不同粒径PMMA粉尘云火焰温度特性研究

为揭示粒径分布对聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）粉尘云火焰温度的影响，本文分别采用热电偶和高速比色测温法测量了开敞空间不同粒径PMMA粉尘云的火焰温度特性。结果表明:相比30 μm粉尘粒子，100 nm粉尘粒子热解/挥发速率较快，燃烧更加充分，粉尘云火焰的最高温度可达1 551℃，而30 μm粉尘云火焰最高温度仅为1 108℃；在微米尺度，随着PMMA粉尘粒径的增大，火焰最高温度和高温火焰区面积先增大后减小；20 μm粉尘粒子由于其分散性较好，裂解气化特征时间尺度与燃烧反应特征时间尺度较接近，燃烧反应充分，火焰最高温度和高温火焰区面积均最大。     

甲烷浓度对PMMA/甲烷混合爆炸下限及预热区厚度的影响

为探索甲烷体积分数对聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)/甲烷混合爆炸下限及预热区厚度的影响,采用半封闭可视化实验装置研究甲烷/PMMA粉尘混合爆炸火焰传播过程。结果发现,随着甲烷体积分数增加,平均粒径为28和54μm的粉尘爆炸下限逐渐降低,平均粒径为54μm的粉尘混合爆炸预热区厚度增大,28μm粉尘混合爆炸预热区厚度基本不变。爆炸下限的降低是由于甲烷与PMMA粉尘存在协同作用;28μm粉尘混合爆炸的预热区厚度不变表明28μm粒子在预热区中完全裂解气化与甲烷气体形成均相的气体预热区。此外,在甲烷体积分数相同时,粉尘质量浓度的增加使得火焰传播速度增大。而在组合当量比一定的条件下,粉尘质量浓度的增加并未使得混合爆炸火焰传播速度增大,而是出现一定的波动变化。     

超细二氧化硅粉体对淀粉火焰抑制的实验研究

为了探究不同粒径二氧化硅粉体抑制效果上的差异,采用小尺寸竖直燃烧管道系统,研究添加10 μm和30 nm二氧化硅粉体时,不同粒径小麦淀粉燃烧的火焰传播、温度、速度等参数特性的变化。实验结果表明:超细二氧化硅粉体能减弱小麦淀粉燃烧反应强度;30 nm二氧化硅粉体抑制效果优于10 μm二氧化硅,当小麦淀粉粒径小于25 μm时,质量浓度为0.43 kg/m3、粒径30 nm的超细二氧化硅粉体可使小麦淀粉火焰亮度明显下降,最高温度下降38.07%,最大速度和平均速度分别下降42.25%、65.59%;超细二氧化硅粉体主要起物理抑制作用,抑制效果与小麦粒径成反比关系,小麦粒径越小,二氧化硅抑制效果越好。     

20L近球形容器中微米级铝粉的爆炸特性

采用20 L近球形粉尘爆炸实验系统,探究微米级铝粉在不同点火延迟时间、粉尘粒径及粉尘浓度下的爆炸特性规律。结果表明:当点火延迟时间在20~120 ms范围内,铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率先增大后减小,随铝粉粒径增大,最佳点火延迟时间增大;在任一点火延迟时间下,粒径大于8.12 μm的铝粉最大爆炸压力随粉尘粒径的减小呈增大的变化趋势;粒径大于8.12 μm的铝粉,在80~440 g/m3粉尘浓度范围内,铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率先增大后减小,且铝粉粒径越小,对应的最猛烈爆炸粉尘浓度越低。     

惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能和作用机理研究

为了研究惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能和作用机理,利用粉尘爆炸火焰传播测试系统,选取了五种常用惰性粉体和两种不同油页岩粉尘进行了爆炸火焰抑制实验。通过对爆炸火焰长度、最低惰化比和火焰形态结构的分析,结合惰性粉体的TG-DTG-DSC热特性曲线,系统研究了惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能和作用机理。研究结果表明,惰性粉体对两种油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能优劣排序为:ABC干粉＞Al(OH)₃＞Mg(OH)₂＞NaHCO₃>岩粉,且两种惰性粉体均对桦甸油页岩（HDOS）的抑爆性能优于龙口油页岩（LKOS）;本文建立了惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制机理物理模型,并分析了作用机理,通过作用机理分析表明:高效抑爆粉体应具有热稳定性较好（分解温度在200～400 ℃）,吸热量大,且分解中间态产物能够与燃烧反应活性自由基相结合发挥化学抑制作用等特点。     

