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。     

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。     

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。     

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。     

大尺寸密闭容器内天然气的爆炸超压场

以天然气体积分数在爆炸下限附近的天然气-空气混合物爆炸超压状态场为着眼点,在大尺寸容器中轴向和径向位置布置压力传感器,实时记录天然气体积分数不同的天然气-空气混合物爆炸后的超压发展过程。经过数据处理发现,在天然气爆炸下限附近,存在3种压力波形式且存在前导冲击波和二次发展形成的燃烧波共存的状态。不同天然气体积分数条件下爆炸压力沿容器轴向和径向发展过程存在明显差异,天然气爆炸径向超压变化不明显,轴向超压的发展趋势更适用于天然气爆炸发展过程的描述。     

催化重整单元氢气气团爆炸超压分析

基于计算流体力学分析软件(FLACS),以催化重整反应单元为例建立事故模型,研究不同形状障碍物、泄漏位置,对不同泄漏时间和泄漏监测点的氢气爆炸超压的影响情况。通过研究,建立了与气体燃烧热与爆炸监测点距气团中心距离相关的最大爆炸超压模型。研究结果表明,在研究设计的遮挡物条件下,气体爆炸最大超压与折合距离在对数坐标系中均呈近似线性关系;对于不同的遮挡物,爆炸超压模型需进行修正;在反应器中部发生的事故场景,泄漏5min后最大爆炸超压明显增大。     

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应(Ⅱ):影响因素分析及后果评估

为系统地评估城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害后果,利用FLACS软件模拟得到了可燃气体的爆炸荷载,并分析了该灾害对建筑物破坏和人员伤害的危险距离及影响因素。结果表明:当点火位置靠近管沟中间位置时,超压峰值和危险距离较大;泄爆口的大小对危险距离的影响不大,而对离泄爆口较近处的超压峰值影响较大;气云长度越长,超压峰值和危险距离也越大,但增幅逐渐减小直至不变;管沟的横截面面积越大,超压峰值和危险距离也越大;为避免造成严重的灾害后果,高耸建筑物和密集人群应远离泄爆口。     

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。     

变压器油爆炸作用下的消防设备抗爆实验研究

为了研究变压器油爆燃特性和消防设备抗爆性能,开展了不同起爆药量和不同变压器油量下的消防设备抗爆实验,实验采用高速相机拍摄爆炸火球演变图像,利用3只压力传感器测量爆炸超压。实验结果表明,变压器油的爆炸超压时程曲线上可明显观察到4个超压峰值,分别为药包爆炸超压峰值、起爆药包爆炸后气体和油雾过膨胀诱导的负压峰值、反射波经过油雾衰减后的超压峰值及油雾爆炸超压峰值。随着变压器油量增加,变压器油雾爆炸火球的最大扩展半径增加,爆炸火球扩展速率则快速减小,消防水炮、消防水管和CAFS喷淋管位置的冲击波超压明显减小。由于起爆药量和变压器油量的限制,最大爆炸超压仅约30kPa,未导致消防设备明显损伤。     

氢气泄爆作用下结构动力响应特性研究

氢能因具有环保高效等优点,被公认为21世纪最具发展前景的清洁能源,缺点是在使用过程中极易发生爆炸事故。泄爆作为爆炸防护的重要手段,可以有效提高结构在爆炸过程中的安全性和可靠性。为获得结构在氢气泄爆作用下的动力响应特性,本文从实验和数值模拟两个方面展开研究。在12 m×2.5 m×2.5 m的大尺度ISO标准容器中开展了一系列氢气泄爆实验,主要考虑氢气体积分数、点火位置、障碍物布置等参数的影响,并对结构内部超压荷载特征和动力响应演化规律进行了分析。结果表明,结构位移由首个超压峰值主导,并在该阶段与方舱内超压趋势保持一致,且两者峰值之间保持线性关系;加速度则由不稳定燃烧引起的超压高频振荡主导。在实验范围内,位移峰值受氢气体积分数影响显著,且随着氢气体积分数增大而增大。加速度峰值则还受到点火位置的影响,中心点火的情景要大于后端点火的情景。障碍物数量对结构动力响应的影响并非单调关系。此外,基于现场环境振动测试结果,建立了该结构的基准有限元模型。数值模拟及实验结果吻合良好,因此该基准有限元模型可进一步用于不同工况下氢气泄爆荷载作用下结构动力响应的预测和分析。     

大型水平爆轰管中悬浮铝粉爆炸过程的实验研究

铝粉的燃烧与爆轰性能是粉尘爆炸领域研究的热点.利用长29.6m,内径199mm,配有40套喷粉扬尘系统的水平爆轰管,在40J电火花点火条件下,实现了悬浮铝粉-空气混和物火焰加速、爆燃、爆轰及其转捩过程,测得了爆炸波传播过程中的压力信号,并且观察到了爆轰波的稳定传播现象.实验结果表明,当铝粉浓度为300 g/m3时,在距离点火端10.15m(长径比L/D=51)处发生了DDT,测得的爆轰波传播过程中管内的最大爆速为1840m/s,最大峰值超压为10.5MPa.铝粉尘爆炸波在爆轰管内的传播过程可分为爆燃段、爆燃转爆轰(DDT)、爆轰增强以及稳态爆轰四个阶段.     

