[发明专利]一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法

权利要求书

1.一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、模型的建立，气体泄爆过程是快速燃烧反应的过程，满足质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学组分平衡方程，由此基础上建立基本模型；

S2、计算区域及条件设定，对气体爆炸实验进行数值模拟，分别进行单个泄爆口泄爆和两个泄爆口泄爆；

S3、模拟结果及分析，数值模拟结果与气体爆炸试验数据进行比较；

S4、得出结论：1)泄爆口的位置对管道中氢气空气混合物的爆燃转爆轰过程有重要影响，当泄爆口位于管道中部时，能有效降低管道内的爆轰超压，对管道起到一定保护作用；2)位于管道中部的单个泄爆口泄爆，能降低管道内的爆轰超压，延后爆轰发生的位置；位于管道中部的两个泄爆口泄爆能使爆轰衰减为爆燃，对管道后部分起到保护作用；泄爆过程增大了燃烧火焰的面积，燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流，燃烧速度得到了极大地加速。

2.根据权利要求1所述的一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中的基本模型包括湍流模型、燃烧模型和物理模型，其中：

湍流模型中的标准k－ε模型的湍动能k和耗散率ε方程表示为

式中：G_k是由平均速度梯度产生的湍动能；G_b是由浮力产生的湍动能；Y_m是可压缩湍流脉动膨胀所贡献的耗散速率；C_1g，C_2g和C_3g是常数；σ_k和σ_ε分别是k，ε的湍流普朗特数。通常取C_1g＝1.44，C_2g＝1.92，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3；

燃烧过程常常涉及众多的化学组分和一系列的基元反应机理，同时也受湍流流动和化学反应之间的强烈耦合作用影响，PDF方法能够精确模拟详细的化学动力学过程，PDF输运方程由Navier-Stokes方程推导出：

式中：p是Favre联合PDF的组分；ρ是平均流体密度；u_i是Favre平均流体矢量；S_k表示组分k的反应速率；ψ是空间矢量；u″i是流体速度波动矢量；Ji，k是分子扩散通量矢量，方程的左边闭合，方程右边两项未封闭，分别因湍流对流标量和分子混合而改变；

物理模型主要模拟对象是化学当量比初始温度和初始压力分别T₀＝298.15K，P₀＝101325Pa的氢气-空气预混气体在有单个障碍物存在的圆管中的爆炸传播情况。

3.根据权利要求2所述的一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法，其特征在于，所述气体爆炸实验模拟操作可以是将球型容器及泄爆导管简化为轴对称模型,球形泄爆容器内径为350mm；泄爆导管内径为50mm，长165mm；外部空间直径设为400mm，长660mm；容器内充满按照化学计量比混合的甲烷和空气，容器外为空气；假设容器中心遇到点火源发生爆炸，点火温度为2000K，点火瞬间点火区10％的燃料被消耗。

4.根据权利要求2所述的一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法，其特征在于，所述气体爆炸实验模拟操作也可以是采用爆炸容器为长4m、内径为0.106m的封闭圆管，一端点火，距点火端1m的地方有阻塞比为0.92、内径开口0.03m的环形障碍物，在管道上障碍物后每隔0.5m设置1个压力传感器来监测压力变化，物理模型的建立与实验装置完全一致。

5.根据权利要求1所述的一种燃气管道泄爆过程中的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中单个泄爆口泄爆中泄爆口的位置分别为距离点火端0.4，1.6，2.0m，密闭管道无泄爆时，在距点火端约1.5m处爆燃转为爆轰，受单个泄爆口的泄放面积和泄放速率的限制，未能阻止爆轰的发生，同时由于泄爆口的存在，增加了管道内气体的扰动，产生湍流，增加火焰有效面积。