月桂酸与硬脂酸粉尘爆炸过程热解动力学与火焰传播特性关系

综合应用同步热分析仪、改进的哈特曼爆炸测试装置及高速摄影系统,对月桂酸与硬脂酸粉尘的热解氧化特性及其在半封闭竖直管道内的火焰传播特性开展了实验研究,并分析讨论了月桂酸与硬脂酸粉尘爆炸燃烧过程中热解动力学与火焰传播特性的关系。结果表明,当粉尘云质量浓度为125 g/m3时,月桂酸粉尘云的火焰锋面结构比硬脂酸平滑,但硬脂酸粉尘的火焰传播速度明显大于月桂酸;随着质量浓度的增加,月桂酸和硬脂酸粉尘的火焰前锋逐渐变得离散,火焰传播速度逐渐增加,但速度差值逐渐减小;月桂酸粉尘的平均火焰传播速度在750 g/m3的粉尘云质量浓度下高于硬脂酸,火焰结构连续性显着降低。低质量浓度条件下月桂酸与硬脂酸粉尘云火焰传播特性差异主要由快速热解阶段的氧化放热特性决定,指前因子越大,参与热解和氧化反应的活性中心越多,氧化放热量越大,放热速率越快,火焰传播速度越快,火焰锋面结构由光滑连续向不规则离散的转变越快。随着粉尘云质量浓度的增加,火焰传播特性差异逐渐由活化能及火焰前锋预热区内氧气的质量输运过程控制,活化能越大,耗氧量越大,耗氧速率越快,越易导致火焰传播速度下降,火焰锋面趋于复杂,火焰结构连续性降低。     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

KH2PO4/SiO2复合粉体抑制铝粉爆燃效果及机理分析

为研究KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制作用,采用球磨机将KH₂PO₄和SiO₂混合研磨制备出新型的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂。在哈特曼管实验装置上,开展爆燃火焰传播抑制实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,爆燃火焰传播长度和速度逐渐减小,当添加质量比10∶6的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃火焰传播的抑制。在20 L球形爆炸装置上,开展复合粉体抑爆剂抑制铝粉爆炸压力测试实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,铝粉爆炸最大爆炸压力p_max和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max逐渐减小,当添加质量比10∶9的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃的完全抑制。通过KH₂PO₄粉体、SiO₂粉体与复合粉体抑爆剂对比可知,复合粉体抑爆剂对铝粉火焰传播和爆炸压力的抑制效果都优于单体粉体抑爆剂。通过对铝粉在空气中燃烧的热分析研究,从化学和物理两个方面分析了KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制机理。     

爆炸压力积聚工况下石松子粉尘爆炸火焰传播特性

搭建了一套兼具承压和可视性能粉尘爆炸实验平台，在压力积聚工况下实验研究了石松子粉尘爆炸火焰传播特性。实验结果表明:压力积聚工况下的石松子粉尘爆炸火焰呈现空间离散的束状结构，火焰锋面呈齿状。随着粉尘浓度的提升，火焰连续性增强，锋面趋于平滑，亮度增加，并在750 g/m3达到最佳。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰在传播过程中均呈现明显的速度脉动特征，但脉动频率随粉尘浓度的增大而减小。爆炸火焰平均传播速度随粉尘浓度的增大先增大后减小，并在750 g/m3达到最高。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰前期传播速度均高于后期传播速度。     

