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。     

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。     

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。     

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。     

球形容器内气体的泄爆过程

为了得到球形容器内可燃气体的泄爆强度产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,从流体力学和化学反应动力学守恒出发,采用-湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧模型,利用SIMPLE算法对带泄爆导管的球形容器二维空间内甲烷-空气预混气体的泄爆过程内外场进行了数值计算,获得了气体燃烧过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,能够比较清晰地反映泄爆的整个过程。研究表明,燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流,传播得到了极大的加速,泄爆导管对于容器内的高压气体泄放有很大的约束作用。     

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。     

柔性障碍物对甲烷空气爆炸波激励作用的实验研究

为研究柔性障碍物对甲烷空气爆炸波的激励效应,采用双向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene, BOPP）薄膜作为柔性障碍物将管道内甲烷空气预混气体与空气隔开,对比障碍物前后火焰、激波变化,分析膜状柔性障碍物激励效应的机理。实验结果表明:这种具有一定承压能力的柔性障碍物对甲烷爆炸波产生的激励效应不可忽视,在膜片破裂前产生多次激波反射过程,可诱导湍流火焰形成,促使膜前爆炸压力提高,膜片破裂后,火焰在伴流作用下传播速度突增,并加速逐渐逼近前驱冲击波,致使膜后爆炸压力大幅提高;激励效应可使膜片前后最大爆炸压力相差5倍,火焰速度相差7倍;另外在膜片位置2.5 m后增设一道膜片,可增强这种激励效应,而增加膜片的实质是使激波火焰相互作用的次数增加。     

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%。     

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。     

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。     

密闭空间油页岩粉尘爆炸特性研究

为探究油页岩粉尘的爆炸特性,以龙口（Longkou, LK）、茂名（Maoming, MM）、桦甸（Huadian, HD）和抚顺（Fushun, FS）4种油页岩粉尘为研究对象,采用20 L球形爆炸装置,对这4种油页岩粉尘样品开展系统的爆炸实验,探讨油页岩粉尘的粉尘云质量浓度、粒径、挥发分、灰分、氧含量等对其爆炸特性的影响。结果表明:挥发分含量越高,油页岩粉尘的最大爆炸压力p_max、最大压力上升速率(dp/dt)_max越高,爆炸下限越低;挥发分和灰分对油页岩粉尘云爆炸分别有显著的促进和抑制作用。在37.52～106.43 μm粒径范围内,这4种油页岩粉尘样品的p_max和(dp/dt)_max均随其粉尘粒径的增大而降低,且到达最大爆炸压力的时间逐步缩短,说明小粒径油页岩粉尘较高的脱挥发速率能提高爆炸的反应程度。当粉尘质量浓度在400～2 500 g/m3范围内时,p_max和(dp/dt)_max均随粉尘云质量浓度的升高呈现先升高后降低的变化趋势,高于最佳粉尘云质量浓度（1 000 g/m3）时略有下降,但维持在较高水平,表明超过最佳质量浓度的粉尘云引燃后仍有较强的破坏力;LK样品的p_max和(dp/dt)_max均最高,分别为0.61 MPa和29.32 MPa/s,与挥发分含量相当的褐煤在同一水平,其爆炸下限为200 g/m3,在4种样品中最低,高于挥发分含量相当的褐煤;在N₂惰化条件下,LK样品的p_max和(dp/dt)_max均随环境氧含量的降低而降低,当氧含量降至15%时,系统不再发生爆炸,极限氧含量为16%。     

不同变质程度煤尘爆炸压力特性变化规律实验研究

为研究不同变质程度煤尘爆炸压力特性变化规律，以最大压力p_max和最大压力上升速率(dp/dt)_max表征压力特性，使用近球形煤尘爆炸装置对褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤的爆炸压力特性变化规律展开分析。研究发现:在4种煤尘样品中，褐煤的p_max和(dp/dt)_max均最大，分别达0.71 MPa和65.69 MPa/s。随变质程度增大，长焰煤、不黏煤和气煤的p_max和(dp/dt)_max均明显减小，说明以爆炸压力特性为标准，4种煤尘爆炸强度由高到低依次是褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤。通过对比爆炸前后煤尘挥发分含量，得出参与爆炸的挥发分含量所占质量分数为46.28%～68.19%。在喷尘压力p₀=2.0 MPa，点火延迟时间t₀=100 ms时，4种煤尘p_max值均达最大，分别为0.71、0.60、0.55和0.47 MPa。褐煤、不黏煤和气煤在p₀=2.0 MPa，t₀=80 ms时(dp/dt)_max达最大，而长焰煤则在p₀=2.0 MPa，t₀=100 ms时(dp/dt)_max达到最大。     

