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《天然氣工業雜志》2014年第八期

1大尺寸噴射火實驗數據

為了量化評估不同噴水方法對天然氣井口噴射火的滅火效果，Pfenning于1984年開展了一系列火源功率分別高達100MW和200MW的大尺寸噴射火實驗，得到了噴射火的火焰溫度分布和熱輻射分布的實驗數據。1985年1月美國標準局了該實驗報告［8］。筆者通過分析該實驗報告，結合本文參考文獻［9］，整理得到大尺寸噴射火的有效實驗數據。實驗中噴射火燃料為天然氣，其中甲烷的摩爾質量百分數為96．35％。實驗中噴口的中心面上布置了20個熱電偶，火焰周圍布置5個熱輻射計，實驗布置示意圖如圖1所示，實驗工況與實驗結果數據見表1、2．關于有效實驗數據的整理，本文在此作以下3點說明。1）根據文獻介紹，實驗1～3受風的影響，火焰偏斜較大，導致熱電偶采集到的溫度數據明顯偏低，同時，熱輻射計R1、R2和R3總共出現4次采集故障，導致4個熱輻射數據無效，而實驗4～7受風速影響較小。因此，筆者在此只整理實驗4～7的實驗數據。2）由于該實驗在噴射火穩定之后開啟了噴水系統，而本文只研究無噴水作用下的噴射火，故本文只整理在噴水系統開啟之前、天然氣被點燃后12～40s之間的穩定狀態下的噴射火實驗數據。3）為了減少天氣狀況對實驗數據的影響，本文選取各實驗的天氣狀況基本穩定的連續4～8s之間實測數據作為該實驗工況下的有效樣本數據，通過對樣本數據進行平均計算，得到每個實驗的有效實驗數據。

2大尺寸噴射火幾何尺寸計算

噴射火的火焰幾何特征與噴射火對周圍設備產生火焰沖擊進而引發多米諾效應事故的可能性緊密相關，國內外研究人員對噴射火幾何尺寸的預測進行了大量的實驗與理論研究。但這些研究成果基本都是以小尺寸噴射火或者亞聲速噴射火實驗為基礎，其對事故狀態下大尺寸聲速噴射火的適用性較差。為了能準確地預測大尺寸聲速噴射火的火焰尺寸，Palacios等［10］進行了火焰高度高達10m的一系列大尺寸天然氣噴射火實驗，研究結果表明聲速噴射火的無量綱火焰高度和抬升高度與弗勞德數無關，而與雷諾數相關。聲速噴射火的無量綱火焰高度和抬升高度的經驗公式如下。由于該實驗報告中缺乏噴射火火焰尺寸的數據，本文根據實驗報告中各實驗工況參數值，采用式（1）～（3）計算得到各實驗的火焰高度和抬升高度的預測值，具體計算結果見表3。

3數值模擬模型建立

3．1幾何模型建立與網格劃分整個計算域空間為長30m、寬30m和高60m的空間長方體，噴管高度是1．5m，噴口直徑分別為0．102m（實驗4～6）和0．076m（實驗7），用處理軟件GAMBIT建立幾何模型（如圖2所示）。由于在整個計算域空間中噴管體積非常小，因此從網格優化劃分的角度出發，在噴管周圍和上方分別添加一個圓柱體，用于輔助劃分網格，由內到外依次分塊劃分網格，實現整體網格的內密外疏，網格模型如圖3所示。所有三維網格單元均為六面體，網格數量在80萬左右，網格質量檢查顯示90％以上的網格單元的歪斜度在0．1以內，且均未超過0．5，網格質量較好。圖2幾何模型示意圖。

3．2邊界條件設定及相關模型的選擇長方體的上、右、前、后4個邊界面設置為壓力出圖3網格劃分圖口（pressure－outlet）；長方體的左邊界面為環境入風口，設置為速度入口（velocity－inlet）；地面和管壁設置為壁邊界（wall）；噴管出口設置為質量流入口（mass－flow－inlet）。各邊界條件中初始數值參照表1、表2中的各實驗工況設定。本文中燃燒模型選擇了渦耗散概念（EddyDissi－pationConcept，簡稱EDC）模型，該模型將多步化學動力學機理也考慮在內，通過加載詳細的化學反應機理，能有效模擬氣體燃燒過程。FLUENT中提供了5種輻射模型，根據其幫助文件中關于輻射模型的原理介紹、相關文獻及本文參考文獻［11］，綜合考慮各輻射模型的優勢與局限、光學深度、氣相燃燒特性等因素，分析得知適合于本文情況的輻射模型主要有P1模型和離散坐標（DO）模型。因此，本文分別選取了這兩種輻射模型進行數值模擬，對比模擬結果和實驗結果，分析了該數值模擬方法的實用性和各模型的適用性。

