油气在持续热壁下热着火发生的数值模拟

为了对油气在持续热壁下热着火发生过程进行数值模拟,耦合化学动力学模型、流体动力学模型及辐射传热模型,建立了油气热着火的统一模型。基于实验工况,模拟了受限空间中油气在持续热壁条件下热着火发生过程,并分析了温度、压力流场的演变特征,以及不同位置处温度、压力、层流速度、湍流速度和组分质量分数的变化曲线。通过模拟,发现油气热着火过程存在3个阶段,分别为加热初始阶段、加热中间阶段和热着火发生阶段。不同阶段存在的主要原因是化学反应和流动的主导作用不同。     

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 。     

热等离子体与能源

1.热等离子体及其应用概述等离子体按温度分类是一种较常用的分类方法:粒子温度范围为10~6-10~(8°)K的等离子体称为高温等离子体,如太阳、聚变等离子体等;粒子温度范围为3×10~2-10~(5°)K的等离子体称为低温等离子体,其中按重粒子温度(即气体温度)水平和热力学平衡的程度还可分为热等离子体与冷等离子体.所谓热等离子体是指重粒子温度在3×10~3-10~(5°)K范围,各种粒      

镁粉尘云最低着火温度的实验测试

采用标准装置Godbert-Greenwald恒温炉测试了不同条件下镁粉尘云最低着火温度。实验测试结果显示:D50为6、47、104、173 m时镁粉尘云最低着火温度分别为480、520、620、700 ℃;选取D50为6 m的镁粉,在分散压力恒定为0.1 MPa时,镁粉浓度由424 g/m3变化到5 085 g/m3,粉尘云最低着火温度由600 ℃降低到480 ℃;而粉尘质量恒定为0.3 g时,分散压力从0.1 MPa增加到0.2 MPa,粉尘云最低着火温度由540 ℃升高到580 ℃。还分析了镁粉粒径、浓度及分散压力对粉尘云最低着火温度的影响。     

温度、压力对甲烷-空气混合物爆炸极限耦合影响的实验研究

为了研究不同初始条件对甲烷-空气混合物爆炸极限的影响,利用容积为20 L的爆炸罐,在不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下测定了甲烷-空气混合物的爆炸极限。实验结果表明,随着初始温度和初始压力的升高,爆炸上限升高,爆炸下限降低,爆炸极限范围扩大。在实验温度和压力范围内,常压/常温条件下,爆炸上限和下限与初始温度/初始压力呈线性相关。爆炸上限与初始温度的相关性受初始压力的影响,其与初始压力的相关性也与初始温度有关。然而,初始压力/初始温度对爆炸下限的影响与初始温度/初始压力的相关性并不显著。初始温度和初始压力对爆炸极限的耦合影响比单一因素对其的影响大,且相较而言,其对爆炸上限的影响更为显著。本文中绘制了影响曲面来描述初始温度和初始压力如何影响甲烷-空气混合物的爆炸极限。     

考虑自然对流的某固体火箭发动机慢速烤燃特性数值分析

针对某高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)推进剂固体火箭发动机,采用两步总包反应描述AP/HTPB 的烤燃过程,建立了考虑发动机空腔自然对流的二维轴对称烤燃模型,对加热速率分别为 3.6、7.2 和10.8 K/h 时火箭发动机的慢速烤燃行为进行了数值预测,研究了该火箭发动机的热安全性问题。结果表明,固体火箭发动机空腔内的自然对流对 AP/HTPB 推进剂的着火温度、着火延迟期和着火位置有一定影响,在热安全性精确分析中不可忽略。3种加热速率下,AP/HTPB 推进剂的最初着火位置均出现在药柱肩部的环形区域内,3种加热速率对应的着火延迟期、着火温度及着火时壳体温度分别为30.71、20.06、18.68 h,526.52、528.10、530.64 K,和479.56、496.82、508.77 K。随着加热速率的增大,烤燃响应区域向推进剂与绝热层交界处移动,着火位置的二维截面由椭圆形变为半椭圆形。     

考虑热渗效应的有限热源固结近似解1）

通过建立考虑热渗效应和热流固耦合效应的饱和土体固结方程,研究了无限长圆柱热固结问题. 利用Fourier 和Laplace 变换及其逆变换,给出了热固结问题的解析解;然后对空间内无限长圆柱形热源问题进行研究,得到非等温条件下柱体周围饱和土体温度、孔隙水压力的近似解,并总结其规律,分析了热渗系数、固结系数对温度作用下土体固结的影响.     