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。     

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。     

点火能量对粉尘爆炸行为的影响

为防控工业粉尘爆炸和完善粉尘爆炸测试方法,在Siwek20L球形爆炸测试系统内,实验研究了 不同点火能量下高、低挥发性粉尘的爆炸行为。对粉尘爆炸猛度(最大爆炸压力、最大升压速率和燃烧持续时 间)、敏感度(爆炸下限)及惰性介质的抑爆效力随点火能量的变化规律进行了重点探讨。结果表明,增加点火 能量能提高粉尘云爆炸能量和燃烧速率,低挥发性粉尘爆炸行为受点火能量的影响更显著。低挥发性粉尘在 低质量浓度下无法被低点火能量充分引燃,爆炸不良效应显著;随着粉尘质量浓度的增加,爆炸不良效应不 断减弱直至消失。低挥发性粉尘爆炸下限随点火能量增加急剧下降,而高挥发性粉尘爆炸下限受点火能量影 响较小。惰性介质抑爆效力随点火能量增加而下降。建议采用5~10kJ点火能量考察低挥发性粉尘爆炸下 限及惰性介质对粉尘爆炸的抑制效力。研究结果有助于理解粉尘爆炸规律、完善测试方法和安全设计。     

甲烷/石松子两相混合体系爆炸强度参数

基于改进的20 L球形粉尘爆炸装置,在相同初始条件下分别测量了甲烷、石松子粉尘和甲烷/石松子两相混合体系的爆炸压力、爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数,系统研究了甲烷/石松子粉尘两相混合体系爆炸特性变化规律。结果表明:甲烷的添加能显著提高低质量浓度石松子粉尘爆炸压力而降低高质量浓度石松子粉尘爆炸压力;甲烷对石松子粉尘最大爆炸压力没有显著影响,但能显著提高石松子粉尘最大爆炸压力上升速率。甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸指数高于单相石松子粉尘爆炸指数,但甲烷/石松子粉尘混合体系和单相石松子粉尘爆炸指数均低于单相甲烷爆炸指数。工业生产过程中应避免粉尘混入可燃气体以降低粉尘爆炸危险性。     

微重力燃烧研究进展

认识燃烧过程是安全、高效、洁净地利用能源的基础. 但是, 常重力条件下的浮力对流和重力沉降使得燃烧现象变得复杂. 而微重力条件下这些影响几乎消失, 这简化了对燃烧的研究. 在加深对地面燃烧过程和载人航天器火灾安全问题的认识的推动下, 经过近半个世纪特别是最近10多年的发展, 微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体、气体扩散、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播等燃烧学科的各个领域. 研究中实现了球对称液滴燃烧、不受沉降影响的粉尘燃烧、静止或低速对流环境中的燃烧, 观察到了火球、自熄灭火焰等现象,阐明了碳黑形成中的热泳力效应、可燃极限与火焰稳定性等机理. 加深了对燃烧现象,特别是对辐射效应的理解: 在预混气体、气体扩散、液滴等多种火焰中, 除了停留时间过短引起的吹熄极限外, 还存在辐射热损失过大引起的冷熄极限, 后者只能在微重力条件下观测到. 部分研究成果已经进入教材. 而火焰在微重力下不同于常重力下的现象, 对载人航天器火灾安全具有重要意义. 考虑到我国的现实情况和国内外的研究现状, 建议将煤炭颗粒和粉尘的燃烧、与碳黑相关的机理、辐射效应、化学动力学等作为我国微重力燃烧的主要研究方向.      

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。     

航空油料在舱室内燃爆危害的数值分析

不同舱室结构内航空油料的燃爆参数存在差异,为了解和掌握不同结构舱室内航空油料的燃爆危害性,运用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对不同结构航空油料舱室内的航空油料蒸汽燃爆问题进行了数值模拟。结果表明:密闭航空油料舱中的航空油料蒸汽预混燃爆时,油舱各处压力分布较均匀,无隔板密闭舱室和含不完全分割隔板密闭舱室内航空油料的最大燃爆压力分别为0.76、0.74 MPa,即舱室内的不完全分割隔板对航空油料燃爆时所产生的最大压力无显著影响;隔板等特殊结构的存在使舱室内部产生了气流漩涡,增大了燃料消耗的速率,导致火焰面传播速度及压力上升速率增大,舱室内各处燃料的质量分数由火焰面决定。