高压氢气泄漏自燃形成喷射火的实验研究

为了探究高压氢气泄漏发生自燃时所需的临界初始释放压力随管道长度的变化规律，了解管内自燃火焰向管外喷射火焰转变的发展过程，本文利用压力、光电以及高速摄像等测试系统展开实验研究。实验结果表明:当管道长度相同，初始释放压力较低时，氢气泄漏不容易发生自燃；随着管道长度的增加，氢气发生自燃时的临界初始释放压力先缓慢减小后迅速增大；当管道长度一定时，初始释放压力越大，激波传播速度越快，氢气管内自燃的位置距离爆破片越近；气流通过激波马赫盘后，火焰燃烧加剧；随着时间的增加，火焰长度呈现先增大后逐渐减小的变化趋势，喷射火焰尖端的平均传播速度逐渐减小；火焰宽度呈现先增大后迅速减小至稳定值的变化规律。     

富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展

燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章综述了近20年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性实验及数值模拟的研究进展,介绍了包含燃料氢含量、来流温度及工作压力等参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡和微混燃烧器等对回火特性影响的研究成果,现有研究表明,边界层内火焰传播速度超过来流速度是造成回火的主要因素,控制来流速度、来流温度、改变局部燃料浓度可以克服或者减缓回火.根据目前的研究现状和发展动态,对未来的研究方向进行了展望.     

氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力，设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验，采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa，爆炸开始后喷射氮气，爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明，单喷头距泄压口20 cm时，各压力下喷出的氮气都未能阻爆，但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小；单喷头距泄压口35 cm时，喷气压力0.5 MPa下成功阻爆，其他喷气压力下未能阻爆；双喷头喷气时，喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆，且喷气压力越大，火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现，需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下，因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时，喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时，氮气区扩大，阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。     

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。     

超音速气流粉碎喷嘴数值模拟

对气流粉碎装置的喷嘴结构和参数进行设计与优化,采用流体动力学软件对所设计喷嘴进行流场模拟,对所喷嘴效果进行检验。分别讨论了锥顶角和内腔造型对超音速喷嘴性能的影响,通过结果比较得出,入口压力3.5MPa、入口直径为6mm的喷嘴为设计的最佳喷嘴。超音速喷嘴锥顶角在8度到12度之间变化时,对喷嘴的性能影响不大,内腔造型为光滑曲面的超音速喷嘴性能最佳。     

氢燃料缓燃向爆震转捩过程中波与火焰的匹配特性

为了解氢燃料爆震过程中压力波与火焰之间相互匹配的特性,在60mm60mm2000mm 方 爆震管内,用氢气和空气混合物进行了单爆震性能研究。在爆震转捩区内布置压力传感器与离子探针,用来 监控压力波和火焰的信号,同时利用高速摄影仪集中拍摄转捩区域。根据压力波和火焰面在爆震管不同时刻 的强度特性、速度特性及位置特性来分析爆震过程中波与火焰匹配的规律。结果表明:压力波和火焰的强度 呈现为相互正反馈匹配性质;缓燃向爆震转捩(DDT)过程中,压力波和火焰的速度表现为相互交替的变化过 程,且缓燃阶段中火焰速度的增幅大于压力波速度的增幅;当火焰面追赶上激波时,产生过爆,火焰面会临时 位于激波前面;在过爆衰减为正常爆震波的过程中,激波在火焰前面。     

围压下自振空化射流冲蚀性能实验研究

自振空化射流是利用瞬态流和水声学原理调制而成的一种新型射流,为研究围压下自激振荡空化射流的冲蚀破碎规律,利用高压釜装置测量了1.0mm出口直径的风琴管自振空化喷嘴在各种射流参数情况下冲蚀铝试样的冲蚀质量,并与同等条件下锥形喷嘴冲蚀效率进行了对比。测量结果表明,冲蚀质量基本与射流压力成正比;存在最优喷距和围压,使得冲蚀效果最佳,在本实验条件,分别为喷嘴出口直径的5～7倍和2MPa左右;相同条件下,自振空化喷嘴冲蚀质量约为同等条件下锥形喷嘴冲蚀的1～2倍,这为自振空化射流提高钻井速度等实际应用提供了实验依据。     

