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。     

基于RGB颜色模型的玉米淀粉爆燃火焰传播速度

采用小尺度粉尘爆炸实验装置对不同质量浓度的玉米淀粉爆燃火焰传播过程进行了实验研究,建立了基于RGB颜色模型的火焰重构及形态学重建的粉尘火焰传播速度计算方法,计算了不同质量浓度下的玉米淀粉爆燃火焰传播速度。结果表明:采用基于RGB颜色模型的速度计算方法能够快速准确地计算出玉米淀粉爆燃火焰传播速度,火焰像素范围的确定是火焰速度计算的关键;管道内火焰传播速度受粉尘云质量浓度的影响,最大火焰传播速度随粉尘云质量浓度的增大先增大后减小,到达速度峰值的时间先缩短后增长,当质量浓度为0.63 kg/m3时,出现该实验条件下火焰传播速度最大值7.03 m/s。     

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。     

微米/纳米PMMA粉尘爆炸抑制过程中压力特性与热化学动力学的相关性

为了揭示微米/纳米PMMA (polymethyl methacrylate)粉尘爆炸的抑制机理，利用同步热分析仪和20 L爆炸试验装置，对微米/纳米PMMA粉尘在抑爆粉剂NaHCO₃干预下的热解动力学特性和爆炸特性展开了实验研究，分析了惰化爆炸混合体系的爆炸压力特性参数与热化学动力学参数的相关性，并探讨了基于热化学动力学的粉尘爆炸抑制机理。结果表明：NaHCO₃通过物理化学协同抑制作用影响了微米/纳米PMMA粉尘的热解及氧化进程，提高了爆炸混合体系的活化能，减弱了爆炸强度；且抑爆剂粒度越小、添加比例越大，爆炸混合体系的表观活化能越大；与最大爆炸压力相比较，最大爆炸压力上升速率对爆炸体系活化能的敏感度较高，而纳米PMMA粉尘对爆炸混合体系活化能的敏感度大于微米PMMA粉尘，抑爆效果也更显著。     

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。     

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。     

含双侧分支受限空间油气爆炸火焰行为与超压特性大涡模拟

为研究含分支结构狭长受限空间油气爆炸特性规律，基于大涡模拟WALE模型和Zimont预混火焰模型，对横截面为100 mm×100 mm的含双侧分支管道受限空间油气泄压爆炸特性进行了数值模拟。通过对火焰形态、火焰传播速度和动态超压3个物理量的对比，验证了所建立模型对于含分支结构受限空间油气爆炸计算的适用性。基于数值模拟结果，对爆炸过程中的流场结构、火焰形态和超压变化规律进行了分析，指出了“浪花状”火焰的形成原因。结果表明:（1）火焰传播进入分支管道前，在主管道和分支管道交界处会产生旋转方向相反的对称涡旋结构，并随着火焰传播不断向分支管道内部发展；（2）当火焰传播进入分支管道后，分支管道内部前期已建立流场决定了火焰的形态，火焰锋面在涡旋结构作用下呈“浪花状”，此后火焰和流场相互影响，流场向湍流转捩，火焰锋面褶皱变形；（3）爆炸超压升压过程可划分为4个阶段，受到火焰锋面面积和分支管道泄压共同作用，表明爆炸流场、火焰行为和动态超压呈现出显著耦合性。     

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO_3和MgCl_2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl_2和NaHCO_3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl~-销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO_3~-,阳离子Na~+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg~(2+)。     

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。     

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。     

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。     

The discrete heat source approach to dust cloud combustion

In the present paper, combustion of dust clouds from the discrete point heat source method has been addressed. Time-place temperature profile generated by single particle burning has been obtained to study the dust combustion. The summation of the temperature profiles of burned and burning particles predict the temperature in the preheating zone so that the ignition time of layer in flame front can be determined. Consequently the flame propagating speed was obtained based on the dust concentration corresponding to particles spacing and particle diameter. This method has been validated with aluminum dust cloud combustion. Decrease in the dust concentration leads to the lean limit of dust combustion. Increase in particles diameter or reduction in the dust concentration causes higher lean limit and also reduction in the flame propagating speed. Adding the ignition energy as igniter to this system, provides the path to study the effects of ignition energy in the dust combustion.     

