充气薄膜对开敞空间气体爆炸试验的影响分析

发布时间：2019-11-22 08:21

【摘要】：为分析充气薄膜对开敞空间中可燃气体爆炸试验结果的影响,该文基于10 m半径的半球形氢气/空气混合气体的爆燃试验,采用AutoReaGas分析软件,建立精细化有限体积分析模型。计算结果与试验结果的对比分析表明,该文建立的有限体积模型能够较为真实地反映充气薄膜对气体爆燃过程的影响;试验中薄膜的破裂超压约为0.5 k Pa~3 k Pa。进一步分析了充气薄膜对1 m~3、8 m~3、125 m~3和1000 m~3的氢气/空气、乙炔/空气和甲烷/空气混合气体爆燃超压的影响。结果表明,充气薄膜对爆燃超压的影响随着气体体积、燃烧速度和传播距离的增加而减弱,并据此给出了不同气体爆炸试验中充气薄膜选择的建议。
【图文】：

火焰燃烧率定义如下[25]：22Oprtctfufumin,,1mmSRCmss(10)其中：Ct为模型系数；Γfu为燃料的湍流耗散系数。2数值计算模型2.1模型的建立及计算参数以文献[21]中半径为10m的半球形氢气/空气混合气体爆燃试验为例进行数值建模，试验时氢气浓度为30%，大气压力为98.9kPa，温度为283K。数值模型的初始条件与试验时保持一致。由于AutoReaGas软件无法建立半球形气体模型，本节建立体积为2048m3(16m×16m×8m)的方形气云对试验中体积为2093m3的半球形气云进行模拟，如图1(a)所示，方形气云与半球型气云重合的部分占半球型气云体积的83.2%。罗正鸿[27]的试验研究表明，气体体积一致的情况下，半球形气云与圆盘形气云的重合部分占半球形气云体积的70%以上时，，两种形状气体的爆炸超压基本一致。因此可以认为本节采用的方形模型产生的误差是可以接受。为简化计算，取1/4对称模型(8m×8m×8m)进行计算，确定计算域为64m×64m×64m(见图1(b))。设置x=0、y=0和z=0处的边界条件为solid，即反射边界；其他边界设置为open，即无反射自由边界。点火点位于模型中的原点，压力测点置于地面上，距离点火点分别为2m、5m、8m、18m和35m，如图1(b)所示。氢气燃烧的主要计算参数如表1所示，其余参数采用AutoReaGas软件中的缺省值。表1常见可燃气体燃烧的计算参数[7]Table1Calculationparametersofgascombustion气体浓度c/(%)绝热指数γ燃烧热Q/(MJ/kg)层流燃烧速度SL/(m/s)粘性系数/(N·s/m2)氢气/空气301.1982.3543.12.5×105乙炔/空气7.71.2362.0951.58甲烷/空气9.51.252.570.45(a)半球形与方形气云模型(b)1/4对称模型图1氢气/空气混合气体在开敞空间

工程力学235205.90411.8617.7823.61029.61235.51441.41647.31853.22059.1超压/Pa(a)Pressurf压差为0时(b)Pressurf压差大于1kPa后图3充气薄膜的数值模拟(压差阈值为1kPa)Fig.3Numericalsimulationofthefilms(Thresholdvalueofpressuredifferenceis1kPa)杨国刚等[28]曾通过材性试验，得到0.02mm厚聚乙烯薄膜的破裂超压为16.6kPa。由于气体爆炸试验中，薄膜承受爆炸超压和高温火焰的共同作用，而高温会使得薄膜发生熔化，导致强度降低，因此本节建立6个数值模型(即模型1~模型6)，分别定义薄膜的破裂超压为0kPa(即不考虑薄膜)、0.5kPa、1.5kPa、3kPa、6kPa和16kPa来进行计算。2.4计算模型验证及计算结果分析图4为各测点处计算和试验的超压时程曲线。图4(a)~图4(c)对应的测点在薄膜内部，可以看出，考虑薄膜的模型(模型2~模型6)计算的和试验的超压时程曲线都有两个正向波峰，其中，第一个正向波峰是由于薄膜破裂产生的，第二个正向波峰是气体爆燃产生的。图4(d)~图4(e)对应的测点在薄膜外部，由于测点距离薄膜较远，薄膜破裂产生的压力波传播到此处时，已经衰减了很多。因此，除模型6(薄膜破裂超压较大，为16kPa)外，其余模型计算和试验的超压时程曲线都只有一个明显的正向波峰，即由气体爆燃产生。总体来看，计算和试验的爆炸超压随时间的变化规律一致，都近似于正弦曲线，且对于超压的上升和下降时刻，二者也吻合较好。压超Pk/aP(a)d=2m时间/s模型1模型2模型3模型4模型5模型6试验(b)d=5m压超PkPa/(c)d=8m(d)d=18m(e)d=35m图4数值计算与试验的超压时程曲线对比Fig.4Comparisonofnumericalsimulationswithtestdata

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本文编号：2564393