热扩散不稳定和流体动力学不稳定对氢气/空气爆炸胞状火焰的影响

为揭示氢气/空气爆炸球形胞状火焰的传播特性,运用高速摄影技术实验研究了热扩散不稳定和流体动力学不稳定对胞状火焰结构、临界火焰半径、临界Peclet数和火焰燃烧速度的影响。结果表明:随着流体动力学不稳定的凸显,Lewis数大于1的火焰胞格尺度远大于Lewis数小于1的胞格尺度;同一初始压力下,火焰厚度随着当量比的增大呈先减小、后增大的趋势,临界火焰半径会随着当量比的增大而增大;同一当量比下,火焰厚度和临界火焰半径都会随着初始压力的升高而减小;当量比低于2.0时,不同初始压力下的临界Peclet数会随当量比的增大而线性增大;当量比为0.6,初始压力为0.05 MPa时的火焰燃烧速度最大。     

开放空间H2/CH4/空气爆炸实验与数值模拟研究

近年来氢的使用范围逐渐发展到各个领域, 含氢多元混合物气体在工业生产及生活燃料中被普遍使用. 为了保障含氢气体在生产、运输、使用等各个环节的安全性, 构建了开放空间混合气体爆炸测试实验系统, 研究了H₂/CH₄/空气混合气体爆炸压力及火焰传播特性, 给出了不同氢摩尔分数(100%, 75%, 66.67%, 50%, 33.33%)、混合气体当量比(0.8, 1.0, 1.1, 1.2, 1.4)、可燃云团尺寸(1 m3, 4 m3, 8 m3)及障碍物约束等因素对混合气体爆炸压力及火焰的影响规律. 基于经典TNT当量法, 建立了考虑混合气体组分比及可燃云团尺寸的最大爆炸超压预测模型, 修正了爆炸火焰传播半径理论模型. 结合高精度数值模拟技术揭示了加气站内建筑结构对混合气体爆炸的影响. 研究表明, 氢气的加入能够明显增强气体爆炸强度, 最大爆炸超压、火焰传播速度均随氢摩尔分数的增加而增大, 随当量比的增大先增大后减小, 当量比为1.1~1.2时最大; 通过对大尺度混合气体爆炸数值仿真与分析发现, 加气站内不同建构筑物条件下爆炸火焰传播距离、传播速度、最大爆炸超压等关键参数明显不同, 顶部和背部同时约束时, 爆炸伤害范围及事故后果最严重, 因此在划定加气站安全距离时, 应充分考虑不同建筑结构的影响.      

耦合火焰不稳定的爆炸超压预测

基于火焰不稳定和爆炸超压的耦合机制,通过向光滑火焰模型中引入褶皱因子,建立了褶皱火焰模型和湍流火焰模型,对密闭燃烧室内爆炸超压进行理论预测,且对比了绝热压缩和等温压缩对爆炸超压预测的影响规律。结果表明:在增强的流体动力学不稳定作用下,膨胀火焰失稳加剧,且在定容燃烧阶段形成胞状火焰;光滑火焰模型忽略了火焰不稳定,爆炸超压理论预测值比实验值偏低,且等温压缩下超压预测值低于绝热压缩下的预测值;湍流火焰模型高估了火焰褶皱程度,超压预测值远高于实验值;褶皱火焰模型可成功预测丙烷/空气爆炸压力和燃烧室体积V=25.6 m3的甲烷/空气爆炸压力;对于甲烷/空气爆炸,燃烧室体积V≤1.25 m3时,实验压力值介于褶皱火焰模型和绝热光滑火焰模型预测值之间。     

无约束条件下甲烷/空气预混气体燃爆特性研究

为研究无约束条件下甲烷(CH₄)/空气(air)预混气体的燃爆特性,以乳胶气球为反应容器开展了甲烷爆炸实验,结合Chemkin模拟和改进的比色测温技术,研究了不同当量比下甲烷/空气预混气体的火焰传播速度、爆炸超压及温度场分布等特征以及静置时间对预混气体燃爆特性的影响。实验结果表明：甲烷/空气预混气体的爆炸火焰传播速度呈振荡分布,当量比为0.83、1.06、1.30和1.55时的平均火焰传播速度分别为1.554m·s^-1、2.122m·s^-1、1.892m·s^-1和1.428m·s^-1;峰值超压随当量比的增加呈先增大后减小的趋势,当量比为1.06时基元反应CH₃·+O₂?O·+CH₃O·的敏感性系数最大,从而加速了生成二氧化碳(CO₂)的链反应,使得燃烧化学反应最彻底,峰值超压值最大;静置时间对火焰传播速度和爆炸峰值压力影响显著,最佳静置时间为6min;随着当量比的增大,爆炸火焰的平均温度呈现...     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果,采用自主搭建的爆炸实验平台,探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明,不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时,爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低,并在厚度较大时,火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时,预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄,但随后一段时间内,由于负压抽吸作用,在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象,且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率,同时可吸收能量,进而提高爆炸超压的上升速率,降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时,与当量比为1的预混气体爆炸相比,超压峰值最大可提高约2倍,造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄,最大超压衰减可达47.17%,δ=30时最大超压衰减了24.62%。     

