Одномерная гидравлическая модель горения в преградах

Введение. Вопрос влияния конфигурации загроможденного пространства на динамику развития аварийного взрыва, в частности на интенсивность ускорения пламени, исследуется достаточно давно. Во многих работах экспериментальными и численными методами рассматривается горение в преградах при их различном количестве, взаимном расположении, геометрических формах и других параметрах. Тем не менее в большинстве случаев рассматриваются преграды, расположенные упорядоченно, периодически. При этом взрывы газовых облаков могут происходить в условиях, где преграды, представленные строительными конструкциями и технологическим оборудованием, расположены неорганизованно.

Цель. Смоделировать процесс горения в массиве расположенных произвольно преград с учетом конкретных параметров загроможденного пространства (количества преград nx, их среднего размера d, блокирующего отношения BO и объемной загроможденности θ) с помощью разрабатываемой гидравлической модели развития взрыва.

Метод исследования. Решается задача о горении в закрытой с одного конца трубе заданных геометрических параметров. Приведены выражения для расчета параметров загроможденного пространства, а также принцип, в соответствии с которым данные параметры интегрированы в гидравлическую модель.

Описание физической модели. Представлена система основных дифференциальных и алгебраических уравнений разрабатываемой модели.

Результаты и их обсуждение. Получены зависимости видимой скорости пламени (Xf)’ от величины пройденного пламенем пути Xf. Расчет проводился для преград с размером d = 1–4 см при разных θ (0,1–0,25) и BO (0,09–0,37), величины которых регулировались изменением nx.

Выводы. С ростом d или nx пламя в загроможденном преградами пространстве ускоряется сильнее. Рост BO, как и θ, ведет к увеличению скорости потока газа перед фронтом пламени и эффективной скорости горения. А следовательно, и к более интенсивному ускорению пламени. Полученные результаты позволяют проводить верификацию модели с помощью экспериментальных данных и улучшать ее в дальнейшем.

1. Bradley D., Chamberlain G.A., Drysdale D.D. Large vapour cloud explosions, with particular reference to that at Buncefield // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2012. Vol. 370. Pp. 544–566. DOI: 10.1098/rsta.2011.0419

2. Strehlow R.A. Unconfined vapour-cloud explosions : an overview // 14th Syrup. (Int.) on Combustion. The Combustion Institute. 1973. Pp. 1189–1200. DOI: 10.1016/S0082-0784(73)80107-9

3. Chamberlain G., Oran E., Pekalski A. Detonations in industrial vapour cloud explosions // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103918

4. Moen I.O., Donato M., Knystautas R., Lee J.H. Flame acceleration due to turbulence produced by obstacles // Combustion and Flame. 1980. Vol. 3. Issue 1. Pp. 21–32. DOI: 10.1016/0010-2180(80)90003-6

5. Moen I.O., Donato M., Knystautas R., Lee J.H., Wagner H.Gg. Turbulent flame propagation and acceleration in the presence of obstacles // Prog. Astronautics and Aeronautics. 1981. Vol. 75. Pp. 33–47.

6. Chan C., Moen I.O., Lee J.H.S. Influence of confinement on flame acceleration due to repeated obstacles // Combustion and Flame. 1983. Vol. 49. Issues 1–3. Pp. 27–39. DOI: 10.1016/0010-2180(83)90148-7

7. Teodorczyk A., Lee J.H.S., Knystautas R. The structure of fast turbulent flames in very rough, obstacle-filled channels // Symposium (International) on Combustion. 1991. Vol. 23. Issue 1. Pp. 735–741. DOI: 10.1016/S0082-0784(06)80324-3

8. Li R., Luo Zh., Cheng F., Wang T., Lin H., Liu H. A comparative investigation of premixed flame propagating of combustible gases-methane mixtures across an obstructed closed tube // Fuel. 2021. Vol. 289. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119766

9. Xing H., Qiu Ya., Sun S., Wang M., Li B., Xie L. Experimental study of overpressure and temperature field behaviors of a methane-air mixture with different ignition positions, solid structure obstacles and initial turbulence levels // Fuel. 2020. Vol. 287. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119446

10. Yakush S., Semenov O., Alexeev M. Premixed propane — air flame propagation in a narrow channel with obstacles // Energies. 2023. Vol. 16. Issue 3. Р. 1516. DOI: 10.3390/en16031516. EDN KLWHDW.

11. Du Ya., Li G., Wang Sh., Qi Sh., Li Ya., Wang B. Effects of obstacle number on characteristics of vented gasoline-air mixture explosions // CIESC Journal. 2017. Vol. 68. Issue 7. Pp. 2946–2955. URL: https://hgxb.cip.com.cn/EN/10.11949/j.issn.0438-1157.20161612

12. Gubba S.R., Ibrahim S.S., Malalasekera W., Masri A.R. LES Modeling of premixed deflagrating flames in a small-scale vented explosion chamber with a series of solid obstructions // Combustion Science and Technology. 2008. Vol. 180. Issues 10–11. Pp. 1936–1955. DOI: 10.1080/00102200802261852

