不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性研究

阻火器是一种应用广泛的爆炸阻隔装置。为了深入理解影响阻火器性能的因素,通过实验方法探究了不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性。结果表明,可燃气的活性、体积分数和初始压力均会影响火焰速度稳定性、传播模式以及淬熄难度。实验发现火焰传播具有3种模式:直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄、淬熄失败。可淬熄的最大初始压力p_lim用以表征火焰淬熄难度,虽然其最小值位于化学计量比,但仍在一定体积分数范围内保持恒定。此外,基于传热作用得到密闭管道中丙烷-空气预混气爆燃阻火速度公式,并进行了实验验证。     

可燃气体非稳定爆轰波通过90°圆弯管传播特性的实验研究

对丙烷-氧气-空气的混合气体非稳定爆轰波通过90°圆弯管传播特性的变化进行了初步的实验研究.同时实验研究了预混气体的初始浓度和初始压力对非稳定爆轰波经过弯管前后传播特性的影响.实验结果表明,可燃气体非稳定爆轰波经过90°圆弯管后传播速度和压力与直管中相比有了显著地提高.这一研究结果对于工业上安全使用管道阻火器具有重要的实际意义.     

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。     

丙烷-空气爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动

对丙烷 空气爆燃波的火焰面 (以下简称爆燃火焰 )在直管道中加速运动的规律及其影响因素作了初步实验研究 ,包括爆燃火焰在光滑内壁管道中的传播状况 ;管道直径和点火能量的变化以及当管道内有障碍物时对火焰加速度的影响。以上研究也涉及了非稳定爆轰波的火焰面在直管道中的加速运动。根据这一研究结果 ,对目前按常规设计和使用的工业管道阻火器的安全性和可靠性提出了质疑。     

方形空间可燃气体爆燃泄爆实验及三维数值模拟研究

为了研究大空间内预混可燃气体爆燃泄爆过程中的压力与火焰传播规律,在1.21 m3的方形空间内进行了不同体积分数乙烯气体和两种不同泄压面积的泄爆实验,针对泄压面积为0.18 m2、体积分数为7%的乙烯-空气预混气体爆燃泄爆过程进行了三维数值模拟研究。结果表明:不同泄爆条件下压力形式不同,小面积泄爆口开启后,压力先下降后上升且第2峰值较大,在高体积分数下超过第1峰值,大面积泄爆时第2峰值较小。数值模拟结果与实验得到的压力时程曲线趋势一致,与实验中观察到的外部火焰形态相似;泄爆口开启后引发的湍流效应,使得空间内火焰阵面变形和火焰传播速度显著加快,导致了小面积泄爆第2峰值压力较大。     

管长对带弯头管道内可燃预混气体爆炸规律及薄壁动态响应的影响研究

基于气云燃爆实验平台,开展了不同长度弯曲管道内丙烷-空气预混气体燃爆实验测试与分析,探索管道长度对弯曲管道内可燃气体燃爆特性及爆炸冲击波对管道薄壁加载效应的影响。实验分别采用光电传感器、压力传感器和应变传感器对管道内爆炸参数和管道薄壁的应力应变规律进行了测试,结果表明,管道越长,弯曲段两侧壁面超压和管壁最大应变越大,压力时程曲线与管道薄壁应变时程曲线具有良好的一致性;弯管一定程度上激励了火焰加速传播,火焰传播速度在90°拐点处降至最低;管道长度对管道内火焰燃爆规律的影响是整体的,管道长度越长,管内压力和火焰速度越大,最大爆炸压力出现在管道末端,冲击波对管壁的加载属于动态加载。     

