障碍物和管壁导致火焰加速的三维数值模拟

基于K ε模型和改进的EBU Arrehnius燃烧模型 ,考虑了障碍物对流动的附加作用 ,通过修改方程的源项 ,建立了湍流加速火焰现象的理论模型。选用Simple格式 ,壁面边界层采用壁面函数法处理 ,模拟了障碍物和摩擦管壁在三维空间中导致火焰加速的现象 ,结果表明障碍物和管壁对火焰都有明显的加速作用 ,且障碍物的加速作用更明显 。

障碍物诱导的湍流加速火焰流场的数值模拟

该文基于湍流的ｋ－ε模型和改进的ＥＢＵ－Ａｒｈｅｎｉｕｓ燃烧模型，对有障碍物情况下的湍流加速火焰现象建立了两维均相反应模型。障碍物对流场的影响不仅考虑到采用空度函数，还考虑了障碍物对流动产生的附加阻力的作用。壁面边界层区域则采用壁面函数法处理。选取Ｓｉｍｐｌｅ格式数值求解，其计算结果模拟了障碍物诱导的湍流与燃烧耦合作用下的流场的发生和发展的全过程，揭示了障碍物、湍流。

湍流加速火焰的三维数值模拟

火焰在设有障碍物的管内传播时会自身加速 ,并可能导致爆炸。本文基于湍流 k-ε模型和改进的 EBU-Arrhenius反应模型 ,对该现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果反映了障碍物、湍流和火焰之间相互作用的正反馈机理 。

Krylov隐式积分因子法在火焰加速数值模拟中的应用

基于描述可燃气体火焰加速及爆燃转爆轰的Navier-Stokes方程组,针对非刚性的对流扩散项及刚性的反应项之间的不同时间尺度,从而导致了直接数值模拟十分困难的问题,构造了Krylov隐式积分因子法(IIF)进行直接数值模拟,对刚性的反应项采用隐格式,非刚性的对流扩散项采用显格式,从而减少了计算步数,提高了计算效率,对于由隐格式带来的方程组,采用Krylov子空间映射来降低方程组的阶数使得计算量减小,数值模拟结果与实验结果相吻合.研究结果表明,IIF方法可以较好地应用于NS方程组的数值模拟中.

热膨胀对窄管道中火焰加速机理的影响

基于可压缩内维尔-斯托克斯方程,对绝热不可滑移壁面圆管道中从闭口向开口传播的预混合火焰进行直接数值模拟,研究不同火焰加速机理及其转变过程.谢尔金加速机理表明,初始平面火焰在气体热膨胀和壁面摩擦的共同作用下变形进而自加速.对热膨胀系数Θ和无量纲管径Re进行参数研究,分别设置为Θ=3.2~6,Re=10~40.结果表明火焰加速度随热膨胀系数增加而增加,随无量纲管径增加而减小.线性加速机理和指数加速机理之间的临界热膨胀系数Θ_(c)≈3.5且随无量纲管径增加而减小.

障碍物对火焰加速及爆燃转爆轰过程影响研究

为研究设障管内火焰传播特性以及爆轰转捩机理,比较固体障碍物和流体障碍物对火焰加速以及爆燃转爆轰(DDT)过程影响的区别,采用CFD软件对丙烷、氧气和氮气在爆轰管内爆燃转爆轰过程开展了模拟研究。研究结果表明:火焰前锋在固体障碍物的作用下,呈现先加速后减速的趋势;而火焰前锋在流体障碍物的作用下,加速趋势更为稳定。将首个固体障碍物改为流体障碍物能够缩短爆燃转爆轰的时间与距离,爆燃转爆轰距离与时间随着流体障碍物个数的增加呈现先减小后增加的趋势。

障碍物管道中湍流火焰发展的数值模拟

应用湍流马赫数修正的非稳态可压缩性K ε f gr四方程湍流模型 ,模拟了半开口狭长管道中重复布置的障碍物引起的湍流火焰加速现象 .结果表明 ,障碍物产生的扰动对加强燃烧和湍流输运的影响很大 .随着火焰向前传播 ,火焰穿过障碍物时发生变形 ,反应区越来越长 ,且火焰速度逐渐上升 .同时 ,火焰速度和管内压力的计算结果与实验测量值吻合良好 .

