软件预测喷射火特性的运用
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《天然气工业杂志》2014年第八期
1大尺寸喷射火实验数据
为了量化评估不同喷水方法对天然气井口喷射火的灭火效果，Pfenning于1984年开展了一系列火源功率分别高达100MW和200MW的大尺寸喷射火实验，得到了喷射火的火焰温度分布和热辐射分布的实验数据。1985年1月美国标准局了该实验报告［8］。笔者通过分析该实验报告，结合本文参考文献［9］，整理得到大尺寸喷射火的有效实验数据。实验中喷射火燃料为天然气，其中甲烷的摩尔质量百分数为96．35％。实验中喷口的中心面上布置了20个热电偶，火焰周围布置5个热辐射计，实验布置示意图如图1所示，实验工况与实验结果数据见表1、2．关于有效实验数据的整理，本文在此作以下3点说明。1）根据文献介绍，实验1～3受风的影响，火焰偏斜较大，导致热电偶采集到的温度数据明显偏低，同时，热辐射计R1、R2和R3总共出现4次采集故障，导致4个热辐射数据无效，而实验4～7受风速影响较小。因此，笔者在此只整理实验4～7的实验数据。2）由于该实验在喷射火稳定之后开启了喷水系统，而本文只研究无喷水作用下的喷射火，故本文只整理在喷水系统开启之前、天然气被点燃后12～40s之间的稳定状态下的喷射火实验数据。3）为了减少天气状况对实验数据的影响，本文选取各实验的天气状况基本稳定的连续4～8s之间实测数据作为该实验工况下的有效样本数据，通过对样本数据进行平均计算，得到每个实验的有效实验数据。
2大尺寸喷射火几何尺寸计算
喷射火的火焰几何特征与喷射火对周围设备产生火焰冲击进而引发多米诺效应事故的可能性紧密相关，国内外研究人员对喷射火几何尺寸的预测进行了大量的实验与理论研究。但这些研究成果基本都是以小尺寸喷射火或者亚声速喷射火实验为基础，其对事故状态下大尺寸声速喷射火的适用性较差。为了能准确地预测大尺寸声速喷射火的火焰尺寸，Palacios等［10］进行了火焰高度高达10m的一系列大尺寸天然气喷射火实验，研究结果表明声速喷射火的无量纲火焰高度和抬升高度与弗劳德数无关，而与雷诺数相关。声速喷射火的无量纲火焰高度和抬升高度的经验公式如下。由于该实验报告中缺乏喷射火火焰尺寸的数据，本文根据实验报告中各实验工况参数值，采用式（1）～（3）计算得到各实验的火焰高度和抬升高度的预测值，具体计算结果见表3。
3数值模拟模型建立
3．1几何模型建立与网格划分整个计算域空间为长30m、宽30m和高60m的空间长方体，喷管高度是1．5m，喷口直径分别为0．102m（实验4～6）和0．076m（实验7），用处理软件GAMBIT建立几何模型（如图2所示）。由于在整个计算域空间中喷管体积非常小，因此从网格优化划分的角度出发，在喷管周围和上方分别添加一个圆柱体，用于辅助划分网格，由内到外依次分块划分网格，实现整体网格的内密外疏，网格模型如图3所示。所有三维网格单元均为六面体，网格数量在80万左右，网格质量检查显示90％以上的网格单元的歪斜度在0．1以内，且均未超过0．5，网格质量较好。图2几何模型示意图。
3．2边界条件设定及相关模型的选择长方体的上、右、前、后4个边界面设置为压力出图3网格划分图口（pressure－outlet）；长方体的左边界面为环境入风口，设置为速度入口（velocity－inlet）；地面和管壁设置为壁边界（wall）；喷管出口设置为质量流入口（mass－flow－inlet）。各边界条件中初始数值参照表1、表2中的各实验工况设定。本文中燃烧模型选择了涡耗散概念（EddyDissi－pationConcept，简称EDC）模型，该模型将多步化学动力学机理也考虑在内，通过加载详细的化学反应机理，能有效模拟气体燃烧过程。FLUENT中提供了5种辐射模型，根据其帮助文件中关于辐射模型的原理介绍、相关文献及本文参考文献［11］，综合考虑各辐射模型的优势与局限、光学深度、气相燃烧特性等因素，分析得知适合于本文情况的辐射模型主要有P1模型和离散坐标（DO）模型。因此，本文分别选取了这两种辐射模型进行数值模拟，对比模拟结果和实验结果，分析了该数值模拟方法的实用性和各模型的适用性。
4数值模拟结果及实用性验证分析
