方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响

通过实验与数值模拟方法对CH4/空气预混火焰在有楔形障碍物的卧式燃烧方管内的传播进行了研究。采用多镜头Cranz Schardin高速摄像机和压力传感器等实验设备获得了高清晰度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片以及障碍物背风表面压力变化曲线。数值模拟则基于RANS方法与EDU-Arrhenius燃烧模型,计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程。通过综合分析实验与计算结果,得到了由楔形障碍物导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质。     

障碍物对铝粉火焰加速作用的实验研究

在沿火焰传播的通道上重复设置障碍物对粉尘火焰有明显加速作用,这种加速作用的机理可归功于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈。在封闭容器中,铝粉－空气混合物燃烧达到的最大压力ｐ＿（ｍａｘ）与障碍物的存在关系不大,而最大压力上升率（ｄｐ／ｄｔ）＿（ｍａｘ）与障碍物的存在有关。因为ｐ＿（ｍａｘ）取决于容器内的总能量,（ｄｐ／ｄｔ）＿（ｍａｘ）则取决于燃烧过程,即能量释放率。     

耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测

通过揭示当量比对氢气云爆炸火焰形态、火焰半径和爆炸超压峰值的影响规律,本文拟建立耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测模型。结果表明:氢气云爆炸火焰传播速度由大至小对应的当量比依次是Φ=2.0、Φ=1.0和Φ=0.8。Le＜1.0和Le＞1.0的氢气云爆炸火焰表面均出现胞格结构,胞格结构的出现必然会增加火焰燃烧表面积,进而出现“火焰自加速”现象。对于特定的当量比,随着压力监测点和点火位置间距的增加,爆炸超压峰值的正值和负值绝对值均单调减小;对于特定的压力监测点,爆炸超压峰值的正值和负值绝对值随当量比的关系存在些许差异;不同当量比和监测点位置的爆炸超压峰值的负值绝对值大都高于正值。耦合火焰自加速传播的氢气云爆炸超压预测模型可成功预测不同压力监测点薄膜破裂前氢气云爆炸超压的发展过程。     

障碍物对丙烷-空气爆炸火焰加速的影响

研究了障碍物阻塞率、障碍物间距、障碍物空间位置对丙烷-空气爆炸过程及火焰加速效应的影响。采用雷诺平均（RANS）方程和湍流火焰封闭燃烧模型计算非稳态燃烧过程,主要分析障碍物周围复杂流场特性以及湍流涡与火焰面作用的详细机理。结果表明：阻塞率在0.5~0.7时,障碍物间距对火焰加速效果的影响较大,其中障碍物间距为一倍管径时火焰加速效应最大;而障碍物的空间位置对火焰传播的影响更为显著,当障碍物位于管道单侧时,湍流涡强度最大,火焰褶皱最明显,火焰传播速度最快。

     

多孔障碍物对预混火焰传播的影响

以甲烷为代表性气体,研究了半封闭管道中设置多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响,基于大涡模拟对实验进行了重现,对比了实验与模拟中火焰传播过程的形状、位置及速度,分析了模拟结果中火焰穿过障碍物前后的流场和表面积变化,给出了衡量火焰褶皱程度的指标及算法。结果表明:大涡模拟结果与实验结果有较好的一致性;火焰在存在障碍物的管道内传播,经历层流快速膨胀、受阻回流、湍流快速发展和脉动减速4个阶段,各阶段火焰依次分别呈现加速、减速、二次加速、二次减速的波动变化;当可燃气体在开口与点火位置同端的管道内爆炸,火焰在接近障碍物时,受管道封闭端和障碍物约束显著,而出现脉动回流现象;火焰穿过多孔障碍物后,传播速度骤升至峰值,较未穿过障碍物前的最大速度可增加58.7%;障碍物是导致火焰面破碎以及面积褶皱率增大的直接原因,火焰褶皱率最大可达44.8%,比未穿过障碍物前的最大褶皱率增大39.27%。     

