基于FLUENT的氢气爆炸分析简单案例
国内的氢能发展正如火如荼的进行着，而氢的安全问题是氢能发展的一个重要环节。氢气的易燃易爆（空气中的爆炸极限体积分数4%-75%）特性以及其他的特性如材料氢脆等决定了人们无法忽视其安全性而单纯讨论产业发展，人们对氢气的害怕最主要的应该是它容易爆炸，近期在美国、韩国都发生了氢气设施的爆炸事件。做气体爆炸分析计算的专业软件应该不少，今天我们用FLUENT做一个氢气爆炸的简单案例。郑重声明：本案例只提供分析思路，不对其中的任何计算结果数据的真实性或者可靠性负责。 在一个封闭的空间内均匀分布着氢气体积分数为20%的空气—氢气混合物，环境初始温度26.85℃，初始压力为0Pa（表压），某一时刻在中心位置引爆，计算爆炸后空间内的压力和温度变化情况。 建立如下的4m×4m的二维封闭区域，并进行六面体网格划分，网格节点数约为10000。 本案例采用FLUENT的部分预混燃烧模型来模拟氢气的燃爆，部分预混燃烧该模型同时求解混合物方程和反应物推进方程来确定组分浓度和火焰锋面位置，进行如下设置，注意概率密度函数PDF勾选可压缩效应。 按照以下初始条件进行初始化：温度26.85℃，压力0Pa，速度vx=vy=0，进程变量为0（表示未发生化学反应），平均混合物分数为0.01704139，混合物分数变化为0。 这里补充说明一下混合物分数的设置，混合物分数f的定义如下，其中Zi表示元素i的质量分数，下表ox表示氧化剂入口的值，fuel表示燃料入口的值。 空气和氢气的实际体积分数为80%和20%，于是当量比Φ为： 最终可以求得混合物分数f为0.01704139，我们可以初始化后看一下氢气的体积分数为0.1988，与理论值0.2相差0.6%。 对于混合气体的引爆，采用patch打补丁方式，比如本案例在区域中心建立一个半径为0.1m的点火区域。 将该区域的进程变量patch为1，表示发生化学反应。 最后，我们设置了中心位置，边缘位置和壁面的压力随时间变化关系。创建了区域内压力和温度的变化动画。 首先看一下三个压力监测点的压力变化情况，可以看出三个位置的压力变化近乎一致，约350ms后，表压力到了约560000Pa，可见爆炸压力还是相当大的。 再看一下区域内的气流流动情况，可以看出气流从爆炸位置流向周围，然后在壁面发生转向，最后又流向爆炸中心，形成许多环流。 以下通过区域内的温度和压力动画可以清晰地看到爆炸的瞬间过程。著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-05
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