球形密闭容器内可燃气体爆炸过程的数值模拟

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密闭容器内可燃气体爆炸会造成巨大的经济损失和人员伤亡,因此研究其爆炸过程有助于为进一步提出可行的防爆、抑爆措施提供依据。 在各种研究方法中,实验研究由于受到场地条件、测试手段以及经费的限制而不能得到普遍的规律;对于爆炸过程的发展规律理论求解亦较困难;而随着计算机的发展,数值模拟成为研究密闭容器内可燃气体爆炸发展规律的主要手段之一。 本文主要工作如下: (1)从流体力学和化学反应动力学出发,推导了描述球形密闭容器内可燃气体爆炸过程的控制方程,并进行了合理的简化;利用Bakke-Hjergater燃烧模型来模拟能量的加入过程,通过改进的SIMPLE算法来处理压力—速度耦合过程,对时间项采用隐式格式,对流项采用一阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式的方法,编制了计算程序,对球形密闭容器内可燃气体的爆炸过程进行了数值模拟。 (2)在研究可燃气体爆炸过程的基础上,通过修改程序中的初、边界条件,对球形密闭容器内气云的爆炸过程进行了数值模拟。 (3)本文借助MATLAB语言进行图形用户界面设计,建立了数值模拟设计系统。此系统提供了多种可燃气体物性参数的子模块,用户可随时调用亦可通过自定义添加其它种类的可燃气体物性参数来模拟其爆炸过程。对于该设计系统,用户只需根据界面的提示输入设计参数,就可对不同种类、不同初始条件(如温度、压力、浓度等)的可燃气体(或气云)的爆炸过程进行数值模拟,操作方便。 经本文程序计算得到如下结论: (1)对于球形密闭容器内可燃气体的爆炸过程,压力、速度、密度、温度、浓度等流场参数均随时间、空间而发生变化。计算结果表明:最大爆炸压力与初始压力成正比;燃料活性越高,爆炸压力和最大压力上升速率就越大,其破坏性也就越强;容器的容积越大,最大压力上升速率就越小;容器的容积对最大爆炸压力没有影响。 (2)对于球形密闭容器,当容器容积小于60m~3时最大压力上升速率与容器容积基本满足“三次方定律”,K_G可近似为常数,不同容积之间K_G差别小于10%;但是总体上K_G是随着容积增大而增大的。 (3)对于球形密闭容器内气云的爆炸过程,压力、速度、密度、温度、浓度等流场参数均随时间、空间而发生变化。计算结果表明,初始压力越大,最大爆炸压力就越大,二者成正比关系;在相同容积的密闭容器内,气云爆炸比容器内充满可燃气体爆炸时的威力要小得多,气云半径越大,最大爆炸压力就越大。 (4)通过文献中的实验数据对数值模拟结果进行考核。结果表明,二者偏差在10%以内。因此,本文建立的数值计算模型可以用来模拟球形密闭容器内可燃气体(或气云)的爆炸发展过程。
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