含弱约束端面短管道油气爆炸特性实验研究

构建了长径比为4的含弱约束端面的短管道实验系统,对短管道油气爆炸特性进行了实验研究,得到油气爆炸压力和火焰的变化规律。实验结果表明:(1)受破膜、泄流、外部爆炸等因素的影响,含弱约束端面短管道油气爆炸具有多个超压峰值,并产生Helmholtz振荡;(2)弱约束端面对管道内外爆炸超压均具有增强作用,内部最大超压为24.23 kPa,外部最大超压为5.45 kPa,分别为无约束条件下的4.9和2.7倍;(3)火焰变化过程可划分为“层流燃烧-突变加速-外部爆炸-衰弱熄灭”4个阶段;由于湍流、界面不稳定、斜压效应等因素的影响,火焰在突变加速和外部爆炸两个阶段会发生剧烈的拉伸褶皱和卷曲变形,形成Tulip火焰和蘑菇云状火焰。(4)在层流燃烧阶段,弱约束端面对火焰速度有减弱作用,此阶段最大火焰速度为3.5 m/s,相比于无约束时减弱了41.3%;而在突变加速和外部爆炸阶段,弱约束端面破坏产生的强泄流对火焰传播速度有增强作用,此阶段最大火焰速度为80.2 m/s,相比于无约束时增强了106.2%。(5)不同初始油气浓度条件下火焰发展模式具有显著差异,在低浓度和中浓度条件下火焰能够冲出弱约束端面形成外部火球,而在高浓度条件下,火焰无法冲出管道。     

铝粉湍流火焰诱导激波现象的实验研究

粉尘湍流火焰诱导激波问题是工业灾害研究中的重要课题．本文在自行设计的大型卧式燃烧管内，对铝粉火焰诱导激波现象进行了实验研究，测试了湍流火焰阵面前压缩波到激波的转捩过程，并将实验结果与数值模拟结果进行了比较．     

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.     

高炉喷吹用烟煤煤粉爆炸特性的实验研究

从工业安全角度出发 ,在四种不同形状与体积的封闭容器、三种开口燃烧管中 ,对高炉喷吹用烟煤的燃烧爆炸特性和传播特性进行了全面、系统的实验研究。详尽地给出了煤粉浓度、粒度及气体介质中含氧量、扬尘湍流强度和初始点火能量对爆炸后最大压力升值、最大爆炸压力上升率、以及最大等效燃烧速度和爆炸火焰传播最小熄火间距的影响。用最大等效燃烧速度来表征的爆炸强度数值已不再依赖于实验容器。     

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。     

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。     

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.     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

爆轰波透射孔栅形成的高速爆燃波的结构和行为

以实验为主,研究光滑直管中乙炔氧气爆轰波透射孔栅形成的高速爆燃波结构和行为。实验以基于纹影平台的高速转鼓摄影记录孔栅下游近场内初始爆燃波的结构和发展,并以压力传感器跟踪其后继走向。研究发现,高速爆燃波是前驱激波和火焰的组合结构,随着初始压力的提升,它分别表现为紧随于前驱激波的层流和湍流燃烧火焰。入射爆轰胞格尺度小于或与孔栅扰动尺度相当时,湍流燃烧在下游近场迅速形成;层流结构的爆燃波通常无法抵制背景稀疏波而走向衰弱,而湍流燃烧结构可发生加速和向爆轰的转捩;他们之间存在一个不稳定的临界状态,高速爆燃波得以以0.5~0.6倍CJ爆轰速度传播较长距离,这一状态对应于双间断Rankine-Hugoniot关系的等容燃烧解。     

爆炸压力积聚工况下石松子粉尘爆炸火焰传播特性

搭建了一套兼具承压和可视性能粉尘爆炸实验平台,在压力积聚工况下实验研究了石松子粉尘爆炸火焰传播特性。实验结果表明:压力积聚工况下的石松子粉尘爆炸火焰呈现空间离散的束状结构,火焰锋面呈齿状。随着粉尘浓度的提升,火焰连续性增强,锋面趋于平滑,亮度增加,并在750g/m^3达到最佳。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰在传播过程中均呈现明显的速度脉动特征,但脉动频率随粉尘浓度的增大而减小。爆炸火焰平均传播速度随粉尘浓度的增大先增大后减小,并在750g/m^3达到最高。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰前期传播速度均高于后期传播速度。     

