[论文解读] Effect of particle clustering on radiative transfer in turbulent flows

M. A. Liberman, Nils Erland L. Haugen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Particle Dynamics in Fluid Flows被引用 1

一句话总结

本文提出，在温度分层流场中，尘埃颗粒的湍流聚集通过提高透明度增强了辐射穿透，使远处的颗粒团簇能够吸收火焰辐射并成为点火核。该机制显著提升了有效燃烧速度和火焰表面积，解释了布伦奇菲尔德（Buncefield）等非受限粉尘爆炸中观察到的高破坏性。

ABSTRACT

It is known that unconfined dust explosions typically starts off with a relatively weak primary flame followed by a severe secondary explosion. We show that clustering of dust particles in a temperature stratified turbulent flow ahead of the primary flame may give rise to a significant increase in the radiation penetration length. These particle clusters, even far ahead of the flame, are sufficiently exposed and heated by the radiation from the flame to become ignition kernels capable to ignite a large volume of fuel-air mixtures. This efficiently increases the total flame surface area and the effective combustion speed, defined as the rate of reactant consumption of a given volume. We show that this mechanism explains the high rate of combustion and overpressures required to account for the observed level of damage in unconfined dust explosions, e.g., at the 2005 Buncefield vapor-cloud explosion. The effect of the strong increase of radiation transparency due to turbulent clustering of particles goes beyond the state-of-the-art of the application to dust explosions and has many implications in atmospheric physics and astrophysics.

研究动机与目标

• 解释在非受限粉尘爆炸（如2005年布伦奇菲尔德事件）中观察到的高燃烧速率和超压现象。
• 研究在湍流、温度分层流场中颗粒聚集对辐射传输和火焰传播的影响。
• 确定远处颗粒团簇因辐射而点火是否能显著提高有效燃烧速度。
• 探讨颗粒聚集导致辐射透明度增强的机制在粉尘爆炸之外的应用，包括大气和天体物理背景下的影响。

提出的方法

• 使用辐射传输框架，对具有空间聚集特征的尘埃颗粒在湍流流场中的辐射传输进行建模。
• 分析颗粒聚集对主火焰前方温度分层环境中辐射穿透长度的影响。
• 评估颗粒团簇受到火焰辐射热暴露的程度，以评估其作为点火核的潜力。
• 量化由于加热团簇引发的二次点火所导致的有效火焰表面积和燃烧速度的增加。
• 将预测的燃烧增强效果与真实世界粉尘爆炸中的观测破坏水平进行比较。
• 将分析扩展至大气物理和天体物理领域，探讨颗粒聚集可能影响辐射过程的更广泛影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在湍流、温度分层流场中，颗粒聚集如何影响辐射穿透长度？
• RQ2 位于火焰前方较远距离的颗粒团簇，能在多大程度上被辐射加热至成为点火核？
• RQ3 由于团簇颗粒的二次点火，有效燃烧速度的增加程度如何？
• RQ4 颗粒聚集导致的辐射透明度增强，如何解释非受限粉尘爆炸中观察到的高超压现象？
• RQ5 该机制在大气和天体物理系统中辐射传输方面的更广泛影响是什么？

主要发现

• 在湍流流场中，颗粒聚集显著增加了辐射穿透长度，使透明度远超传统模型预测。
• 即使距离较远的颗粒团簇，也能被火焰辐射充分加热，从而作为点火核，触发二次燃烧。
• 这种二次点火显著增加了有效火焰表面积，并加快了单位体积内反应物的消耗速率。
• 该机制可定量解释在重大非受限粉尘爆炸（如2005年布伦奇菲尔德事件）中观察到的高燃烧速率和超压现象。
• 颗粒聚集对辐射传输的影响不仅限于粉尘爆炸，对涉及颗粒介质的大气和天体物理系统也具有重要意义。