模拟立式拱顶油罐内油气爆炸实验研究

为探究立式拱顶油罐内油气体积分数、点火位置和液位对爆炸超压特性参数与火焰发展的影响规律,开展了一系列的实验研究,得到以下结果:（1）1.7%是任一工况下的最危险油气体积分数,内场超压发展都可以分为超压上升、超压泄放和振荡衰减3个阶段。爆炸过程中CH、C₂、OH等自由基的生成和空间分布,使得不同初始油气体积分数下或不同爆炸阶段的火焰呈现不同的颜色变化。（2）点火位置对油气爆炸超压特性参数的影响较大,位置越靠下,爆炸威力越大。罐底中心点火时,内外场平均升压速率取得最大值,分别为0.46和0.05 MPa/s。（3）液位变化对油气爆炸内外场超压的影响较大,油罐侧壁上部位置点火时,50%液位是最危险的液位。任意液位下外场超压随比例距离的增大都呈现幂指数衰减规律,不同液位下油气爆炸外场冲击波超压峰值与距离和油气混合物体积的关系可以用一个公式统一表示。相比于气相空间,液相空间的超压变化具有延后性、负压增强和振荡衰减更快的特点。     

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用

为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律,进行了硅酸铝棉抑制管道内预混气体爆炸实验,在管路内置入硅酸铝棉,以室温常压下化学计量浓度的C2H2/air预混气体为介质。结果表明,当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时,能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长度时,能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入口火焰速度有关。压力临界长度的大小与硅酸铝棉入口爆炸超压有关。压力临界长度小于速度临界长度,说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。     

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。     

组合多孔介质与氮气幕协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究组合多孔介质与氮气幕抑制瓦斯爆炸的协同作用,在自主设计的爆炸管道内开展了爆炸实验。氮气幕距离点火位置0.9 m。实验选择的组合多孔介质是由孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与20、30、40 ppi的泡沫铁镍形成的组合体,以及10 ppi的泡沫铁镍与20、40 ppi的泡沫铜组成的组合体。研究表明：合理改变多孔介质的组合能提升与氮气幕共同抑制瓦斯爆炸的效果;第一层使用泡沫铁镍和第二层使用泡沫铜的组合显著削减火焰到达多孔介质时的强度,降低超压峰值,同时能够防止刚度低的泡沫铜形变而造成淬熄失败;抑爆效果最佳的组合为孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与40 ppi的泡沫铜形成的组合多孔介质。     

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+)。     

氮气射流抑制氢气喷射火的实验研究

为了探究抑制氢气喷射火的有效方法,并揭示氮气射流对氢气喷射火焰的影响规律,开展了一系列氮气作用下氢气喷射火实验。采用喷嘴直径为3mm、滞止压力为10atm的氮气射流,并改变氮气喷射高度和水平喷射距离,对氢气喷射火进行抑制。选择2种典型的氢喷射火,分别为喷嘴直径为3mm、滞止压力为0.1atm的过膨胀亚音速火焰和喷嘴直径为1mm、滞止压力为8atm的欠膨胀超音速火焰。实验结果表明,在氮气射流作用下火焰发生偏转,氢气喷射火长度衰减率随氮气喷射高度增大而减小。当氮气作用于火焰根部时,能有效地扑灭氢气喷射火。随氮气喷射距离增加,氢喷射火长度衰减率减小。另外,欠膨胀超音速氢气喷射火存在火焰抬升现象,氮气更易使喷射火熄灭,且在较大的水平喷射距离下仍能使火焰熄灭;过膨胀亚音速氢气喷射火由于抬升高度不明显,氮气射流灭火效果较差,仅能够在较小的水平喷射距离下使火焰熄灭。     

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。     

泄爆和氮气惰化耦合作用对氢-空气爆炸影响的实验研究

为了解受限空间内不同氮气体积分数φ对氢-空气泄爆的影响,在高1 m的顶部开口容器中进行了实验。结果表明：当φ≤40%时,容器内部的最大压力峰值由外部爆炸造成;而当φ>40%时,内部最大压力峰值则由泄爆膜破裂引起;在所有实验中,都观察到内部压力的亥姆霍兹振荡,其振荡频率随φ的增加而降低;声学振荡仅出现在φ=25%, 30%时;容器内3个不同压力监测点（靠近泄爆口、容器中心和接近容器底端）的最大爆炸超压p_max都随着φ的增加而降低,且整体上最大的p_max始终在爆炸容器底部附近出现。但当φ>40%时,3个监测点间p_max的差异可忽略不计;外部最大爆炸超压也随φ的增加而减小,且不论其大小如何,均对内部压力曲线有显著影响。

     

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。     

油气爆炸过程火焰燃烧模式的实验估计

首先分析讨论了油气爆炸过程中火焰燃烧模式的估计方法,然后在激波管内进行了低、中、高3次不同初始油气浓度条件下的油气爆炸实验,通过实验数据分别计算出了低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸在初期、中期和后期的丹姆克尔数和湍流雷诺数,最后依靠丹姆克尔数-湍流雷诺数图对低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸初期、中期和后期的火焰燃烧模式进行了定量估计。结果表明:低、中、高初始油气浓度条件下激波管油气爆炸过程初期、中期和后期的火焰燃烧模式均为漩涡内小火焰模式。     

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。     

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。     

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。

     

热壁条件下油气的热着火现象

设计了高温热壁油气热着火实验系统,对受限空间油气混合气体在热壁条件下的热着火现象进行了实验研究。根据实验结果,详细讨论了油气混合物的着火方式、临界着火温度、着火压力范围以及体积分数、温度的变化规律。实验发现:热壁条件下油气混合物引燃分为油蒸气的热裂解-油气快速氧化反应-油气急速氧化反应3个阶段;油气混合物着火模式为燃烧、热爆燃和热爆炸;油气在汽油自燃点附近开始快速化学反应,热着火临界温度高于汽油自燃点近80 K;温度特征曲线在着火时具有突变性质;热壁温度达到783～873 K时,存在压力范围为2.2～17.6 kPa的三角形油气热着火压力半岛。     

热源条件下油气二次热着火

针对实际工况地下受限空间一次着火明火熄灭后,残余气体遭遇局部高温热源而导致的二次热着 火的特殊现象进行实验。讨论了油气二次热着火的临界温度、临界浓度、着火强度、着火概率和着火模式。发 现油气二次热着火的强度和概率更大,着火持续时间更短。总结出油气一次热着火后遭遇高温热源能否发生 二次热着火的综合判据。二次热着火概率与环境温度的关系满足指数关系式 =aeb cT+d 。     

不同分支坑道分布形式及分布位置对油气爆炸超压特性的影响

为探索洞库支坑道不同分布形式及分布位置对坑道内油气爆炸超压特性的影响,在控制容积、初始油气浓度以及点火能不变的情况下,开展了不同支坑道分布形式及分布位置条件下油气的爆炸超压特性实验,重点对最大超压、最大超压时间、超压上升速率、爆炸强度指数等主要超压特性参数进行了分析。结果表明：密闭容器内坑道的分布形式及分布位置对容器内油气爆炸超压特性有显著影响。相对布置形式下最大超压、最大超压上升速率、爆炸强度指数均小于一字排开和交错布置,达到最大超压和最大超压上升速率的时间也有所延后。3种不同分支坑道分布位置下,最大爆炸超压上升速率和爆炸强度指数由大到小依次为：远离点火端、靠近点火端、沿主坑道均匀分布。分支坑道距离点火端越远,爆炸强度指数越大, 分支坑道距离点火端越近,达到最大爆炸超压上升速率的时间越提前。