甲烷/空气预混气体火焰的传播特征

利用高速纹影摄像等技术探讨了密闭管道内不同当量比的甲烷/空气预混气体火焰的传播特征。结果表明,当甲烷含量接近当量值时,预混气体火焰传播中会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程,逐渐由层流燃烧转变成湍流燃烧,并形成Tulip火焰结构;当甲烷含量偏离当量值一定程度时,预混火焰呈现出典型的层流燃烧特征,不会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程。Tulip火焰结构形成于火焰传播速度迅速降低的区间里,且只有当减速阶段的最大加速度的绝对值大于某一数值时才能形成;Tulip火焰结构是预混火焰由层流燃烧向湍流燃烧转变的一个中间过程。     

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%。     

N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响

将N2和CO2按一定比例混合,从极限氧体积分数、爆炸极限和抑爆效果3个方面研究了N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响。结果表明:(1)随着惰性混合气中N2含量的增加,极限氧体积分数呈线性下降;(2)任何配比的惰性混合气对爆炸上、下限的影响都可以近似认为是线性变化的;(3)惰性混合气中CO2含量越高,抑爆效果越好。同时,得到的拟合公式能预测N2和CO2任何配比时甲烷的爆炸极限。实验结果能对甲烷实际生产时的惰化处理提供基础数据和依据。     

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO_3和MgCl_2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl_2和NaHCO_3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl~-销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO_3~-,阳离子Na~+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg~(2+)。     

泄爆面积对甲烷-空气预混泄爆容器结构响应影响的实验研究

利用自主搭建的泄爆容器结构响应测试系统,开展了不同泄爆面积条件下甲烷-空气预混气体泄爆实验,结合振动加速度、内部超压、火焰演化和信号频率-时间分布等探究了泄爆面积对容器结构响应的影响特征及机制。研究发现:（1）容器振动加速度曲线和内部超压曲线具有相似的变化趋势,两者均存在双峰现象,且两者一一对应,但加速度峰值出现略迟;随着无量纲泄爆系数增大,第1个内部超压和加速度峰值主体为增大趋势,而第2个内部超压和加速度峰值的变化趋势为先减小后增大再减小;（2）火焰未到达泄爆口之前,上部的火焰平均速度随着无量纲泄爆系数增大而减小,无量纲泄爆系数较小时火焰较早从泄爆口喷出;（3）在当前实验条件下,当无量纲泄爆系数为25.00时,热声耦合现象最剧烈,表现为最大幅值的振动响应和最大能量的高频振荡,而随着无量纲泄爆系数进一步增大或者减小,热声耦合现象逐渐衰减。     

点火条件对密闭管道内预混氢气/空气燃爆特性的影响

基于流体动力学软件Fluent,开展数值模拟,研究点火位置（距管左端壁面100、200和500 mm）、点火温度（1 000、1 500和2 000 K）和点火面积（管左端壁面处半径为50、35和20 mm的点火域）等点火条件对1 000 mm密闭管道中预混氢气/空气（H₂/air）燃爆特性的影响。研究表明:点火位置距管左端壁面越远,中间节点处温度越高,温升越快;不同点火温度下管内最高温升速率基本同步,且提高点火温度,使得燃烧反应更剧烈,能提高管内气体温升速率,但却降低管内的压力峰值;点火面积越小,预混H₂/air燃烧前期温升越快。当采用半径为35 mm的点火域和点火位置距管左端壁面100 mm的点火方式时,预混H₂/air燃爆的各项参数相对较高。不同点火条件对密闭管内气体的动能和内能的影响规律类似于其对管内气体的流速和温度的影响规律,而对涡量的影响不明显。     

Motion of a porous sphere in a spherical container

The creeping motion of a porous sphere at the instant it passes the center of a spherical container has been investigated. The Brinkman's model for the flow inside the porous sphere and the Stokes equation for the flow in the spherical container were used to study the motion. The stream function (and thus the velocity) and pressure (both for the flow inside the porous sphere and inside the spherical container) are calculated. The drag force experienced by the porous spherical particle and wall correction factor is determined. To cite this article: D. Srinivasacharya, C. R. Mecanique 333 (2005).     

On the laws of combustion wave suppression by free water in a homogeneous porous layer of organic combustible materials

The conditions of suppression of a combustion wave propagating along a homogeneous porous layer of organic combustible materials are investigated basing upon a physico-mathematical model. The dependence of free water effervescence intensity on the water volume fraction and the medium temperature is presented. A water supply source in motion is employed to suppress the combustion wave. It is shown that an increase in the mass water flow rate results in a considerable increase in the maximum velocity of the source motion, at which the combustion wave can be suppressed. This is due to a reduction in the loss of the water evaporating above the burning zone. The effect of the water supply point displacement on the efficiency of combustion wave suppression is analyzed.     

半封闭空间明火引燃油气特性实验

为研究明火引燃油气着火爆炸特性,建立了半封闭着火爆炸实验平台。通过高速摄影仪拍摄的火焰图像,研究不同油气体积分数下的火焰传播特性。根据高频压力传感器采集的容器内压力变化情况,分析不同油气体积分数下的压力发展特性。结果表明,油气体积分数对火焰组分、火焰传播速度、压力和压力变化速率有显著影响;火焰具有明显的分区现象,可分为燃烧核和火焰阵面,并且纵向火焰阵面速度大于横向火焰阵面速度;容器内压力发展历程可分为4个阶段,而且会形成压力双峰现象;油气爆炸过程中,火焰结构与压力波形成了强烈的耦合作用。

     

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。     

Pressure pulsations in piping system excited by a centrifugal turbomachinery taking the damping characteristics into consideration

Pressure pulsations excited by a centrifugal turbomachinery such as compressor, fan or pump at the blade passing frequency may cause severe noise and vibrations in piping system. Therefore, the practical evaluation method of pressure pulsations is strongly recommended. In particular, the maximum pressure amplitude under the resonant conditions should be appropriately evaluated. In this study, a one-dimensional excitation source model for a compressor or pump is introduced based on the equation of motion, so as to incorporate the non-linear damping proportional to velocity squared in the total piping system including the compressor or pump. The damping characteristics of the compressor or pump are investigated by using the semi-empirical model. It is shown that the resistance coefficient of the compressor or pump depends on the Reynolds number that is defined using the equivalent velocity of the pulsating flow. The frequency response of the pressure amplitude and the pressure distribution in the piping system can be evaluated by introducing the equivalent resistance of the compressor or pump and that of piping system. In particular, the relation of the maximum pressure amplitude in piping system to the location of the excitation source under resonant conditions can be evaluated. Finally, the reduction of the pressure pulsations by use of an orifice plate is discussed in terms of the pulsation energy loss.     

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。     

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。     

封闭容器内部短路燃弧爆炸压力效应计算

中压开关设备内部短路燃弧爆炸对设备、建筑物以及工作人员的安全带来了严重威胁。为提出合适的数值计算方法对短路爆炸引起的压力效应进行计算,对开关设备内部短路燃弧的能量平衡机制进行了分析;通过分析燃弧过程的热-力效应,提出了基于CFD法的间接耦合分析方法,并开展了实际封闭容器内部短路燃弧实验验证了算法的可行性。研究结果表明:实验测量与模拟计算获得的平均压强仅相差2%左右;电弧尺寸对压力升的影响较小;封闭容器内部压力升随电弧能量的增大近似线性增大;安装负压室后燃弧室的压强可降低60%左右,因此,增设负压室可有效抑制开关设备内部短路爆炸引起的压力升。