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。     

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用

为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律,进行了硅酸铝棉抑制管道内预混气体爆炸实验,在管路内置入硅酸铝棉,以室温常压下化学计量浓度的C2H2/air预混气体为介质。结果表明,当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时,能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长度时,能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入口火焰速度有关。压力临界长度的大小与硅酸铝棉入口爆炸超压有关。压力临界长度小于速度临界长度,说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。     

N2双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验研究

为了在较低压力下获得较小粒径的细水雾,降低喷雾抑爆系统的运行成本,提高系统的适用性和抑爆效率,自行搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台。采用双流体喷嘴将N₂和细水雾送入试验管道,通过调节喷雾压力和喷雾时间开展了双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究,从火焰速度、瓦斯爆炸超压2个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明:N₂双流体细水雾抑爆效果明显,可以减小瓦斯爆炸强度;随着喷雾时间的延长,爆炸火焰的速度峰值逐渐下降,爆炸超压峰值逐渐下降,平均升压速率逐渐降低;当N₂压力为0.4 MPa、喷雾时间为3 s时,速度峰值比不喷雾时下降60.39%,爆炸超压峰值下降37.76%。     

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。     

Large Eddy Simulation and PIV Measurements of Unsteady Premixed Flames Accelerated by Obstacles

In gas explosions, the unsteady coupling of the propagating flame and the flow field induced by the presence of blockages along the flame path produces vortices of different scales ahead of the flame front. The resulting flame–vortex interaction intensifies the rate of flame propagation and the pressure rise. In this paper, a joint numerical and experimental study of unsteady premixed flame propagation around three sequential obstacles in a small-scale vented explosion chamber is presented. The modeling work is carried out utilizing large eddy simulation (LES). In the experimental work, previous results (Patel et al., Proc Combust Inst 29:1849–1854, 2002) are extended to include simultaneous flame and particle image velocimetry (PIV) measurements of the flow field within the wake of each obstacle. Comparisons between LES predictions and experimental data show a satisfactory agreement in terms of shape of the propagating flame, flame arrival times, spatial profile of the flame speed, pressure time history, and velocity vector fields. Computations through the validated model are also performed to evaluate the effects of both large-scale and sub-grid scale (SGS) vortices on the flame propagation. The results obtained demonstrate that the large vortical structures dictate the evolution of the flame in qualitative terms (shape and structure of the flame, succession of the combustion regimes along the path, acceleration-deceleration step around each obstacle, and pressure time trend). Conversely, the SGS vortices do not affect the qualitative trends. However, it is essential to model their effects on the combustion rate to achieve quantitative predictions for the flame speed and the pressure peak.     

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。     

高压泄爆导致的二次爆炸

基于计算结果和相关实验结果，通过理论分析，对高压泄爆导致的二次爆炸机理进行了系统的阐述。泄爆后，泄出的高压可燃气体在泄爆口附近形成可燃云团，由于欠膨胀，云团内存在稀疏波低压区和Mach干高压区。火焰射流泄出后，在一定条件下，可使Mach干高压区内的可燃云团爆炸式燃烧，压力迅速上升，以致产生二次爆炸。     

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。     

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。     

磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响

为了弄清煤矿井下巷道中变电站、大型机电设备等产生较强的磁场对瓦斯爆炸的影响机理和影响程度,实验研究了外加磁场对瓦斯爆炸过程中爆炸应力波和火焰传播速度的影响,并从磁场影响瓦斯爆炸及其传播的传质、传热、反应过程等进行了理论分析.研究结果表明:外加磁场能增加瓦斯爆炸强度和火焰传播速度以及增大压力波超压峰值和火焰传播速度峰值,...     

