受限空间尺度对可燃气体爆燃波发展过程的影响

针对工程场所可燃气体爆燃过程设计了实验系统,在截面积为7.2m2和直径为0.72m两种典型尺度受限空间中进行了可燃气体爆燃实验,研究了空间尺度对气体爆燃波发展过程的影响。结果表明:本文实验条件下大尺度受限空间中气体爆燃火焰比小尺度空间中爆燃火焰的传播速度小,几何比例为1∶3.9时,大尺度空间爆燃火焰速度约为小空间的75%,爆炸过程整体发展速度相对较慢;浓度相同的条件下,两种空间中压力的最大值相近。爆燃波发展过程中湍流、压力波以及火焰存在复杂的相互作用,压力波和火焰耦合作用强弱决定了气体爆燃波在不同尺度的空间中的发展过程。     

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。     

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%。     

方形空间可燃气体爆燃泄爆实验及三维数值模拟研究

为了研究大空间内预混可燃气体爆燃泄爆过程中的压力与火焰传播规律,在1.21 m3的方形空间内进行了不同体积分数乙烯气体和两种不同泄压面积的泄爆实验,针对泄压面积为0.18 m2、体积分数为7%的乙烯-空气预混气体爆燃泄爆过程进行了三维数值模拟研究。结果表明:不同泄爆条件下压力形式不同,小面积泄爆口开启后,压力先下降后上升且第2峰值较大,在高体积分数下超过第1峰值,大面积泄爆时第2峰值较小。数值模拟结果与实验得到的压力时程曲线趋势一致,与实验中观察到的外部火焰形态相似;泄爆口开启后引发的湍流效应,使得空间内火焰阵面变形和火焰传播速度显著加快,导致了小面积泄爆第2峰值压力较大。     

障碍物对预混火焰特性影响的大涡数值模拟

障碍物在预混气体火焰传播过程中对其结构及传播特性造成较大影响,对火焰的加速和爆燃转爆轰过程(deflagration-to-detonation transition, DDT)起到直接的促进作用。通过障碍物条件下可视管道中甲烷/空气预混火焰传播实验,捕获其火焰微观结构变化。采用三维物理模型,采用壁面自适应局部涡黏模型(wall-adapting local eddy-viscosity, WALE)的大涡模拟(large eddy simulation, LES),并用火焰增厚化学反应模型(thickened flame model, TFM)对实验过程进行重现。分析开口管道中预混火焰翻越障碍物后的复杂流场变化,并分析层流向湍流转变过程的特点。揭示了在障碍物影响下预混火焰扰动失稳现象的直接原因,是由障碍物引发的3个气流涡团同时作用而形成Kelvin-Helmholtz不稳定及Rayleigh-Taylor不稳定现象耦合作用所导致。     

石化装置工业尺度管道爆轰传播实验研究

针对石化装置罐区大口径、长距离管道内火焰传播缺乏系统研究的问题,设计搭建了DN50～DN500工业尺度管道火焰传播实验装置,并开展了丙烷/空气、乙烯/空气等可燃气体在不同管径下的实验研究。实验结果表明:可燃气体积分数对火焰传播及爆轰有一定影响,当接近化学计量浓度时,爆轰加速距离更短,更易形成稳态爆轰,而当可燃气混合气为贫燃或富燃状况时,爆轰加速距离则会增长;火焰爆轰传播速度、爆轰压力与管道管径基本无关,受可燃气种类影响更大;对应体积分数为6.6%的乙烯/空气和体积分数为4.2%的丙烷/空气混合气体,爆轰压力分别是初始压力的15.17和14.47倍,DN150以下管径内的爆轰压力远高于ISO16852标准给出的参考值。罐区连通管道阻火器选型安装时,应结合安装位置选用合适的阻火器。     

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。     

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。     

受限空间油气爆燃火焰形态

通过受限空间油气爆燃可视化实验发现，在不同初始油气体积分数下，爆燃火焰呈现出不同的表观特征，据此提出了受限空间油气爆燃的3种火焰形态，即光滑球形火焰、褶皱球形火焰和卷曲絮状火焰。分析了3种火焰形态的形成机理，并通过实验观测与理论分析，给出了区分3种火焰形态的临界条件。结合实验中采集到的关键参数，总结了不同的火焰形态下受限空间油气爆燃的反应产物、最大压力、升压速率、反应时间、火焰强度等关键参数的特征与变化规律。     