破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响

利用自主设计的5.00 m长矩形管道,对氢气体积分数为30%的氢气-空气预混气体进行了不同破膜压力(p_v)下的系列燃爆实验,重点研究了p_v对管道内外火焰传播行为及爆炸超压的影响。实验结果表明：管道内的火焰传播行为受p_v影响显著。在靠近泄爆口的压力传感器所监测的压力-时间曲线上,可以观察到3个压力峰值(p_b、p_out、p_ext),分别对应于铝膜破裂、燃烧混合物泄放以及外部爆炸,大多数情况下,p_b为最大压力峰值。管道内部最大超压随着p_v升高而增大,但最大内部超压出现的位置受p_v的影响。管道外部火焰传播行为与p_v有关,但不同p_v下外部火焰的最大长度无明显差异。最大外部超压与p_v之间呈现非单调变化规律。     

超临界CO2直旋混合射流破岩特性的实验研究

超临界二氧化碳(CO₂)射流破岩既能降低岩石门限压力又能有效保护储层,直旋混合射流兼具直射流和旋转射流特点可提高破岩效率,基于此提出了超临界CO₂直旋混合射流的破岩方法。为了揭示超临界CO₂直旋混合射流破岩特性,设计加工出叶轮式直旋混合射流喷嘴,通过岩石定点冲击破碎实验对比了该射流与常规水射流的破岩效果,并研究了叶轮长度、叶轮中心孔直径、混合腔长度、喷射距离、射流压力等重要参数对超临界CO₂直旋混合射流破岩效果的影响。结果表明:相同实验条件下,该射流方法的平均破岩能力比常规水射流提高了42.9%;超临界CO₂直旋混合射流破岩易出现较大体积岩屑崩落现象;随着叶轮长度、混合腔长度、喷射距离的增大破岩效果均先增强后减弱,实验条件下上述参数存在最优范围值;叶轮中心孔直径的增大会导致岩石破碎孔深度增加、直径减小;随着射流压力的升高,超临界CO₂直旋混合射流破岩效果有着较为明显的提升。研究结果可为超临界CO₂直旋混合射流破岩方法的进一步研究提供实验依据。     

微小空间内丙烷/空气火焰传播特性与加氢爆燃实验

在内径150 mm的圆盘狭缝微型燃烧室内,实验探讨了在常温常压下,不同当量比的丙烷/空气预混气以及掺氢的丙烷/空气混合气在电火花点火后向外传播的特性,通过高速摄影方法获得了在狭缝间距为2.0、2.5、3.0、5.0 mm时微燃烧室内的火焰传播形态。实验中观察到火焰传播存在光滑、皱褶和断裂三种火焰锋面形态。当量比的增加和狭缝间距的减小会使火焰更容易发生褶皱。随着火焰的传播,火焰半径逐渐增大,火焰传播速度整体呈下降趋势。火焰传播速度随着间距的减小先增大后减小,在间距3 mm时最大。因为壁面散热的影响,微尺度效应在降低火焰传播速度和增加火焰不稳定性方面具有重要作用。掺入氢气能提高预混气的火焰传播速度,在间距2.5 mm的微燃烧腔中还观察到了爆燃现象。     

模型超燃冲压发动机内着火过程分析

在燃烧室入口来流为Ma=2.64、T0=1483K、P0＝1.65MPa、T=724K、P=76.3kPa条件下,采用高速摄影和连续激光高速纹影对等截面型开窗燃烧室内氢气射流自燃过程、火花塞点燃氢气过程和引导氢气火焰点燃煤油过程进行了观测,获得了燃烧室内着火过程中火焰和流场波系结构的动态演化过程;观察到了初始火焰区首先起始于燃烧室下游,并逆流传播实现发动机着火的过程;分析表明燃料能否着火、以及着火位置与燃料着火时间、燃烧室流速和火焰稳定器安装情况相关,多火焰稳定区延长了燃料驻留时间,使燃料更容易着火。关键词 超燃冲压发动机,点火过程,火焰传播,火焰稳定器      

