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。     

泄爆外流场的可视化

通过实验和数值方法,对泄爆外流场进行了可视化研究。实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了泄爆外流场的时序阴影照片。基于K-湍流模型和漩涡破碎（eddy dissipation）燃烧模型,利用同位网格SIMPLE算法,对泄爆过程进行了数值模拟。根据计算结果,由计算光学获得泄爆外流场的时序计算阴影图。实验阴影图与计算阴影图较一致,都形象地揭示了泄爆后湍流火焰的发展及二次爆炸的产生和变化过程。     

泄爆过程中二次爆炸的动力学机理研究

在容积为0.00814m3的柱形泄爆容器中，对泄爆现象进行实验研究. 容器内充满当量比为1的甲烷-空气预混气，采用底端中心点火，泄爆压力为230±15kPa. 基于k-ε湍流模型和EBU燃烧模型，利用同位网格的SIMPLE算法，对该现象进行了数值模拟. 实验和计算获得的外轴线上4个测压点的压力曲线和外流场的阴影和数值照片，形象地描述了高压泄爆时外部流场的变化. 数值结果与实验结果基本一致. 根据实验和数值结果，详细地讨论了泄爆过程中二次爆炸产生的动力学机理. 泄爆的初始阶段，在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激波高压区. 高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域. 随后，火焰以射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云. 受湍流等因素的影响，特别在高密度的预热区域，燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸.     

圆柱形管道旁侧油气泄爆实验研究

油气是一种组分复杂的可燃气体,极易发生爆炸。为了研究油气在受限空间的泄爆规律,对不同体积分数油气在圆柱形直管道旁侧的单孔和双孔泄爆进行了可视化实验,获得了管道内外流场的爆炸超压规律和管道外流场的火焰特征。发现油气泄爆过程存在未燃气体从开孔泻出、形成“蘑菇云”、持续剧烈燃烧、逐渐熄灭4个阶段。通过对最大爆炸超压的数据对比分析,获得了双孔泄爆可以数倍分流单孔的外部最大超压;开孔位置距点火端越远,孔外最大超压越大;泄爆中外流场最大超压远大于内流场最大超压等结论。     

泄爆外流场特性的试验研究

泄爆是工业部门常用的一种防爆安全技术手段。在某些条件下,泄爆外流场可能出现二次爆炸,故研究其外流场特别是二次爆炸的产生机制,具有重要的意义。文中对容积为0.00814m3带导管的柱形泄爆容器,在不同泄爆条件下一系列泄爆试验进行了详细的研究。试验获得的外流场时序阴影照片和压力历史,形象地描述了泄爆外流场的变化特征和二次爆炸的产生和发展过程。并对在不同泄爆压力、不同泄爆面积、不同当量比的甲烷-空气预混气和不同点火位置的试验条件下获得的结果进行了分析,讨论了二次爆炸强度的变化规律。     

方管内汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性研究

为研究汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性，采用可视化方管进行了两种爆炸模式实验研究，并基于壁面自适应局部涡黏(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)模型和Zimont预混火焰模型进行了数值模拟研究。结果表明:（1）泄爆工况超压-时序曲线峰值数量多于密闭爆炸工况，且泄爆工况超压-时序曲线存在剧烈的类似简谐振动的振荡，而密闭爆炸工况的爆炸超压特征参数显著高于泄爆工况；（2）密闭爆炸工况最大火焰传播速度明显小于泄爆工况，但前者在火焰传播初期即达到最大值，而后者在火焰传播末期才达到最大值；（3）密闭爆炸工况出现郁金香形火焰，而泄爆工况出现蘑菇形火焰，郁金香火焰的形成与管道内火焰锋面、流场和流场动压三者之间耦合效应相关，蘑菇形火焰由外部流场湍流和斜压效应的共同作用引起。     

