溫小健，李 敏，許幼幼,，劉松林，羅廣南

(1. 中國科學技術大學核科學技術學院，合肥，230026；2. 中國科學院等離子體物理研究所，合肥，230031)

有障礙物半開口管道內氫氣燃燒數值模擬研究

溫小健1，李 敏2*，許幼幼1,2，劉松林2，羅廣南2

(1. 中國科學技術大學核科學技術學院，合肥，230026；2. 中國科學院等離子體物理研究所，合肥，230031)

基于有障礙物氫氣燃燒實驗裝置進行數值模擬研究，采用Fluent軟件分析了半開口管道內障礙物對氫氣/空氣燃燒特性的影響。結果表明：障礙物會促進實驗管段內氫氣火焰加速，隨著障礙物阻塞率和數量的增加，火焰加速更快且燃燒壓力峰值更大；在相同阻塞率下，障礙物形狀對氫氣火焰速度和燃燒壓力峰值的影響很小；燃燒壓力隨障礙物間距的增大先增大后減小，障礙物間距為3倍管道內徑時產生的燃燒壓力峰值最大。

氫氣；燃燒；障礙物；火焰速度；燃燒壓力

0 引言

核電站在發(fā)生嚴重事故時將產生大量氫氣，氫氣在安全殼內聚集到一定濃度可能發(fā)生燃燒甚至爆炸，嚴重威脅安全殼的結構完整性，可能導致放射性物質釋放到環(huán)境中[1,2]。2011年日本福島核事故證明了核電站在嚴重事故下氫氣燃爆會導致嚴重后果[3]。為了達到核電主管部門提出的力爭實現從設計上實際消除大量放射性物質釋放可能性的目標，需要對我國自主知識產權的大型先進壓水堆CAP1400氫氣安全相關技術進行優(yōu)化[4,5]。為了進一步增強氫氣控制系統(tǒng)緩解氫氣風險的有效性和分析方法的多樣性，有進一步開展氫氣三維分析并開發(fā)適用于氫氣三維分析的有障礙物氫氣燃燒分析模型的需求。為了給有障礙物氫氣燃燒分析模型的開發(fā)提供數據支持，將建立有障礙物氫氣燃燒實驗裝置，通過實驗與數值模擬相結合的方法進行半封閉空間有障礙物氫氣燃燒特性的研究。

目前國內外研究障礙物對氣體燃燒的影響開展了大量的工作。Chapman和Wheeler[6]于1926年率先研究了甲烷燃燒火焰在內置障礙物管道內的傳播過程，初步揭示了障礙物作用下的火焰加速過程。Ibrahim和Mosri[7]研究了平板和圓柱形等結構障礙物對石油氣燃燒超壓的影響，研究得出平板障礙物導致的燃燒超壓最大。Porowski和Teodorczyk[8]以及Gaathaug等[9]研究了障礙物結構對氫氣燃燒爆燃轉爆轟的影響。Hall等[10]研究了點火距離對障礙物管道中甲烷燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝旱挠绊?。范等[11]研究了封閉方管內多重擋板對甲烷燃燒的影響，闡述了障礙物會引起湍流從而促進火焰加速的過程機理。余等[12]在半封閉腔體內研究了交錯障礙物對瓦斯爆炸的影響，并與平行障礙物下的情況進行了比較。丁等[13]研究了長方體、正四棱柱和圓柱結構障礙物對管道內預混火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝旱挠绊?。上述工作內容大部分研究的是障礙物對甲烷氣體燃燒的影響，且主要集中在密閉置障管道系統(tǒng)下的研究，而對于具有壓水堆障礙物(管道、設備、墻體等)特點的半封閉空間有障礙物氫氣燃燒研究較少。

基于氫氣燃燒實驗裝置初步設計，本文采用Fluent軟件模擬分析了半開口管道內障礙物結構對氫氣燃燒特性的影響。首先對數值模型進行了有效性驗證，在此基礎上比較分析了氫氣在有/無障礙物下的燃燒過程，最后具體分析了障礙物阻塞率、數量、形狀和間距對氫氣燃燒速度和燃燒壓力的影響。

1 實驗裝置

如圖1所示，有障礙物氫氣燃燒實驗裝置含有安全罐、實驗管段、氣體供應系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、加熱保溫裝置、噴淋系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、點火器和高速攝像機。實驗管段安裝在安全罐內，且內部設有障礙物。氣體供應系統(tǒng)將氫氣、空氣和水蒸氣預先混合均勻后充入實驗管段進行燃燒實驗，安全罐內的廢氣通過排氣系統(tǒng)排出，加熱保溫裝置控制初始氣體溫度，噴淋系統(tǒng)為安全罐內氫氣燃燒實驗提供噴淋水環(huán)境，高速攝像機用于捕捉氫氣燃燒火焰?zhèn)鞑バ袨?，利用數據采集系統(tǒng)采集實驗數據，將實驗數據發(fā)送給控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)在線監(jiān)測、控制實驗裝置各設備和子系統(tǒng)。