开放空间H2/CH4/空气爆炸实验与数值模拟研究

近年来氢的使用范围逐渐发展到各个领域, 含氢多元混合物气体在工业生产及生活燃料中被普遍使用. 为了保障含氢气体在生产、运输、使用等各个环节的安全性, 构建了开放空间混合气体爆炸测试实验系统, 研究了H₂/CH₄/空气混合气体爆炸压力及火焰传播特性, 给出了不同氢摩尔分数(100%, 75%, 66.67%, 50%, 33.33%)、混合气体当量比(0.8, 1.0, 1.1, 1.2, 1.4)、可燃云团尺寸(1 m3, 4 m3, 8 m3)及障碍物约束等因素对混合气体爆炸压力及火焰的影响规律. 基于经典TNT当量法, 建立了考虑混合气体组分比及可燃云团尺寸的最大爆炸超压预测模型, 修正了爆炸火焰传播半径理论模型. 结合高精度数值模拟技术揭示了加气站内建筑结构对混合气体爆炸的影响. 研究表明, 氢气的加入能够明显增强气体爆炸强度, 最大爆炸超压、火焰传播速度均随氢摩尔分数的增加而增大, 随当量比的增大先增大后减小, 当量比为1.1~1.2时最大; 通过对大尺度混合气体爆炸数值仿真与分析发现, 加气站内不同建构筑物条件下爆炸火焰传播距离、传播速度、最大爆炸超压等关键参数明显不同, 顶部和背部同时约束时, 爆炸伤害范围及事故后果最严重, 因此在划定加气站安全距离时, 应充分考虑不同建筑结构的影响.      

点火位置对氢气-空气预混气体泄爆过程的影响

利用高速纹影和压力测试系统对不同点火位置及不同破膜压力条件下氢气-空气预混气的泄爆特性进行研究。研究结果表明:在所有情况下,中心点火时火焰传播速率和面积最大,产生了最大的内部压力峰值,尾端点火时火焰传播速率和面积次之,产生的内部压力峰值也次之;前端点火时火焰传播速率和面积均最小,产生了最小的内部压力峰值。前端点火时,容器内部压力出现了3个明显的压力峰值,中心和尾端点火时,只能观察到第1个和第3个压力峰值。并且,随着破膜压力的增加,中心和尾端点火时,火焰面积均增大,产生的内部压力峰值均增大。在前端点火的条件下出现了声学振荡的现象,对内部压力产生了显著的影响。     

淹没条件下不同结构参数的自激吸气式脉冲射流喷嘴压力变化试验研究

运用自行研制的试验装置对淹没条件下的自激吸气式脉冲射流喷嘴特性进行了大量的试验,研究了吸气对喷嘴内的压力变化和脉冲射流峰值打击力的影响。通过研究淹没条件下10-16-125-75和8-14-85-60结构参数喷嘴在不同吸气根数下的腔套内各测点压力及峰值打击力的变化,得出不同结构喷嘴的压力和峰值打击力随吸气量的增大而逐渐提高,存在最优吸气量使脉冲射流峰值打击力最大。通过研究淹没条件下结构参数分别为8-14-85-60、10-16-105-75、14-28-125-105的喷嘴在不吸气及吸气根数为4情况下的射流峰谷差及峰值打击力,得出三种喷嘴在吸气时的射流峰值打击力分别提高45%~78%、40%~46%、22%~38%。研究表明:对于不同结构参数喷嘴,吸气可提高射流压力波动值和峰值打击力,随上喷嘴直径和振荡腔内容积的增大,该吸气方式对射流打击力的提高程度呈减小趋势。结果对进一步研究淹没条件下自激吸气式脉冲射流喷嘴特性具有指导意义。     

喷涂工艺条件对超音速火焰喷涂Cr3C2—NiCr涂层冲蚀磨损性能的影响

基于正交试验设计方法,系统研究了氧气流量、燃气流量和喷涂距离等喷涂工艺参数对超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层冲蚀磨损性能的影响.结果表明:氧气流量、燃气流量和喷涂距离对2种冲蚀角度下涂层冲蚀磨损率的影响规律有所不同,在燃气流量为39.2L/min、氧气流量为421L/min、喷涂距离为205mm条件下,冲蚀角为30°时涂层的冲蚀率较低;而燃气流量对冲蚀角为90°时的涂层冲蚀率的影响受喷涂距离的制约,当氧气流量为444L/min、燃气流量为32L/min、喷涂距离为176mm时,相应的冲蚀率较低.     