云爆药剂爆炸超压测试及威力评价

借助压力测试系统,在自由场及地面布置压力传感器,分别测量了熔铸TNT、一次云爆药剂和二次云爆药剂在自由场和地面的爆炸场冲击波超压,经分析处理后拟合得到适用于3种炸药的自由场和空中爆炸超压发展公式,并计算云爆药剂的TNT当量。实验结果表明:实验选用的二次云爆药剂的自由场和地面平均TNT当量相比一次云爆药剂分别提高了60%和69%,说明二次云爆药剂比一次云爆药剂具有更大的超压作用效果;3种药剂的自由场超压峰值都比地面小10%左右,说明地面的反射效应依旧存在,在实际超压威力评估时应采用一定的修正系数。实验结果可丰富云爆药剂和传统炸药的小当量实验对比数据,为云爆药剂爆炸场参数的研究和威力评估提供参考。     

阻塞比对竖直管道中铝粉爆炸特性的影响研究

在自行搭建的竖直透明管道喷粉平台中开展了铝粉尘爆炸实验研究,通过对铝粉爆炸火焰锋面演化及压力变化等特征进行分析,探究泄爆口阻塞比对铝粉爆炸特性的影响规律。结果表明:阻塞比对较小粒径铝粉爆炸火焰锋面结构影响较大。管道中爆炸超压呈双峰形式;对于较小粒径铝粉,超压双峰主导地位在拐点φ=0.4（φ为阻塞比）处发生反转,且第一波峰值与第二波峰值通过转折点时变化趋势不同,第一波峰值随阻塞比增加而升高,并以φ=0.4为拐点,斜率大大提升,而第二波峰值随阻塞比的增加先升后降,且在φ=0.4时达到最大;铝粉粒径较大时,波峰值变化趋势与小粒径类似,拐点后移至φ=0.6。最大(主导)超压峰值随阻塞比增加而增加;小粒径粉尘更容易产生危险性爆炸超压。     

城市地下排水管道中燃气爆炸及气-液两相耦合作用规律

为研究城市地下排水管道中燃气爆炸传播特性和气-液两相耦合作用规律,基于气-液两相流理论和计算流体力学方法,对不同水深率下的天然气/空气混合物的爆炸-加速-衰减过程进行了数值模拟。研究结果表明：当水深率小于0.7时,随着水深率的增加,气相空间的长径比增大,燃料燃烧加剧,火焰的加速现象逐渐显著,导致峰值超压逐渐增大,超压峰值显现时间逐渐缩短,且峰值超压沿轴向的提升效果更加显著;当水深率达到0.7时,火焰在管道内的传播明显受阻,水震荡产生的波动及细水柱迅速占据了有限的气相空间,阻断了火焰的自维持传播,使得爆炸超压仅在点火源附近显现。不同水深率条件下,管道中相同区域内,同一时刻水面被扬起的高度和气相区域的速度场不同,被卷扬起的低温液体对其相邻区域的高温火焰形成降温和阻断,之后由于气体的宏观流动,与液面相邻的低温气体流动至管道内高温区域,进而造成管道内火焰温度降低,同时,水的震荡和细水柱的飞扬大大降低了爆炸超压风险。     

破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响

利用自主设计的5.00 m长矩形管道,对氢气体积分数为30%的氢气-空气预混气体进行了不同破膜压力(p_v)下的系列燃爆实验,重点研究了p_v对管道内外火焰传播行为及爆炸超压的影响。实验结果表明：管道内的火焰传播行为受p_v影响显著。在靠近泄爆口的压力传感器所监测的压力-时间曲线上,可以观察到3个压力峰值(p_b、p_out、p_ext),分别对应于铝膜破裂、燃烧混合物泄放以及外部爆炸,大多数情况下,p_b为最大压力峰值。管道内部最大超压随着p_v升高而增大,但最大内部超压出现的位置受p_v的影响。管道外部火焰传播行为与p_v有关,但不同p_v下外部火焰的最大长度无明显差异。最大外部超压与p_v之间呈现非单调变化规律。     

