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。     

约束端面对管内甲烷爆炸特性的影响

为研究不同约束端面下甲烷的爆炸特性,利用自行搭建的实验平台完成了多种约束端面下不同浓度甲烷的爆炸实验。研究表明:约束端面的性质对甲烷的爆炸特性有显著影响,约束端面的承压强度越高,甲烷的爆炸超压越大。单层PVC薄膜作用下,薄膜破裂,不会引起火焰与超压的振荡;而纸膜破裂后,管道内外气流的高速泄放和回流则会引起超压振荡,使火焰前锋波动并发生扭曲变形;两者共同作用时,PVC薄膜会阻碍气流的泄放与回流,加速超压衰减,抑制火焰和超压的振荡。然而,随着纸膜层数增加,破膜时管道内外形成的巨大压差会使约束端面完全破裂,降低PVC薄膜的抑制作用。当破膜难度达到一定程度时,约束端面作用下的泄压峰值成为不同浓度甲烷爆炸的最大超压峰值,且泄爆压力并不随甲烷浓度的改变而改变,因此不同浓度甲烷的爆炸超压在较高的泄爆压力下相同;此时,相同约束端面下不同浓度甲烷的压力振荡曲线在压力衰减的前半个周期内完全重合,管道内外的压差成为主导超压振荡的重要因素,而不同浓度甲烷的燃烧速率对超压振荡的影响则可以忽略不计。     

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。     

破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响

利用自主设计的5.00 m长矩形管道,对氢气体积分数为30%的氢气-空气预混气体进行了不同破膜压力(p_v)下的系列燃爆实验,重点研究了p_v对管道内外火焰传播行为及爆炸超压的影响。实验结果表明：管道内的火焰传播行为受p_v影响显著。在靠近泄爆口的压力传感器所监测的压力-时间曲线上,可以观察到3个压力峰值(p_b、p_out、p_ext),分别对应于铝膜破裂、燃烧混合物泄放以及外部爆炸,大多数情况下,p_b为最大压力峰值。管道内部最大超压随着p_v升高而增大,但最大内部超压出现的位置受p_v的影响。管道外部火焰传播行为与p_v有关,但不同p_v下外部火焰的最大长度无明显差异。最大外部超压与p_v之间呈现非单调变化规律。     

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。     

T型分支管道对油气爆炸强度的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气混合物爆炸强度的影响规律,测试了不同初始体积分数条件下直管和具有T型分支管中爆炸波超压值,并利用有机玻璃透明管道对火焰传播规律进行了可视化研究。得到以下结论:(1)T型分支管道对油气爆炸有强化作用,在油气体积分数为1.2%至1.6%范围内表现最明显; (2)T型分支管道对油气爆炸的强化作用受管道横截面突扩和障碍物扰动以及波的反射、绕射三方面的影响; (3)火焰经过分支管道时,火焰阵面发生极大的扭曲,火焰表面积显著增大,燃烧速率增大,增强了热量和活性物质的输运速率,提高了爆炸波的强度; (4)在T型分支管道附近, 油气爆炸的压力突变增强, 是由压力波反射、绕射引起的温升效应和压力波引起湍流强度增强共同导致。     

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。     

T型分支管道对油气爆炸压力的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气爆炸压力的影响,进行了不同初始油气体积分数、不同初始点火能工况下多参数对比实验,并对火焰传播进行了可视化研究。实验结果表明:T型分支管道对油气爆炸压力有强化作用,强化程度和初始油气体积分数关系密切,在当量比附近,强化程度表现最显著;初始点火能对油气爆炸最大超压影响显著,随着点火能的增大,最大爆炸超压呈线性增长;波的绕射和反射、流场湍流度增强、管道通道面积增大和障碍物扰动是导致T型分支管道内爆炸压力增强的主要因素;T型分支管道会导致火焰阵面严重地弯曲褶皱变形,增大火焰面积,并且回传火焰对T型分支结构壁面具有较强的破坏作用。     