锂电池热失控爆炸超压及液氮惰化效果分析

为明确液氮对280 Ah储能锂电池热失控燃爆的惰化效果,在试验分析电池热失控气体成分和爆炸极限的基础上,利用火焰加速模拟(FLACS)软件模拟计算储能集装箱内电池热失控气体爆炸超压后果,并开展标准试验和实体试验,分析液氮对电池热失控气体的惰化抑爆效果。结果表明:热失控气体爆炸超压随着自身体积的增多逐渐升高,点燃超过1.1 m^(3)热失控气体会造成较为严重的后果;单个100%充电状态的280 Ah磷酸铁锂电池,真空状态下加热可触发电池热失控,并产生134.6 L以CO_(2)、H_(2)、CO、CH_(4)和C_(2)H_(4)为主要成分的热失控气体。热失控气体为可燃气体,爆炸极限范围为8.5%~45.5%;N_(2)能够有效惰化热失控气体,并显著减小热失控气体爆炸极限范围,极限N_(2)体积分数为84.7%;向35 m^(3)储能集装箱内喷射69 kg液氮惰化电池热失控气体,当箱内N_(2)体积分数高于极限N_(2)体积分数时能够有效惰化电池热失控气体,有效保护时间为2200 s。

基于物理模型的三维火焰实时渲染

火焰等无规则物体的模拟近年来成为计算机图形学中的一个研究热点。传统的基于粒子和纹理技术生成的火焰,并不能真实地反映物体的运动过程,生成的火焰效果图具有随机和生硬的特点。为了解决火焰模拟过程中难以实现的实时性和真实感的问题,文中采用一种基于物理模型的火焰实时渲染方法,应用有限差分法求解Navier-Stokes方程,采用半拉格朗日法求解平流项,扩散方程则利用隐式迭代方法进行求解,利用GPU强大的并行计算能力对求解过程进行加速,利用光线投射算法对火焰进行渲染,最后生成了逼真的火焰图像。实验结果表明该方法实现简单,渲染速度快,显示的效果真实。

应用计算流体动力学模拟液化气装卸站的爆炸影响

以某企业液化气汽车装卸场站为例,针对液化气装卸区的危险特性,采用计算流体动力学模拟技术,建立全尺寸三维模型,对装卸栈台发生液化气泄漏、蒸气云在附近停车场集聚爆炸后的场景进行模拟计算,评估爆炸对周围建筑物和生产设施的影响,同时研究停车场停车数量和爆炸超压的关系。结果表明:在一定距离内,非防爆的控制室等建筑物会受到爆炸冲击发生损毁倒塌,威胁控制室内人员安全;附近停车区车辆数量与爆炸超压呈线性关系,车辆越多,产生的危害越大。

基于CFD的加氢装置氢气燃爆危险性分析

加氢装置是炼化企业典型的高危装置,涉及氢气等易燃易爆介质,安全风险较高。为研究加氢装置在开敞空间条件下氢气泄漏爆炸事故火焰及冲击波时空演化过程,基于FLACS三维模拟软件对某企业加氢装置建立了等比例模型,并对其进行氢气爆炸模拟研究,探究了不同当量比(ER)对氢气云燃爆超压值及温度的影响。研究结果表明,当量比(ER)在0.8~1.4范围内时,氢气爆炸的温度、超压峰值P max均随ER的增大呈先增大后减小的趋势,ER为1.05时,爆炸温度峰值及超压峰值最大,高温火焰传播范围半径约35 m,影响面积达到3800 m 2。此外,模拟结果为类似场景建筑物抗爆工程改造提供了理论指导。

某特高压变压器爆炸事故数值模拟重构

特高压变压器由于体积大、油量多、电压高,具有较高的火灾爆炸危险性。本文针对某特高压变压器爆燃事故进行分析,根据发生事故的部位位于高压套管的事实,利用FLACS建立了全尺寸特高压变压器模型,模拟了高压套管先泄漏后爆炸与套管先爆炸后引发二次爆炸两种工况。研究发现:先泄漏后爆炸条件下,模拟的爆炸压力与依据事故监控估算的爆炸压力差别较大,可以排除该原因;变压器套管内部爆炸后引发二次爆炸,模拟内部爆炸的压力、二次爆炸的火焰形状与事故监控吻合较好,说明事故发生的原因大概率是套管内部直接发生爆炸。模拟方法可以用于变压器爆炸事故场景重现,为事故调查提供参考。

环形爆震室中火焰加速数值模拟及验证

对带不同数量孔板的环形爆震室进行数值模拟,并通过试验对数值计算进行验证,来研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变过程和不同当量比下起爆距离.数值计算采用二维轴对称非定常Navier-Stokes方程来模拟流体动力学过程.研究发现用较低的点火能量对火焰混合区的可燃气点火产生低速火焰,低速火焰向环形爆震室射流并改变方向向出口传播,火焰在孔板的阻碍作用以及火焰诱导激波和反射波的加速作用下,由层流变为湍流,湍流火焰与其诱导激波相互加强,最终引爆未燃混气;还对爆震波在孔板区的传播过程进行了分析,对不同当量比下的火焰速度和起爆距离进行了模拟研究.

