细水雾与冷/热态天然气泄漏射流相互作用的模拟研究

摘要

传统化石能源的使用带来的环境问题日益严峻，天然气作为一种低碳清洁能源逐步成为工业生产、交通运输及居民生活等过程中的主要能源。然而在天然气的运输和存储过程中极易因管道腐蚀、设备老化、人为破坏等因素导致天然气泄漏事故的发生。天然气泄漏后往往会大面积扩散，极易引发重大的火灾爆炸中毒事故，往往会造成重大的人员伤亡和经济损失。因此开展天然气泄漏及其火灾事故的防治工作具有重要的科学意义和实用价值。
　　细水雾灭火技术因其清洁、灭火效率高、用水量少等优点，已经被广泛应用于工业生产中的诸多领域，然而基于细水雾灭火技术的天然气泄漏事故防灭火研究相对较少。细水雾与天然气冷态高速射流相互作用的研究目前依然缺乏，仅部分研究开展了细水雾熄灭气体射流火的实验研究，但仅从宏观角度得到了典型灭火现象及灭火有效性等结果，而相互作用流场特性则是从本质上揭示其作用效能及相互影响机制。因此，本文通过小尺度实验和数值模拟方法，基于2D-PIV速度测量技术，开展了细水雾与冷/热态天然气泄漏射流相互作用的模拟研究。
　　为了获得细水雾对冷态天然气泄漏射流的控制和衰减机制，采用氮气代替天然气作为泄漏气体，开展了细水雾与冷态气体泄漏射流垂直和倾斜相互作用的实验研究。考虑到实际小孔泄漏场景，本文研究中气体泄漏射流速度涵盖亚音速和音速范围。研究发现:对于气雾垂直作用场景，气体射流羽流上升高度主要由气雾动量比和气雾射流张角共同决定的。根据临界气体羽流上升高度，气雾流场可以被划分为气体主导模式和喷雾主导模式，后者应为实际应用遵循的模式。由于高速气体射流卷吸作用，气雾作用流场两侧形成CVP涡结构，这会增强气雾混合程度及对气体泄漏扩散的衰减效果。气雾作用界面Zb可以用基于有效气雾动量比φEff的指数函数模型进行预测。在实际应用，对于细水雾，应考虑设计成雾锥角相对较大，喷雾中心区域雾滴速度和粒径较大，边缘处为小雾滴的喷雾特征。对于气雾倾斜作用场景，当气雾射流主体中心线交点位于气雾流场垂直中间位置时，气雾混合作用效果最好。喷雾锥角大，覆盖面积大对倾斜气流射流具有更好的控制和衰减作用。速度流场结构表明在气体羽流两侧形成非对称的气雾作用界面，气雾剪切作用较大的一侧气雾掺混程度最剧烈，且存在一个明显的顺时针涡结构;此外，在竖直方向仍然存在一个气雾作用界面。
　　针对细水雾与热态天然气泄漏射流相互作用，开展了细水雾与甲烷气体泄漏射流火相互作用的实验研究。灭火实验结果表明:对于气体射流火，火焰功率较小时，其灭火有效性主要由喷雾动力学效应决定。而当火焰功率较大时，其灭火有效性主要由火焰流动状态和喷雾动力学效应共同决定;当雾滴粒径和喷雾压力均较大时，灭火时间随火焰功率的增大，呈现先增加后减小的趋势，且在一定喷雾压力范围内存在一个最难熄灭临界状态，其灭火时间的减小主要由于喷雾作用下火焰自我吹熄现象造成的。相对于圆形喷口，细缝形喷口射流火较难熄灭，主要由于后者火焰宽度大，灭火过程中空气卷吸能力较强。流场测量结果表明:当雾滴粒径和雾动量均较小时，火焰较难扑灭，形成明显的雾火作用界面，火焰上方雾场区域受热羽流影响雾滴速度均有所降低;随着火焰功率的增加，雾火作用界面上升，雾滴很难直接穿透火羽流，此时火焰区域雾滴主要是从两侧卷吸进入;边缘处雾滴受热浮力作用向上运动，在喷雾两侧形成CVP涡结构。当雾滴粒径和喷雾动量均较大时，火焰较易被扑灭，雾火作用剧烈程度增加，火焰不稳定性增强;部分液滴可以穿透火羽流端部区域，导致流场测量竖直雾火作用界面低于实际灭火过程火焰高度，且雾场区域雾滴速度呈现不同程度的降低;雾场边缘处雾滴基本不受火羽流的影响而向下运动，同样在雾火作用边界会形成涡旋结构。
　　基于ANSYS Fluent14.5的细水雾与冷态高速气体射流模拟结果表明:气雾作用界面变化趋势与实验相同，但气雾作用界面位置的预测值高于实验测量值，这是由于数值模拟对高速气流卷吸雾滴作用的预测有限。但对水流率和雾锥角较大的喷雾工况，预测结果相对较好。基于FDS6.3的细水雾与甲烷射流火相互作用模拟研究表明FDS可以较好的预测喷雾动力学特性;对快速灭火和灭火失败典型灭火过程也可以进行很好的预测，同时再现了灭火过程中HRR、温度、蒸汽质量分数等参数变化特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 天然气泄漏扩散及后果分析研究现状