障碍物对预混火焰特性影响的大涡数值模拟

障碍物在预混气体火焰传播过程中对其结构及传播特性造成较大影响,对火焰的加速和爆燃转爆轰过程(deflagration-to-detonation transition, DDT)起到直接的促进作用。通过障碍物条件下可视管道中甲烷/空气预混火焰传播实验,捕获其火焰微观结构变化。采用三维物理模型,采用壁面自适应局部涡黏模型(wall-adapting local eddy-viscosity, WALE)的大涡模拟(large eddy simulation, LES),并用火焰增厚化学反应模型(thickened flame model, TFM)对实验过程进行重现。分析开口管道中预混火焰翻越障碍物后的复杂流场变化,并分析层流向湍流转变过程的特点。揭示了在障碍物影响下预混火焰扰动失稳现象的直接原因,是由障碍物引发的3个气流涡团同时作用而形成Kelvin-Helmholtz不稳定及Rayleigh-Taylor不稳定现象耦合作用所导致。     

方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟

为揭示置障管道内甲烷/空气预混火焰传播特性,运用高速摄影技术对甲烷/空气预混火焰的形状变化和火焰前锋的速度特性进行实验,并利用大涡模拟对管道内的流场结构进行数值分析。结果表明：置障管道内依次出现了球形火焰、指尖形火焰及“蘑菇”状火焰,且“蘑菇”状火焰出现之后,火焰开始反向传播;“蘑菇”状火焰是双涡旋结构与火焰前锋面相互作用的结果,而火焰的反向传播是由流场中出现逆流结构引起的;障碍物对火焰前锋有明显的加速作用;大涡模拟成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明大涡模拟适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究。     

湍流加速火焰的三维数值模拟

火焰在设有障碍物的管内传播时会自身加速，并可能导致爆炸。本文基于湍流κ-ε模型和改进的EBU—Arrhenius反应模型，对该现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果反映了障碍物、湍流和火焰之间相互作用的正反馈机理，描绘了火焰在管内加速传播的三维图像。     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置,令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管,在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用,及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

煤粉尘爆炸过程中火焰的传播特性

为了揭示煤粉尘爆炸过程中火焰传播特征,采用2种不同质量分数挥发分的煤粉在半封闭竖直燃烧管中进行实验。分别使用高速摄影装置和红外热成像装置记录火焰传播过程和空间的温度分布情况,并分析2种煤粉尘云的火焰传播速度和温度曲线。结果表明：在同等条件下,火焰在挥发分质量分数高的煤粉尘云中的传播速度和火焰温度要高于其在挥发分质量分数较低的煤粉尘云中的。煤粉尘云的体积质量和点火能量也影响着火焰的传播过程,随着煤粉尘云体积质量的增大,火焰的传播速度和火焰温度整体上呈现先增大后减小的趋势,在传播的后半段火焰速度出现震荡现象;随着点火能量的增大,火焰在煤粉尘云中的传播速度和最高温度也相应升高。通过大量的实验数据计算得到特定条件下火焰传播速度和温度的经验公式。     

内设半球条栅形障碍物的可燃气云爆炸实验研究

以混合比为13.3%的乙炔 空气混合物为介质进行了内设半球条栅形障碍物的可燃气云爆燃实验研究。通过对实验数据进行曲线回归,并经方差分析检验,得到了描述可燃气云爆燃压力场的拟合关系式。应用多能模型构想对半球形可燃气云内设半球条栅形障碍物的爆燃实验结果进行分析,得到综合考虑边界条件、混合物活性和尺度比例因子的爆燃超压关系式,为其它可燃气云在其它形式障碍物约束下的爆燃超压提出估算方法。     

等泄压比条件下连通容器泄爆实验研究

通过开展单个容器和连通容器内预混气体的泄爆实验,分析连通条件下容器泄爆的压力变化和火焰传播过程。实验结果表明:连通容器内气体爆炸湍流燃烧,容器的最大泄爆压力和最大压力上升速率均超过单容器,特别是最大压力上升速率更高,差别更大;在等泄压比条件下,连通容器中传爆容器的最大泄爆压力比起爆容器高,且当传爆容器为小容器时,最大泄爆压力更高;随着管长的增加,传爆容器的最大泄爆压力增加,起爆容器的最大泄爆压力变化不大;连通容器泄爆过程,火焰在管道中加速传播。在相同管长条件时,小球容器向大球容器传爆的火焰传播速率高于大球容器向小球容器传爆的火焰速率。     