火焰加速和爆燃向爆震转变过程的数值模拟及试验验证

为了研究火焰加速现象、爆燃向爆震转变和不稳定爆震向稳定爆震的转变过程,对带环形孔板的爆震室进行了数值模拟.研究发现用较低的点火能量对爆震室中的燃料和氧化剂点火产生层流火焰,在孔板的阻碍作用和火焰诱导激波以及反射波的加速作用下,经过几个孔板的阻碍加强作用,在火焰和强激波之间的未燃物中形成爆炸中心,最终引爆未燃混气.同时对爆炸波向稳定爆震转变过程中遇到孔板产生三波点,以及马赫波向入射波转变的全过程进行了分析;对不同燃料在不同当量比下的起爆距离进行了研究,并与试验结果进行了对比.通过分析,对火焰加速和爆燃向爆震转变的过程有了更加全面的认识,为进一步试验提供了参考.

浓度梯度对火焰加速和爆燃转爆轰的影响

本文采用高精度CFD方法求解非定常、完全可压缩的反应性Navier-Stokes方程,并开发了非均匀氢–空气爆燃转爆轰(DDT)的简化燃烧反应模型,以研究浓度梯度对氢–空气火焰加速和DDT的影响。并将危险性最大(化学计量比)的均匀混合物与整体当量比为1的非均匀混合物进行比较。结果表明,虽然非均匀混合物最大火焰表面积较大,但平均总释热较低、火焰加速较弱,导致两者的DDT机理和发生位置均不同,爆轰波更易解耦。本文条件下,化学当量比的均匀混合物比非均匀混合物更易发生DDT,主要是因为其总释热更高。

高含硫天然气泄漏爆炸与毒性影响因素分析

为探究高含硫天然气发生泄漏时危害影响因素的相互关系,基于火焰加速模拟器(FLACS)软件模拟,采用单因素分析和均匀设计法研究CH4和H2S体积分数含量比、通风速率和管道压力对高含硫天然气泄漏爆炸与毒性的影响。研究结果表明:影响高含硫天然气泄漏爆炸极限范围因素主次顺序为通风速率>管道压力>CH4与H2S含量比,其中通风速率负相关,管道压力、CH4与H2S含量比呈正相关,通风速率对爆炸极限范围影响最显著;影响泄漏毒性敏感主次因素相反,通风速率、含量比呈负相关,压力呈正相关,CH4与H2S含量比影响最显著。

聚焦腔型面对环形激波聚焦起爆的影响

为研究聚焦腔型面对起爆过程的影响和作用规律,以恰当比氢气/空气为反应物,对具有相同深度的半圆形、抛物线形和锥形3种型面聚焦腔诱导的起爆过程进行数值模拟研究。研究结果表明:与半圆形和抛物线形聚焦腔相比,锥形聚焦腔的诱导起爆距离分别缩短33.5%和12.1%。在3种型面聚焦腔内均发生了激波聚焦对撞和隔板反射造成的2次聚焦现象,其中,半圆形聚焦腔的一次聚焦压力最大,但是其回传压力损失也最大,这使得半圆形聚焦腔在一次聚焦后的火焰速度明显落后于其他结构。抛物线形和锥形聚焦腔内波系演变过程中的腔壁反射激波具有加强二次聚焦的作用,腔壁反射激波越强聚焦诱导的起爆越早。

核电核岛嵌岩桩地基动力响应及液化分析

运用三维有限元差分软件FLAC3D对混凝土桩加固的地基建立模型,对天然地基以及桩基地震液化前后地基模型的加速度、位移以及桩基的液化情况等进行数值模拟和系统对比分析,得到4种工况地基的加速度变化情况以及地基液化特点。计算结果表明加速度在非液化层传播呈放大趋势,而液化层对地震波的传播有明显削弱作用。在相同地震动作用下,天然地基的超孔压比值超过0.75的单元略多于桩基,桩对消除地基液化作用有限。研究成果可以作为类似的工程实例的参考。