高炉喷吹用烟煤煤粉爆炸特性的实验研究

从工业安全角度出发 ,在四种不同形状与体积的封闭容器、三种开口燃烧管中 ,对高炉喷吹用烟煤的燃烧爆炸特性和传播特性进行了全面、系统的实验研究。详尽地给出了煤粉浓度、粒度及气体介质中含氧量、扬尘湍流强度和初始点火能量对爆炸后最大压力升值、最大爆炸压力上升率、以及最大等效燃烧速度和爆炸火焰传播最小熄火间距的影响。用最大等效燃烧速度来表征的爆炸强度数值已不再依赖于实验容器。     

粉尘等容燃烧容器内扬尘系统诱导湍流特性的实验研究

采用热线风速仪与系统平均法测定和研究了三种圆柱形封闭容器内的扬尘诱导湍流衰减特性,并与球形爆炸容器内已测定的扬尘诱导湍流衰减特性进行了比较。探讨了扬尘装置、容器体积、形状对扬尘诱导湍流瞬态特性的影响。实验结果显示,在粉尘等容燃烧容器内扬尘诱导湍流强度随时间的衰减特性具有一定相似性,它们均呈负指数关系。     

球形容器内甲烷-空气爆炸特性分析与理论计算

为研究甲烷-空气混合物在密闭球形容器内的爆炸特性,首先利用化学平衡计算软件确定合适的燃烧产物与化学平衡温度,估算甲烷-空气混合物的最大爆炸压力。然后基于火焰增长模型,用MATLAB编辑循环语句程序,计算了甲烷-空气混合气体爆炸的压力时程曲线,通过与实验数据对比,验证了化学平衡软件计算方法与火焰增长模型的可行性,并分析了误差的产生原因。进而利用火焰增长模型推出的经验公式计算爆燃指数,发现在当量比附近与实验结果拟合程度较好。     

真实爆炸容器壳体动力响应的强度分析

运用DYTRAN编码中的欧拉计算方法,得到了作用于内径3．80m、壁厚0．09m的球形爆炸容器内壁的反射冲击波压力;再运用三维LS－DYNA有限元编码,对容器壳体在反射冲击波载荷作用下的瞬态响应进行了强度分析,着重给出了爆炸容器的几个主要开孔部位的等效应力云图。分析结果对类似工程设计和爆炸容器的安全使用具有实际意义。     

无约束气云爆燃压力场的计算

利用球形流体力学方程和燃烧反应模型导出了无约束气云弱点火爆燃过程的压力分布场 ,编制了求解压力场的计算程序 ,可计算不同尺寸气云爆炸时各点的爆炸压力值。进行了可燃气云爆燃实验 ,对计算结果进行了考核。与实验结果相比 ,计算结果的偏差小于2 0 %。     

微细球形铝粉爆炸特性的实验研究

从工业安全角度出发,在三种不同实验装置上对五种粒度(直径由3～30m)的球形铝粉的爆炸特性进行了全面、系统的实验研究。研究结果主要给出了铝粉在封闭容器的爆炸过程中,其粉末浓度、粒度、含氧量和初始扬尘湍度强度对爆炸后的最大压力升值、最大能量释放率和最低极限着火粉尘浓度的影响。结果表明:铝粉粒度和含氧量是对铝粉爆炸参数有最主要影响的两个因素。     

球型密闭容器中铝粉爆炸机理的研究

对中心点火球型密闭容器中的铝粉爆炸进行了实验和理论两方面的研究。实验采用２０立升的球。除测量压力外，还通过系踪平均法测试了流场的湍流强度，并利用电子显微镜和Ｘ光衍射仪分析了铝粉及其燃烧后残渣的形状和组分。文中对２０立升和５０立升球型容器中铝粉燃烧的全过程进行了数值模拟。对于可测量的量如压力和压力上升速率，计算结果与实验结果基本相符。基于反应区外质点的熵几乎不变这一事实，对计算获得的参数剖面还进行了理论分析。     

球型密闭容器中铝粉爆炸机理的研究

对中心点火球型密闭容器中的铝粉爆炸进行了实验和理论两方面的研究。实验采用２０立升的球。除测量压力外，还通过系踪平均法测试了流场的湍流强度，并利用电子显微镜和Ｘ光衍射仪分析了铝粉及其燃烧后残渣的形状和组分。文中对２０立升和５０立升球型容器中铝粉燃烧的全过程进行了数值模拟。对于可测量的量如压力和压力上升速率，计算结果与实验结果基本相符。基于反应区外质点的熵几乎不变这一事实，对计算获得的参数剖面还进行了理论分析。     