边界条件对甲烷预混气爆轰特性的影响

通过实验研究及数字化处理研究了边界条件对CH₄预混气体爆轰特性的影响。在内径为63.5、50.8 mm圆柱形管道及长方体管道进行爆轰实验,得到胞格结构和爆轰速度曲线。烟膜数字化处理量化了预混气体的爆轰不稳定性,并计算出胞格尺寸。3种管道内测得的平均爆轰速度与CJ速度接近,边界条件的影响不明显。分析爆轰速度曲线发现,极限压力受到边界条件的影响,?50.8和?63.5 mm管道内预混气的极限压力分别为5和4.05 kPa,即随着管径增大,爆轰极限压力降低。数字化处理所得不同管道内烟膜轨迹的不规则程度无明显差别,因此可以认为不稳定性是预混气固有的性质。在相同爆轰初始压力下,管径增大,胞格数量变多,表明爆轰传播时爆轰螺旋头数增多以维持传播。     

一个端部开口短管气体爆燃外场火焰传播模型

针对端部开口短管气体爆燃火焰传播问题,通过借鉴Clanet等和Bychkov等提出的火焰传播模型,在假设绝热、不可压缩的条件下,得到了可燃气体分布与火焰锋面传播的数学模型。以汽油蒸气为实验工质,在全透明实验管道上进行了爆燃实验。通过高速摄影及纹影图像,对所提出的模型进行了验证。结果表明,该模型能够较准确地预测长径比4:1至10:1的端部开口短管气体爆燃外场可燃气体界面与火焰锋面位置。上述成果在可燃气防爆安全领域具有一定应用价值。     

气体非稳定爆轰波在具有声学吸收壁的直角三通弯管中传播特性研究

本文实验研究了丙烷、氧气和空气的预混气体非稳定爆轰波在具有声学吸收壁的直角三通弯管中传播特性，分析了声学吸收材料厚度对非稳定爆轰波传播特性的影响．实验结果表明，在直角三通弯管中安装声学吸收材料对气体非稳定爆轰波有明显的衰减作用，在弯管前后非稳定爆轰波的传播速度和压力都有很大程度的减小．而且随着声学吸收材料厚度的增加，气体非稳定爆轰波强度衰减幅度增大．这一实验结论对工业安全具有重要的参考价值．     

氢气/丙烷/空气预混气体爆轰性能的实验研究

通过采用压力传感器和烟灰板两种测试设备,开展了常温常压下氢气/丙烷和空气混合气体爆轰性能的实验研究。实验过程中观察到自持爆轰波,爆轰速度比值在0.99~1之间,爆轰压力比值在0.8~1.2之间。爆轰胞格尺寸在10~50 mm范围内,建立了爆轰胞格尺寸和化学诱导长度的关系式。随着丙烷不断添加,爆轰速度减小,而爆轰压力和胞格尺寸增加。这种变化趋势起初较快,而后变缓。因为起初氢气摩尔分数较大,混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能;而后因丙烷摩尔质量较大,丙烷逐渐起主要作用,混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。     

气相爆轰波近失效状态的传播模式

选用五种碳氢混合气体,采用高压电火花起爆的方法,利用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,研究临近失效状态时爆轰波在管道内的传播模式。实验是在自行研制的爆轰管道中进行的,其包括驱动段及内径分别为1.5、3.2、12.7 mm三种规格的测试段。实验结果再次验证了爆轰波在管道内传播时可以有六种不同的传播模式:稳态爆轰、快速波动爆轰、结巴式爆轰、驰振爆轰、低速爆轰和爆轰失效。其中C₂H₂+2.5O₂+70% Ar、C₂H₂+2.5O₂+85% Ar两种组分混合气体（具有较低活化能）,在爆轰波传播过程中只有稳态、快速波动和失效三种模式;而C₃H₈+5O₂、C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂三种组分混合气体（具有较高活化能）在传播过程中出现六种不同模式。上述结果表明,除气体组分、初始压力等因素外,混合气体的活化能可能对爆轰波在管道内的传播状态也有影响。     