氢气定容燃烧的实验研究

利用定容燃烧弹和高速数据采集系统对氢气定容燃烧进行实验研究,得出氢气定容燃烧压力变化过程、燃烧爆压及爆炸常数的变化规律。研究结果表明:中心点火定容燃烧的压力变化过程为:从开始的火花跳火干扰到平稳的等压燃烧,再到压力的慢速和快速增加,在燃烧的中后期会出现压力振荡;在非燃烧极限工况下,随着燃空当量比的增加燃烧爆压先增加后减小,随着初始压力的升高燃烧爆压几乎线性增加,随着温度的增加燃烧爆压和最大燃烧爆压都减小;随着燃空当量比的增加爆炸常数先增加后减小,在燃空当量比小于4.0的工况,燃烧爆炸常数随初始压力的升高而增加,而燃空当量比大于4.0的工况随着初始压力的升高而下降;在燃空当量比小于2.5时,燃烧爆炸常数随温度升高而减小,在燃空当量比大于2.5时,则正好相反。     

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。     

Effect of swirl intensity on the flow and combustion of a turbulent non-premixed flat flame

An experiment in a turbulent non-premixed flat flame was carried out in order to investigate the effect of swirl intensity on the flow and combustion characteristics. First, stream lines and velocity distribution in the flow field were obtained using PIV (Particle Image Velocimetry) method in a model burner. In contrast with the axial flow without swirl, highly swirled air induced streamlines going along the burner tile, and its backward flow was generated by recirculation in the center zone of the flow field. In the combustion, the flame shape with swirled air also became flat and stable along the burner tile with increment of the swirl number. Flame structure was examined by measuring OH and CH radicals intensity and by calculating Damkohler number (Da) and turbulence Reynolds number (Re _T ). It appeared that luminescence intensity decreased at higher swirl number due to the recirculated flue gas, and the flat flames were comprised in the wrinkled laminar-flame regime. Backward flow by recirculation of the flue gas widely contacted on the flame front, and decreased the flame temperature and emissions concentration as thermal NO. The homogeneous temperature field due to the widely flat flame was obtained, and the RMS in the high temperature region was rather lower at higher swirl number. Consequently, the stable flat flame with low NO concentration was achieved.     

温度和浓度对甲醇喷雾爆炸特性参数的影响

采用20 L球形喷雾爆炸实验系统,探究甲醇在不同环境温度、物料温度及喷雾浓度下的爆炸特性规律。结果表明:20 L爆炸球内甲醇喷雾液滴爆炸极限范围为118.8~594.0 g/cm^3,与纯气相爆炸极限范围(78.6~628.6 g/cm^3)相比,甲醇喷雾液滴爆炸极限范围较窄,喷雾液滴的爆炸敏感性比纯气相甲醇蒸汽低。随着爆炸球内环境温度的升高,甲醇喷雾爆炸极限范围变宽,受限空间内甲醇气液喷雾点火成功概率增大。当甲醇物料自身温度或爆炸容器内环境温度保持不变时,相应爆炸特性参数在Φ=1.8拐点处均呈现先增大后减小的趋势。当Φ=1.8时,甲醇喷雾爆炸存在最大超压峰值。环境温度、物料温度的升高可以提高雾化质量,促进扩散燃烧。但是环境温度的变化较之物料温度的改变对于甲醇液滴喷雾爆炸特性参数的影响更为显著。环境温度和化学当量比二元变量共同影响着甲醇喷雾爆炸强度值,当Φ=1.8,环境温度为303.15 K时,甲醇的喷雾爆炸强度大于甲烷气体爆炸的爆炸强度。     

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。     

温度压力对瓦斯爆炸危险性影响的实验研究

为了研究瓦斯的爆炸危险性,选取对其影响较大的初始温度和初始压力进行实验研究。运用特殊环境20 L爆炸特性测试系统,对不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下瓦斯的爆炸极限、最大爆炸压力和点火延迟时间进行实验研究。结果表明:高温高压条件使瓦斯的爆炸上限升高、下限降低,爆炸极限范围扩大;随着初始温度升高,瓦斯爆炸的最大爆炸压力逐渐减小;初始温度越高,点火延迟时间越短。通过对实验结果的分析,运用安全原理知识和危险度定义,给出初步评估瓦斯爆炸危险性的方法。     

可燃液体爆燃特性及其抑制实验

设计了一套可燃液体爆炸特性实验装置,利用该装置和立式爆轰管对RP-5油料、RP-3油料及工业酒精的爆炸特性、1301惰性气体对这3种燃料的抑制进行了研究。结果表明:RP-5油料、RP-3油料及工业酒精爆炸的体积分数范围分别为1.53%～7.73%、0.82%～7.17%及 3.38%～18.25%;酒精云雾爆轰的临界起爆能为2.11 MJ/m2、爆速和爆压分别为1 609 m/s 、1 480 kPa,爆轰波传播的胞格宽度为14.5 mm,长度为16.2 mm。1301惰性气体对RP-5油料、RP-3油料及工业酒精的最小惰化体积分数分别为6.75%、6.8%及 5.56%;二氧化碳和氮气对RP-3油料的最小惰化体积分数分别为45%和49%;1301惰性气体对油料爆炸抑制效果明显好于二氧化碳与氮气。     

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。