KH2PO4/SiO2复合粉体抑制铝粉爆燃效果及机理分析

为研究KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制作用,采用球磨机将KH₂PO₄和SiO₂混合研磨制备出新型的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂。在哈特曼管实验装置上,开展爆燃火焰传播抑制实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,爆燃火焰传播长度和速度逐渐减小,当添加质量比10∶6的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃火焰传播的抑制。在20 L球形爆炸装置上,开展复合粉体抑爆剂抑制铝粉爆炸压力测试实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,铝粉爆炸最大爆炸压力p_max和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max逐渐减小,当添加质量比10∶9的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃的完全抑制。通过KH₂PO₄粉体、SiO₂粉体与复合粉体抑爆剂对比可知,复合粉体抑爆剂对铝粉火焰传播和爆炸压力的抑制效果都优于单体粉体抑爆剂。通过对铝粉在空气中燃烧的热分析研究,从化学和物理两个方面分析了KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制机理。     

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应 (Ⅰ):冲击波在地面的传播

城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果,然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础,基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件,对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟,揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明:传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值Δp₁和Δp₂;Δp₁较小,主要由压缩波引起,Δp₂为最大超压峰值,主要由火焰波引起;Δp₂随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿管沟截面的短边方向上,呈对称衰减的趋势;Δp₂与d大致满足指数函数关系,且拟合度均高于98.8%。     

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。     

10m3爆炸罐中甲烷燃烧爆炸发展过程

在大型多相混合物爆炸实验系统(10m3爆炸罐)中对甲烷/空气混合物在40J电火花点火条件下爆炸发展过程进行了实验和数值模拟研究.采用中心电火花点火,并在距点火点不同距离处设置4个压力传感器.得到下列实验结果:甲烷爆炸上、下限分别为13.9%、4.75%;甲烷浓度为9.5%的爆炸特性参数随距离变化规律;不同甲烷浓度对超压...     

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。     

甲烷/石松子两相混合体系爆炸强度参数

基于改进的20 L球形粉尘爆炸装置,在相同初始条件下分别测量了甲烷、石松子粉尘和甲烷/石松子两相混合体系的爆炸压力、爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数,系统研究了甲烷/石松子粉尘两相混合体系爆炸特性变化规律。结果表明:甲烷的添加能显著提高低质量浓度石松子粉尘爆炸压力而降低高质量浓度石松子粉尘爆炸压力;甲烷对石松子粉尘最大爆炸压力没有显著影响,但能显著提高石松子粉尘最大爆炸压力上升速率。甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸指数高于单相石松子粉尘爆炸指数,但甲烷/石松子粉尘混合体系和单相石松子粉尘爆炸指数均低于单相甲烷爆炸指数。工业生产过程中应避免粉尘混入可燃气体以降低粉尘爆炸危险性。     

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。     

Al(OH)3对聚丙烯腈粉火焰传播特性影响研究

为研究Al(OH)₃粉体抑爆剂对聚丙烯腈（polyacrylonitrile, PAN）粉尘爆炸的抑制作用,利用透明管道爆炸传播测试系统,研究不同含量的Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸火焰传播形态、温度等参数的影响,并采用扫描电镜、热重分析仪、傅里叶红外光谱仪研究Al(OH)₃抑制PAN粉尘爆炸的微观特征,总结出Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸的抑制机理。测试结果表明,随着Al(OH)₃质量分数的增加,PAN粉尘爆燃的最大火焰传播距离和传播速度逐渐减小。同时压力监控及温度监控结果显示,随着Al(OH)₃质量分数的增加,PAN粉尘的最大爆炸压力及最大温度均逐渐减小,由此验证了Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸的抑制作用,且60%质量比的Al(OH)₃的抑制效果最好。通过对PAN粉尘爆炸固态产物表征及热分析的研究,从物理和化学两个方面分析了Al(OH)₃对PAN粉尘火焰的抑制机理,物理抑制包括包覆、吸热降温、气体惰化3种方式,化学抑制主要通过消耗维持燃烧爆炸连锁反应的关键自由基?O和?OH减少了自由基?H、?OH与?O之间的放热反应。