基于大涡模拟（LES）与Deardorff亚格子尺度（SGS）模型和Partially Stirred Reactor（PaSR）方法的煤层气排放口H2-CO-CH4-空气混合物的燃烧动力学及双排气口间距影响研究

《Fluids》：Hydrodynamic Shielding and Oxidation Suppression in Merging Lazy Plumes Atsuyoshi Sato, Arata Kioka, Masami Nakagawa and Takeshi Tsuji

　　

摘要：本研究采用大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）结合Deardorff亚格子动能输运亚格子尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型和Partially Stirred Reactor（PaSR）有限速率化学反应模型，数值研究了含氢气（H2）、一氧化碳（CO）及甲烷（CH4）的多组分煤层废气从废弃矿井或煤矸石堆地表排气口（gas vent）喷出并发生自燃/燃烧的流动与燃烧特性，重点考察了双矩形排气口中心距（无量纲间距δ/D = 5, 2.5, 1.25）对羽流合并（plume merging）、火焰形态及反应区分布的影响。研究人员使用GRI-Mech 3.0详细化学反应机理（53种组分，325步基元反应）描述H2-CO-CH4-空气混合物的详细动力学，SGS湍流动能由Deardorff模型（μSGS= CSGSρ?Δ√(kSGS)）输运求解并由PaSR模型计算过滤反应速率（κ = τc/(τc+τmix)，τmix= CmixΔ/√(kSGS)）。数值结果与经典浮力羽流自相似温度衰减律（~Z-5/3）吻合验证模型可靠性。结果表明排气口间距显著影响双羽流相互作用：大间距下两独立羽流分别发展；减小间距促使热羽流提前合并、改变涡结构及可燃混气分布，进而影响近场着火位置与燃烧效率。该研究量化了排气口几何参数对煤层气自燃羽流动力学及燃烧行为的影响，为煤矿采空区及废弃矿井可燃气体逸散燃烧风险评估提供了基于详细化学的大涡模拟依据。

论文解读：煤层气双排气口燃烧的大涡模拟与详细化学动力学研究

一、研究背景与立项依据

煤矿采空区及废弃矿井中褐煤低温热解或氧化产生的煤层气（主要含CH₄、CO、H₂及空气）常经由地表裂隙或人工排气口（gas vent）向大气泄放。此类低动量、富燃可燃气体的逸出羽流在适宜条件下可发生自燃甚至持续燃烧，是矿山安全隐患之一。现有研究多基于简化单孔射流假设或采用一步总包反应（global reaction）模拟，难以捕捉层流—湍流转捩区的非物理过度耗散及H₂/CO/CH₄多组分竞争氧化动力学细节；且实际现场常存在多个相邻排气口，其间距对双羽流相互作用（合并、卷吸、火焰干涉）的影响尚未明确。为此，研究人员在《Fluids》上发表此文，通过开展带详细化学机理的大涡模拟（LES），结合输运型Deardorff亚格子（SGS）模型与PaSR湍流—化学反应相互作用封闭，系统探究不同排气口间距对多组分煤层气燃烧羽流动力学及反应区演化的影响。

二、主要关键技术方法

研究人员建立三维直角坐标系计算域，采用有限体积法求解滤波Navier-Stokes方程。大涡模拟（LES）滤波尺度Δ为网格尺寸，未封闭SGS应力用Deardorff SGS模型处理：SGS湍流动能k_SGS由输运方程求解，SGS黏度μ_SGS= C_SGSρ?Δ√(k_SGS)；SGS混合时间尺度τ_mix= C_mixΔ/√(k_SGS)。湍流—化学反应相互作用用Partially Stirred Reactor（PaSR）模型描述：过滤生成率ω?_k= κ·ω_k^AL(T?,Y_i?,p?) ，其中κ = τ_c/(τ_c+τ_mix)为反应体积分数，ω_k^AL为Arrhenius层流速率；热力学物性取自NIST-JANAF，输运性质用Sutherland公式及分子运动论。气相详细化学采用GRI-Mech 3.0（53物种，325基元反应）。计算域设四种模型组（a.m–d.m），单/双矩形排气口尺寸D=0.2 m，无量纲间距δ/D = 5（a组）、2.5（b组）、1.25（d组参照），进口流速0.01 m/s（Fr₀≈0.01纯浮力羽流），出口零梯度，侧壁恒温300 K，环境压力1 atm，进口气体体积分数4.2% CH₄、25.6% CO、43.4% H₂、余量空气，时间步初值10^-8s，Courant数<0.1，网格尺寸10^-2m，并行2048核计算至物理时间3 s。模型经单孔经典负浮力羽流中心线温降∝Z^-5/3验证。

三、研究结果（按原文小节归纳）

2.2. 大涡模拟（LES）与Deardorff亚格子（SGS）模型

研究人员引入Deardorff k_SGS输运方程以避免经典Smagorinsky模型在层流—湍流转捩区产生非物理过强耗散，SGS黏度由ρ?、Δ与√(k_SGS)计算，为后续PaSR提供基于解析SGS动能的物理混合时间尺度τ_mix，而非应变率估计。

2.3. 燃烧模型与反应动力学（Combustion Model and Reaction Kinetics）

采用PaSR耦合GRI-Mech 3.0详细描述H₂-CO-CH₄氧化反应及NO_x路径。因H₂/CO主导释热，该机理适用于褐煤源煤层气。过滤源项由微反应区比例κ加权层流Arrhenius速率实现，κ取决于化学时标τ_c与SGS混合时标τ_mix（τ_mix= C_mixΔ/√(k_SGS)），建立SGS湍流与有限速率化学的直接物理联系。

2.4. 计算域与模拟条件（Computational Domain and Simulation Conditions）

设置参考模型a.m（单孔D×D排气口，域10D×5D×15D，T_vent=350 K）及变间距模型（δ=5D, 2.5D, 1.25D）、变域宽（b.m）、变排气口宽（c.m, D/2×D）、变温度（d.m, 400 K）。来流低速度、低密度差导致纯浮力羽流（Fr₀≈0.01）。

2.5. 模型验证与水动力确认（Model Verification and Hydrodynamic Validation）

单孔算例对比全局反应与GRI-Mech 3.0详化机理，CH₄质量分数w_CH4及温度T沿轴向衰减趋势一致；详化机理更好再现中间自由基分布。中心线无量纲过余温度(ΔT_Z/ΔT₀)随(Z/D)^-5/3变化，与经典自相似理论及实验吻合，确认数值框架可信。

四、讨论与结论总结

研究人员得出结论：(1) Deardorff SGS k_SGS输运模型联合PaSR可合理描述低雷诺数浮力羽流中SGS混合与详细化学相互作用；(2) 无量纲排气口间距δ/D是控制双煤层气羽流行为的关键参数——δ/D=5时间距足够大使两羽流近似独立发展；δ/D减小至2.5及1.25时，热羽流提前合并，上升过程中相互卷吸增强，改变局部当量比与温度场，使近场反应区向排气口上方迁移并影响火焰稳定性与燃烧产物分布；(3) GRI-Mech 3.0详化机理能捕捉H₂/CO快速氧化主导的释热特征，适用于此类以轻质可燃气为主的煤层气自燃评估。该工作为煤矿多排气口煤层气自燃危险分区及通风/阻火设计提供了基于物理化学详模的数值依据。