超燃冲压发动机燃烧流场及火焰稳定初步研究

采用壁面燃料喷射并结合凹槽设施作为火焰稳定器是超燃冲压发动机设计的理想方案,本文采用非定常数值模拟研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯的火焰稳定过程。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K、静压0.1MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为2ms;当凹槽内喷油当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹和凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽内喷油当量比为0.315时,火焰稳定模式完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.05时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.2时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。     

大型通道中被动式水雾抑爆效果的实验研究

本文采用40L聚苯乙烯泡沫水槽在长25m、直径700mm的接近实际规模的大型爆炸试验管道中，利用浓度为8％VOL的甲烷空气混合物对水槽布置方式及不同水量条件下抑爆效果进行了实验研究。实验结果表明：在水量均为70L的情况下，分散式布置时激波在通过第一个水槽位置后即开始发生衰减，并完全衰减成为压缩波，火焰熄灭在水雾作用区，爆炸被安全抑制住；集中式布置时，火焰穿过水雾区到达管道开口端，激波仅仅在有一定区域内表现出衰减现象，未能完全抑爆。在管内距离点火源4．33m处水量辚70L、35L和15L时，激波速度均发生不同程度的衰减，且水量越大，激波速度衰减越明显。因此，水雾装置布置方式和用水量是影响被动式水雾抑爆效果的重要因素。     

柴油的烤燃燃爆性能实验

为研究3种柴油燃料装入76 L标准小型货车油箱在明火烤燃下的燃爆特性,利用摄像机、高速照相机、红外热成像仪、热电偶以及电子秤分别记录并测量了油箱的烤燃过程及其产生的喷射火焰表面最高温度、火焰尺寸、油箱内外部温度变化、油料蒸发速率等参数。结果表明:相同烤燃条件下,-10#柴油油箱发生剧烈燃烧和爆炸,防火柴油与阻燃抑爆柴油油箱出现了喷射火焰。防火柴油油箱喷射火焰最高温度、火焰高度、内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比-10#柴油分别降低31.39%、75.34%、39.05%和57.32%;阻燃抑爆柴油油箱喷射火焰最高温度、火焰高度、油料质量蒸发速率、内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比防火柴油分别降低24.67%、61.11%、14.29%、7.54%和7.54%;阻燃抑爆柴油在抑制火焰温度上升、火球尺寸增长以及降低质量蒸发速率上效果更明显。     

2%氢气含量对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响

氢气的存在会劣化金属材料的力学性能，导致材料发生氢脆断裂，严重影响含氢天然气输送管线的安全输送，为此本文开展X80管线钢在含氢环境中的断裂韧性试验，通过对比无氢环境，评定氢气的存在对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响规律，利用扫描电镜对断口进行观察分析，判断其在不同条件下的断裂模式。结果表明，在12 MPa的输送压力环境中掺入2%H₂,X80管线钢的断裂韧性比氮气环境有一定程度的下降，X80管线钢在氮气中的裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)值为0.42 mm，在氢气中的值为0.33 mm,2%H₂使X80的断裂韧性下降21.42%，相应地氢气降低了管线钢允许的缺陷尺寸。从断口的形貌来看，氢气并没有改变材料的断裂模式，仍表现出明显的韧性断裂的特征，但局部有少量微裂纹存在。     

反射波对预混气体爆炸过程与管壁动态响应的影响

为研究管道内甲烷/空气混合气体火焰和压力波的传播规律,对内载压力波作用下管壁的动态响应进行实验。结果表明,末端闭口实验中,管道末端的反射激波会引起当地火焰亮度的增大,而前端反射激波则有可能导致火焰内部的分离从而出现熄灭与复燃现象。相对于末端开口工况,末端闭口实验时管道两端产生的往复反射激波对管壁具有叠加加载作用,导致管壁产生较大的环向应变。