一种隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法技术

技术编号：40663815 阅读：5 留言：0更新日期：2024-03-18 18:57

本发明专利技术涉及一种隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，属于气体爆炸技术领域，包括以下步骤：S1：进行隔爆外壳整体的三维建模；S2：利用三维模型建立有限元分析模型；S3：定义材料、初始条件及边界条件；S4：网格划分和无关性验证；S5：进行模拟，利用LS‑DYNA进行求解和计算；S6：通过LS‑PREPOST对计算结果进行后处理。本发明专利技术可较为准确地模拟隔爆外壳隔爆腔中可燃性混合气体爆炸过程中的流体、火焰及冲击波动态演化规律。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体爆炸，涉及一种隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法。

技术介绍

1、隔爆型电气设备样机试制完成以后，必须由具有相应资质的检验机构对其防爆性能进行判定，隔爆安全性能试验是进行判定时的核心步骤，由于隔爆外壳隔爆腔腔体形状、大小等均有差异，现有标准未形成具有针对性的规范试验条件。如何设计进行隔爆安全性能试验时爆炸压力形成的最严酷条件，提高试验准确率，是防爆电气设备检验技术发展所面临的一项重要问题，也是检验检测行业的共性问题。

2、目前针对隔爆腔内气体爆炸相关研究主要集中在现场实验，对隔爆腔内可燃气体爆炸的有限元模拟研究尚不多见。而在实际爆炸过程中，尤其是最大爆炸压力点的出现位置，受到众多因素的限制，难以准确定位。

技术实现思路

1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，准确还原形状及内部器件排布等各异的实际的隔爆腔内爆炸环境，揭示腔体内部气体爆炸机理以及完善具体的隔爆安全性能试验条件。

2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：

3、一种隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，包括以下步骤：

4、s1：进行隔爆外壳整体的三维建模；

5、s2：利用三维模型建立有限元分析模型；

6、s3：定义材料、初始条件及边界条件；

7、s4：网格划分和无关性验证；

8、s5：进行模拟，利用ls-dyna进行求解和计算；</p>

9、s6：通过ls-prepost对计算结果进行后处理。

10、进一步，步骤s1中，采用目三维建模软件来对隔爆外壳整体进行三维建模，模型设计为一个长度为750mm，宽度为600mm，高度为750mm的方形隔爆腔，壁厚为25mm，重量为700kg；在设计好的零件的基础上，开始对其进行具体的工程组装。

11、进一步，在步骤s2中，隔爆外壳整体建模完成后，通过外部接口与三维建模软件进行数据交换，采用通用性较强的iges中性数据文件接口将模型导入ansys，从而建立有限元分析模型。

12、进一步，步骤s3中，有限元网格划分后，对材料性能进行选择，包括隔爆外壳的材料类型、单元类型、材料模型、材料密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、塑性硬化斜率、失效应变，然后设置试验模型参数。

13、进一步，步骤s4中，在模型导入ansys中后，对仿真结果影响可忽略不计的部分进行简化，采用六面体单元划分网格，对网格进行无关性验证，选择实际应用中所需的合适网格尺寸，用低计算成本得出精确的有限元模拟结果。

14、进一步，步骤s5中包括：设置点火源参数、监测点位置，并根据有限元模型的特点以及实际情况，对求解时间、文件输出类型、时间间隔、体积粘性控制、自适应网格部分能量进行设置，生成k文件进行求解；对生成的k文件中的关键字和参数进行编制，包括：

15、(1)将关键字*section_solid修改为*section_solid-ale，来用作、可燃气体的单元算法的定义；

16、(2)添加关键字*control_ale；

17、(3)添加关键字*ale_multi-material_group；

18、(4)添加关键字*constrained_lagrange_in_solid和*set_part_list；

19、(5)添加用于点火点设置的关键字*initial_detonation；

20、(6)添加h-j-c模型关键字*mat_johnson_holmguist_concrete。

21、进一步，在步骤s6中，模拟完成后，使用ls-prefost对计算结果进行后处理，具体包括：生成k文件，将k文件导入ls-prefost中，在ls-prefost中截取有限元模拟的瞬态过程，查看火焰温度和爆炸超压的传播情况。