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。     

气体泄爆压力分步计算模型及其湍流修正

通过将密闭空间内爆燃泄放过程进行微分，假设各微分时段内爆燃泄放过程均按照先燃烧、再泄放、最后压力平衡的过程独立分步进行，最终得到泄爆压力分步计算模型。同时，在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的爆炸腔体一端安装击穿压力相同、泄放面积不同的泄爆构件进行泄爆实验，对分步压力计算模型进行验证。对比发现:大面积泄放条件下，2个传感器测得的压力曲线基本重合，均为单峰值曲线，此时模型计算值与实验结果吻合较好；小面积泄放条件下，腔体内压力曲线均为双峰值曲线，由于泄放截面改变加剧口部湍流扰动，使得腔体内部产生压力梯度，近泄爆口处传感器测得的第2个压力峰值要大于腔体内部传感器相应的测量值，经湍流速度修正后的压力计算模型可以较好地描述近泄爆口处的压力变化情况。     

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。     

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。     

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。     

泄爆过程中外部爆炸现象的实验研究

采用压力测量与YA-16 高速阴影系统同步测量方法，对柱型容器内甲烷-空气混合气体的燃烧及泄爆过程进行实验 研究. 获得正常泄爆和发生外部爆炸(也称二次爆炸)时泄爆外流场压力-时间曲线和流场 阴影照片. 结果表明：泄爆过程中发生外部爆炸的典型特征为, 在压力-时间曲线上,破膜激 波形成的第一个压力峰值后出现外部爆炸形成的第二个压力峰值，在流场阴影照片上,破膜 激波后有第二道爆炸波出现.     

泄爆诱导二次爆炸的实验研究

在不同泄爆压力、不同泄爆面积和不同当量比的甲烷/空气预混气的实验条件下,采用容积为0.00814m3带导管的柱形泄爆容器和底端中心点火方式,进行了一系列泄爆实验。实验获得了内外流场测点的压力历史曲线。结果表明泄爆后外流场出现典型的破膜激波和二次爆炸波的双峰变化特征,前者不断下降,其强度随泄爆压力的增大而增大,而后者经历了上升和下降过程,强度随泄爆压力、泄爆面积和甲烷/空气当量比的增大而增大。     

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。     

NUMERICAL ANALYSIS ON THE VELOCITY AND PRESSURE FIELDS INDUCED BYMULTI-OSCILLATIONS OF AN UNDERWATER EXPLOSION BUBBLE

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件,周围流体无黏无旋不可压缩. 基于势流理论,采用边界元法研究气泡动力学行为,重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性,给出了相关的理论推导和数值计算方法. 通过将数值结果与解析解、实验值进行对比,数值模型的收敛性和有效性能够得到保证. 利用编写的程序进行计算和分析,发现在气泡加速膨胀阶段,流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减,还有可能以先增后减的规律变化;气泡射流后,为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性,将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加,计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构,得以连续模拟多个周期的气泡运动. 环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度,而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区,顶部的高压区峰值相对较大,底部的高压区范围相对较大. 环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程,在气泡顶部附近又迅速减小.     

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。     

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。     

Leading-Edge Reaction Zones in Lifted-Jet Gas and Spray Flames

An investigation of the leading edge characteristics in lifted turbulent methane-air (gaseous) and ethanol-air (spray) diffusion flames is presented. Both combustion systems consist of a central nonpremixed fuel jet surrounded by low-speed air co-flow. Non-intrusive laser-based diagnostic techniques have been applied to each system to provide information regarding the behavior of the combustion structures and turbulent flow field in the regions of flame stabilization. Simultaneous sequential CH-PLIF/particle image velocimetry and CH-PLIF/Rayleigh scattering measurements are presented for the lifted gaseous flame. The CH-PLIF data for the lifted gas flame reveals the role that ``leading-edge' combustion plays as the stabilization mechanism in gaseous diffusion flames. This phenomenon, characterized by a fuel-lean premixed flame branch protruding radially outward at the flame base, permits partially premixed flame propagation against the incoming flow field. In contrast, the leading edge of the ethanol spray flame, examined using single-shot OH-PLIF imaging and smoke-based flow visualization, does not exhibit the same variety of leading-edge combustion structure, but instead develops a dual reaction zone structure as the liftoff height increases. This dual structure is a result of the partial evaporation (hence partial premixing) of the polydisperse spray and the enhanced rate of air entrainment with increased liftoff height (due to co-flow). The flame stabilizes in a region of the spray, near the edge, occupied by small fuel droplets and characterized by intense mixing due to the presence of turbulent structures. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

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。     

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。