障碍物阻塞比及间距对丙烷-空气预混火焰传播的影响*

葛俊峰

1.集宁师范学院物理学院，内蒙古 乌兰察布 012000

2.内蒙古自治区矿土土质改性及综合利用重点实验室，内蒙古 乌兰察布 012000

液化石油气是工农业生产及日常生活的重要能源，主要成分为丙烷。在日常运输过程中如果发生泄漏，泄漏的液化气与空气混合，极易发生回火和爆炸。陈道阳等[1]研究了障碍物对爆炸后火焰传播的影响，发现火焰传播速率会随障碍物间距、阻塞率的改变而发生较大的变化。Lindstedt等[2]研究了障碍物尺寸和几何形状对火焰传播规律的影响。Ibrahim等[3]系统地研究了障碍物对火焰传播中超压的影响，通过对试验结果进行分析后发现，障碍物对初期层流火焰的影响比较小；而且在阻塞率不断增大的情况下，爆炸的最大超压也跟着增加，并且平板形障碍物能够引起最高的超压，圆柱形障碍物能够引起最低的超压。王成等[4]对边界层和障碍物对湍流火焰的加速机理进行了深入的研究，发现边界层效应会增大表面积，增加反应速率，而且会使火焰加速，不同尺度的涡结构在火焰传播过程中的作用不同，小尺度涡主要影响火焰内部以及反应区的结构特征，而大尺度涡主要控制火焰的全局特征。

文章主要研究不同障碍物阻塞比和间距对管道内丙烷-空气混合气体火焰加速机理，运用Gambit软件对模型进行前处理、划分网格并设置边界条件，然后进行模拟，利用模拟数据和图像对不同障碍物阻塞比、间距对火焰传播过程中加速机理进行研究。同时，将这些数值模拟的结果与实验结果进行了对比，不仅为实验研究提供了可供参考的模型，也为实际中的爆炸事故预防提供了可靠的依据。

1 网格划分及初始条件设置

1.1 模拟对象

预设长为3m，直径为0.2m的圆柱形管道，内充体积浓度为4.03%的丙烷-空气混合气体，在管道壁面上分别设置不同障碍物阻塞比和间距的障碍物，管道左端中间设置点火点，研究不同障碍物高度和间距对火焰传播规律的影响。

1.2 网格划分

由于三维圆柱形管道模型的计算量庞大，将其简化为二维空间进行研究和分析。同时，为节省模拟计算时间，在保持实验模型长径比不变的情况下，对数值模型进行比例简化，简化为长3m、宽0.2m的长方形管道，模型四面的边界类型设置为绝热，并忽略管道壁厚度。

在简化的管道网格划分中，点火区域设置在管道的最左侧加密区中间位置，加密网格有利于点火成功。点火区域为以（0，0.1）为圆心，半径为5mm的半圆（见图1）。在障碍物及燃烧区网格划分中，障碍物间距设置为0.2m，网格均匀为0.01m（见图2）。

图1 管道前半部分网格划分

图2 障碍物间距为0.2m的网格

1.3 初始条件设置

（1）点火条件设置。在预设的密闭管道内，封闭的丙烷-空气混合气体遇电火花或者火源发生爆炸，局部丙烷-空气混合气体受到点火源加热，温度迅速升高，当达到着火点后混合气体形成局部火焰，后面混合气体逐步被点燃并迅速传播，整个管道内的混合气体被逐层点燃起来。按照点火理论，设置点火区域的参数为T=1500K，P=101325Pa，u=0，v=0；W(C3H8)=0，W(O2)=0，W(N2)=0.7207，W(CO2)=0.1807，W(H2O)=0.0986。

（2）混合气体参数。丙烷在空气中发生泄露，在充分混合后，氧气的含量是充足的，只要达到丙烷的着火点后，丙烷就会逐层发生一系列的燃烧过程。其总反应方程式为

在式（1）中，O2+3.762N2为空气的主要成分含量，空气中主要成分为氧气和氮气，比例分别为21%和79%。当混合气体中丙烷和氧气完全反应时，1体积的丙烷需要和5体积的氧气发生反应，即5×（1+79÷21）=23.81体积的空气参与反应，此时丙烷的体积浓度为4.03%，质量分数为0.0602。