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。     

Microgravity experiments and numerical studies on ethanol/air spray flames

Spray flames are known to exhibit amazing features in comparison with single-phase flames. The weightless situation offers the conditions in which the spray characteristics can be well controlled before and during combustion. The article reports on a joint experimental/numerical work that concerns ethanol/air spray flames observed in a spherical chamber using the condensation technique of expansion cooling (based on the Wilson cloud chamber principle), under microgravity.We describe the experimental set-up and give details on the creation of a homogeneous and nearly monosized aerosol. Different optical diagnostics are employed successfully to measure the relevant parameters of two-phase combustion. A classical shadowgraphy system is used to track the flame speed propagation and allow us to observe the flame front instability. The complete characterization of the aerosol is performed with a laser diffraction particle size analyser by measuring the droplet diameter and the droplet density number, just before ignition. A laser tomography device allows us to measure the temporal evolution of the droplet displacement during flame propagation, as well as to identify the presence of droplets in the burnt gases. The numerical modelling is briefly recalled. In particular, spray-flame propagation is schematized by the combustion spread in a 2-D lattice of fuel droplets surrounded by an initial gaseous mixture of fuel vapour and air.In its spherical expansion, the spray flame presents a corrugated front pattern, while the equivalent single-phase flame does not. From a numerical point of view, the same phenomena of wrinkles are also observed in the simulations. The front pattern pointed out by the numerical approach is identified as of Darrieus–Landau (DL) type. The droplets are found to trigger the instability. Then, we quantitatively compare experimental data with numerical predictions on spray-flame speed. The experimental results show that the spray-flame speed is of the same order of magnitude as that of the single-phase premixed flame. On the other hand, the numerical results exhibit the role played by the droplet radius in spray-flame propagation, and retrieve the experiments only when the droplets are small enough and when the Darrieus–Landau instability is triggered. A final discussion is developed to interpret the various patterns experimentally observed for the spray-flame front.     

半封闭空间明火引燃油气特性实验

为研究明火引燃油气着火爆炸特性,建立了半封闭着火爆炸实验平台。通过高速摄影仪拍摄的火焰图像,研究不同油气体积分数下的火焰传播特性。根据高频压力传感器采集的容器内压力变化情况,分析不同油气体积分数下的压力发展特性。结果表明,油气体积分数对火焰组分、火焰传播速度、压力和压力变化速率有显著影响;火焰具有明显的分区现象,可分为燃烧核和火焰阵面,并且纵向火焰阵面速度大于横向火焰阵面速度;容器内压力发展历程可分为4个阶段,而且会形成压力双峰现象;油气爆炸过程中,火焰结构与压力波形成了强烈的耦合作用。     

非金属粉末对方管内瓦斯预混火焰传播的影响

为研究非金属粉末对管内瓦斯预混火焰传播的影响,选用煤粉和石粉2类煤矿井下常见粉末,采用微细热电偶、火焰传感器测试得出内铺2种粉末管内瓦斯火焰传播的瞬态温度、火焰阵面位置及火焰传播速度等参数,初步分析2种粉末影响瓦斯火焰传播机制的不同。实验表明:(1)煤粉能够加速管内瓦斯火焰的传播,而石粉则抑制管内瓦斯火焰的传播,但两者影响机制有本质不同;(2)内铺煤粉时,火焰温度瞬时值曲线呈现出明显的双峰结构,反应区宽度增加,表明活性煤粉与瓦斯形成了瓦斯 煤粉复合火焰;(3)内铺石粉时,火焰温度值整体下降,温度半峰宽度变窄,说明撒布岩粉法能有效抑制瓦斯煤尘爆炸发生。     

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。