受限空间内甲醇喷雾液滴形成及其爆炸特性

为防控工业喷雾爆炸和完善喷雾爆炸测试方法,在20 L球形喷雾爆炸测试系统内，实验研究了不同环境压力、喷射压力及浓度下的甲醇喷雾液滴形成及爆炸特性规律。结果表明:增大喷射压力更易致使甲醇破碎成微小液滴，甲醇喷雾液滴爆炸极限范围变宽；环境压力的增大导致甲醇喷雾液滴粒径变大，喷雾液滴爆炸极限范围变窄，一定程度上可以有效抑制甲醇泄露可能导致的次生衍生事故发生。当爆炸容器内环境压力为0.1 MPa、喷射压力为2.1 MPa、甲醇喷雾浓度为356.4 g/m3、甲醇液滴索太尔平均直径为2.5 μm时，爆炸特性参数（最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及层流燃烧速度）在上述拐点处取得最大值；小粒径（1～15 μm）的液滴在外界能量作用下，更易被点燃，且爆炸过程中瞬态物理化学反应更为迅速和剧烈；较大粒径(22 μm以上)的液滴会出现点火困难现象，然而点火成功后，爆炸特性参数均随甲醇喷雾浓度增加而增加，呈现近似线性规律，此时液滴粒径对上述爆炸特性参数的影响可以忽略。研究结果有助于理解喷雾液滴爆炸规律、完善相应测试方法和安全设计。     

温度压力对瓦斯爆炸危险性影响的实验研究

为了研究瓦斯的爆炸危险性,选取对其影响较大的初始温度和初始压力进行实验研究。运用特殊环境20 L爆炸特性测试系统,对不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下瓦斯的爆炸极限、最大爆炸压力和点火延迟时间进行实验研究。结果表明:高温高压条件使瓦斯的爆炸上限升高、下限降低,爆炸极限范围扩大;随着初始温度升高,瓦斯爆炸的最大爆炸压力逐渐减小;初始温度越高,点火延迟时间越短。通过对实验结果的分析,运用安全原理知识和危险度定义,给出初步评估瓦斯爆炸危险性的方法。     

高温和高压对乙烷在氧气中爆炸极限影响的实验研究

获得高温、高压下可燃介质爆炸极限数值，对完善复杂工况下可燃介质燃爆安全理论、构建可燃介质爆炸防护技术提供支持。搭建了适用于开展高温、高压工况的20 L球形爆炸实验装置，测量了初始温度为20～270 ℃，初始压力为0.5～2.6 MPa下乙烷在氧气中的爆炸极限，分析温度、压力单因素对乙烷在氧气中的爆炸极限的影响以及温度和压力双因素的耦合影响。结果表明，随着初始压力和初始温度的提高，乙烷在氧气中的爆炸极限逐渐扩大。在温度小于140 ℃时，在高压和低压两种情况下，压力对乙烷爆炸上限的影响基本一致。在温度高于140 ℃时，压力的升高使乙烷爆炸上限升高，但其影响的效果逐渐减小。在初始压力小于1.6 MPa时，温度的升高使乙烷的爆炸上限升高，但其影响的效果变化很小。在压力大于1.6 MPa，温度高于140 ℃时，温度的升高使乙烷的爆炸上限升高，且其影响的效果逐渐增大。温度和压力的升高均使乙烷的爆炸下限降低，但其影响较小。初始温度和初始压力对乙烷在氧气中爆炸极限的耦合作用略小于两个因素作用的和，但大于单个因素的作用。通过拟合得到了C₂H₆/O₂爆炸极限随初始压力、初始温度变化的定量规律。     

三元可燃混合气体爆炸极限实验及预测方法

为了控制并预防原油的储存及输运过程中挥发气体造成的安全风险，在20 L球形爆炸容器内开展了由原油中挥发轻烃CH₄、C₃H₈和C₂H₄构成的三元可燃混合气体的爆炸极限实验，提出并验证了基于Le Chatelier定律及Chemkin模拟的一维层流预混火焰模型预测三元可燃混合气体爆炸极限的方法。结果表明，三元可燃混合气体爆炸极限始终位于3种纯组分的爆炸极限内，随着某一纯组分增加呈现出接近其爆炸极限的趋势。3种纯组分对爆炸上限的影响要强于对爆炸下限的影响，其中C₂H₄对三元可燃混合气体爆炸上限影响尤为显著。两种预测方法的预测结果均与实验规律性一致。Le Chatelier定律预测混合气体爆炸下限较准确，但对爆炸上限的预测随着C₂H₄的增加偏差增大，修正后偏差明显减小；Chemkin预测爆炸下限虽存在一定偏差，但在实验偏差的允许范围内，可作为一种预测三元可燃混合气体爆炸下限的新方法。     

