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%。     

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。     

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。     

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。     

煤气火焰传播规律及其加速机理研究

研究了煤气/空气预混气在两端封闭管道中的火焰传播加速现象和管道中有无障碍物时火焰的加速机理,认为火焰加速是由于火焰前未燃气体被前驱压缩波加热和障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈造成的。实验结果表明,障碍物存在时,最大爆炸压力可提高20%,与理论计算一致;火焰传播特性随煤气浓度的变化而改变;障碍物阻塞比对火焰的速度和压力都有一定影响。     

连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟

采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性。结果表明：（1）大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;（2）障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;（3）爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性。

     

气流特征对水平长管内石松子粉尘爆炸火焰结构的影响

为探索气流特征对水平长管内粉尘爆炸火焰结构的影响, 对采用加压送气传输方式形成的石松子粉尘云经静电引燃后其火焰在水平长管内的传播特性进行实验。利用热线风速仪测量不同气流条件下沿管径方向的速度分布和湍流强度分布, 采用高速摄像系统记录了火焰在水平管道内的传播过程。实验观察到, 即使管内石松子粉尘质量分数相同, 仍然会出现2种不同类型的火焰结构:一种类型火焰轮廓规则、清晰, 火焰中心为连续的黄色发光区并由红色边缘火焰包裹; 另一种类型火焰空间离散, 火焰发光区局部存在, 散乱地呈现不规则状态。详细分析不同气流条件对火焰结构的影响。     

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。

     

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。     

半封闭空间内氢化镁粉尘爆炸火焰的传播特性

在自行搭建的5 L粉尘爆炸火焰传播特性实验装置中,实验研究了半封闭空间内氢化镁(MgH₂)粉尘爆炸火焰的传播特性。实验结果表明：随MgH₂粉尘浓度的提高,MgH₂粉尘爆炸火焰由点火至稳定传播所用时间先缩短后延长以及预热区宽度先减小后增大,火焰亮度、锋面平滑度、及火焰传播速度呈先提高后降低的趋势,并在质量浓度为800 g/m³时呈最佳燃烧状态。不同浓度的MgH₂粉尘爆炸火焰传播瞬时速度整体呈波动趋势,波动幅度随浓度的提高而先减小后增大,800 g/m³时波动幅度最小,瞬时传播速度变化趋势随浓度的变化呈现不同的变化趋势。最后,根据MgH₂爆炸产物的XRD测试结果,分析MgH₂粉尘爆炸反应机理,发现MgH₂粉尘爆炸是以MgH₂燃烧反应为主并伴随有MgH₂和Mg(OH)₂分解以及Mg和H₂氧化等多个总包反应的复杂过程,爆炸反应的最终产物为MgO。     

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。     

低温环境下甲烷爆炸流场特性模拟

在低浓度煤层气含氧液化工艺过程中,甲烷浓度会处于爆炸极限范围内,存在爆炸危险。采用流场模拟平台,对密闭容器内低温环境条件下的甲烷爆炸过程进行了数值模拟。通过研究得出：在反应体系体积及初始环境压力不变的情况下,环境温度越低,最大爆炸压力越大,到达最大爆炸压力所需时间越长;爆炸流场以化学反应区为阵面分别建立正负流动区,并不断向壁面推进,火焰传播过程受化学反应区正反馈机制的影响,在密闭容器内出现点火、加速传播、衰减传播和猝灭4个阶段;随着环境温度的降低,火焰传播速度明显降低,火焰持续时间延长。该结论可为认清低温条件下的甲烷爆炸机理及预防低浓度煤层气含氧液化工艺爆炸事故提供依据。

     

柱形容器开口泄爆过程中的火焰传播特性

泄爆过程中流动与燃烧的相互作用机制是研究开口泄爆问题的关键。对柱形容器泄爆过程中压力与火焰发展传播过程的观测与分析表明,不同泄爆条件下压力与火焰的发展传播具有明显特点。泄爆诱导流动通过加速火焰传播、加剧火焰变形、增大火焰面积对容器内燃烧产生增强作用,泄爆流动大小主要由泄爆面积决定。小口中低压泄爆过程压力与火焰的发展过程与封闭燃烧中类似;小口高压以及大口泄爆过程中,火焰变形剧烈,传播速度明显上升,并导致压力的回升。     

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750g/m^3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750g/m^3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。     

水陆两栖飞机典型横截面入水撞击实验研究

选取当今世界几种水陆两栖飞机典型横截面为研究对象,通过进行不同投放高度和不同质量的楔形体入水冲击实验,动态测量楔形体入水冲击过程中的压力并记录自由液面变化情况,研究了不同实验件的自由液面变化、冲击压力随时间变化及局部压力分布规律等。通过对比分析,发现带舭弯的弧形横截面型式有利于降低水陆两栖飞机在复杂海况下的着水冲击载荷,可作为水陆两栖飞机设计的参考线型。     

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。