22、进一步，在本方法中提出如下假设：

23、(1)假设隔爆腔壁面均为绝热静止无滑移壁面，忽略瞬态爆炸过程中体系内与外界的热量损失；

24、(2)隔爆腔内气体均为理想气体，且遵循理想气体状态方程；腔内各气相组分的热传导系统、动力粘度设定为常数，且各气相组分的定压比热容遵循分段式多项式函数；

25、(3)在对组分运输方程进行解算时，忽略热扩散和压力扩散对扩散项带来的影响，扩散系数使用菲克扩散定律进行计算；

26、针对可燃性混合气体爆炸过程的数值计算，湍流模型选取为realizable k-ε模型，同时采用可扩展壁面函数处理近壁面流动问题，求解方式采用ale算法；

27、在ale算法中具有拉格朗日坐标、欧拉坐标和一个任意参照坐标，与参照坐标相关的材料微商是：

28、

29、式中：xi为拉格朗日坐标；xi为欧拉坐标；wi为相对速度；

30、将式(1)进行简化，引入相对速度w，并使w＝v-u；其中，v为物质速度；u为网格速度；

31、基于质量守恒、能量守恒及动量守恒等建立的基本控制方程如下：

32、质量守恒方程：

33、

34、动量守恒方程：

35、

36、其中，应力张量σij＝-pδij+μ(vi,j+vj,i)；

37、能量守恒方程：

38、

39、材料模型选择*mat_null，其定义通过线性多项式状态方程*eos_linear_polynomial来进行表示，且在内能上表现为线性，压力p为：

40、p＝c0+c1μ+c2μ2+c3μ3+(c4+c5μ+c6μ2)e (5)

41、式中：其中是相对密度，当μ<0时，c2μ2等于零，c6μ2等于零；

42、当用在气体状态方程时，c0＝c1＝c2＝c3＝c6＝0，c4＝c5＝γ-1；理想气体的状态方程的压力为：

43、p＝(γ-1)ρe/ρ0 (6)

44、式中：p空气压力；γ为气体的比热比；ρ为空气的现时密度；ρ0为初始密度；e为单位体积的初始内能；

45、将空气材料假设为理想气体，空气材料的压力p与能量e之间的关系是：

46、p＝(k-1)ρe (7)

47、式中：ρ为空气密度；e为空气内能；k为空气绝热指数；

48、空气选择理想气体状态方程来形容，选择*mat_null对其进行描述，其定义通过线性多项式状态方程*eos_linear_polynomial来进行形容。

49、本专利技术的有益效果在于：本专利技术依据隔爆外壳实际样品，建立三维爆炸物理模型，采用ansys/ls-dyna非线性显性有限元分析方法，开展爆炸对壳体产生的冲击变形影响研究，检验隔爆腔体在可燃气体爆炸下产生的火焰和超压，可较为准确地模拟隔爆外壳隔爆腔中可燃性混合气本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：步骤S1中，采用三维建模软件来对隔爆外壳整体进行三维建模，模型设计为一个长度为750mm，宽度为600mm，高度为750mm的方形隔爆腔，壁厚为25mm，重量为700kg；在设计好的零件的基础上，开始对其进行具体的工程组装。

3.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：在步骤S2中，隔爆外壳整体建模完成后，通过外部接口与三维建模软件进行数据交换，采用通用性较强的IGES中性数据文件接口将模型导入ANSYS，从而建立有限元分析模型。

4.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：步骤S3中，有限元网格划分后，对材料性能进行选择，包括隔爆外壳的材料类型、单元类型、材料模型、材料密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、塑性硬化斜率、失效应变，然后设置试验模型参数。

5.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混

6.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：步骤S5中包括：设置点火源参数、监测点位置，并根据有限元模型的特点以及实际情况，对求解时间、文件输出类型、时间间隔、体积粘性控制、自适应网格部分能量进行设置，生成K文件进行求解；对生成的K文件中的关键字和参数进行编制，包括：

7.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：在步骤S6中，模拟完成后，使用LS-PREFOST对计算结果进行后处理，具体包括：生成K文件，将K文件导入LS-PREFOST中，在LS-PREFOST中截取有限元模拟的瞬态过程，查看火焰温度和爆炸超压的传播情况。

8.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：在本方法中提出如下假设：

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【技术特征摘要】

1.一种隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：步骤s1中，采用三维建模软件来对隔爆外壳整体进行三维建模，模型设计为一个长度为750mm，宽度为600mm，高度为750mm的方形隔爆腔，壁厚为25mm，重量为700kg；在设计好的零件的基础上，开始对其进行具体的工程组装。

3.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：在步骤s2中，隔爆外壳整体建模完成后，通过外部接口与三维建模软件进行数据交换，采用通用性较强的iges中性数据文件接口将模型导入ansys，从而建立有限元分析模型。

4.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合气体爆炸传播特性有限元模拟方法，其特征在于：步骤s3中，有限元网格划分后，对材料性能进行选择，包括隔爆外壳的材料类型、单元类型、材料模型、材料密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、塑性硬化斜率、失效应变，然后设置试验模型参数。

5.根据权利要求1所述的隔爆腔可燃性混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文强，邹银辉，周伟锋，何显能，凌南，魏宏宇，张绪雷，刘辉，郭泓邑，余志勇，何庆之，
申请(专利权)人：中煤科工集团重庆研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：

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