温度、压力对甲烷-空气混合物爆炸极限耦合影响的实验研究

为了研究不同初始条件对甲烷-空气混合物爆炸极限的影响,利用容积为20 L的爆炸罐,在不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下测定了甲烷-空气混合物的爆炸极限。实验结果表明,随着初始温度和初始压力的升高,爆炸上限升高,爆炸下限降低,爆炸极限范围扩大。在实验温度和压力范围内,常压/常温条件下,爆炸上限和下限与初始温度/初始压力呈线性相关。爆炸上限与初始温度的相关性受初始压力的影响,其与初始压力的相关性也与初始温度有关。然而,初始压力/初始温度对爆炸下限的影响与初始温度/初始压力的相关性并不显著。初始温度和初始压力对爆炸极限的耦合影响比单一因素对其的影响大,且相较而言,其对爆炸上限的影响更为显著。本文中绘制了影响曲面来描述初始温度和初始压力如何影响甲烷-空气混合物的爆炸极限。     

乙烯储罐气体泄漏诱发蒸气云爆炸的数值模拟

储罐会因腐蚀或人为误操作等原因引发泄漏，造成泄漏气体扩散或气云爆炸事故。为了揭示此种事故的发展过程及影响规律，应用计算流体力学软件FLACS，研究了泄漏和环境风两个主要影响因素对乙烯气体扩散及爆炸的影响。结果表明:气云扩散距离和体积随泄漏速率增加而增大；当泄漏速率低于6 kg/s时，不同泄漏方向上的气云扩散距离及体积相近；当泄漏速率高于6 kg/s时，气体泄漏扩散和气云形成过程因受到障碍物影响，随阻塞率增大，气云扩散距离减小，气云体积增加。当泄漏方向垂直于储罐组中轴线，泄漏速率为18 kg/s时，气云扩散距离最大为81.5 m；当泄漏方向平行于储罐组中轴线，泄漏速率为24 kg/s时，气云体积最大达到9 604 m3。爆炸波的冲击压力随泄漏速率升高而升高；环境风会加快可燃气体稀释，有效降低气云爆炸发生的概率，降低爆炸强度，达到爆炸压力峰值的时间更早，可使高温在更短的时间内下降。泄漏速率为24 kg/s时，与泄漏储罐紧邻的储罐表面上被冲击到的爆炸超压仅为6.88 kPa，但温度高达2 384 K，因此，为避免事故发生时的二次灾害，救援中对储罐组的冷却降温尤为重要。     

城市地下排水管道中燃气爆炸及气-液两相耦合作用规律

为研究城市地下排水管道中燃气爆炸传播特性和气-液两相耦合作用规律,基于气-液两相流理论和计算流体力学方法,对不同水深率下的天然气/空气混合物的爆炸-加速-衰减过程进行了数值模拟。研究结果表明：当水深率小于0.7时,随着水深率的增加,气相空间的长径比增大,燃料燃烧加剧,火焰的加速现象逐渐显著,导致峰值超压逐渐增大,超压峰值显现时间逐渐缩短,且峰值超压沿轴向的提升效果更加显著;当水深率达到0.7时,火焰在管道内的传播明显受阻,水震荡产生的波动及细水柱迅速占据了有限的气相空间,阻断了火焰的自维持传播,使得爆炸超压仅在点火源附近显现。不同水深率条件下,管道中相同区域内,同一时刻水面被扬起的高度和气相区域的速度场不同,被卷扬起的低温液体对其相邻区域的高温火焰形成降温和阻断,之后由于气体的宏观流动,与液面相邻的低温气体流动至管道内高温区域,进而造成管道内火焰温度降低,同时,水的震荡和细水柱的飞扬大大降低了爆炸超压风险。     

高原环境爆炸冲击波传播特性的实验研究

在评估弹药在高原的爆炸威力时,需要考虑高海拔条件对炸药爆炸冲击波参数的影响。为研究高海拔低气压条件下的冲击波传播规律,开展了模拟海拔高度h=500, 2 500, 4 500 m等3种气压条件下的爆炸冲击波测试实验。结果表明,当环境气压每下降20%时,冲击波超压、比冲量和到达时间平均降低约9%、10%和6%。将使用Sachs因子修正后的计算结果与测试数据进行对比分析,发现该方法能较好地预测不同环境条件下的爆炸冲击波参数。进一步分析了环境温度的影响,发现初始温度升高会使到达时间提前,本文实验的温度条件对超压和比冲量的影响并不显著。该研究结果对战斗部在高海拔的爆炸威力评估具有参考意义。     

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。     

湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用

在实验的基础上,研究了管内瓦斯爆炸过程中湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用.研究结果表明,管道面积突变对瓦斯爆炸过程中湍流的产生具有重要影响.管道面积突变(变大、变小)时,产生附加湍流,并使下游火焰气流的湍流度增加,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,并可诱导激波的产生.在80×80mm等截面直管中(瓦斯浓度为理论上最猛烈的爆炸浓度9.5%),瓦斯爆炸最大火焰传播速度为40.8m/s,管内各点均为压力波信号,当管道加装一Φ300mm圆管形成面积突扩11倍和突缩11倍两断面后,面积突扩处(L/D=22)火焰速度增大5.05倍,达到64.4m/s,面积突缩处(L/D=28)火焰速度为156.0m/s, 增大4.55倍,并在L/D=48倍处形成激波(超压1.6976atm、波速416.7m/s),在L/D=98倍处,激波强度最大.在面积突变管内加装加速环可使瓦斯爆炸过程中湍流度加剧,火焰的传播速度更高,激波生成的位置(L/D=28)、最强点位置(L/D=70)均前移,激波强度增大.研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸,减轻瓦斯爆炸的威力具有一定的指导意义.     

