基于OpenFOAM平台下氢气喷射火的大涡模拟

摘要

由于无污染，氢能源引起了世界各国的研究热潮。目前的储氢技术主要有高压储罐储氢、液态储氢、金属氧化物储氢、碳基材料储氢以及化学储氢等。不管何种方式储氢，由于结构疲劳、连接处老化或其它原因，可能会发生意外氢泄漏。在外界点火源的作用下，易发生火灾、爆炸事故。其中氢喷射火灾是较典型的一类，如何准确评估氢喷射火是当前工业安全应重点研究的一大课题。
　　 由文献调研可知，国内外对氢喷射火开展了较多的实验研究，相对而言，对氢喷射火的数值模拟较少。由于OpenFOAM软件本身是采用的面向对象编程技术，使得新模型的加入变得更加轻松自如，用户可以根据自己的需求和喜好进行组织、程序设计，改变了商业软件修改困难的问题。因此受到越来越多的科研院校和单位的青睐。本论文主要基于OpenFOAM的开源平台，建立适合模拟氢气喷射火的数值模型，来进行低速和欠膨胀高速氢气喷射火行为特性研究。具体工作包括:
　　 首先在OpenFOAM的平台建立氢气喷射火的数值模型。在模型中我们嵌入基于大涡模拟思想的涡耗散概念燃烧模型，辐射模型采用的是RADCAL的fvDOM模型，并且采用氢单步化学反应模型来计算细结构的反应速率。
　　 验证模型的正确性。本文主要探讨两种氢气喷射方式，一个是低速氢气喷射火，一个是高速欠膨胀喷射火。对于低速氢气喷射火，本文通过模拟计算得到的火焰高度与基于无量纲Froude数的火焰长度公式计算得到的火焰高度进行比对，结果可知该喷射模型适用于模拟低速氢气喷射火。对于高速欠膨胀喷射火，模拟计算结果主要与Schefer等人、Studer等人和Ekoto等人的实验数据进行比较，具体分析火焰高度、辐射分数和地面反射比等因素，分析结果可知本文建立的模型能够很好的预测高速欠膨胀氢气喷射火。
　　 基于已建立的模型，分析重力加速度、辐射条件、喷射速度、喷口直径对低速氢气喷射火火焰特性的影响，详细探讨了火焰高度、中心线温度等参数特征，得出其变化规律。结果表明:采用本文计算模型获得的火焰高度与理论预测值基本一致。当Frf＜5时，随着氢喷射速度的增大，火焰高度增大，喷射火最高温度降低，但最高温度的位置上升。随着氢喷口直径的增大，火焰高度增大，最高温度点的位置上移，但火焰最高温度基本维持不变。
　　 进一步考虑障碍物对氢气泄露后的扩散和对氢气泄露后喷射火焰的影响。通过改变障碍物与泄露位置的距离和障碍物的宽度对低速氢气喷射火进行数值模拟。模拟结果可以看出:障碍物减缓了氢气喷射火在垂直方向危害性，却加大了在水平方向的危险区域;障碍物宽度越大，障碍物与喷射口之间的距离L越小，障碍物后方的温度下降越明显，火焰表面被迅速的拉伸，燃烧的面积、化学反应速率和热释放速度都大大增加。其模拟分析结果可以为加氢站、贮氢管道等场所处理氢气泄露和燃烧事故和设计等方面提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 OpenFOAM简介

1．1．2 氢气特性

1．2 氢气喷射火国内外研究现状

1．2．1 氢气喷射火实验研究现状

1．2．2 使用无量纲方法研究氢气喷射火现状

1．2．3 氢气喷射火的数值模拟研究现状

1．3 本文的研究内容和章节安排

第二章 OpenFOAM平台搭建

2．1 OpenFOAM软件的优越性

2．2 OpenFOAM软件运行流程介绍

2．2．1 核心求解器

2．2．2 前处理过程

2．2．3 CFD运算设定

2．2．4 后处理过程

2．3 OpenFOAM中常用的类

2．4 OpenFOAM中方程的表达

第三章 氢喷射火数值模型的建立

3．1 控制方程

3．2 湍流模型中的大涡模拟(LES)

3．3 辐射模型

3．2．1 P1模型

3．2．2 fvDOM模型

3．4 燃烧模型

3．5 边界条件和初始化

3．6 离散格式的选取

第四章 低速氢气喷射火

4．1 模型的验证

4．2 网格的敏感性分析

4．3 低速氢气喷射火影响因素分析

4．3．1 重力对氢气喷射火焰特性的影响

4．3．2 辐射模型的选择对氢气喷射火焰特性的影响

4．3．3 喷射速速对氢气喷射火焰的影响

4．3．4 喷口直径对氢气喷射火焰特性的影响

4．4 结论

第五章 高速欠膨胀喷射火

5．1 Birch模型

5．2 模拟工况设定

5．3 网格划分

5．4 模型验证

5．4．1 火焰高度

5．4．2 辐射分数

5．4．3 地面的反射比的影响分析

5．5 结论

第六章 障碍物对低速氢气喷射火影响的数值模拟研究

6．1 模拟参数

6．2 障碍物宽度的影响效果分析

6．3 障碍物与喷射口之间距离的影响效果分析

6．4 结论

第七章 结论与展望

7．1 本文结论

7．2 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和所获奖励