方孔障礙物對瓦斯火焰傳播影響的實驗與大渦模擬＊

陳 鵬，李艷超，黃福軍，張玉濤

（1.中國礦業大學（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083；2.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京100083）

方孔障礙物對瓦斯火焰傳播影響的實驗與大渦模擬＊

陳 鵬1，2，李艷超2，黃福軍2，張玉濤2

（1.中國礦業大學（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083；2.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京100083）

為揭示置障管道內甲烷／空氣預混火焰傳播特性，運用高速攝影技術對甲烷／空氣預混火焰的形狀變化和火焰前鋒的速度特性進行實驗，并利用大渦模擬對管道內的流場結構進行數值分析。結果表明：置障管道內依次出現了球形火焰、指尖形火焰及“蘑菇”狀火焰，且“蘑菇”狀火焰出現之后，火焰開始反向傳播；“蘑菇”狀火焰是雙渦旋結構與火焰前鋒面相互作用的結果，而火焰的反向傳播是由流場中出現逆流結構引起的；障礙物對火焰前鋒有明顯的加速作用；大渦模擬成功再現了實驗中觀察到的火焰形狀、火焰前鋒速度及流場結構，說明大渦模擬適用于置障管道內預混火焰傳播特性的研究。

爆炸力學；火焰前鋒；大渦模擬；高速攝影技術；甲烷／空氣預混火焰；方孔障礙物

瓦斯爆炸是發生在煤礦井下最嚴重的災害之一。在實際礦井巷道中不可避免地存在各種障礙物，如通風設備、支護設施及各種管道等，當火焰與障礙物相互作用時，火焰的形態、火焰傳播速度、流場結構及爆炸壓力等都會發生顯著變化［1－4］。因此，研究火焰與障礙物的相互作用機制及由此引發的流場結構變化對于有效預防瓦斯爆炸事故的發生及降低災害損失有著重大意義。

學者們對置障條件下的瓦斯爆炸機理、傳播特性以及火焰和流場相互作用進行了深入研究［5－6］。A.R.Masri等［7］進行了障礙物孔型對火焰傳播速度影響實驗，指出與三角形和圓形障礙物相比，方形障礙物對火焰的加速作用更明顯。R.Hall等［8］分析了障礙物數量對湍流預混火焰傳播特性的影響，發現爆炸超壓隨障礙物數量的增加而增大，但存在上限，超過上限后，爆炸超壓隨障礙物數量的增加而減小。P.Chen等［9］通過改變障礙物阻塞比證明了火焰傳播速度和壓力增長速度隨阻塞比的增大而增加，并指出火焰穿越障礙物后速度的改變是火焰和湍流相互作用的結果。障礙物能顯著增強管道內流場的湍流強度，提高火焰燃燒效率［10］。C.T.Johansen等［11］利用新型的紋影技術捕捉到了障礙物后的渦旋結構，并指出火焰傳播特性變化的根本原因在于火焰與渦旋的相互作用。V.D.Sarli等［12］利用粒子示蹤技術得到了障礙物后的渦旋結構，實驗證明了火焰與渦旋的相互作用是火焰加速及火焰形態變化的主要原因。實驗手段很難得到氣體爆燃過程中火焰和流場的精細結構，大渦模擬（large eddy simulation，LES）可以揭示火焰傳播過程中的流動現象，有助于理解層流火焰向湍流火焰轉變、燃燒不穩定性和火焰形態變化等［13］。本文中通過實驗和大渦模擬對含障礙物管道內甲烷／空氣預混火焰傳播特性進行研究，研究置障管道內火焰傳播的動力學特性，通過對比實驗和模擬結果，驗證大渦模擬的有效性。

1 實驗系統

圖1所示為甲烷／空氣預混火焰傳播實驗系統示意圖。該系統由定容燃燒管道、高速攝影系統、混氣系統、高壓點火系統和同步控制系統等組成。實驗管道為一方形直管，長度為500mm，橫斷面尺寸為110mm×80mm。障礙物（厚度4mm）與點火點相距200mm，方孔截面積為50mm×50mm，障礙物的材質為阻燃有機玻璃板，實驗前后，方孔玻璃板無結構損壞和形變，障礙物的上下端與固定在管道內的凹槽相連接。為提供高速攝影所需光路，管道前后兩側由石英玻璃板制成。實驗中的點火器和高速攝像系統由同步控制器進行同步控制。高速攝像機的拍攝速度設置為960s－1。實驗氣體的甲烷的體積分數為7%，管道的初始溫度和壓力分別為298K和0.1MPa?？扇細獗桓吣茳c火器點燃之前，靜置60s，點火電極安裝在管道左端的法蘭上，高能點火器點火能可調范圍是3～20J。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Sketch of experimental system

