密闭罐体内液雾爆炸特性数值模拟研究

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液体燃料作为化石燃料的一种,广泛应用于石油、化工、塑料和橡胶等工业生产中,伴随其产生的液雾爆炸事故频繁发生,因此对液雾爆炸机理的研究对改善设备、事故预防具有重要的意义。本课题借助计算流体力学软件ANSYS-FLUENT,建立了20L密闭爆炸容器内液雾扩散及爆炸计算模型,对庚烷、己烷、JP-10液雾在容器内的扩散及爆炸过程进行数值模拟,并与实验进行了对比。通过对20L密闭容器内液雾形成及爆炸过程进行数值模拟,取得如下研究成果:(1)液雾扩散是时间和空间的函数、是爆炸参数研究的前提和基础。研究发现,喷雾压力为0.3~0.7MPa时,液滴数量在喷雾期(0~20ms)随着时间迅速增加,液滴在喷嘴及壁面附近局部分布密集;在静置期(20~100ms)液滴数量随时间增加逐渐减小,在100ms时刻,容器内液滴分布达到相对均匀状态。(2)湍流是影响爆炸参数的另一个重要因素。本文考查了不同喷雾压力下湍流随时间和空间的分布特征,为液雾点火延迟时间和点火位置的合理选择奠定基础。研究发现,喷雾压力为0.3~0.7MPa时,在喷雾期,容器内湍流分布差异很大,最大湍流动能出现在15ms左右,为18800m2·s-2,位于喷嘴附近,最小值在100 m2·s-2以下,且喷雾压力越大,湍流差异越大。静置期,湍流由几何中心向壁面逐渐变弱,在100ms时刻,罐体内不同区域湍流动能差值小于12m2·s-2。(3)罐体内液雾均匀性是解读液雾爆炸参数的基础,与粉尘和气相云雾不同,液雾的形成更为复杂,体现在罐体内气、液浓度之间的相互耦合。研究发现,气、液浓度之间的相互耦合与喷雾压力有关,对于宏观(平均)浓度为80 g·m-3的庚烷液雾,喷雾压力0.3、0.5、0.7MPa在100ms时所产生的液相浓度分别是56、51、46 g·m-3,对应的气相浓度分别为21.46、25.33、30.85g·m-3。(4)液雾粒径对爆炸参数的影响取决于燃料种类。研究发现,当量浓度下,庚烷液雾爆炸超压峰值pmax随D32(在6.81~18.1μm范围内)增大由0.951MPa到0.902MPa逐渐减小,最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max在D32=10.1μm处出现突跃;火焰速度也在D32=10.1μm处出现突跃;说明粒径在6.81~12.9μm内的液雾爆炸强度存在激增的现象,与已有实验结果相吻合。(5)在液雾索特直径相同(20.06~23.21μm)条件下,计算得到庚烷、己烷、JP-10液雾爆炸超压峰值和最大爆炸压力上升速率在64~214g·m-3浓度范围内的变化规律,爆炸超压峰值和最大爆炸压力上升速率最大值均出现在燃料空气当量比Φ=1.25对应的浓度;液雾浓度相同时,三种不同燃料中己烷液雾爆炸超压峰值最大(1.114MPa),庚烷与JP10液雾爆炸超压峰值相近(0.912、0.94MPa);JP-10液雾的最大爆炸压力上升速率最小(0.1837MPa·ms-1),庚烷与己烷液雾的最大爆炸压力上升速率相近(0.2349、0.2451MPa·ms-1)。
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