湍流扩散火焰中Fe(OH)和稀释剂替代物灭火及抑制效果的条件矩封闭模拟

摘要

湍流燃烧中灭火添加剂效果的数值模拟研究，对理解灭火添加剂的灭火机理以及高效灭火剂的研制都有着非常重要的意义。对于湍流燃烧的模拟其本身就是一项非常复杂的工作，目前国际上也有很多燃烧模型用以解决这一问题。由20世纪90年代Bilger和Klimenko共同推导出的条件矩封闭模型是其中模拟效果较好的模型之一，目前已成为与层流小火焰以及PDF输运方程模型并重的湍流燃烧模型之一。其基本思想是以混合分数为统计条件对温度等反应标量进行条件平均，减弱了湍流脉动的影响，使得化学反应源项在一阶矩上得以封闭。
　　 另一方面，随着哈龙产品的禁用，各国都在积极的寻找合适的替代物。其中羰基铁化合物是目前最为高效的灭火添加剂之一，国内外对其的研究也非常多。这些研究包括各种条件下的实验以及层流燃烧中的数值模拟，对湍流燃烧中该灭火添加剂的效果尚缺乏体系的研究。条件矩封闭模型作为一种湍流反应流的封闭模型，用以研究湍流燃烧中该添加剂的效果是合适的。
　　 本文首先对条件矩封闭模型进行了详细的分析和算法设计，对Sandia H2/He火焰实验上进行测试对比，建立了一个较为准确的条件矩封闭模型平台。在此平台之上耦合进Fe(OH)2添加剂的简化反应机理，计算结果表明该灭火添加剂在湍流燃烧中对H、OH和O的最大抑制效果要比层流下分别高出40％，10％和15％，其原因在于湍流扩散作用加强了某些不良输运特性组分的扩散，使得灭火添加剂的效果更强，相比与层流燃烧，Fe(OH)2更容易使湍流燃烧发生熄火。在这之后本文对不同Re数下该灭火添加剂的效果进行了对比分析，引入Damkohler数对火焰稳定性进行定量分析，计算结果表明湍流燃烧中该灭火添加剂的作用类似与层流燃烧，即使得火焰变的不稳定，Damkohler数的分布表明稳定燃烧位置沿轴向方向提高了3倍喷口直径的距离。
　　 最后本文将灭火剂替代物的思想引入湍流燃烧中，得到层流扩散火焰和湍流扩散火焰中稀释剂替代物抑制效果占稀释剂抑制效果的比例。由于缺乏该物质在层流扩散火焰中的研究，本文利用CHEMKIN对层流对撞火焰中替代物的作用进行了对比分析，分析发现层流对撞火焰中替代物对温度的抑制效果占Ar的70％，而这一比例在湍流燃烧中要高达95％。