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.     

瓦斯爆炸过程中激波的诱导条件及其分析

在实验的基础上，研究了瓦斯爆炸过程中激波的产生条件．研究结果表明，障碍物和薄膜的存在对瓦斯爆炸过程中激波的产生具有重要影响．当有障碍物存在时，瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度将迅速提高，并可诱导激波的产生；同样，在瓦斯爆炸破膜过程中也将产生激波现象．因此，为了减轻瓦斯爆炸的破坏作用，应尽量减少矿井巷道中的障碍物并加固好风门与密闭墙，以防发生破膜现象，导致激波的产生．研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸的威力具有重要作用．     

湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用

在实验的基础上,研究了管内瓦斯爆炸过程中湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用.研究结果表明,管道面积突变对瓦斯爆炸过程中湍流的产生具有重要影响.管道面积突变(变大、变小)时,产生附加湍流,并使下游火焰气流的湍流度增加,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,并可诱导激波的产生.在80×80mm等截面直管中(瓦斯浓度为理论上最猛烈的爆炸浓度9.5%),瓦斯爆炸最大火焰传播速度为40.8m/s,管内各点均为压力波信号,当管道加装一Φ300mm圆管形成面积突扩11倍和突缩11倍两断面后,面积突扩处(L/D=22)火焰速度增大5.05倍,达到64.4m/s,面积突缩处(L/D=28)火焰速度为156.0m/s, 增大4.55倍,并在L/D=48倍处形成激波(超压1.6976atm、波速416.7m/s),在L/D=98倍处,激波强度最大.在面积突变管内加装加速环可使瓦斯爆炸过程中湍流度加剧,火焰的传播速度更高,激波生成的位置(L/D=28)、最强点位置(L/D=70)均前移,激波强度增大.研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸,减轻瓦斯爆炸的威力具有一定的指导意义.     

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。     

瓦斯爆炸过程中火焰厚度测定及其温度场数值模拟分析

本文通过实验的方法，探讨了瓦斯爆炸过程中火焰厚度变化特性及其影响因素，并对瓦斯爆炸过程中的温度场变化进行了数值模拟。研究结果表明，障碍物存在时，瓦斯爆炸过程中产生的火焰厚度常常会小于无障碍物存在时所产生的火焰厚度；膜片所处位置对瓦斯爆炸过程中火焰厚度也有重要影响，膜片距离爆炸源较近时，火焰厚度明显增大，瓦斯爆炸后，火焰阵面着附近区域与管封闭端附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面后一段区域的温度变化较平缓，且火焰阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快上升到最大值，然后温度开始下降。研究结果对指导现场防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸灾害具有一定的指导意义。     

激波风洞高低压段钢膜片破裂特性研究

激波风洞是用于高超声速飞行器气动外形设计和优化的常用地面试验装置,基于爆轰驱动技术,激波风洞能够在短时间(毫秒级)内产生高温、高压的驱动气体来模拟高超声速试验气流.主膜片位于激波风洞中的爆轰驱动段和激波管段之间,试验时膜片在爆轰脉冲压力下打开,膜片的打开状态和脱落情况对激波风洞气流品质有很大的影响. 同时,膜片也是形成激波的先决条件. 传统的风洞采用铝质膜片进行试验,在激波风洞中需要承压能力更强的膜片, 此时铝质膜片不再适用, 需要采用钢质膜片.因此, 对激波风洞中的钢膜片破裂特性进行研究很有必要.将数值计算结果与试验结果进行比较, 发现数值计算结果与试验结果吻合得比较理想,计算结果具有可靠性. 基于膜片的应力-应变模型, 建立了膜片打开的动力学模型,根据CJ爆轰理论, 采用有限元软件计算模拟了膜片破裂的过程,分析总结了膜片破裂的机制和力学特性规律.采用控制变量法对不同厚度和凹槽长度的膜片进行分析研究,得到了膜片破膜压力和有效破膜时间的变化规律. 在激波风洞试验中,根据膜片总破膜时间设计了适用于JF-12复现风洞的膜片参数.      

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。     

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%。     

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。     

球形容器内甲烷-空气爆炸特性分析与理论计算

为研究甲烷-空气混合物在密闭球形容器内的爆炸特性,首先利用化学平衡计算软件确定合适的燃烧产物与化学平衡温度,估算甲烷-空气混合物的最大爆炸压力。然后基于火焰增长模型,用MATLAB编辑循环语句程序,计算了甲烷-空气混合气体爆炸的压力时程曲线,通过与实验数据对比,验证了化学平衡软件计算方法与火焰增长模型的可行性,并分析了误差的产生原因。进而利用火焰增长模型推出的经验公式计算爆燃指数,发现在当量比附近与实验结果拟合程度较好。     

反射波对预混气体爆炸过程与管壁动态响应的影响

为研究管道内甲烷/空气混合气体火焰和压力波的传播规律,对内载压力波作用下管壁的动态响应进行实验。结果表明,末端闭口实验中,管道末端的反射激波会引起当地火焰亮度的增大,而前端反射激波则有可能导致火焰内部的分离从而出现熄灭与复燃现象。相对于末端开口工况,末端闭口实验时管道两端产生的往复反射激波对管壁具有叠加加载作用,导致管壁产生较大的环向应变。     

具有体积分数梯度的连通装置甲烷-空气爆炸特性数值模拟

为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性,以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长,截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象,利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明:连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时,并由大容器中心点火工况时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度,以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系;连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势;大容器中心点火时,最大爆炸压力位于小容器,最大压力上升速率位于管道1或管道2,最大速度位于管道3,速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。     

Interaction of a high-speed combustion front with a closely packed bed of spheres

