泄爆口参数对柱形容器泄爆过程影响的数值分析.pdf

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1、第24卷第8期中国矿业Vo1．24，No．82015年8月CHINAMININGMAGAZINEAug．2O15泄爆口参数对柱形容器泄爆过程影响的数值分析陈中汉(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)摘要：本文基于流体力学软件Fluent，通过模拟9．5的甲烷一空一～一～气混一～一合一～一～气一体～一一在一～柱形～一～容～一器一内～．一的～一岫～一燃爆与泄爆过程，分析了不同泄爆口位置以及不同泄爆口数量等因素对泄爆过程的影响。结果表明：泄爆过程中普遍存在二次压力峰值现象，泄爆口越远离点火位置，二次压力峰值到达时间越长，峰值压力持续时间越长，压力泄放越慢；等截面积条件下，增加

2、泄爆口数量能在一定程度上加快容器内的压力泄放。关键词：泄爆口参数；影响；数值分析中图分类号：X936文献标识码：A文章编号：1004-4051(2015)08—0138—03NumericalanalysisoninfluencingofexplosionventparameterstothecylindricalcontainerventingprogressCHENZhong—han(FacultyofResources&Engineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)．Beijing100083，China)在石油、化工

3、等行业中存在有大量的储油储气究泄爆过程中腔体内压力的变化规律。罐，而这些储罐一旦由于静电、高温等诱因致使内1泄爆过程模拟的求解模型部发生燃烧或爆炸，产生的高温、高压往往会破坏1．1基本假设容器，造成严重的二次事故。泄爆是为了将容器内受模拟条件限制与问题研究的简化，本模拟中的高温高压流体通过一定的装置泄放到其他空间，采用以下主要基本假设：①试验气体属于理想气从而降低原容器内的温度、压力，进而保证容器的体，满足理想气体基本状体方程；②模拟试验处于安全控制。然而，由于化学燃爆泄放的复杂性，目绝热状态下，忽略管壁处的热交换；③模拟采用一前尚没有统一的泄放设计标准。步反应法，忽略甲烷燃爆过程中的链式反

4、应机理，对于压力容器开口泄爆过程影响因素的分析，忽略反应的可逆因素。目前大部分学者主要从泄爆面积、泄爆破膜压力、1．2燃爆过程的求解计算模型腔体体积等方面去研究，并得出了较好的结论，然一定质量分数可燃气体的燃爆过程是一个快而对于泄爆口位置以及泄爆口数量对泄爆过程的速的化学反应过程，反应过程中满足基本的质量守影响，却很少人考虑。基于此，本文采用数值模拟恒、动量守恒、能量守恒方程以及组分平衡方程。的方式，通过设置不同的泄爆口位置、及数量来研Fluent中提供了多种模拟化学反应的模型，其中的通用有限速率模型是基于组分质量分数的输收稿日期：2014一i0—27运方程的解，利用预先定义的化学反应机制对

5、反应第8期陈中汉：泄爆口参数对柱形容器泄爆过程影响的数值分析进行模拟，其化学反应速率以源项的形式附加在组爆方式，泄爆压力设定为40．703kPa。分输运方程中。3结果分析Fluent计算流体力学中的化学反应速度，可以3．1燃爆过程通过层流有限速率模型、涡耗散模型、涡耗散概念通过初始化点火区域内的温度与组分，以实现(EDC)模型等方面进行计算。涡耗散模型是假定对甲烷预混气体的点火，点火后容器内的温度压力在足够精细的涡流尺度条件下，分子级别混合的化变化情况见图2、图3。学反应在瞬间完成，其燃烧速度主要取决于涡流混合速度。而EDC模型是在湍流流动结构中包含化学反应机理，其假定化学反应都发生在小涡(

6、精细涡)中，而反应时间是有精细涡及化学反应本身需要的时间共同决定的，该模型通过小涡空间分辨率与时间尺度两参数对反应进行控制。当燃爆速率受化学反应自身速率限制时，其反应速度由修正的阿伦尼乌斯表达式计算，见下式。E图2混合气体点燃后柱形容器内k—A．．e-卉温度随时间变化等值线图式中：k为化学反应速率常数；A为反应的指前因子；T为反应温度／K；为温度指数；Ea为反应活化∞如加mO能／J／(kg·mo1)；R为气体常数／J／(kg·mol·K)。基于瓦斯燃爆过程和泄爆过程的特点，以及各堕模型的适用范围，本模拟采用EDC模型模拟甲烷燃爆过程中的化学反应过程，用涡耗散模型模拟泄爆·R幽过程中的化学反应

7、过程。2构建模型及模型参数设置{i]模拟采用柱形压力容器进行il试验，其单二维简化O0．0050．0100．0150．0200．0250．030模型如图1所示。其中柱形压力容器直径虚0．2m，高时间／s度lm，长径比为1：5，充人气体为9．5的甲烷一空图3混合气体点燃后至泄爆前。气混合气体，点火区域位于容器底面中心，点火温柱形容器内压力随时间变化曲线度2000K，点火区域为半圆形，半径0．004m。由图2可以