2 數學模型

2.1 控制方程

隨著計算機性能的提高，計算流體力學在燃燒科學領域應用日益廣泛［14－15］。本文中大渦模擬所采用的控制方程為濾波后的三維瞬態質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和反應進程變量方程［3，16］。大渦模擬放棄對全尺度范圍上渦結構瞬時運動的模擬，只將比網格尺度大的湍流運動通過瞬時N－S方程直接計算，而小尺度渦對大渦運動的影響則通過亞格子模型（sub－gridscale model）進行建模處理。其中，反應進程變量方程控制著甲烷／空氣反應物的化學反應狀態，通過控制反應進程變量捕捉火焰燃燒面，大渦模型的控制方程為［17］：

式中：LES濾波的參量標注為橫線上標，質量權重濾波的參量標注為波浪線上標；ρ為密度，p為壓力，ui、uj為速度分量，t為時間，應力張量σij由分子黏度μ決定，可表示為，τij為亞網格尺度應力，將其定義為為顯焓，λ為熱導率，亞網格熱焓通量可通過梯度假設近似為：，其中：μSGS為亞網格黏度，PrSGS為亞網格的普朗特數，cp為定壓比熱，T為溫度。

2.2 初始條件和邊界條件

點火前，管道內甲烷／空氣混合氣保持靜止，初溫和初壓分別為298K和0.1MPa。設反應過程變量c為量綱一化的產物質量分數，相應地，c＝0對應為未燃反應物，c＝1對應為已燃產物。將初始化學反應過程變量在整個流體區域設置為c＝0，并通過將c設置為0.1來實現點火，點火半徑為10mm。管道邊界條件為無滑移、絕熱邊界條件。網格為結構網格，單元特征尺寸為2mm×2mm×2mm。應用ANSYS Fluent軟件作為計算平臺，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，對流項采用二階逆風格式，擴散項采用中心差分格式。

3 結果與討論

3.1 火焰前鋒發展的高速攝影圖片

圖2所示為置障條件下甲烷／空氣預混火焰傳播的高速攝影圖像。t＝10ms時，由于未受到障礙物和管道側壁影響，火焰陣面以球形向前傳播；之后，管道側壁開始阻礙火焰的自由發展，火焰形狀由球形轉變成指尖形，且火焰裙邊在t＝32ms時接觸管道側壁，火焰燃燒表面積開始減??；t＝42ms時，障礙物開始作用于火焰前鋒，平滑的弧面火焰前沿開始變尖；t＝44ms時，火焰恰好穿過障礙物的方孔；t＝48ms時，穿過方孔的火焰再次發生變形，并在t＝50ms時形成“蘑菇”狀的火焰前端；50ms之后“蘑菇”狀火焰開始破碎，值得注意的是，“蘑菇”狀靠近上下壁面的部分開始反向傳播，并在t＝53ms時反向穿過方孔結構。從火焰形態特征而言，置障條件下管道內的預混火焰經歷了層流向湍流燃燒的轉變。

圖2 置障管道內甲烷／空氣預混火焰傳播的高速攝影圖像Fig.2 Sequences of high－speed images of premixed methane／air flame propagating in an obstructed duct

3.2 火焰前鋒發展的大渦模擬

圖3所示為置障條件下甲烷／空氣預混火焰傳播的大渦模擬，其中燃燒面的反應進程變量c＝0.1。

圖3 甲烷／空氣預混火焰傳播的大渦模擬Fig.3 Large eddy simulation of premixed methane／air flame propagating in obstructed duct

從圖3中可以發現，基于大渦模型的數值模擬成功再現了實驗觀察到的火焰形態及傳播現象，如球形火焰、指尖形火焰、“蘑菇”狀火焰及其反向流動等。這也證明了大渦模型對于模擬置障條件下甲烷／空氣預混火焰傳播的可行性。

3.3 流場結構

圖4所示為置障條件下甲烷／空氣預混火焰傳播的流場結構。數值模擬中紅色代表已燃氣體，藍色代表未燃氣體，白色箭頭線代表速度矢量。

圖4 置障管道內甲烷／空氣預混燃燒的流場結構Fig.4 Flow field of premixed methane／air flame propagating in an obstructed duct