不同角度分叉管道内氢气-空气爆轰传播特性

在3种角度分叉管道内开展化学计量比氢气-空气爆轰实验,采用自制的火焰传感器和烟迹法分别获得了爆轰波传播速度和胞格结构,探究了不同角度管道分叉对爆轰传播的影响。结果表明:氢气-空气爆轰在经过分叉三通时受分叉口稀疏波影响导致爆轰波衰减解耦,但随着入射激波与下游管道壁面碰撞,逐渐由规则反射向马赫反射转变,最终完成重起爆过程。其中,直通支管内爆轰衰减主要受支管入口面积的影响,随着分叉角度增大,入口面积减小,爆轰衰减程度和重起爆距离也随之减小;而分叉支管内,爆轰衰减受支管入口面积与入口渐扩程度共同影响,但随着分叉角度的增大,入口面积变为主要影响因素。不同角度分叉管内的实验结果均表明,初始压力升高能显著提高爆轰稳定性,从而削弱分叉几何结构的影响。     

三元可燃混合气体爆炸极限实验及预测方法

为了控制并预防原油的储存及输运过程中挥发气体造成的安全风险，在20 L球形爆炸容器内开展了由原油中挥发轻烃CH₄、C₃H₈和C₂H₄构成的三元可燃混合气体的爆炸极限实验，提出并验证了基于Le Chatelier定律及Chemkin模拟的一维层流预混火焰模型预测三元可燃混合气体爆炸极限的方法。结果表明，三元可燃混合气体爆炸极限始终位于3种纯组分的爆炸极限内，随着某一纯组分增加呈现出接近其爆炸极限的趋势。3种纯组分对爆炸上限的影响要强于对爆炸下限的影响，其中C₂H₄对三元可燃混合气体爆炸上限影响尤为显著。两种预测方法的预测结果均与实验规律性一致。Le Chatelier定律预测混合气体爆炸下限较准确，但对爆炸上限的预测随着C₂H₄的增加偏差增大，修正后偏差明显减小；Chemkin预测爆炸下限虽存在一定偏差，但在实验偏差的允许范围内，可作为一种预测三元可燃混合气体爆炸下限的新方法。     

Ar稀释C2H2+2.5O2预混气高频爆轰的端面结构

为了研究预混气爆轰的内部结构,对不同浓度的Ar稀释的C₂H₂+2.5O₂预混气进行爆轰实验和数值计算。首先,在内径63.5 mm的管道内进行爆轰实验,使用烟熏玻璃记录了不同初始压力下C₂H₂+2.5O₂预混气的爆轰端面结构。使用数字化图像处理技术来分析烟熏玻璃记录的三波点轨迹,以减少人为误差。然后,观察实验结果并描绘规则图形,图像识别程序经过验证后,用于分析实验结果。从端面结构中对封闭图形进行圆的拟合,用胞格半径方差来表示胞格大小的均匀程度;用相邻胞格圆心距的方差来表示胞格分布的规则程度。通过对比不同Ar稀释下半径方差和圆心距方差随胞格数量的变化,给出不同浓度Ar稀释下C₂H₂+2.5O₂预混气的端面胞格尺寸及分布规律,随着Ar浓度的升高,预混气端面胞格分布更加规律。     

初始压力和狭缝宽度对毫米量级狭缝内爆轰起爆距离的影响

为获得狭缝内爆轰起爆距离的影响因素,分别在高度为1.0 mm,宽度为10、20、30 mm的狭缝爆轰管内,对不同初始压力下(p₀=5.0~50.0 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体进行了单次爆轰性能实验研究。根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置,分析了初始压力和狭缝宽度对爆轰起爆距离的影响。结果表明:(1)p₀=21.0~30.0 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大而逐渐缩短;(2)p₀=35.0~42.5 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大先缩短后增大,在p₀=45.0~50.0 kPa时起爆距离随着狭缝宽度的增大基本保持不变;(3)3种狭缝宽度下,量纲一起爆距离随量纲一初始压力的变化曲线差异较大。     