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。     

大尺度开敞空间油料蒸气云爆炸超压与火焰传播机制研究

为探究大尺度开敞空间油气爆燃动态发展过程,利用自行设计并搭建的大尺度开敞空间油气爆燃模拟实验条件测试系统,通过可视化监测手段及对压力与火焰信号的采集获得了油气爆燃过程中关键参数的变化规律。结果表明:在不同的初始油气浓度下引燃预混油气混合物将形成三类主要的燃烧模式;油气浓度接近爆炸极限范围内时火焰主要分布于台架的内场、点火面后方及正上方,根据动态超压时序发展曲线可将爆燃过程划分为3个子阶段;爆燃火焰传播速度呈波动性下降趋势,并可与超压发展阶段相互耦合;随着初始油气浓度的增加,超压峰值呈现出先减后增的趋势,形成峰值耗时则呈现相反规律;爆燃火焰的温度梯度与火焰行进方向相关,火焰峰面温度梯度通常小于尾端火焰;爆燃辐射峰值形成时间与火焰强度相比具有一定的延时性,爆燃传播末期更易于形成高强度辐射。     

阻爆器扩张腔中心缓冲隔离板对气相爆轰波的衰减作用

阻火器和阻爆器是工业上常用的重要安全设备。爆轰火焰的猝熄要比爆燃火焰猝熄困难得多 ,因为这不仅取决于阻火芯而且与阻爆器结构有直接关系。在阻爆器扩张腔中部设置球面形缓冲隔离板 ,实验研究了在不同爆轰火焰速度时 ,在缓冲隔离板作用下 ,入射爆轰波压力衰减情况 ,以及对爆轰火焰猝熄所产生的有利影响 ,给出了实验结果。     

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.     

建筑物内气体爆炸效应简化计算研究综述

根据当前受限空间内气体爆炸效应的研究成果,综述了建筑物内气体爆炸事故发生时室内压力、结构荷载及动力响应的简化计算方法,内容包括室内气体爆燃压力及结构荷载特点、爆燃压力和结构响应计算模型等。重点阐述了基于实验数据的泄爆压力关联式和反映燃气爆燃主要物理过程的压力简化计算模型,并分析了各类计算模型的适用性、存在问题以及爆燃荷载特征对结构响应的影响;探讨了考虑建筑功能特点影响的工程简化计算模型,对建筑物内爆燃压力计算应重点考虑点火位置、爆室几何特征、火焰燃烧速率、湍流效应以及泄爆结构开启过程等因素;对爆燃事故中结构响应的计算,应考虑爆燃荷载时程、结构初始静载与动载耦合、结构支座边界受载变化等因素。     

瓦斯/空气预混气体爆燃流场测试系统多参数耦合同步控制实验方法

为了更精确地获得爆炸激波管内瓦斯/空气预混气体爆燃过程中,激波形成过程、压力和火焰传播速度以及火焰与惰性阻燃剂相互作用的流场演化图像。通过分析激波管测试系统中多个目标的时间响应特征及控制方式,利用超高速相机、光电倍增管、时间延时器、固态继电器、电荷放大器和数据采集系统等设备,设计实验方案,分别对激波管中瓦斯/空气预混气体爆燃高压点火系统的响应时间和惰性介质阻燃剂喷射系统的响应时间进行测试。实验结果表明电火花点火的响应时间为微秒量级,而阻燃剂喷射系统的响应时间为毫秒量级,以响应时间为依据,通过设置精确的延迟时间实现多目标同步控制,为完成激波管内瓦斯/空气预混气体爆燃过程的微观流场显示奠定基础。     

无约束气云爆燃压力场的计算

利用球形流体力学方程和燃烧反应模型导出了无约束气云弱点火爆燃过程的压力分布场 ,编制了求解压力场的计算程序 ,可计算不同尺寸气云爆炸时各点的爆炸压力值。进行了可燃气云爆燃实验 ,对计算结果进行了考核。与实验结果相比 ,计算结果的偏差小于2 0 %。     

塑料导爆管在燃烧转爆轰过程中的火焰结构及爆轰波生成机理

本文系统地研究了塑料导爆管从点火起至稳定爆轰时各个阶段的管内的火焰结构及火焰传播速度,分析了爆轰波的生成过程。高速扫描摄影技术证实了塑料导爆管在电火花引爆下确实存在燃烧转爆轰(DDT)过程,并显示出火焰阵面及火焰内部结构的多种变化性。发现,在燃烧阶段有一个暗区存在于火焰之中,并且火焰只是集中在管中心。清楚地观察到管内有气、固二相流动。证实了铝粉的敏化作用。在实验基础上,本文提出了一个比较符合实际情况的DDT模型及爆轰波结构。