障碍物对甲烷/氢气爆炸特性的影响

通过自主搭建的小尺寸实验平台,研究管道内障碍物阻塞率及形状对当量比为1时甲烷/氢气爆炸特性的影响。研究结果表明:相同工况下火焰传播结构基本相似,预混火焰传播路径随障碍物阻塞率增大而变窄;预混火焰传播速度随着障碍物阻塞率与氢气体积分数的增大而上升,也随着障碍物形状的改变而产生变化;最大爆炸超压随着障碍物阻塞率和氢气体积分数的增大而增大,达到最大爆炸超压的时间随着阻塞率的增大而缩短;混合气体在管道内爆炸特性受障碍物与混合气体中氢气体积分数共同影响,氢气体积分数小于50%时,受障碍物与混合气体共同影响,氢气体积分数大于50%时,主要受混合气体燃烧特性影响。此研究能够为甲烷/氢气的安全利用提供理论基础。     

CH4/O2/CO2预混体系爆炸动力学研究

为探究甲烷在富氧条件下的火焰动力学规律,以CH₄/O₂/CO₂预混体系为研究对象,在小尺度方形透明管道中进行了一系列爆炸实验,探讨了初始环境温度波动对爆炸参数的影响,并对预混体系的燃烧机理进行分析。结果表明:在273 K的环境温度下,化学当量比φ=0.8~1.0且氧气相对比γ<0.30和φ=1.2且γ<0.35的预混体系不能被点燃,而其他预混体系均可被点燃,最终产生郁金香与非郁金香两种火焰类型,并且根据郁金香火焰独特的演变特征,又划分为T形郁金香火焰和不对称郁金香火焰;随着γ的增大,无量纲火焰传播速度v/(S_Lσ)的变化趋势由“两升两降”转变为“一升一降”。初始环境温度的升高并未对火焰传播速度和爆炸超压的变化趋势产生影响,但是会导致最大爆炸超压p_max和最大火焰传播速度降低。值得注意的是,初始环境温度对爆炸强度的影响随化学当量比的减小而增强。另外,与最大爆炸超压相比,最大火焰传播速度与层流燃烧速度之间的关系更紧密。从敏感性分析中可知:层流燃烧速度对自由基链式反应R38(即H+O₂=O+OH)表现出最大的正敏感度,对R52(即H+CH₃(+M)=CH₄(+M))表现出最大的负敏感度,并且对自由基OH的生成速率最敏感,当初始环境温度升高至303 K时,层流燃烧速度对R38(正)和R52(负)的敏感度降低;H、O和OH自由基总摩尔分数的增大会削弱热扩散的不稳定性,增强流体力学的不稳定性。     

煤气火焰传播规律及其加速机理研究

研究了煤气/空气预混气在两端封闭管道中的火焰传播加速现象和管道中有无障碍物时火焰的加速机理,认为火焰加速是由于火焰前未燃气体被前驱压缩波加热和障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈造成的。实验结果表明,障碍物存在时,最大爆炸压力可提高20%,与理论计算一致;火焰传播特性随煤气浓度的变化而改变;障碍物阻塞比对火焰的速度和压力都有一定影响。     

密闭空间可燃气体爆炸超压预测

为避免密闭空间内可燃预混气体爆炸事故造成的伤害,对其进行较为准确的爆炸超压预测是抗爆设计和日常安全管理的关键。结合已有文献实验数据,利用光滑层流火焰传播理论模型建立了爆炸超压模型;对比发现,当体积较大时,光滑层流火焰传播理论模型存在较大的误差。较大体积密闭空间爆炸火焰传播过程中的不稳定性造成火焰前锋面褶皱并引起湍流燃烧,导致火焰前锋面表面积大幅增加,且在火焰传播过程中表现出自相似分形特征。依据褶皱及湍流火焰传播过程中的自相似分形特征,基于分形燃烧理论和相关经验数据,进一步建立了考虑可燃预混气体爆炸火焰褶皱及湍流火焰传播的爆炸超压预测模型,并与实验所得结果进行了对比。结果表明:当密闭空间体积较大时,利用褶皱及湍流火焰传播理论建立的爆炸超压模型进行峰值压力估算时,两种工况下实验所得和理论计算所得相对误差分别为10.4%和11.1%,较光滑层流火焰传播理论爆炸超压模型相比,误差分别减少了72.3%和50.6%。本文所建立理论模型与实验所得结果具有较好的一致性,在一定程度上可满足结构抗爆设计或日常安全管理的需要。     

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。     

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。     

开口型管道内瓦斯爆炸冲击波动压的数值模拟

为了研究瓦斯爆炸冲击波的动压演化规律,利用数值模拟软件模拟开口型管道内的爆炸。结果表明:动压与流速在时间上存在较好的对应关系,基本同时出现正向和反向的峰值;动压在3个方向上不仅伴随传播距离的增大而不断增大,也伴随传播时间的延长而增大;沿管道方向(火焰传播方向)上的最大动压值是其他2个方向(管道径向)上的数千倍;相比爆炸超压而言,管道径向上的动压对爆炸破坏效应的影响较小,而沿管道方向上的动压造成的破坏效应不能忽视;验证了动压与流速的平方呈正比关系,同时通过分析给出了动压基于管道几何尺寸和流速的经验公式。     

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。