孔板扰动对爆轰波胞格结构特性影响的实验研究

实验采用稳定预混气2H₂+O₂+3Ar及不稳定预混气C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂,在圆形爆轰管内通过烟膜手段记录了爆轰波的胞格结构,得到了胞格尺寸与初始压力之间的关系式;研究了胞格结构在扰动上下游的变化过程,分析了胞格不稳定性对胞格结构特征的影响,获得了爆轰波经过扰动后重新恢复至平衡状态的特征尺度。结果表明:爆轰波经过扰动后,对于稳定预混气,在扰动下游主胞格结构变得不规则,没有出现次生胞格;对于不稳定预混气,扰动下游伊始爆轰波的次生模态被抑制,由于爆轰波自身的不稳定性,随后出现了局部爆炸点及精细胞格结构;爆轰波在扰动下游传播了一段距离后恢复至平衡状态,该长度在8～15倍之间的胞格尺寸范围内变化,并且随初始压力的变化趋势并不明显。研究结果反映出爆轰波经过孔板扰动后恢复至平衡态所需的长度与爆轰波流体动力学厚度相当。     

比色测温技术在瞬态爆炸温度场测量中的应用研究

为了研究瞬态爆炸温度场分布规律,基于高速相机、黑体辐射理论、图像传感器的拜尔阵列和自编python代码,构建了依据比色测温原理的高速二维温度测试系统,并对添加不同含量TiH₂的乳化炸药、TiH₂粉尘以及C₂H₂气体的爆炸温度场进行了测量。实验结果表明:TiH₂的加入可以显著提高炸药的爆炸温度和火球持续时间,当乳化炸药中的TiH₂质量分数为6%时,爆炸平均温度最大值为3048 K,相比纯乳化炸药提高了41.5%;此外,TiH₂粉尘云火焰平均温度呈现先增大,再稳定,最后减小的趋势,浓度为500 g/m3的粉尘云火焰平均温度高于浓度为833 g/m3的平均温度,其最高平均温度分别为2231 和 2192 K;10%C₂H₂/90%空气预混气体（即体积分数为10%的C₂H₂和90%空气组成）的早期火焰温度均匀,内部略低于边缘温度,随着火焰膨胀,火焰边缘温度逐渐升高,火焰平均温度开始降低。与传统爆炸测温手段相比,比色测温方法可以准确测量某区域的瞬态爆炸温度,获得温度分布云图,为研究瞬态爆轰温度规律及影响因素提供了一种新的技术手段。     

点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响

利用矩形截面激波管研究点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响。采用压电传感器记录测点压力时间历程,采用光谱仪和光电倍增管记录自发光强时间历程,以压力、总自发光强与·OH和·CH自由基特定能级发射光强等信号判定是否发生自点火,给出自点火过程的时间起始点和终止点,得到了不同点火准则和稀释气体对应的乙烯/氧气/氮气和乙烯/氧气/氩气点火延时。结果表明:相同工况的乙烯点火延时测量数据相对误差约为15%,数据验证了本文实验和测量方法可靠性。针对当量比为1.0、压力为0.2 MPa,得到了温度范围为905～1 489 K,稀释气体的摩尔分数为75%氮气和75%氩气时的乙烯点火延时,给出点火延时和温度拟合的Arrhenius型表达式。不同点火准则会影响所测点火延时数据,但多次测量结果确定的点火延时和温度变化规律近似相同。不同稀释气体对激波管自点火流场的影响表现为和流场均匀性以及混合物比热相关。相同工况的乙烯/氧气/氮气点火延时大于乙烯/氧气/氩气点火延时。高温区和低温区的乙烯/氧气/氩气点火延时与温度的拟合关系不同,转折温度约为1 121 K。     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中,组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器,采用C_2H_2/O_2/Ar反应,数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性,并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性,产生漩涡,加速能量、质量的交换。流场产生热点,促进火焰速度加快,追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内,前导激波速度越大,碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。