预压下锆基块体非晶合金的热冲击变形与破坏

实验研究了不同预压载荷与加热速率下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9块体非晶合金的失效温度和破坏规律, 发现预压力和温升率较低时, 随着温度的升高, 材料强度减小, 样品最后发生塑性变形; 预压力和温升率较高时样品则发生剪切断裂, 且发生剪切破坏时样品的温度高于其玻璃化转变温度.基于变温条件下的结构弛豫模型, 分析了块体非晶合金在快速加热条件下的变形过程,给出了材料发生屈服时的温度与温升率、预压力与屈服温度之间的相互关系, 并得出了实验结果的拟合关系式. 对回收样品断裂面进行分析, 发现了与恒温压缩断裂明显不同的断裂特征. 最后分析了预压载荷下快速加热过程中上述材料发生剪切破坏的临界条件.      

JP-10裂解的激波管实验与动力学模拟

利用单脉冲激波管对碳氢燃料JP-10在1150～1300 K条件下的高温热裂解特性进行了实验研究,采用气相色谱法分析热裂解产物并获得了热裂解速率系数.主要裂解产物有乙烯、乙炔、丙烯、丁烯、1,3-丁二烯、环戊二烯、环戊烯、苯、甲苯,以及少量的甲烷、乙烷、二甲苯和甲基环戊烯.将每次激波管实验后所有产物浓度累加, JP-10裂解速率系数由实验测定.为了消除激波运行中非理想性和边界层效应导致反应温度确定的误差,采用对比速率法确定裂解温度,即在反应物中加入少量热解速率已知的内标物,根据内标物在相同的激波管实验条件下的裂解程度确定反应温度.根据内标物裂解量确定的激波管裂解反应温度通常小于采用传统测量激波速度由激波关系计算的反射激波后5区温度.在1200～1300 K之间两种方法得到的温度吻合得较好,差异在20K以内,随着温度升高,两者差异增大.在实验研究的基础上,依据San Diego Mechanism对JP-10高温裂解过程进行了动力学模拟.结果显示:主要裂解产物中乙烯、乙炔和1,3-丁二烯产量随温度变化的实验值与San Diego Mechanism的模拟结果有很好的一致性,但环戊烯产量的实验值比模拟值高很多,预示JP-10裂解中完全开环和部分开环反应都是重要的裂解通道.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Autoignition of n-decane Droplets in the Low-, Intermediate-, and High-temperature Regimes from a Mixture Fraction Viewpoint

Detailed numerical simulations of isolated n-decane droplets autoignition are presented for different values of the ambient pressure and temperature. The ignition modes considered included single-stage ignition, two-stage ignition and cool-flame ignition. The analysis was conducted from a mixture fraction perspective. Two characteristic chemical time scales were identified for two-stage ignition: one for cool-flame ignition, and another for hot-flame ignition. The appearance and subsequent spatial propagation of a cool flame at lean compositions was found to play an important role in the ignition process, since it created the conditions for activating the high-temperature reactions pathway in regions with locally rich composition. Single-stage ignition was characterized by a single chemical time scale, corresponding to hot-flame ignition. Low-temperature reactions were negligible for this case, and spatial diffusion of heat and chemical species mainly affected the duration of the ignition transient, but not the location in mixture fraction space at which ignition first occurs. Finally, ignition of several cool flames of decreasing strength was observed in the cool-flame ignition case, which eventually lead to a plateau in the maximum gas-phase temperature. The first cool flame ignited in a region where the fuel / air mixture was locally lean, whereas ignition of the remaining cool flames occurred at rich mixture compositions.     

C1~C4烷烃混合气体热爆燃的简化机理与分析

为了探索油气在受限空间热爆燃发生的化学反应机理,以CHEMICAL4.1为平台,分析了C₁~C₄烷烃混合气体热爆燃过程的系统温度、主要组分浓度和中间产物生成率的变化规律。通过敏感性分析、生成速率分析和路径分析等方法,简化了C₁~C₄烷烃混合气体的详细机理,得到了一个包含37种组分、80个基元反应组成的简化机理,并进行了对比验证。在反应机理上印证了气体热爆燃过程存在缓慢氧化、快速氧化和反应平衡3个阶段。发现与超氧化氢和过氧化氢有关的基元反应是热爆燃发生的关键反应,而大量产生的氢基和羟基最终导致了热爆燃的发生。     

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。