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。     

基于量纲分析理论的煤尘爆炸能量预测模型

为预测煤尘爆炸能量,基于量纲分析理论建立煤尘爆炸能量预测模型。选取爆炸能量E、空气密度ρ和大气压强p的量纲为导出量纲。根据量纲分析Π定理得出含有待定参数λ的具有普适性的能量预测模型。通过小型煤尘爆炸性实验设计,测定10次爆炸最长火焰长度平均值l₀、10次最长火焰长度出现时间平均值t₀与该小型煤尘爆炸中释放能量E₀,确定模型中参数λ为0.467。对模型变量t、E、l的函数关系进行合理性检验。通过实测的15组不同时刻的火焰长度进行模型变量t、l幂指关系检验。检验结果表明:量纲选取完备,预测模型科学合理。     

密闭空间可燃气体爆炸超压预测

为避免密闭空间内可燃预混气体爆炸事故造成的伤害，对其进行较为准确的爆炸超压预测是抗爆设计和日常安全管理的关键。结合已有文献实验数据，利用光滑层流火焰传播理论模型建立了爆炸超压模型；对比发现，当体积较大时，光滑层流火焰传播理论模型存在较大的误差。较大体积密闭空间爆炸火焰传播过程中的不稳定性造成火焰前锋面褶皱并引起湍流燃烧，导致火焰前锋面表面积大幅增加，且在火焰传播过程中表现出自相似分形特征。依据褶皱及湍流火焰传播过程中的自相似分形特征，基于分形燃烧理论和相关经验数据，进一步建立了考虑可燃预混气体爆炸火焰褶皱及湍流火焰传播的爆炸超压预测模型，并与实验所得结果进行了对比。结果表明:当密闭空间体积较大时，利用褶皱及湍流火焰传播理论建立的爆炸超压模型进行峰值压力估算时，两种工况下实验所得和理论计算所得相对误差分别为10.4%和11.1%，较光滑层流火焰传播理论爆炸超压模型相比，误差分别减少了72.3%和50.6%。本文所建立理论模型与实验所得结果具有较好的一致性，在一定程度上可满足结构抗爆设计或日常安全管理的需要。     

耦合火焰不稳定的爆炸超压预测

基于火焰不稳定和爆炸超压的耦合机制，通过向光滑火焰模型中引入褶皱因子，建立了褶皱火焰模型和湍流火焰模型，对密闭燃烧室内爆炸超压进行理论预测，且对比了绝热压缩和等温压缩对爆炸超压预测的影响规律。结果表明:在增强的流体动力学不稳定作用下，膨胀火焰失稳加剧，且在定容燃烧阶段形成胞状火焰；光滑火焰模型忽略了火焰不稳定，爆炸超压理论预测值比实验值偏低，且等温压缩下超压预测值低于绝热压缩下的预测值；湍流火焰模型高估了火焰褶皱程度，超压预测值远高于实验值；褶皱火焰模型可成功预测丙烷/空气爆炸压力和燃烧室体积V=25.6 m3的甲烷/空气爆炸压力；对于甲烷/空气爆炸，燃烧室体积V≤1.25 m3时，实验压力值介于褶皱火焰模型和绝热光滑火焰模型预测值之间。     

含弱约束端面短管道油气爆炸特性实验研究

构建了长径比为4的含弱约束端面的短管道实验系统,对短管道油气爆炸特性进行了实验研究,得到油气爆炸压力和火焰的变化规律。实验结果表明:(1)受破膜、泄流、外部爆炸等因素的影响,含弱约束端面短管道油气爆炸具有多个超压峰值,并产生Helmholtz振荡;(2)弱约束端面对管道内外爆炸超压均具有增强作用,内部最大超压为24.23 kPa,外部最大超压为5.45 kPa,分别为无约束条件下的4.9和2.7倍;(3)火焰变化过程可划分为“层流燃烧-突变加速-外部爆炸-衰弱熄灭”4个阶段;由于湍流、界面不稳定、斜压效应等因素的影响,火焰在突变加速和外部爆炸两个阶段会发生剧烈的拉伸褶皱和卷曲变形,形成Tulip火焰和蘑菇云状火焰。(4)在层流燃烧阶段,弱约束端面对火焰速度有减弱作用,此阶段最大火焰速度为3.5 m/s,相比于无约束时减弱了41.3%;而在突变加速和外部爆炸阶段,弱约束端面破坏产生的强泄流对火焰传播速度有增强作用,此阶段最大火焰速度为80.2 m/s,相比于无约束时增强了106.2%。(5)不同初始油气浓度条件下火焰发展模式具有显著差异,在低浓度和中浓度条件下火焰能够冲出弱约束端面形成外部火球,而在高浓度条件下,火焰无法冲出管道。     

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。     

瓦斯爆炸过程中火焰厚度测定及其温度场数值模拟分析

本文通过实验的方法，探讨了瓦斯爆炸过程中火焰厚度变化特性及其影响因素，并对瓦斯爆炸过程中的温度场变化进行了数值模拟。研究结果表明，障碍物存在时，瓦斯爆炸过程中产生的火焰厚度常常会小于无障碍物存在时所产生的火焰厚度；膜片所处位置对瓦斯爆炸过程中火焰厚度也有重要影响，膜片距离爆炸源较近时，火焰厚度明显增大，瓦斯爆炸后，火焰阵面着附近区域与管封闭端附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面后一段区域的温度变化较平缓，且火焰阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快上升到最大值，然后温度开始下降。研究结果对指导现场防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸灾害具有一定的指导意义。     