13. Gamezo V.N., Ogawa T., Oran E.S. Flame acceleration and DDT in channels with obstacles: Effect of obstacle spacing // Combustion and Flame. 2008. Vol. 155. Issues 1–2. Pp. 302–315. DOI: 10.1016/j.combustflame.2008.06.004

14. Elshimy M., Ibrahim S., Malalasekera W. LES — DFSD modelling of vented hydrogen explosions in a small-scale combustion chamber // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. Vol. 72. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104580

15. Li J., Hao H., Shi Ya., Fang Q., Li Zh., Chen L. Experimental and computational Fluid Dynamics study of separation gap effect on gas explosion mitigation for methane storage tanks // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018. Vol. 55. Pp. 359–380. DOI: 10.1016/j.jlp.2018.07.008

16. Горев В.А., Мирошников С.Н. Ускоряющееся горение в газовых объемах // Химическая физика. 1982. № 6. С. 854–858.

17. Dörge K.J., Pangritz D., Wagner H.Gg. Experiments on velocity augmentation of spherical flames by grids // Acta Astroanautica. 1976. Vol. 3. Issues 11–12. Pp. 1067–1076. DOI: 10.1016/0094-5765(76)90013-8

18. Na’inna A.M., Phylaktou H.N., Andrews G.E. The acceleration of flames in tube explosions with two obstacles as a function of the obstacle separation distance // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2013. Vol. 26. Issue 6. Pp. 1597–1603. DOI: 10.1016/j.jlp.2013.08.003

19. Na’inna A.M., Somuano G.B., Phylaktou H.N., Andrews G.E. Flame acceleration in tube explosions with up to three flat-bar obstacles with variable obstacle separation distance // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015. Vol. 38. Pp. 119–124. DOI: 10.1016/j.jlp.2015.08.009

20. Li G., Du Ya., Liang J., Wang Sh., Wang B., Qi Sh. Characteristics of gasoline — air mixture explosions with different obstacle configurations // Journal of the Energy Institute. 2017. Vol. 91. Issue 2. Pp. 194–202. DOI: 10.1016/j.joei.2017.01.001

21. Na’inna A.M., Phylaktou H.N., Andrews G.E. Acceleration of flames in tube explosions with two obstacles as a function of the obstacle separation distance: the influence of mixture reactivity // Proc. of the Seventh International Seminar on Fire & Explosion Hazards (ISFEH7). 2013. Pp. 627–636. DOI: 10.3850/978-981-07-5936-0_10-02

22. Masri A.R., Ibrahim S.S., Nehzat N., Green A.R. Experimental study of premixed flame propagation over various solid obstructions // Experimental Thermal and Fluid Science. 2000. Vol. 21. Issues 1–3. Pp. 109–116. DOI: 10.1016/S0894-1777(99)00060-6

23. Xiao G., Wang Sh., Mi H., Khan F. Analysis of obstacle shape on gas explosion characteristics // Process Safety and Environmental Protection. 2022. Vol. 161. Pp. 78–87. DOI: 10.1016/j.psep.2022.03.019

24. Xiao H., Oran E.S. Flame acceleration and deflagration-to-detonation transition in hydrogen-air mixture in a channel with an array of obstacles of different shapes // Combustion and Flame. 2020. Vol. 220. Pp. 378–393. DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.07.013

25. Горев В.А., Федотов В.Н. Экспериментальное изучение влияния загроможденности пространства на скорость горения газов // Физика горения и взрыва. 1986. № 6 (22). С. 79–83.

26. Чида В.К. Экспериментальное исследование структуры течения и характеристик пламени в потоке с двухрядной системой препятствий // Физика горения и взрыва. 2021. № 3 (57). С. 34–48. DOI: 10.15372/FGV20210303

27. Feng X., Zhang H., Si F., Dou J., Li M., Wu L., et al. Suppression characteristics of multi-layer metal wire mesh on premixed methane-air flame propagation // Front. Mater. 2023. Vol. 10. DOI: 10.3389/fmats.2023.1107133

28. Huang J., Gao X., Wang Ch. Flame acceleration and deflagration-to-detonation transition in narrow channels with thin obstacles // Modern Physics Letters B. 2018. Vol. 32. Issue 29. DOI: 10.1142/S0217984918503542

29. Lu X., Kaplan C.R., Oran E.S. Predictions of flame acceleration, transition to detonation, and detonation propagation using the Chemical-Diffusive Model // Combustion and Flame. 2022. Vol. 235. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111705

30. Wang J., Zhao X., Fan L., Pan J., Zhu Yu. Effects of the quantity and arrangement of reactive jet obstacles on flame acceleration and transition to detonation : a numerical study // Aerospace Science and Technology. 2023. Vol. 137. DOI: 10.1016/j.ast.2023.108269

31. Phylaktou H., Andrews G.E. The acceleration of flame propagation in a tube by an obstacle // Combustion and Flame. 1991. Vol. 85. Issues 3–4. Pp. 363–379. DOI: 10.1016/0010-2180(91)90140-7

32. Bradley D. How fast can we burn? // Symposium (International) on Combustion. 1992. Vol. 24. Issue 1. Pp. 247–262. DOI: 10.1016/S0082-0784(06)80034-2