The head-on collision of a combustion front with a closely packed bed of ceramic-oxide spheres was investigated in a vertical 76.2 mm diameter tube containing a nitrogen diluted stoichiometric ethylene–oxygen mixture. A layer of spherical beads in the diameter range of 3–12.7 mm was placed at the bottom of the tube and a flame was ignited at the top endplate. Four orifice plates spaced at one tube diameter were placed at the ignition end of the tube in order to accelerate the flame to either a “fast-flame” or a detonation wave before the bead layer face. The mixture reactivity was adjusted by varying the initial mixture pressure between 10 and 100 kPa absolute. The pressure before and within the bead layer was measured by flush wall-mounted pressure transducers. For initial pressures where a fast-flame interacts with the bead layer peak pressures recorded at the bead layer face were as high as five times the reflected Chapman–Jouget detonation pressure. The explosion resulting from the interaction developed by two distinct mechanisms; one due to the shock reflection off the bead layer face, and the other due to shock transmission and mixing of burned and unburned gas inside the bead layer. The measured explosion delay time (time after shock reflection from the bead layer face) was found to be independent of the incident shock velocity. As a result, the explosion initiation is not the direct result of the shock reflection process but instead is more likely due to the interaction of the reflected shock wave and the trailing flame. The bead layer was found to be very effective in attenuating the explosion front transmitted through the bead layer and thus isolating the tube endplate. This paper is based on work that was presented at the 21th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Poitiers, France, July 23–27, 2007.     

碳酸氢钠粉体对导管泄爆过程的影响

为了研究惰性粉体对导管泄爆过程的影响,采用质量浓度C为0、40、80、120、160、200 、240 g/m3的碳酸氢钠（NaHCO₃）粉体,分别抑制连接不同长度（250 mm、500 mm、750 mm）泄爆导管的5 L容器内甲烷/空气预混气爆炸。对火焰传播特性分析结果表明:容器内添加NaHCO₃粉体可以极大地削弱导管内二次爆炸,且合适质量浓度的NaHCO₃粉体可以消除二次爆炸。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,容器内火焰结构逐渐不规则化,火焰到达容器末端时间延长,导管内火焰经历弱化到熄灭过程,不同质量浓度NaHCO₃粉体导致3种火焰速度发展模式。对压力特性分析得知,导管内爆炸超压上升机理依赖于NaHCO₃粉体质量浓度,粉体质量浓度较低时,容器中最大爆炸超压取决于二次爆炸产生的第二压力峰值,反之取决于火焰在容器触壁时产生的第一压力峰值。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,超压峰值下降率先增加然后趋于稳定,表明质量浓度效应逐渐减弱。最后定量分析了导管-容器配置中火焰传播速度与爆炸超压的关系。     

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.     

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。     

不同迎爆面结构的泡沫金属对甲烷气体爆炸传播阻隔性能的实验研究

通过自行设计的爆炸管网设备进行实验,提出通过改变泡沫金属迎爆面的结构来增大与爆炸火焰的接触面积,结合爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度等参数来评价不同迎爆面设计结构的泡沫金属的阻隔爆性能。结果表明,在相同厚度的前提下,在材料迎爆面增加一定的锯齿形波纹会使整体的阻隔爆性能有所提升,爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度的衰减率随着迎爆面锯齿角度的减小而增大。当泡沫金属迎爆面锯齿角度为30°时,爆炸超压、火焰传播速度和火焰温度的衰减率分别为74.0%、76.18%和91.93%,爆炸超压下降速率为30.76 MPa/s,材料后端熄爆参数为17.68 MPa·℃,阻隔爆效果较好。     

点火能对丙烷-空气预混气体爆炸过程及管壁动态响应的影响

在长12 m的无缝不锈钢直管中,通过改变初始点火能量,探究了点火能对封闭管道内丙烷-空气混合气体爆炸传播特性和激波对管壁动态加载的影响。结果表明,初始点火能对预混气体爆炸火焰传播规律以及管壁的动态响应有显著影响:点火能越大,爆炸越剧烈,爆炸压力峰值压力和管壁最大应变就越大,且压力波和管壁应变的发展一致。火焰在传播过程中受到管道末端反射波的作用会发生短暂熄灭和复燃;管壁承受冲击波加载,应变信号主要分布在0~781.25 Hz,管壁最大应变率大于10-3 s-1,实验工况下管壁应变属动态响应。     

小不耦合系数装药爆破孔壁压力峰值计算方法

基于轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法的相关研究,充分考虑空气冲击波的传播与爆轰产物膨胀的过程,理论分析了小不耦合系数装药爆破过程中空气冲击波与炮孔壁的相互作用,建立了三维空气介质径向不耦合装药单孔爆破有限元模型,研究了工程爆破中常用的多种小不耦合系数装药组合工况下,炸药单点起爆后的炮孔壁压力峰值,并获得了相应工况下的孔壁压力峰值较爆生气体准静态等熵膨胀压力的压力增大倍数。结果表明:小不耦合系数装药爆破过程中,爆轰产物参数会对空气冲击波波后物质参数产生显著影响,揭示了小不耦合系数装药爆破与轮廓爆破在孔壁压力峰值计算方法上的本质差异;柱状装药结构爆轰波沿轴向传播使得空气冲击波撞击炮孔壁时存在叠加效应,孔壁压力峰值也相应增大,通过统计分析不同炸药类型、不同岩石类型工况下压力增大倍数与不耦合系数的关系,发现压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长;基于理论推导结果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,综合考虑炸药性能、孔壁岩石介质条件、不耦合装药系数对空气冲击波撞击炮孔壁后压力增大倍数的影响,提出了不耦合系数较小时爆破孔壁压力峰值计算方法。     

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。