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。     

Turbulence,vortex and external explosion induced by venting

The process of explosion venting to air in a cylindrical vent vessel connected to a duct, filling with a stoichiometric methane-oxygen gas mixture, was simulated numerically by using a colocated grid SIMPLE scheme based on k-epsilon turbulent model and Eddydissipation combustion model. The characteristics of the combustible cloud, flame and pressure distribution in the external flow field during venting were analyzed in terms of the predicted results. The results show that the external explosion is generated due to violent turbulent combustion in the high pressure region within the external combustible cloud ignited by a jet flame. And the turbulence and vortex in the external flow field were also discussed in detail. After the jet flame penetrating into the external combustible cloud, the turbulent intensity is greater in the regions with greater average kinetic energy gradient, rather than in the flame front ; and the vortex in the external flow field is generated primarily due to the baroclinic effect, which is greater in the regions where the pressure and density gradients are nearly perpendicular.     

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。     

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。     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果，采用自主搭建的爆炸实验平台，探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明，不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时，爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低，并在厚度较大时，火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时，预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄，但随后一段时间内，由于负压抽吸作用，在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象，且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率，同时可吸收能量，进而提高爆炸超压的上升速率，降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时，与当量比为1的预混气体爆炸相比，超压峰值最大可提高约2倍，造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄，最大超压衰减可达47.17%，δ=30时最大超压衰减了24.62%。     

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。     

磁场效应对甲烷爆炸影响的机理

为了揭示磁场对甲烷爆炸特征的影响机理,开展了磁场对甲烷爆炸影响实验,得出了磁场对甲烷爆炸压力、火焰传播速度、爆炸产物组分及体积分数的影响规律。利用Chemkin-Pro软件模拟甲烷爆炸链式反应过程,得到了甲烷爆炸过程中的关键自由基和基元反应。通过理论计算,对不同自由基在磁场作用下的受力进行分析,揭示了磁场对甲烷爆炸的影响机理。研究结果表明,磁场能够降低甲烷爆炸压力和火焰传播速度,降低CO和CO₂的生成量,增加甲烷的残余量;·H、·O、·OH、·CH₃、·CH₂O是甲烷爆炸的关键自由基,由于·O的磁化率较高,被吸引到磁感线密集的区域,·O与其他自由基的碰撞几率减少,从而降低·HCO→CO→CO₂的链式反应速率,导致CO和CO₂生成量降低,且甲烷爆炸强度降低。     

油气在顶部含弱约束结构受限空间内的爆炸特性

建立了顶部含有弱约束结构的受限空间油气爆炸实验系统,并对含有弱约束的受限空间中油气爆炸特性进行实验研究,获得超压变化规律及火焰发展特征。结果表明:(1)容器内部超压受泄流、外部爆炸、火焰扩张等因素的影响,出现多个峰值,并伴以强烈的振荡;容器外部超压随着距离的增大而减小,且竖直方向超压大于水平方向超压。(2)与无约束爆炸相比,弱约束结构对爆炸的影响主要体现在对爆炸超压的增强效应和对爆炸发展速率的滞后效应。(3)爆炸超压随着油气体积分数的增加先增大后减小,最大超压所对应的初始油气体积分数为1.79%。(4)容器外火焰发展过程分为初级燃烧阶段、过渡燃烧阶段、次级燃烧阶段,由于受Rayleigh-Talor不稳定、Helmholtz不稳定、斜压效应的影响,火焰出现褶皱和卷曲,最大火焰高度和直径分别为0.8和0.55 m。     

Role of Second Phase Powders on Microstructural Evolution During Sintering

The influence of second phase fine powders on solid state sintering was investigated in situ by synchrotron radiation X-ray computed tomography (SR-CT). The evolutions of microstructure during sintering of pure SiO₂ powders and SiO₂ powders mixed with Si₃N₄ powders were observed from reconstructed SR-CT images. Typical sintering parameters, which determine mechanical properties, were extracted from the experimental data, and the effects of the second phase powders were quantitatively analyzed. The experimental results showed that with second phase powders, 1) the specific surface area decreases more efficiently; 2) pore shape evolution is accelerated; 3) sintering necks grow faster and 4) densification process is notably accelerated. It was indicated that the Si₃N₄ fine powders enhanced the sintering of the original SiO₂ powders rather than hindering the process. A qualitative explanation based on the experimental results and existing powder sintering theory is provided.