不同泄压条件对方管内爆炸压力特性的影响

为研究泄压膜约束条件对甲烷/空气预混气体爆炸压力特性的影响,在方形火焰燃烧传播测试管道中布置压力传感器,开展不同泄压膜材料、泄压膜层数及泄压口位置实验。结果表明:牛皮纸和聚丙烯薄膜约束泄爆过程中,每增加一层泄压膜,管道内最大泄爆压力平均上升11.2%和12.3%。各强度泄压膜约束条件下,管道内最大泄爆压力随着泄压口位置接近点火端,均呈现Z形规律,当泄压口设置在距尾部端面0.25 m时,各曲线达到最小值,当泄压口设置在距尾部端面0.50 m时,各曲线出现最大值。     

CH4/O2/CO2预混体系爆炸动力学研究

为探究甲烷在富氧条件下的火焰动力学规律,以CH₄/O₂/CO₂预混体系为研究对象,在小尺度方形透明管道中进行了一系列爆炸实验,探讨了初始环境温度波动对爆炸参数的影响,并对预混体系的燃烧机理进行分析。结果表明:在273 K的环境温度下,化学当量比φ=0.8~1.0且氧气相对比γ<0.30和φ=1.2且γ<0.35的预混体系不能被点燃,而其他预混体系均可被点燃,最终产生郁金香与非郁金香两种火焰类型,并且根据郁金香火焰独特的演变特征,又划分为T形郁金香火焰和不对称郁金香火焰;随着γ的增大,无量纲火焰传播速度v/(S_Lσ)的变化趋势由“两升两降”转变为“一升一降”。初始环境温度的升高并未对火焰传播速度和爆炸超压的变化趋势产生影响,但是会导致最大爆炸超压p_max和最大火焰传播速度降低。值得注意的是,初始环境温度对爆炸强度的影响随化学当量比的减小而增强。另外,与最大爆炸超压相比,最大火焰传播速度与层流燃烧速度之间的关系更紧密。从敏感性分析中可知:层流燃烧速度对自由基链式反应R38(即H+O₂=O+OH)表现出最大的正敏感度,对R52(即H+CH₃(+M)=CH₄(+M))表现出最大的负敏感度,并且对自由基OH的生成速率最敏感,当初始环境温度升高至303 K时,层流燃烧速度对R38(正)和R52(负)的敏感度降低;H、O和OH自由基总摩尔分数的增大会削弱热扩散的不稳定性,增强流体力学的不稳定性。     

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。     

CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响

为了研究CO₂和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响,采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO₂稀释体积分数和超细水雾质量浓度,分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性,促进了火焰加速和爆炸超压增加,表明超细水雾不足能产生促爆作用,只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸;CO₂和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象,可以明显减弱火焰不稳定性,减小火焰传播速度,降低爆炸超压和平均压升速率,以及明显推迟超压峰值来临时间。     

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%。     

柴油舱组集中透气管燃爆危险性及阻隔防爆技术

对常温常压下柴油舱组集中透气管中柴油蒸汽的燃爆危险性以及阻隔防爆技术的抑爆效能开展了实验研究。利用nac HX-3高速相机和CY-YD-205压力传感器记录燃爆传播过程和爆炸超压,阻隔防爆装置分别采用新型抑爆小球和普通波纹型阻火器。结果表明:常温常压下,一旦柴油油舱发生爆炸,爆炸火球可以通过透气管传播到相邻油舱,并引起二次爆炸,具有较大的危险性;普通波纹型阻火器在爆炸过程中阻火失效,而新型抑爆小球具有较好的抑爆效果;相对于光滑透气管工况,在点火舱上方安装抑爆小球后,被点火舱内的最大爆炸超压可以显著地从552.5 kPa降低到35.0 kPa;抑爆小球的中空多孔结构是其阻隔防爆的关键,多孔结构不仅可以增大比表面积、扩大热损失,而且还可以有效地分割削弱反应面。     

连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟

采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性。结果表明:（1）大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;（2）障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;（3）爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性。     

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。