煤尘爆炸的火焰传播特性实验及数值研究外文翻译资料

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煤尘爆炸的火焰传播特性实验及数值研究

Weiguo Cao ^a, Wei Gao ^b, Yuhuai Peng ^a, Jiyuan Liang ^a, Feng Pan ^a,c, Sen Xu ^a,c

化学工程，南京科技大学，中国江苏南京210094

化工机械，大连理工大学，中国辽宁大连116024

国家质量监督检验中心工业民爆器材，中国江苏南京210094

文章信息

2014年3月收到

2014年6月27日到2014年6月30日收到修改后的形式

2014年7月9日可在线查看

摘要

为了揭示煤尘爆炸过程中的火焰传播特性，通过一种煤尘云在不同长度的半封闭垂直燃烧管道进行实验数值模拟研究，一种高速视频摄像机和一个热红外成像装置来记录火焰传播过程。结果表明，最高的火焰传播速度和最高的火焰温度都随着管长度的增加而逐渐上升。同时，将FLUENT软件应用于煤尘爆炸火焰传播特性的数值模拟。模拟结果表明：火焰燃烧，温度变化过程与实验结果一致。它还再次揭示了流速在流场燃烧过程中的分布，这表明流速比火焰传播速度高是粉尘重新夹带和连续爆炸的重要原因。

关键词：煤尘爆炸，火焰传播，火焰温度，数值模拟，流速

1. 简介

最早关注粉尘爆炸是在1795年的一份报告中包含了意大利都灵的面粉筒仓的爆炸^[1]。由于其巨大的破坏性，粉尘爆炸已成为近几年来主要的研究方向^[2-4]。虽然许多国家都在粉尘爆炸的基础研究上作出了相应的进展，然而粉尘爆炸的悲剧还没有被完全控制^[2-5]。。随着粉末技术的飞速发展，它在预防和控制重大危险源事故发生的过程中具有重要价值。因此，有必要进一步进行的粉尘爆炸特点的研究。

最近的一些研究都集中在粉尘爆炸火焰传播过程中一个特征参数的研究^[6-11]。基于预混合火焰，并使用淀粉、硫和铝粉末作为试验样品的理论研究中，Gao^[7-11]利用高速摄像机研究了如十六烷醇，十八烷醇和二十烷醇等具有不同浓度的有机粉尘的火焰传播过程。Han^[9]研究火焰结构和垂直管石松的火焰传播过程。Proust^[10]研究了爆震、层流和湍流火焰对火焰传播过程的热辐射的影响。

然而，由于粉尘爆炸是一个二相流的复杂燃烧过程，粉尘爆炸的模拟过程具有很大的困难，所以粉尘云的火焰传播机制尚未被充分了解，因此也是目前研究中的一个实验研究方向。幸运的是，由于机械模型的发展，基于计算流体动力学的数值模拟技术（CFD）已经成为研发过程中^[12-15]强有力的工具。希望这种技术可能成为保障措施的设计工具，并逐步取代常见的EM-pirical方程式和图表。

为了促进对粉尘爆炸火焰传播的理解，通过实验数值模拟和重新搜索开展煤尘云在不同长度的半封闭的垂直燃烧管系统中火焰的传播过程。与实验相比，FLUENT软件用数值模拟提供粉尘爆炸重新搜索和有用的信息安全防范来设计一个有价值的仿真工具。

1. 实验

2.1实验仪器

实验装置示意图１显示出 ：该装置由300毫米、600毫米和900毫米不同长度的垂直燃烧管，高压喷粉系统，点火系统，高速视频摄像机，热红外成像设备和一个控制系统组成。垂直燃烧管顶开68内径口。煤颗粒在管座均匀放置并分散由高压喷粉机喷出，其压力为0.7兆帕，在燃烧管内形成浓度为500克每立方米的均匀煤尘云。点火系统安装在燃烧管的底部的上方100mm处。两个导电电极尖端之间的距离为6毫米。 通过8000 V的高电压变压器输出获得用5 J能量。高速视频摄像机的帧速率和热红外成像装置的点火火花的点火能量分别是1000 FPS和100帧。

2.2实验材料

表１相似煤尘最终分析总结

煤颗粒的来源是霍林河煤矿，相似煤颗粒的最终分析总结在表1中，通过场发射扫描电子显微镜（FESEM，JEOL JSM-6700F）和激光粒度分析仪（Mastersizer2000）对煤颗粒的形态特征和煤颗粒的粒径分布分别进行了表征。

如图2所示，从激光粒度分析，大多数煤颗粒的尺寸分布是（10〜100）mu;m，中值直径为34微米。 FESEM结果表明，该煤粒径不均匀且形状是不规则的，煤颗粒的直径都小于100微米，与激光分析结果良好吻合。