本文主要通過數值模擬的方法研究實驗管段內的氫氣燃燒現象以指導裝置設計與實驗。實驗管段一端封閉，一端開口，點火位置位于封閉一端中心區(qū)域。實驗管段內安裝有不同結構的障礙物，根據不同實驗要求，可對障礙物數量、阻塞率、形狀和間距進行改變。

圖1 有障礙物氫氣燃燒實驗裝置構成圖Fig.1 Experiment device of hydrogen combustion in obstacles

2 數值模擬

2.1 模型介紹

圖2所示為內置5個圓形障礙物的實驗管段結構示意圖。實驗管段長度L為1620 mm，內徑D為180 mm，障礙物沿軸向布置，阻塞率為0.5，第1個障礙物距離實驗管段封閉端270 mm，障礙物間距為270 mm。為研究障礙物不同參數對氫氣燃燒的影響，將基于圖2所示實驗管段進行結構變化，障礙物阻塞率BR=0.3～0.8，數量N=1個～5個，形狀包括圓形和環(huán)形，間距W=0.5 D～5 D。在數值模擬中，根據實驗管段的結構尺寸建立二維幾何模型，由于氫氣燃燒持續(xù)時間短，不考慮氫氣快速燃燒過程中氣體的重力作用。

圖2 實驗管段結構示意圖Fig.2 Schematic of the experimental pipe

2.2 網格尺寸的確定

采用結構化網格劃分方法對計算區(qū)域進行網格劃分，網格均為四邊形，為了保證模型計算的準確性，在進行數值模擬計算時，首先對網格獨立性進行驗證。分別采用6種網格尺寸(3 mm、4 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm)對模型進行網格劃分，計算結果如圖3所示，當網格尺寸減小到5 mm以下時，網格大小對計算結果影響較小。因此，為了縮短計算時間，本文采用5 mm網格劃分尺度開展以下數值模擬研究。

圖3 網格獨立性驗證Fig.3 Validation of grid independence

2.3 燃燒模型的選擇

有障礙物氫氣燃燒是一種湍流擴散燃燒，燃燒過程較為復雜，常見的湍流燃燒模型有旋渦破碎(EBU)模型、EBU-Arrhenius模型、層流小火焰模型、渦耗散概念燃燒(EDC)模型、條件矩封閉(CMC)模型、直接數值模擬(DNS)、概率密度輸運方程PDF等[14]。

為了詳細考慮氫氣燃燒化學反應動力學特征，本文將引入詳細的氫氣反應機理進行湍流燃燒數值模擬，因此需要選擇一種能耦合反應機理的燃燒模型。EBU模型是一種建立在快速化學反應基礎上的模型，假設化學反應的平均速度與化學動力學無關，無法考慮多步化學反應；EBU-Arrhenius模型一般適用于單步或雙步反應，模擬多步化學反應時可能會出現不正確的結果；層流小火焰模型和CMC模型都可以考慮化學反應機理，但模型比較復雜，計算量大；DNS模型與PDF模型由于計算量巨大，一般用于簡單燃燒環(huán)境的模擬[15]；EDC模型是渦耗散模型的擴展，假設化學反應都發(fā)生在小渦中，反應時間由小渦生存時間和化學反應所需時間共同控制，在湍流流動中可有效耦合詳細的化學反應機理，較準確的反映出湍流化學的作用，并且計算量適中，已得到較好的驗證和應用[15,16]，因此，本文將采用EDC燃燒模型。湍流模型選用目前廣泛使用的k-ε湍流雙方程模型，并用Chemkin導入氫氣詳細化學反應機理[17]，該機理包含9種組分、19步基元反應。

2.4 初始條件與邊界

在初始時刻，實驗管段內充滿靜止的氫氣/空氣均勻混合氣體，其中氫氣體積分數為20%。氫氣的質量分數為0.0169，氧氣的質量分數為0.2278，氮氣的質量分數為0.7553。初始溫度與初始壓力分別為300 K和0.1 MPa。點火位置位于左端壁面中心，給標記區(qū)域瞬時高溫2000 K點燃氣體。由于氫氣燃燒反應持續(xù)時間很短，燃燒過程中壁面熱量損失較少，因此壁面采用絕熱邊界條件。實驗管段的出口設為壓力出口。

