密闭空间内H2爆炸及CO2、N2抑爆过程的数值模拟及实验研究

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氢能作为新型可再生、清洁能源的代表,对解决现今世界上的能源危机问题以及日益严重的环境危机问题都有着非常重大的现实意义,所以近些年针对氢气的应用也是越来越广泛,依赖度也越来越高。但氢气却有着4%-75%这样极宽的爆炸极限以及0.019m J这样极低的最小点火能量,这就使得氢气的使用是非常危险的。同时在氢气的开采、加工、输送、贮存和使用过程都不可避免会接触到密闭空间,所以研究密闭空间内氢气爆炸及惰性气体抑制爆炸的过程就十分有必要。本文在Fluent软件中选用了LES大涡模拟方程和部分预混燃烧模型来对密闭空间内的H2爆炸研究,得到了爆炸过程温度、压力、速度、涡流黏度、密度及主要物质组分浓度的云图、矢量图及曲线变化图。同时,为了验证仿真模拟结果的可靠性,采用实验室内的20L爆炸球结合爆炸极限测试系统来测模拟设置的初始条件下实验结果,并将两边的结果相互对比。之后,还研究了不同浓度H2爆炸的爆炸危险性,以及对比了N2和CO2两种惰性气体对H2爆炸的抑制效果,得到了每次爆炸的压力、压力增长率随时间的变化过程,并计算出了代表每次爆炸危险程度的爆炸指数KG。研究结果如下:1.爆炸过程经历了火焰发展初期、火焰快速发展期和火焰发展后期,而燃烧则出现了层流流动到部分区域逐渐转变为湍流流动直至最终全部为湍流流动的过程。整个爆炸过程在t=17ms左右时基本结束。2.仿真模拟的爆炸的温度在瞬间会达到2400K左右,之后不断缓慢叠加直至2700K以上,压力则最终会达到700000Pa以上。速度方面,最大能达到14.77m/s,壁面处则不论什么时候都是0m/s;密度方面,中心点处,爆炸发生的瞬间由0.836kg/m~3下降到0.124 kg/m~3,整个爆炸过程中最大密度会上升到3.26 kg/m~3;质量浓度方面,H2的质量分数由2.89%下降到0.22%,O2的质量分数由22.63%左右下降到1.08%左右;H2O的质量分数由0增长到23.48%左右;而N2则一直约为74.49%,其余中间产物则不同程度的增加。3.实验结果表明,爆炸过程在t=198)8)8)8)时到达峰值710000,而模拟结果在t=19.6ms时达到700000,LES大涡模拟方程和部分预混燃烧模型基本能对整个爆炸过程的危险程度做出较好的预测。4.加入H2浓度为30%时,爆炸强度最大、最危险,此时爆炸压力峰值Pmax=0.71、最大爆炸压力增长率(d P/dt)max=0145.89/8)8)、爆炸指数KG=39.60?8)8)/8)8)。5.当添加到N2的浓度达到62.5%左右时,爆炸被完全抑制。而CO2添加浓度达到43.3%时就达到了同样的效果,惰性气体CO2的抑爆效果要好于N2。
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