1. 数值模拟

3.1控制方程

CFD应用到煤尘爆炸的数值模拟，它是假设煤颗粒为球形粒子，基于化学反应动力学和流体力学，控制方程通过质量守恒，能量守恒，动量守恒和化学反应的平衡^[16]成立。主要的方程如下：

质量守恒方程：

能量守恒方程：

动量守恒方程：

化学反映平衡方程：

图1实验仪器： 1电火花发生器; 2可编程逻辑控制器; 3气动活塞; 4燃烧管; 5点火电极; 6喷头; 7粉针阀; 8储气罐; 9空气入口阀; 10高压空气; 11活塞致动阀; 12粉罐; 13高速摄影机; 14红外热像仪。

图2电子显微镜扫描煤颗粒的粒径分布

其中P是压力；t是时间；rho;是密度；Yfu 是燃料的质量分量；UI是速度；mu;是动态粘度；k是湍动能；Sh是源项；xi和XJ代表的方向，当i或j=1对应于x方向，i或j= 2相对应的y方向和i或j=3对应的z方向；delta;ij是克罗内克函数；sigma;是普朗特数；RFU是化学燃烧反应速率。

3.2湍流模型

根据在煤粉尘爆炸和实际经验，k处的火焰传播特性由先前的研究总结，ε模型被选择为湍流的计算模型，这是两方程湍流模型^[17-18]。

其中k是湍流动能；ε是湍流动能耗散评级；GK和Gb是引起动荡能源分别平均速度梯度和浮力；YM是影响总功耗等级可压缩湍流脉动；mu;t是湍流粘性系数；rho;是密度；t是时间；C1ε，C2ε和C3ε都是常数。

3.3燃烧模型

　　截至分子水平上的湍流涡旋有决定性的影响煤尘云的燃烧过程，涡破碎（EBU）充分考虑湍流影响湍流燃烧模型并选择为计算模型。

取煤颗粒在空气中的燃烧考虑：

在该模型中，假设该煤粉尘云在点火时是均匀分布的，点火后，煤的分布尘云是由反应区的流场的变化决定的。假设发生化学反应比动荡的快得多燃烧，可以混合的反应物和热进入反应区，考虑到多燃料同时燃烧，反应速率由湍流燃烧速率的限制，湍流燃烧速率由燃料组合物的最低燃烧速率决定。湍流燃烧率的计算公式为以下所示^[19]：

其中Rfu;T是湍流燃烧率; CR为常数;是Gfu意味着燃料质量分数的平方; ε是湍流动能耗散评级;rho;是密度; k是湍流动能。

1. 结果与讨论

4.1火焰传播特性

煤尘云中部及以上的火焰在燃烧管中传递的方向由高速摄影机记录并在图3中描绘。但是在最初几毫秒几乎没有火焰，点火之后的初始阶段火焰慢慢传播，同时对煤颗粒进行加热和分解。当火花能量达到到颗粒表面，颗粒表面温度迅速上升，当温度上升到一定值，颗粒迅速热解并产生可燃性气体，这些气体与空气混合后形成爆炸性气体混合物，同时，气相反应发生化学反应热被释放，导致在相邻的颗粒被加热和蒸发并着火。随着煤颗粒继续挥发，释放可燃气体，火焰传播逐渐加快，达到火焰加速阶段^[20]最高速度。

图3煤尘云火焰高速摄影图，筒高度：300毫米;浓度：500克/立方米;从点火时间开始。

随着反应继续进行，火焰传播速度越来越慢，直至火焰最终熄灭。数值模拟过程中不同阶段的计算域火焰的显影情况在图4中显示。模拟计算域包括在垂直燃烧管和外侧的流动面积管。最初火焰从点火位置慢慢传播，火焰焰峰是球形的，随着燃烧时间持续，从模拟喷射到火焰传播特性的实验结果的管道，周围环境的火焰比较图显示于图5和图6。

4.2管道长度对火焰传播特性的影响

在不同长度的燃烧管煤尘云的火焰传播速度显示于图5。当高度为300mm，600毫米和900毫米时，火焰传播速度降低总体之前见顶，煤尘云的速度达到最大值5.0米/秒、12.6米/秒和15.2米/秒，点火后95毫秒、115毫秒，火焰焰线上升至398毫米、743毫米高度，并分别在点燃后140毫秒达到1058毫米。在80毫秒，120毫秒和95毫秒实验和模拟条件下的最大速度相对误差分别为11.3％，10.2％和6.0％。当点火侧被关闭，在燃烧产物的膨胀作用下，火焰传播速度逐渐加快。火焰焰峰引导未燃烧混合物并产生紊流，反过来使燃烧产物膨胀，湍流提高了燃烧速度，如此反复相互作用，火焰传播速度不断加快^[21]。另外，达到最大速度后，火焰传播速度逐渐下降，由开放端口和颗粒的浓度下降和排出的未燃烧的颗粒造成的。