2.5 模型有效性驗證

采用上述數值模擬方法對文獻[18]中不同濃度氫氣燃燒實驗進行數值模擬，模擬結果與文獻實驗結果對比如表1所示，不同氫氣濃度的預混氣體燃燒產生的最大壓力與實驗值接近，最大誤差不超過8.5%。對于10% H2體積濃度的燃燒模擬，火焰鋒面位置隨時間的變化趨勢與實驗結果基本一致，如圖4所示。由此說明本文所采用的氫氣燃燒模型具有較好的準確性。

表1 最大壓力的模擬結果與文獻[18]實驗結果對比

圖4 火焰鋒面位置隨時間變化Fig.4 Comparison of time history of flame front location

3 結果與分析

3.1 火焰?zhèn)鞑ミ^程

圖5中(a)與(b)分別顯示了氫氣在無障礙物管道和有障礙物管道內的燃燒傳播過程，其中圖5(b)的管道內等間距布置有5個圓形障礙物。氣體被點燃后火焰面呈橢圓形向管道開口端傳播。在火焰?zhèn)鞑デ?0 ms內，火焰在有障礙物和無障礙物情況下的傳播過程基本一致，傳播速度都較為緩慢，呈層流燃燒狀態(tài)，速度約為7 m/s。當火焰遇到第一個障礙物后，火焰?zhèn)鞑コ霈F明顯變化，由于受到障礙物擾動影響，火焰加速從障礙物與管壁之間的空隙穿過，此時燃燒狀態(tài)為湍流燃燒，在63 ms時火焰接近出口位置，速度達到200 m/s。

而在無障礙物管道內，火焰?zhèn)鞑ハ鄬徛鹧鎮(zhèn)鞑?0 ms時火焰鋒面只到管長的四分之一位置，火焰?zhèn)鞑?00 ms后，火焰鋒面呈郁金香形，直至出口位置，最終火焰?zhèn)鞑チ?80 ms才到達出口位置，此時的火焰速度為2 m/s。加入障礙物后，火焰到達出口的速度約為無障礙物時火焰速度的100倍，到達出口的時間約為無障礙物時所需時間的十分之一。由此可見，障礙物對火焰加速起到了明顯的促進作用。

圖5 管道內火焰?zhèn)鞑ミ^程Fig.5 Flame propagation process in tube

3.2 障礙物阻塞率的影響

基于圖2所示實驗管段結構，改變障礙物尺寸研究阻塞率對氫氣燃燒的影響。如圖6所示，隨著障礙物阻塞率的增加，火焰到達出口位置所需的時間逐漸減少。當阻塞率為0.3時，火焰到達出口所需時間為77 ms，火焰最大速度為130 m/s；當阻塞率為0.8時，火焰到達出口所需時間降至57 ms，火焰最大速度接近200 m/s。

圖6 火焰鋒面位置隨障礙物阻塞率BR的變化Fig.6 Flame front location variation with the blockage ratio of obstacles

圖7 燃燒壓力隨障礙物阻塞率BR的變化Fig.7 Combustion pressure variation with the blockage ratio of obstacles

從圖7可看出，燃燒壓力峰值隨障礙物阻塞率的增加不斷增大，壓力峰值出現的時間也不斷提前。阻塞率為0.3時壓力峰值接近50 kPa。當阻塞率從0.7增加到0.8時，障礙物周圍間隙產生較大壓力梯度，出現了類似于激波管的高速射流，產生大幅度燃燒壓力躍升，壓力峰值增加到220 kPa。

3.3 障礙物數量的影響

從實驗管段封閉端依次保留1～5個障礙物，研究障礙物數量對氫氣燃燒的影響。如圖8所示，在不同障礙物數量下氫氣火焰在實驗管段內的傳播均呈加速趨勢。氫氣剛被點燃后，火焰鋒面位置隨時間變化情況基本一致，并且火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^緩慢，當火焰鋒面到達第1個障礙物之后火焰開始加速，此時對應氫氣燃燒時間約為40 ms。當障礙物數量增加到2個或3個時，火焰鋒面到達實驗管段出口處所需的時間逐漸減小，僅布置1個障礙物時，火焰燃燒時間約為80 ms，對于3個障礙物燃燒時間減少到63 ms。當障礙物數量大于3個時，障礙物數量的增加對火焰加速的促進作用不明顯。

圖8 火焰鋒面位置隨障礙物數量N的變化Fig.8 Flame front location as a function of the number of obstacles

如圖9所示，燃燒壓力隨著時間的推移先增大后減小，最后由于燃燒能量不斷地向大氣擴散，壓力逐漸降低至大氣壓。隨著障礙物數量的增加，火焰加速的次數增多，燃燒越劇烈，相應的燃燒產生的最大壓力也不斷增大，但增幅逐漸減小。當障礙物數量為5個時的燃燒最大壓力為85 kPa，約為障礙物數量為1時產生最大燃燒壓力的7倍。