4．1火焰几何尺寸模拟结果显示在选取两种不同辐射模型下火焰尺寸的模拟结果基本一致，故此处只分析了在P1模型下的几何尺寸数值模拟结果。研究表明火焰边缘温度阈值约为800K，通过去掉800K以下的区域，得到火焰体积区域，提取火焰区域内中心面上的最高点和最低点坐标，得到火焰长度和抬升高度。数值模拟得到的各实验的火焰区域中心面如图4所示，模拟结果与经验公式预测结果对比见表3。从表3可以看出，火焰抬升高度的数值模拟结果与经验公式计算结果比较接近，相对误差均在11．0％以内，平均相对误差为10．0％，而火焰高度的数值模拟结果的相对误差均在11．8％～13．9％以内，平均相对误差为12．9％。因此，从工程实用角度分析，喷射火几何尺寸的数值模拟结果基本达到预测要求。
4．2中心面温度分布模拟结果显示在选取两种不同辐射模型下火焰中心面温度的计算结果相差较小，故此处只分析了在P1模型下的火焰温度数值模拟结果。数值模拟得到的各实验火焰中心面的温度分布如图5所示。为了量化数值模拟结果的误差大小，提取火焰面中心线温度数据，对比各热电偶所测得的结果，分析火焰中心线温度预测的准确性及其分布规律。中心线温度分布的数值模拟结果与实验结果对比如图6所示。从图6中可以看出，随着中轴线高度增加，火焰中心线上温度呈先增加后减少的趋势，温度最高出现在火焰中轴高度的55％～60％位置，这与实验结果中火焰中心线温度分布规律基本一致。实验4～7的数值模拟得到火焰中心面温度分布值均略高于实验测得值，模拟得到中心线最高温度分别是1851K、1789K、1770K和1753K，而实验中各热电偶测得最高温度分别为1595．8K、1571．5K、1584．8K、1582．5K，但是考虑到实验中实际最高温度可能出现在热电偶7与8之间或热电偶8与12之间，而该阶段没有布置更多的热电偶，故中心线最高温度的数值模拟结果的相对误差基本在15％以内。通过对比中心线上11个热电偶处温度的实验测得值和数值模拟值，得到实验4图5各实验的中心面温度分布图～7的数值模拟值平均相对误差分别为9．1％、9．6％、10．3％和11．2％。因此，喷射火焰内部温度的数值模拟结果与实验结果能较好地吻合，验证了基于EDC燃烧模型的数值模拟方法预测大尺寸喷射火的火焰温度分布的实用性。
4．3热辐射分布笔者通过提取数值模拟得到的各辐射计所在位置的辐射值，对比实验数据，分析热辐射模拟结果的准确性和各辐射模型的适用性。具体结果对比如图7所示。从图7中可以看出，各实验的热辐射分布的数值模拟结果与实验结果比较接近，总体规律基本一致，即热辐射值最大处都在热辐射计R2处，且热辐射值大小排序基本均为：R2＞R5＞R1＞R4＞R3。结合火焰温度分布图可知，热辐射计R2离火焰温度较高区域最近，故其受到的热辐射强度最大。对比P1模型和DO模型下各辐射计所在位置的辐射值，可知DO模型下计算得到的热辐射值比P1模型下要略大一些，两者相差较小。通过对比热辐射计测得的实验数据，计算出在不同辐射模型下热辐射值的数值模拟结果的平均相对误差，其中实验7中热辐射计R2的测得数据为无效数据，不纳入平均相对误差计算中，各实验的具体平均相对误差见表3。从表3中数据可以看出，在实验4和实验5中P1模型和DO模型下的数值模拟结果的平均相对误差在7．39％～11．83％之间，而在实验6和实验7中DO模型下的平均相对误差偏大，但是考虑到实验6和实验7受前5次实验中喷水系统的影响，导致火焰周围空气湿度增大，热辐射计采集到的数据会有所降低，故其实际误差会减小。因此，在P1模型和DO模型下数值模拟方法所得到热辐射结果与实验测得的结果都比较接近，都能很好地预测大尺寸喷射火对周围产生的热辐射强度。
5结论
1）对比火焰尺寸的经验公式计算结果，基于FLUENT数值模拟方法得到的大尺寸喷射火的火焰抬升高度预测比较准确，而火焰高度的数值模拟预测结果偏大，相对误差均在11．8％～13．9％之间，但总体上数值模拟方法得到的火焰尺寸基本达到预测要求。2）相比实验结果，数值模拟得到喷射火的火焰中心线最高温度偏高，但其分布规律与实验结果基本一致，各实验的平均相对误差在9．1％～11．2％之间；数值模拟得到的火焰周围的热辐射分布规律都与实验结果相符，各实验的平均相对误差也基本在15％以内，因此，基于FLUENT数值模拟方法预测大尺寸喷射火特性的准确性符合工程实用要求，该方法可为喷射火产生的事故后果评价提供参考。3）选用EDC模型为气相燃烧模型，通过加载详细化学反应机理，可以有效模拟大尺寸喷射火稳态燃烧过程，在火焰温度预测方面具有较高的准确度；而在辐射模型选取方面，选用P1模型与选用DO模型都可以较为准确地预测到火焰产生的热辐射值，在模拟结果准确度方面P1模型略优于DO模型。
作者：陈国华周志航黄庭枫单位：华南理工大学安全科学与工程研究所