不同湿度和近爆炸下限条件下甲烷-空气混合物爆炸特征

为了研究不同湿度条件下低浓度甲烷-空气混合物爆炸特征,设计了饱和湿空气发生及储存装置,对管路、气囊和爆炸腔体进行温度控制和流量调节,实现了不同相对湿度的甲烷-空气混合气体的配置。采用20 L球形爆炸测试装置,分析不同相对湿度、甲烷浓度对混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率、爆炸下限及层流燃烧速度的影响。结果表明,随着相对湿度增大,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率逐渐下降,且呈一定的线性关系。混合气体相对湿度从27.7%增大到80.1%时,甲烷爆炸下限从5.15%上升到5.25%,上升率1.9%,层流燃烧速度随相对湿度的增大也呈线性降低趋势。在本文条件下,相对湿度对甲烷-空气混合物的爆炸影响较小,这主要与常温常压下水蒸气的饱和分压力较低有关,但在高温高压时仍需考虑水蒸气含量的增大对混合气体爆炸特征的影响。     

Experimental and numerical analysis of spray-atomization characteristics of biodiesel fuel in various fuel and ambient temperatures conditions

The purpose of this work is to reveal the effects of fuel temperatures and ambient gas conditions on the spray-atomization behavior of soybean oil methyl ester (SME) fuel. The spray-atomization behavior was analyzed through spray parameters such as the axial distance from the nozzle tip, local and overall Sauter mean diameter (SMD). These parameters were obtained from a spray visualization system and a droplet measuring system. In addition, the experimental results were compared with the numerical results calculated by the KIVA-3V code. It was revealed that the increase of the fuel temperature (from 300 K to 360 K) little affects the spray liquid tip penetration. The increase of the ambient gas temperature (from 300 K to 450 K) caused a increase in the spray liquid tip penetration. Also, biodiesel fuel evaporation actively occurred due to the increase in the fuel temperature and the ambient gas temperature. Of special significance was that the highest vapor fuel mass concentration was observed at the center region of the spray axis. In the results of the microscopic characteristics, the detected local droplet size at the axial direction and overall droplet size at the axial and radial direction in a control volume increased when the fuel temperature increased. This is believed to be due to an increase in the number of small droplets that quickly evaporated. In addition, the increased fuel temperature caused the decrease of the number of droplets and the increase of the vapor fuel mass. The mean axial velocity of droplets decreased with increasing fuel temperature.     

密闭空间煤粉的爆炸特性

利用ISO6184/1和IEC推荐的20L球型爆炸测试装置,对4种规格的煤粉进行了系统的粉尘爆炸实验,探讨了煤粉的爆炸规律。得到了样品的爆炸下限浓度、最大爆炸压力,最大爆炸压力上升速率变化规律;分析了浓度、粒径、点火能量对煤粉爆炸猛烈度的影响。结果表明,粒径越小的煤粉,爆炸下限越小,而且在指定浓度下爆炸越猛烈。随着浓度的增大,最大爆炸压力和上升速率先增后减。样品3,峰值爆炸压力对应的浓度为400～1000g/m3,爆炸压力最大值为0.54MPa;点火头能量的增大在一定程度上促使反应更充分,从而爆炸强度更强。由于煤粉组成的特点,实验数据一定程度上说明了爆炸过程中气相燃烧的重要作用。 更多还原     

乙醚云雾场燃爆参数实验研究

基于自行研发的20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统,对乙醚液体燃料瞬态雾化云雾场的燃爆参数进行实验研究。通过调节气动压力、设计喷雾剂量,得到了粒径相同、质量浓度不同的乙醚云雾燃爆超压、温度及点火延迟时间等燃爆参数。结果表明,在索特平均直径为22.90 μm的条件下:乙醚云雾与空气混合物的燃爆下限为80.26 g/m3,燃爆上限为417.34 g/m3;最大超压峰值为0.78 MPa,其出现在云雾质量浓度为278.23 g/m3时;最大爆温峰值为1 260 ℃,其出现在云雾质量浓度为228.29 g/m3时;点火延迟时间在燃爆极限范围内呈U型分布。     

具有体积分数梯度的连通装置甲烷-空气爆炸特性数值模拟

为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性,以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长,截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象,利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明:连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时,并由大容器中心点火工况时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度,以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系;连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势;大容器中心点火时,最大爆炸压力位于小容器,最大压力上升速率位于管道1或管道2,最大速度位于管道3,速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。