通过查找参与反应的各物质的摩尔质量，并且运用式（1），理论计算得出丙烷-空气混合气体的参数如下：T=300K，P=101325Pa，u=0，v=0；W(C3H8)=0.0602，W(O2)=0.2191，W(N2)=0.7207，W(CO2)=0，W(H2O)=0。

2 数值模拟结果及其分析

2.1 障碍物高度对火焰传播规律的影响

在距离点火端0.25m处设置监测点，监测管道内火焰经过不同高度障碍物后的压力、温度和流动速度随时间变化的规律。

在2ms之前，障碍物高度为0.03m时的超压略大于障碍物高度为0.05m的情况。但是之后，障碍物高度较高时的超压明显高于低障碍物的情况，且在11ms时，高障碍物时的超压开始激增，超压增加速率和幅度都明显大于低障碍物的情况，而低高度障碍物的超压激增时间明显滞后。因此，障碍物高度较高时，即阻塞比较大时管道内爆炸超压增加，并且超压达到最大值的时间提前，会造成更大的危害。

不同障碍物阻塞比（高度）对管道内温度传播规律的影响不大，在整个火焰传播过程中，温度-时间曲线几乎一致。

障碍物高度对火焰传播过程中的流动速度有很大影响。在6ms之前，出现障碍物高度较高时管道中的流动速度明显高于低障碍物时的情况。在11ms时高障碍物时的流动速度激增到400m/s，而低障碍物时的流动速度激增时间是12ms，并且最高流动速度为350m/s。因此，障碍物高度会影响爆炸过程中管道内的流动速度，并且高度越高阻塞比越大，流动速度的最大值也越大。

2.2 障碍物间距对火焰传播规律的影响

为了研究障碍物间距对火焰传播的影响，模拟了障碍物间距为0.2m（见图3）、障碍物间距为0.35m（见图4）和障碍物间距为0.5m（见图5）时的火焰传播情况。障碍物的高度为0.05m，宽度为0.03m，数量为3个。在用Fluent进行计算时，时间步长为10-5s，每隔100步保存一次文件，即每1ms保存一个云图。

图4 障碍物间距S=0.35m时的火焰面随时间变化规律

通过对比图3～图5可以发现，随着障碍物间距的增大，火焰面不断发生变化，传播速度也在不断地发生变化。在5ms之前，间距为0.2m的火焰传播面和间距为0.35m的火焰面传播情况相似，但在5ms后，火焰的传播明显加快。对照图3～图5后发现，间距越小，火焰面的传播速度越大。

图3 障碍物间距S=0.2m时的火焰面随时间变化规律

图5 障碍物间距S=0.5m时的火焰面随时间变化规律

在三种障碍物间距下，随着火焰的传播，管道内流动速度都经历两个峰值，第二个峰值都大于第一个峰值的数值。障碍物间距越小，第二个峰值对应的值越大，即最大流动速度值随障碍物间距减小而增大。超压变化也经历两个明显的加速阶段，障碍物间距对超压最大值影响不大，三种不同间距下，最大超压都为0.9MPa。障碍物间距较小时，同一位置的温度激增的时间节点提前，但是对达到的最大温度影响不大。障碍物间距越小，火焰面受到障碍物影响的时间间隔越短，火焰面变形，与壁面充分接触，火焰表面积增加，从而导致化学反应速率增加，火焰传播速度增加，火焰达到同一位置的时间提前。

3 结论

文章利用流体力学软件Fluent，对简化的二维管道内填充体积浓度为4.03%的丙烷-空气混合气体，在管道内设置等间距障碍物，对火焰传播过程进行了数值模拟研究及分析。通过设置Fluent软件中的监测点，分别测得了不同位置、不同时间的超压、温度和速度的数值变化情况，并依据此监测数据绘制图表，分析火焰传播过程中的加速机理。

通过数值模拟得出以下主要结论：障碍物高度（即阻塞比）会显著影响超压和流速。障碍物高度越高，超压和流速及其二者幅值均会增大，到达幅值时间提前，温度随障碍物高度变化不明显。障碍物能加速火焰传播速度；障碍物间距越小，管道内流动速度提高越明显；障碍物间距对管道内火焰传播时的最大超压值影响不大；障碍物间距越小，管道内同一位置温度激增的时间节点明显提前，但对火焰达到的最大温度影响不大。