单色高温计测量火焰动态温度的可行性实验研究

一种测量固体表面温度的单色高温计经改进后,用于火焰动态温度测量,本文设计了三组实验对其可行性进行研究,即:黑火药与铝热剂的分层火焰温度测量实验、单色高温计与热电偶的测温对比实验和激波管内氢氧爆炸火焰动态温度测量实验。结果表明,当目标尺寸远大于单色高温计红外视场时,所测火焰温度可视为单色高温计光轴上的最高温度;采用单色高温计和热电偶同时测量发光火焰的温度,测量结果相差不到6.2%;单色高温计所测氢氧爆炸火焰的动态温度曲线,较好地反映了爆炸火焰的动态传播规律;经改进的单色高温计可以用于爆炸火球等发光火焰的动态温度测量。     

CH4/N2、CH4/CO2二元和CH4/N2/CO2三元混合气体爆炸极限的实验与估算

为了获取甲烷与不可燃组分组成的混合物的爆炸极限,采用一种基于绝热火焰温度的混合物爆炸极限估算方法,对CH₄/N₂和CH₄/CO₂这2种二元混合气体及3种不同阻燃剂体积分数的CH₄/N₂/CO₂三元混合气体的爆炸极限进行实验研究,并将实验结果与估算值进行比较。CH₄/N₂与CH₄/CO₂二元混合物实验值与估算值在爆炸上限处的平均绝对偏差为0.34%,在爆炸下限处的平均绝对偏差为0.15%。3种不同比例的三元混合物实验值与估算值在爆炸上限处的平均绝对偏差为0.43%,在爆炸下限处的平均绝对偏差为0.20%。结果表明,估算方法对甲烷与不可燃组分的二元混合物与三元混合物爆炸极限的估算均具有较高的准确度。     

波纹管道阻火器内火焰传播的实验与数值模拟研究

对乙烯-空气预混火焰在波纹管道阻火器中的传播与淬熄过程进行了实验和数值模拟研究,实验结果显示:当乙烯接近当量浓度时,预混气体爆炸压力变化过程可分为4个阶段,等压燃烧阶段、缓慢上升阶段、快速上升阶段和压力振荡阶段;在爆炸过程中,由于反射压力波和火焰相互作用的影响,超压值出现多次振荡,压力振荡阶段一般可以持续数十毫秒;乙烯-空气火焰传播速度随管径增加、阻火单元波纹高度减小呈递增趋势,而且随着阻火单元厚度的增加,阻火器的阻火能力明显提高,可以更有效地使火焰淬熄。数值模拟结果显示:在管道封闭端点火后,火焰面呈半球形并以层流扩散的方式向四周传播;当火焰传播到管道壁面时,在管道壁面的约束作用下,火焰面发生变形,壁面附近的火焰逐渐超过了管道轴线附近的火焰,最后形成了“郁金香”状的火焰结构;当爆燃火焰经过阻火单元时,高温已燃气体被其吸收大量热量,同时在反应区产生的稀疏波作用下,气体温度逐渐降低、化学反应速率迅速减小,最终导致火焰被熄灭。通过模拟计算结果可以看出,在整个爆炸过程中,火焰传播速度与爆炸压力波动均较为明显。并提出了孔隙率和阻火单元厚度对火焰传播的影响机制。基于传热学理论模型,并结合实验数据,得出了爆燃火焰速度与爆炸压力之间的关系,为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

油气爆炸的氮气非预混抑制实验

依靠激波管可视化实验台架，完成了油气爆炸的氮气非预混抑制实验，获得了火焰前锋在氮气非预混段内衰减、熄灭过程的高速摄影照片。通过对实验数据和高速摄影照片的分析，讨论了油气爆炸氮气非预混抑制过程的超压特性和火焰行为。结果表明，采用氮气非预混手段能显著降低油气爆炸过程的超压与超压上升速率。油气爆炸的氮气非预混抑爆过程经历了惯性相持期、抑制衰减期和扩散熄灭期3个阶段。氮气分子作为第三体参与化学反应并携带走高能自由基的能量，促使链式反应向中止链大量发展，这是油气爆炸氮气非预混抑制过程的主要机理。抑制衰减期的火焰由衰减抑制区和核心区火焰构成，火焰与氮气的相互作用主要发生在衰减抑制区内。在抑制衰减期内，火焰速度的衰减可用线性公式描述。     

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。     

T型分支管道对油气爆炸强度的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气混合物爆炸强度的影响规律,测试了不同初始体积分数条件下直管和具有T型分支管中爆炸波超压值,并利用有机玻璃透明管道对火焰传播规律进行了可视化研究。得到以下结论:(1)T型分支管道对油气爆炸有强化作用,在油气体积分数为1.2%至1.6%范围内表现最明显; (2)T型分支管道对油气爆炸的强化作用受管道横截面突扩和障碍物扰动以及波的反射、绕射三方面的影响; (3)火焰经过分支管道时,火焰阵面发生极大的扭曲,火焰表面积显著增大,燃烧速率增大,增强了热量和活性物质的输运速率,提高了爆炸波的强度; (4)在T型分支管道附近, 油气爆炸的压力突变增强, 是由压力波反射、绕射引起的温升效应和压力波引起湍流强度增强共同导致。     

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。     

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。