Al(OH)3对聚丙烯腈粉火焰传播特性影响研究

为研究Al(OH)₃粉体抑爆剂对聚丙烯腈（polyacrylonitrile, PAN）粉尘爆炸的抑制作用,利用透明管道爆炸传播测试系统,研究不同含量的Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸火焰传播形态、温度等参数的影响,并采用扫描电镜、热重分析仪、傅里叶红外光谱仪研究Al(OH)₃抑制PAN粉尘爆炸的微观特征,总结出Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸的抑制机理。测试结果表明,随着Al(OH)₃质量分数的增加,PAN粉尘爆燃的最大火焰传播距离和传播速度逐渐减小。同时压力监控及温度监控结果显示,随着Al(OH)₃质量分数的增加,PAN粉尘的最大爆炸压力及最大温度均逐渐减小,由此验证了Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸的抑制作用,且60%质量比的Al(OH)₃的抑制效果最好。通过对PAN粉尘爆炸固态产物表征及热分析的研究,从物理和化学两个方面分析了Al(OH)₃对PAN粉尘火焰的抑制机理,物理抑制包括包覆、吸热降温、气体惰化3种方式,化学抑制主要通过消耗维持燃烧爆炸连锁反应的关键自由基?O和?OH减少了自由基?H、?OH与?O之间的放热反应。     

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。     

Combustion tube studies of dust flame acceleration

A new pneumatic dispersion system for obtaining a good quality uniform dust suspension in a horizontal dust combustion tube was developed. The effect of three different dispersion techniques on self-sustained dust flame acceleration in such a combustion tube was examined. The importance of the dispersion quality in the test tube for maintaining a self-sustained dust flame acceleration was demonstrated. A combustion tube for studies of flame acceleration in fine aluminum dust-air mixture and its transition to detonation under industrial ignition conditions was constructed in the course of the present study. It consists mainly of an initiation section and a test section. The initiation section must be equipped in a well-developed dispersion system for creating a good dispersion condition in the test tube. The length of this section is 3 meters. The test tube requires only to distribute uniformly the dust over the bottom of the tube prior to the experiment. The aluminum dust spherical in shape with 6 μm in diameter was used for tests. Experimental results demonstrated that the increase in flame velocity is roughly linear through the entire length of the test tube. The highest flame propagation velocity in fine aluminum dust-air mixture approaches some 1200m/s at a distance of 4.8m from the ignition plane.     

阻塞比对竖直管道中铝粉爆炸特性的影响研究

在自行搭建的竖直透明管道喷粉平台中开展了铝粉尘爆炸实验研究，通过对铝粉爆炸火焰锋面演化及压力变化等特征进行分析，探究泄爆口阻塞比对铝粉爆炸特性的影响规律。结果表明:阻塞比对较小粒径铝粉爆炸火焰锋面结构影响较大。管道中爆炸超压呈双峰形式；对于较小粒径铝粉，超压双峰主导地位在拐点φ=0.4（φ为阻塞比）处发生反转，且第一波峰值与第二波峰值通过转折点时变化趋势不同，第一波峰值随阻塞比增加而升高，并以φ=0.4为拐点，斜率大大提升，而第二波峰值随阻塞比的增加先升后降，且在φ=0.4时达到最大；铝粉粒径较大时，波峰值变化趋势与小粒径类似，拐点后移至φ=0.6。最大(主导)超压峰值随阻塞比增加而增加；小粒径粉尘更容易产生危险性爆炸超压。     

碳酸氢钠粉体对导管泄爆过程的影响

为了研究惰性粉体对导管泄爆过程的影响,采用质量浓度C为0、40、80、120、160、200 、240 g/m3的碳酸氢钠（NaHCO₃）粉体,分别抑制连接不同长度（250 mm、500 mm、750 mm）泄爆导管的5 L容器内甲烷/空气预混气爆炸。对火焰传播特性分析结果表明:容器内添加NaHCO₃粉体可以极大地削弱导管内二次爆炸,且合适质量浓度的NaHCO₃粉体可以消除二次爆炸。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,容器内火焰结构逐渐不规则化,火焰到达容器末端时间延长,导管内火焰经历弱化到熄灭过程,不同质量浓度NaHCO₃粉体导致3种火焰速度发展模式。对压力特性分析得知,导管内爆炸超压上升机理依赖于NaHCO₃粉体质量浓度,粉体质量浓度较低时,容器中最大爆炸超压取决于二次爆炸产生的第二压力峰值,反之取决于火焰在容器触壁时产生的第一压力峰值。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,超压峰值下降率先增加然后趋于稳定,表明质量浓度效应逐渐减弱。最后定量分析了导管-容器配置中火焰传播速度与爆炸超压的关系。