4數值模擬結果及實用性驗證分析

4．1火焰幾何尺寸模擬結果顯示在選取兩種不同輻射模型下火焰尺寸的模擬結果基本一致，故此處只分析了在P1模型下的幾何尺寸數值模擬結果。研究表明火焰邊緣溫度閾值約為800K，通過去掉800K以下的區域，得到火焰體積區域，提取火焰區域內中心面上的最高點和最低點坐標，得到火焰長度和抬升高度。數值模擬得到的各實驗的火焰區域中心面如圖4所示，模擬結果與經驗公式預測結果對比見表3。從表3可以看出，火焰抬升高度的數值模擬結果與經驗公式計算結果比較接近，相對誤差均在11．0％以內，平均相對誤差為10．0％，而火焰高度的數值模擬結果的相對誤差均在11．8％～13．9％以內，平均相對誤差為12．9％。因此，從工程實用角度分析，噴射火幾何尺寸的數值模擬結果基本達到預測要求。

4．2中心面溫度分布模擬結果顯示在選取兩種不同輻射模型下火焰中心面溫度的計算結果相差較小，故此處只分析了在P1模型下的火焰溫度數值模擬結果。數值模擬得到的各實驗火焰中心面的溫度分布如圖5所示。為了量化數值模擬結果的誤差大小，提取火焰面中心線溫度數據，對比各熱電偶所測得的結果，分析火焰中心線溫度預測的準確性及其分布規律。中心線溫度分布的數值模擬結果與實驗結果對比如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著中軸線高度增加，火焰中心線上溫度呈先增加后減少的趨勢，溫度最高出現在火焰中軸高度的55％～60％位置，這與實驗結果中火焰中心線溫度分布規律基本一致。實驗4～7的數值模擬得到火焰中心面溫度分布值均略高于實驗測得值，模擬得到中心線最高溫度分別是1851K、1789K、1770K和1753K，而實驗中各熱電偶測得最高溫度分別為1595．8K、1571．5K、1584．8K、1582．5K，但是考慮到實驗中實際最高溫度可能出現在熱電偶7與8之間或熱電偶8與12之間，而該階段沒有布置更多的熱電偶，故中心線最高溫度的數值模擬結果的相對誤差基本在15％以內。通過對比中心線上11個熱電偶處溫度的實驗測得值和數值模擬值，得到實驗4圖5各實驗的中心面溫度分布圖～7的數值模擬值平均相對誤差分別為9．1％、9．6％、10．3％和11．2％。因此，噴射火焰內部溫度的數值模擬結果與實驗結果能較好地吻合，驗證了基于EDC燃燒模型的數值模擬方法預測大尺寸噴射火的火焰溫度分布的實用性。

4．3熱輻射分布筆者通過提取數值模擬得到的各輻射計所在位置的輻射值，對比實驗數據，分析熱輻射模擬結果的準確性和各輻射模型的適用性。具體結果對比如圖7所示。從圖7中可以看出，各實驗的熱輻射分布的數值模擬結果與實驗結果比較接近，總體規律基本一致，即熱輻射值最大處都在熱輻射計R2處，且熱輻射值大小排序基本均為：R2＞R5＞R1＞R4＞R3。結合火焰溫度分布圖可知，熱輻射計R2離火焰溫度較高區域最近，故其受到的熱輻射強度最大。對比P1模型和DO模型下各輻射計所在位置的輻射值，可知DO模型下計算得到的熱輻射值比P1模型下要略大一些，兩者相差較小。通過對比熱輻射計測得的實驗數據，計算出在不同輻射模型下熱輻射值的數值模擬結果的平均相對誤差，其中實驗7中熱輻射計R2的測得數據為無效數據，不納入平均相對誤差計算中，各實驗的具體平均相對誤差見表3。從表3中數據可以看出，在實驗4和實驗5中P1模型和DO模型下的數值模擬結果的平均相對誤差在7．39％～11．83％之間，而在實驗6和實驗7中DO模型下的平均相對誤差偏大，但是考慮到實驗6和實驗7受前5次實驗中噴水系統的影響，導致火焰周圍空氣濕度增大，熱輻射計采集到的數據會有所降低，故其實際誤差會減小。因此，在P1模型和DO模型下數值模擬方法所得到熱輻射結果與實驗測得的結果都比較接近，都能很好地預測大尺寸噴射火對周圍產生的熱輻射強度。

5結論

1）對比火焰尺寸的經驗公式計算結果，基于FLUENT數值模擬方法得到的大尺寸噴射火的火焰抬升高度預測比較準確，而火焰高度的數值模擬預測結果偏大，相對誤差均在11．8％～13．9％之間，但總體上數值模擬方法得到的火焰尺寸基本達到預測要求。2）相比實驗結果，數值模擬得到噴射火的火焰中心線最高溫度偏高，但其分布規律與實驗結果基本一致，各實驗的平均相對誤差在9．1％～11．2％之間；數值模擬得到的火焰周圍的熱輻射分布規律都與實驗結果相符，各實驗的平均相對誤差也基本在15％以內，因此，基于FLUENT數值模擬方法預測大尺寸噴射火特性的準確性符合工程實用要求，該方法可為噴射火產生的事故后果評價提供參考。3）選用EDC模型為氣相燃燒模型，通過加載詳細化學反應機理，可以有效模擬大尺寸噴射火穩態燃燒過程，在火焰溫度預測方面具有較高的準確度；而在輻射模型選取方面，選用P1模型與選用DO模型都可以較為準確地預測到火焰產生的熱輻射值，在模擬結果準確度方面P1模型略優于DO模型。

作者：陳國華周志航黃庭楓單位：華南理工大學安全科學與工程研究所