焰传播过程进行了初步模拟，分析了圆形和环形障碍物阻塞率、数量、形状和间距对氢气燃烧火焰传播和燃烧压力的影响。结果表明，相比于无障碍物情况，障碍物会促进实验管段内氢气火焰加速，随着障碍物阻塞率和数量的增加，火焰加速越快且燃烧压力峰值越大；当障碍物间距适中时，氢气火焰传播速度最快，燃烧压力峰值最大；当障碍物阻塞率相同时，圆形和环形障碍物对氢气火焰速度和燃烧压力峰值的影响很小。本文工作的方法、结果可为后续核电站事故条件下高温水蒸气与氢气混合物的燃烧模拟和实验方案的制定提供参考。此外，反应堆安全壳真实空间中的障碍物由管道、设备、墙体等组成，障碍物形状远比本文中的障碍物复杂，需深入开展不同形状障碍物的氢气燃烧分析，进一步抽象出合理的反应堆安全壳内的障碍物模型。

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Numerical study on hydrogen combustion in a semiconfined pipe with obstacles

WEN Xiaojian1， LI Min2， XU Youyou1,2， LIU Songlin2， LUO Guangnan2

(1.School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Numerical study on hydrogen combustion in a space with obstacles was carried out based on the experiment facility of hydrogen combustion. The influence of obstacles on the combustion characteristic of hydrogen/air in a semiconfined pipe was conducted using Fluent software. The results indicated that obstacle can promote the acceleration of flame speed in the pipe. The propagation speed of the flame and the maximum combustion pressure increased with the increasing of the blockage ratio and the number of obstacles. Obstacle shape has little influence on the propagation speed and the maximum combustion pressure under the same blockage ratio of obstacle. Combustion pressure increases and then decreases with the increasing of spacing between obstacles. The peak combustion pressure is largest when the spacing of obstacles is three times of the inner diameter of the pipe.

Hydrogen; Combustion; Obstacle; Flame speed; Combustion pressure

2016-11-13；修改日期：2017-02-27

国家科技重大专项(2015ZX06004003-003)；中国博士后科学基金(2016M592074)

温小健(1992-)，男，中国科学技术大学核科学技术学院，硕士研究生，研究方向反应堆氢气安全优化。

李敏，E-mail：limin@ipp.ac.cn

1004-5309(2017)-00061-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.01

X932；X946

A