煤尘云在不同长度的燃烧管内火焰温度显示于图6。可以看出，最上面的火焰温度达到1220℃，1270℃，1360℃，燃烧时管的高度为300mm，600毫米和900毫米时，实验和模拟的温度的最大绝对误差分别为140℃，148℃和124℃，而相对误差分别为11.5％，11.7％和9.1％。火焰传播速度和温度模拟均较实验高。对于这些错误的原因如下：

（1）简化了很多模型的假设。

（2）仿真和实验之间的煤尘云分布的差异。

（3）实验只适用于特定的情况下经验常数的选择。

（4）与仿真相比，粉尘分层作为热燃烧气体由于管壁的冷却效应是一个重要的原因，不仅在实验中使火焰传播速度降低，也引起了火焰温度降低^[22]。

火焰传播速度和温度随燃烧管的升高而增大。可能的原因是，燃烧管的长度约束距离增加了空气湍流并加速了煤颗粒燃烧率。因此，在很短的时间的热量积累导致火焰传播速度和温度的增加。另一个原因是，燃烧产物的膨胀在促进火焰传播起到了重要作用。由于这样的事实，该点火系统的位置是邻近于燃烧管的底部，并且加速度结果与管长度增加更为明显速度，由丁^[23]观察到类似的现象。从上面的分析，模拟结果反映了火焰传播过程中煤粉尘爆炸和火焰传播速度和温度的误差是可以接受的。另外，在煤粉尘爆炸周围的空气流的分配已绘制如图7所示。

图4煤尘云火焰的模拟照片。筒高度：300毫米；浓度：500克/立方米；从点火时间起。

图5不同高度的燃烧管火焰传播特性。浓度：500克/立方米。

图6顶端火焰温度和燃烧管高度之间的关系。浓度：500克/立方米。

4.3管出口流场分析

在不同的时间段计算的气流速度分布条件显示于图7。火焰从点火开始25毫秒后，中心向边缘传播，并且空气流的速度是比较低的，最高值是在火焰的前2米/秒。火焰传播在管口快于60毫秒，因为它由侧面和所述管的管底限制。因此，较高的空气流速被浓缩在点火和管口位置之间的区域。在垂直的空气流和最高速度的方向分别为10米/秒，点火之后80毫秒，火焰加速，但火焰被封闭的底部限制，当火焰前沿接近到喷嘴的最高空气流速，大约24米/秒。点火后110毫秒时，燃烧管中填充火向上焰逃脱，最高速度40m / s，出现在喷嘴以下，因为燃烧管限制的损失，气流散开，从而速度减慢。130 ms后，外管火焰形成了典型的蘑菇云状（图3，图4），火焰已经全部冲出狭管的空间，空气流速明显低于80毫秒，最高时接近28米/秒。点火后140毫秒，蘑菇云持续扩散及煤尘仍在燃烧，而最高空气流速降低至约12米/秒。在这之后，由于燃料浓度的逐渐减少，火焰削弱直到消失。

图7煤尘爆炸过程流速分布。筒高度：300毫米；浓度：500克/立方米。

在点火后不同时间内煤粉尘爆炸过程气流的最大速度示于图8。速度随燃烧管的高度增加而增大，燃烧管的高度为300mm时，600毫米和900毫米点火110毫秒后，120毫秒，和130毫秒时最大值分别为40米/秒，72米/秒和110米/秒。所有的速度明显高于在相同的时间（图5）的火焰传递方向的高。因此，空气的流动是对粉尘爆炸的重要来源，在其初始阶段由粉尘爆炸产生的空气流动将提高周围的尘埃层，形成一定浓度的尘埃云中的新空间。同时，扩展火焰和辐射热担任点火源，其形成链爆炸，并放置在最后被爆炸损坏的区域。

1. 结论

图8最高流速和燃烧管的高度之间的关系

这项研究的目标是发现煤尘爆炸过程中火焰传播特性的一般理解，不同高度的垂直燃烧管使用，也包括数值模拟。通过实验得到下列结果。

煤尘云的火焰传播速度和温度随着燃烧管的高度上升，整体下降前火焰传播速度达到顶峰。当燃烧管的高度分别为300mm，600毫米和900毫米时，火焰的速度分别达到最大值5.0米/秒，12.6米/秒和15.2米/秒，最高火焰温度分别达到1220℃，1270°C和1360℃。

仿真结果反映了在煤尘爆炸过程中的火焰传播速度和温度的不同特性。实验和模拟之间的误差变化从6％到12％，实验和仿真结果符合的很好。所有这些表明，该数值模型适用于粉尘爆炸的数值模拟研究。

仿真结果还显示，火焰传播流动过程中周围空气的特性，水平空气流动的速度明显高于火焰传播，这表明空气流抬起粉尘层是链爆炸的原因之一。

致谢

感谢江苏省高校毕业生就业研究和创新项目（批准号：CXZZ13_0216）和中国自然科学基金（批准号：111020

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