1．2．2 细水雾应用于天然气泄漏事故处理的研究现状

1．2．3 细水雾应用于火灾防治的研究现状

1．3 研究目标

1．4 研究内容和方法

1．5 本文研究技术路线

参考文献

第二章 实验平台构建与测量技术原理

2．1 流场测量实验平台概述

2．2 天然气泄漏装置设计与搭建

2．3 细水雾发生系统

2．4 阴影法雾特性测量系统

2．5 PIV流场测量方法与技术原理

2．5．1 PIV测量技术原理

2．5．2 PIV测量系统构成

2．5．3 PIV测量准备与图像处理方法

2．5．4 PIV测量误差分析

2．6 本章总结

参考文献

第三章 细水雾与冷态气体泄漏射流相互作用的实验模拟研究

3．1 引言

3．2 实验系统设计与工况设定

3．2．1 喷雾喷头的选择

3．2．2 泄漏速率的计算和气体泄漏喷嘴的选择

3．2．3 研究工况的确定

3．2．4 实验程序与环境条件

3．3 雾特性表征

3．3．1 雾通量

3．3．2 雾滴粒径与速度

3．4 气雾作用流场测量

3．4．1 PIV系统参数的确定

3．4．2 流场特征参数的定义

3．4．2 气雾垂直相互作用

3．4．3 气霉倾斜相互作用

3．5 本章总结

参考文献

第四章 细水雾与天然气泄漏射流火相互作用的实验模拟研究

4．1 引言

4．2 实验系统设计与工况参数

4．2．1 气体泄漏射流火相关参数计算

4．2．2 实验方案与工况韵确立

4．2．3 实验程序与环境条件

4．3 雾特性表征

4．3．1 雾通量

4．3．2 雾滴粒径与速度

4．4 典型甲烷射流火形态结构

4．5 方案1实验结果分析与讨论

4．5．1 典型灭火过程及灭火有效性分析

4．5．2 灭火过程流场测量

4．6 方案2实验结果分析与讨论

4．6．1 典型灭火过程及灭火有效性分析

4．6．2 灭火过程流场测量

4．5 本章总结

参考文献

第五章 细水雾与冷／热态气体射流相互作用的数值模拟研究

5．1 引言

5．2 理论简介

5．2．1 气相控制方程

5．2．2 湍流模型

5．2．4 燃烧模型

5．2．5 热辐射模型

5．2．5 喷雾动力学相关模型

5．3 细水雾与冷态气体射流相互作用的模拟研究

5．3．1 模型建立与工况参数设定

5．3．2 典型模拟结果分析与讨论

5．4 细水雾与甲烷射流火相互作用的模拟研究

5．4．1 模型建立与参数设置

5．4．2 工况设定

5．4．3 模拟结果分析与讨论

5．5 本章总结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 本文的创新点

6．3 研究展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果