密闭容器内转炉煤气爆燃特性的数值模拟研究

发布时间：2020-09-30 20:52

　　在转炉炼钢的过程中,产生大量高温的转炉煤气,主要成分是CO,其出口温度高达160℃左右,具有非常高的余热回收价值。目前,国内外转炉煤气的余热回收方式主要有LT法和OG法,这两种方法均只回收了转炉煤气的化学能,未对转炉煤气中温段的余热进行回收,极大的浪费了余热资源。对转炉煤气中温段的余热资源进行有效回收利用,是缓解资源瓶颈制约、环境污染严重的有效途径。同时,尽管OG法与LT法的工艺已经非常成熟,但是也不能够确保百分之百安全,近几年,转炉煤气爆炸事故屡见不鲜,造成的损失也是巨大的。因此,无论是从现有工艺的转炉煤气安全回收的角度出发,还是从未来转炉煤气余热回收的角度出发,研究转炉煤气的爆燃特性是十分有意义的。本文基于计算流体力学的方法,建立二维封闭容器的几何模型,采用Fluent软件自带的Premixed燃烧模型,对转炉煤气/空气预混气体在密闭容器内的爆燃特性进行了数值模拟研究。重点研究了障碍物对转炉煤气爆燃特性的影响,同时也研究了初始温度、初始压力、点火位置、容器长宽比、容器开口情况等影响因素对转炉煤气爆燃特性的影响。研究表明:在密闭容器内,转炉煤气的火焰传播分为四个阶段,火焰在点火初期没有接触到壁面,处于加速状态,火焰面呈半球状向外传播,之后,火焰前锋呈指状加速向前传播,当火焰接触到两侧壁面时,火焰前锋趋于一个平面,最终火焰保持“郁金香”形状在容器内传播直至完全烧尽;障碍物的数量对最大爆炸压力的数值影响不大,但是对火焰传播速度有明显的加速作用,增大了爆炸压力上升速率;转炉煤气的最大爆炸压力与初始温度成反比,与初始压力成正比;点火位置的不同不会影响最大爆炸压力,但是会影响爆炸压力上升速率,容器中间位置点火的爆炸压力上升速率远远高于在容器两侧点火;容器的长宽比不影响转炉煤气的最大爆炸压力,但是会影响各阶段火焰传播速度;转炉煤气在半开口容器内发生爆炸时,其火焰传播速度远远大于在密闭容器内的火焰传播速度。本文所建立的模型与实验数据有较好的吻合度,可以用于计算转炉煤气爆燃特性的数值模拟研究。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF71
【部分图文】：

曲线,爆炸压力,曲线,压力冲击

爆燃的爆炸强度要高于前两者，是一种带有压力冲击波的燃烧形式。火焰阵逡逑面的速度略低于压力冲击波，行进在压力冲击波的后面，因此，爆燃是由前驱冲逡逑击波与后面的火焰阵面组成，如下图２－１所示。爆燃过程不是一个稳定的火焰传逡逑播过程，在某种特定的条件下，它可能会衰减为定压燃烧；相反，它也可能会因逡逑为边界约束的增强，火焰阵面加速，最后赶上前驱冲击波，并与其合二为一，形逡逑成爆轰波。大多数情况下，管道内可燃行气体爆炸都属于爆燃过程，特别是在初逡逑始阶段。一般密闭容器中以局部点火源点火的燃烧形式也属于爆燃。逡逑己燃区逦反应区逦未燃区逡逑＾＾逦Ｖ’〉逡逑火焰面逦前驱冲击波逡逑图２．１爆燃过程的两波三区结构逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｔｈｒｅｅ邋ｆｌｏｗ邋ｆｉｅｌｄｓ邋ｏｆ邋ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ逡逑爆轰是气体爆炸形式中，强度最高的一种爆炸形式，它的冲击波以超音速向逡逑前传播，并带有化学反应。波阵面前后的密度和压力都会发生突变。对于大多数逡逑碳氢化合物来说，燃料在化学计量比的条件下，其爆轰压力多数为１．５邋ＭＰａ左右，逡逑而在纯氧中，其爆轰压力可提高１倍。相应的爆轰速度均是超音速的，例如，可逡逑燃性气体在空气中的火焰传播速度约为１．８邋ｋｍ／ｓ左右

示意图,爆炸装置,外观图

３．６．１计算区域及网格划分逡逑文献［７（）］对转炉煤气的爆炸过程进行了实验研究，爆炸装置是经过特殊加工的逡逑无缝钢管，如图３．７所示，其内径为０．２邋ｍ，总高为０．２２邋ｍ，壁厚为７．５邋ｍｍ，呈逡逑罐状。将预先配置好的转炉煤气与空气的预混气导入爆炸装置内，将整个爆炸装逡逑置放置在加热炉中加热到一定的温度，再通过位于爆炸装置中心处的一对电极进逡逑行充电点火。本文以文献中实验爆炸罐为封闭空间原型，按１：１的比例建立密闭逡逑容器的二维物理模型。将用文献［７０］中的爆炸过程的实验数据来验证本文所建立逡逑的数学模型是否精确。逡逑＾Ｓ＾ｉｇｐＳｐＳｌｉｉ＾＾ａｉ逡逑—逦逦逦．．■■■■；．邋逦二逡逑■邋ｍｍ逡逑＾0｜＾ｋ９＾＾９Ｓｓｓ＾ｓＳ８逡逑二：：．．二邋１邋二二二：：：：：７ＴＴ口二二二＾二＾二＝：二：：：二：二７＊：—＾＂＾－：－：二；＾＝＾：－二二二逡逑ｌｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ逡逑图３．７爆炸装置外观图逦图３．８计算网格示意图逡逑Ｆｉｇ．邋３．７邋Ｆｅａｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ邋ｄｅｖｉｃｅ逦Ｆｉｇ．邋３．８邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｇｉｒｄ逡逑网格的质量决定模拟的结果的准确性以及所耗费的计算时间。因此，为了实逡逑现对网格疏密的控制，首先应该对计算区域进行分区，对各个分区采用不同的网逡逑格划分形式，尽量使用结构化网格，以提高计算精度，减少网格数量。逡逑本文二维模型的网格则由结构网格和非结构网格混合而成，下部的矩形采用逡逑结构化四边形网格

云图,进程,云图,变量

条件及初始条件逡逑：四面边界默认为绝热壁面，壁面无滑移；逡逑：在点（０．１，邋０．１１）处ｐａｔｃｈ温度２０００邋Ｋ的己燃区，点火：ｌ．Ｏａｔｍ；逡逑：０．００１邋ｓ。逡逑结果及分析逡逑用３００邋Ｋ、４７３邋Ｋ、６７３邋Ｋ、７７３邋Ｋ四个初始温度进行了爆了爆炸后的温度、压力、进程变量等参数随时间的变化４７３邋Ｋ的预混气体为例，对整个爆炸过程进行具体的，进程变量ｃ的分布云图。逡逑

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