小尺寸管道内二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的实验及数值模拟

为了有效防治矿井瓦斯爆炸事故, 以瓦斯的主要成分甲烷作为模拟气体, 运用自主设计改装的XKWB-S型小尺寸石英玻璃管道实验系统, 结合高速摄影仪, 并采用FLACS数值模拟软件, 研究惰性气体抑爆条件下甲烷燃烧爆炸特性, 进行体积分数为6%~27%的CO₂抑制体积分数为9%CH₄爆炸的实验及数值模拟, 结果表明:各组分混合气体在爆炸传播过程中, 爆炸压力、火焰锋面速度和气体运动速度均呈现一定程度的波动, 且压力和速度没有同时达到最大值; CO₂的加入有效抑制了甲烷/空气反应, 且添加CO₂体积分数越大, 抑爆效果越明显, 模拟结果与实验结果基本吻合。     

考虑附加湍流的天然气爆炸超压预测

为预先评估外加湍流工况下天然气的爆炸超压峰值,通过揭示外加湍流对天然气爆炸火焰形态、火焰前锋速度和爆炸超压的影响规律,建立了耦合外加湍流的天然气爆炸超压峰值预测模型。结果表明：外加湍流可使火焰加速传播,且随着外加湍流强度的增加,火焰前锋速度逐渐增加;随着外加湍流强度的增加,爆炸超压峰值和最大升压速率逐渐增加;随着压力监测点和点火位置间距的增加,爆炸超压峰值和最大升压速率整体呈减小的变化趋势。外加湍流工况下天然气的爆炸超压预测必须考虑火焰的加速特征,实验测得爆炸超压峰值介于层流火焰模型和湍流火焰模型计算的爆炸超压峰值之间。     

爆炸荷载和地应力耦合作用下煤体裂纹扩展的模型实验研究

为了研究地应力作用下煤体柱状装药预裂爆破裂纹扩展,以Froude比例法为指导,建立煤层预裂爆破的模型实验,并对地应力和爆炸荷载耦合作用下煤体中的裂纹扩展机理进行了研究。该模型描述了在爆炸荷载作用下的宏观破坏现象。研究结果表明:模型实验与现场试验结果基本一致;裂纹主要是由压缩波和卸载波共同作用形成的;地应力对裂纹的发展具有抑制作用;主应力对于拉伸裂纹的发展具有明显的导向作用。     

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用

为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律,进行了硅酸铝棉抑制管道内预混气体爆炸实验,在管路内置入硅酸铝棉,以室温常压下化学计量浓度的C2H2/air预混气体为介质。结果表明,当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时,能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长度时,能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入口火焰速度有关。压力临界长度的大小与硅酸铝棉入口爆炸超压有关。压力临界长度小于速度临界长度,说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。     

连通装置气体爆炸特性实验

为了研究连通装置气体爆炸特性及其发生、发展规律,建立了气体爆炸测试系统,得到了密闭条件下连通装置气体爆炸特性,揭示了连通装置气体爆炸过程爆炸强度增加机理,为连通装置气体爆炸防爆安全设计提供参考。     

瓦斯爆炸压力与波前瞬态流速演化特征及其定量关系

为了建立爆炸波前的瞬态流速和超压的定量关系,采用数值模拟的方法分别研究了开口型方管内瓦斯爆炸超压和瞬态流速传播特征。研究结果表明：开口型方管内,波前瞬态流速和超压的波形曲线的峰值个数不一样,而且超压峰值总是早于波前瞬态流速峰值出现。大部分情况下,方管横截面边长越大,其超压峰值相对较小,并且超压峰值沿传播方向呈现降低趋势。波前瞬态流速峰值沿传播方向呈不断增长趋势,而且方管横截面边长越大,其峰值也相对较小。长径比(方管长度与横截面边长之比)小于125时,超压峰值与波前瞬态流速峰值的定量关系始终呈现线性反比关系;大于或等于125时,超压峰值和波前瞬态流速峰值的定量关系呈分段关系。研究结果可为爆炸冲击波扬尘的研究提供基础数据。