在t＝42ms之前，管道內的氣體流動是層流狀態，流線分布均勻無交叉；t＝49ms時，未燃區域出現雙渦旋結構，且渦旋范圍不斷擴大，渦旋中心逐漸向障礙物移動；t＝50ms時，已燃區的流動方向由原來的正向流動反轉成逆向；t＝51ms時，未燃區域方孔障礙物附近也出現逆流?？梢酝茢?，“蘑菇”狀火焰的形成與雙渦旋結構密切相關，而燃燒后期的火焰反向傳播是由流場的逆流結構造成的。

3.4 火焰前鋒的動力學變化

圖5所示為火焰前鋒位置隨時間的變化關系的數值模擬和實驗結果?？梢?，t＝42ms時刻是火焰前鋒位置隨著時間變化的轉折點，在42ms之前，變化速率較為緩慢，在42ms之后，變化速率突然增大。圖6所示為火焰前鋒速度隨時間的變化特性。從圖6中可以看出，在32ms之前，火焰前鋒速度隨著燃燒表面積的增大而緩慢上升；當t＝32ms時，火焰裙邊觸壁，燃燒表面積突然減小，進而引起火焰傳播速度的小幅度減??；當t＝44ms時，火焰前鋒速度達到最大值17m／s，此時火焰前鋒正在穿越障礙物的方孔。

圖5 火焰前鋒位置隨時間的變化特性Fig.5 Histories of flame front surface position

圖6 火焰前鋒速度隨時間的變化特性Fig.6 Histories of flame front surface velocity

4 結 論

本文中通過實驗和數值模擬研究了方孔障礙物對管道內甲烷／空氣預混火焰傳播特性的影響。采用高速攝影技術揭示了火焰過程中的形狀變化和火焰傳播速度特性，并應用大渦模擬對火焰傳播行為做了進一步分析。得到結論如下：

（1）由于未受到方孔障礙物的影響，前期火焰經歷了球形火焰和指尖形火焰兩個階段，指形火焰觸壁之前，火焰燃燒面積快速增大；觸壁之后，火焰燃燒面積迅速減小。臨近方孔時，平滑的弧面火焰前沿開始變尖，并且火焰前沿在穿過方孔障礙物后形成“蘑菇”狀火焰；火焰前沿接近管道尾端時，“蘑菇”狀火焰的靠近上下壁面的部分開始反向傳播，并在t＝53ms時反向穿過方孔結構。

（2）火焰前沿形狀的變化與管道內的流場結構密切相關。通過分析流場結構可以發現，“蘑菇”狀火焰的形成與雙渦旋結構有直接聯系，而燃燒后期的火焰反向傳播是由流場中出現的逆流造成的。

（3）方孔障礙物對預混火焰的加速作用顯著，火焰未穿過障礙物之前，火焰裙邊觸壁時刻，火焰傳播速度達到5.72m／s；當火焰穿越方孔時，火焰傳播速度再次達到最大值17m／s。

（4）大渦模擬成功再現了實驗中觀察到的火焰形狀、火焰前鋒速度及流場結構。說明大渦模擬對于模擬置障管道內甲烷／空氣預混火焰傳播的可行性。

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LES approach to premixed methane／air flame propagating in the closed duct with a square－hole obstacle

Chen Peng1，2，Li Yanchao2，Huang Fujun2，Zhang Yutao2
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining ＆Technology，Beijing100083，China；2.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining ＆Technology，Beijing100083，China）

Aiming at revealing the characteristics of premixed methane／air flame propagating in an obstructed duct.A 4mm thick obstacle with a square hole of 50mm×50mm was equipped at 210mm from the ignition source.In the experiment，the high－speed video photography was used to study the flame shape changes and flame front speed.In the numerical simulation，the large eddy simulation（LES）was applied to investigating the flow structure.The results demonstrate that the flame－tip successively takes on a spherical，finger and mushroom－like shape，and the flame begins to propagate in the backward direction after the mushroom－like flame appears.The mushroom－like flame can be explained by the interaction of the flame with two vortexes，and the reverse flow emerged in the flow field leads to the backward motion of the premixed flame.The flame speed is accelerated significantly due to the obstacle and the flame tip speed reaches the maximum value of 17m／s when the flame passes through the square hole of the obstacle.The flame shape changes and the flow structure observed in the experiments can be well reproduced in the numerical simulations using the LES model.It is indicated that the LES model can be used to predict the premixed flame propagating in an obstructed duct.

mechanics of explosion；flame front surface；large eddy simulation；high－speed video photography；premixed methane／air flame；square－hole obstacle

O381；TD712國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0021－06

（責任編輯 王易難）

2015－05－20；

2015－08－25

國家自然科學基金項目（51274205）；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放課題項目（SKLCRSM10KFB13）

陳 鵬（1971— ），男，博士，副教授，chenpeng＠cumtb.edu.cn。