圖9 燃燒壓力隨障礙物數量N的變化Fig.9 Combustion pressure variation with the number of obstacles

3.4 障礙物形狀的影響

采用阻塞率相同的圓形和環(huán)形障礙物研究障礙物形狀對氫氣燃燒的影響。如圖10和圖11所示，在圓形和環(huán)形障礙物下，火焰鋒面位置及燃燒壓力隨時間的變化趨勢基本一致。在兩種障礙物下，火焰幾乎同時到達出口位置，最大速度達到200 m/s。燃燒產生的最大壓力值很接近，約為85 kPa，出現在65 ms左右。由此可以看出，阻塞率相同時障礙物形狀對火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懞苄　?/p>

圖10 火焰鋒面位置隨障礙物形狀的變化 Fig.10 Flame front location variation with the shape of obstacles

圖11 燃燒壓力隨障礙物形狀的變化 Fig.11 Combustion pressure variation with the shape of obstacles

3.5 障礙物間距的影響

在實驗管段內設置2個障礙物，靠近封閉端的第1個障礙物位置固定不變，通過改變第2個障礙物與第1個障礙物之間的間距來研究障礙物間距對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀系K物之間的間距在0.5 D～5 D范圍內變化。如圖12所示，火焰鋒面到達出口處所需的時間隨障礙物間距的增大先減少后增加，相應的火焰速度先增大后減小。障礙物間距為2 D時所需時間最少，為67 ms，最大速度接近120 m/s，而間距為0.5 D和5 D時所需的時間分別為80 ms和73 ms。

從圖13可以看出，隨著障礙物間距的增大，燃燒產生的壓力峰值先增大后減小，間距為3 D時燃燒壓力最大，達到55 kPa。隨著障礙物間距的增大，火焰獲得第二次加速的時間延后，因此出現壓力峰值的時間更晚。

圖12 火焰鋒面位置隨障礙物間距W的變化Fig.12 Flame front location variation with the distance between obstacles

圖13 燃燒壓力隨障礙物間距W的變化Fig.13 Combustion pressure variation with the distance between obstacles

4 結論

本文針對有障礙物氫氣燃燒實驗裝置半開口實驗管段內氫氣燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了初步模擬，分析了圓形和環(huán)形障礙物阻塞率、數量、形狀和間距對氫氣燃燒火焰?zhèn)鞑ズ腿紵龎毫Φ挠绊?。結果表明，相比于無障礙物情況，障礙物會促進實驗管段內氫氣火焰加速，隨著障礙物阻塞率和數量的增加，火焰加速越快且燃燒壓力峰值越大；當障礙物間距適中時，氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，燃燒壓力峰值最大；當障礙物阻塞率相同時，圓形和環(huán)形障礙物對氫氣火焰速度和燃燒壓力峰值的影響很小。本文工作的方法、結果可為后續(xù)核電站事故條件下高溫水蒸氣與氫氣混合物的燃燒模擬和實驗方案的制定提供參考。此外，反應堆安全殼真實空間中的障礙物由管道、設備、墻體等組成，障礙物形狀遠比本文中的障礙物復雜，需深入開展不同形狀障礙物的氫氣燃燒分析，進一步抽象出合理的反應堆安全殼內的障礙物模型。

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Numerical study on hydrogen combustion in a semiconfined pipe with obstacles

WEN Xiaojian1， LI Min2， XU Youyou1,2， LIU Songlin2， LUO Guangnan2

(1.School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Numerical study on hydrogen combustion in a space with obstacles was carried out based on the experiment facility of hydrogen combustion. The influence of obstacles on the combustion characteristic of hydrogen/air in a semiconfined pipe was conducted using Fluent software. The results indicated that obstacle can promote the acceleration of flame speed in the pipe. The propagation speed of the flame and the maximum combustion pressure increased with the increasing of the blockage ratio and the number of obstacles. Obstacle shape has little influence on the propagation speed and the maximum combustion pressure under the same blockage ratio of obstacle. Combustion pressure increases and then decreases with the increasing of spacing between obstacles. The peak combustion pressure is largest when the spacing of obstacles is three times of the inner diameter of the pipe.

Hydrogen; Combustion; Obstacle; Flame speed; Combustion pressure

2016-11-13；修改日期：2017-02-27

國家科技重大專項(2015ZX06004003-003)；中國博士后科學基金(2016M592074)

溫小健(1992-)，男，中國科學技術大學核科學技術學院，碩士研究生，研究方向反應堆氫氣安全優(yōu)化。

李敏，E-mail：limin@ipp.ac.cn

1004-5309(2017)-00061-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.01

X932；X946

A