液体三维晃动特征问题的有限元数值计算方法

本文采用有限元方法数值求解任意刚性容器内液体三维晃动的固有频率和模态。通过建立液体晃动特征问题的泛函极值原理，编制了四面体等参单元有限元程序，计算了平放圆柱腔内三维液体晃动的特征频率，并将矩形容器、球腔、带“十”字隔板球形容器内的液体三维晃动计算结果与解析解、实验结果和二维有限元数值解进行了比较，程序的正确性得到了验证。     

球形爆炸容器开孔补强方法

参考压力容器设计标准,针对某实验用球形爆炸容器进行了开孔补强设计,对容器开孔处等效应变随接管壁厚、补强圈尺寸的变化规律进行了数值计算,确定了“5/3倍球壳厚度的接管”配合“与球壳等厚度、张角10°的补强圈”的开孔补强设计方案。并对数值计算结果和补强设计进行了实验验证。     

密闭空间煤粉的爆炸特性

利用ISO6184/1和IEC推荐的20L球型爆炸测试装置,对4种规格的煤粉进行了系统的粉尘爆炸实验,探讨了煤粉的爆炸规律。得到了样品的爆炸下限浓度、最大爆炸压力,最大爆炸压力上升速率变化规律;分析了浓度、粒径、点火能量对煤粉爆炸猛烈度的影响。结果表明,粒径越小的煤粉,爆炸下限越小,而且在指定浓度下爆炸越猛烈。随着浓度的增大,最大爆炸压力和上升速率先增后减。样品3,峰值爆炸压力对应的浓度为400～1000g/m3,爆炸压力最大值为0.54MPa;点火头能量的增大在一定程度上促使反应更充分,从而爆炸强度更强。由于煤粉组成的特点,实验数据一定程度上说明了爆炸过程中气相燃烧的重要作用。 更多还原     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

Global modelling of heat release during initiation and propagation of detonation and deflagration waves in methane-air-particle systems

In the present paper the direct initiation of a self supporting detonation and propagation of a low-speed combustion in methane-air-coal particles mixtures are solved. For particles, a heterogeneous regime of combustion is used, for methane one overall chemical reaction is taken into account: CH + 2O = CO + 2HO. The heat release rate is assumed to be defined as a delay time based on the well-known thermal theory of Frank-Kamenetsky (1967). The proposed model allows one to investigate the influence inert particles or coal dust on the explosion limits of methane-air mixtures. It is shown that the addition of a limited quantity of particles leads to detonation stability. In low speed combustion problems this method allows one to get a good correlation between theoretical and experimental velocities of steady flame propagation in carbon-hydrogen gaseous mixtures. Coal dust influence on gasdynamics of a methane-air mixture combustion is investigated in an unsteady problem by using of the global modelling. It is shown that limited coal dust concentration increases the flame wave intensity in lean methane-air mixtures in contrast to inert particles. In stoichiometric gas mixtures, sand and coal dusts decrease a flame velocity. Far from the ignition point flame, the velocity is largely defined by the dust mass concentration and not by the size of particles. Received 5 July 1997 / Accepted 13 July 1998     

微重力燃烧研究进展

认识燃烧过程是安全、高效、洁净地利用能源的基础. 但是, 常重力条件下的浮力对流和重力沉降使得燃烧现象变得复杂. 而微重力条件下这些影响几乎消失, 这简化了对燃烧的研究. 在加深对地面燃烧过程和载人航天器火灾安全问题的认识的推动下, 经过近半个世纪特别是最近10多年的发展, 微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体、气体扩散、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播等燃烧学科的各个领域. 研究中实现了球对称液滴燃烧、不受沉降影响的粉尘燃烧、静止或低速对流环境中的燃烧, 观察到了火球、自熄灭火焰等现象,阐明了碳黑形成中的热泳力效应、可燃极限与火焰稳定性等机理. 加深了对燃烧现象,特别是对辐射效应的理解: 在预混气体、气体扩散、液滴等多种火焰中, 除了停留时间过短引起的吹熄极限外, 还存在辐射热损失过大引起的冷熄极限, 后者只能在微重力条件下观测到. 部分研究成果已经进入教材. 而火焰在微重力下不同于常重力下的现象, 对载人航天器火灾安全具有重要意义. 考虑到我国的现实情况和国内外的研究现状, 建议将煤炭颗粒和粉尘的燃烧、与碳黑相关的机理、辐射效应、化学动力学等作为我国微重力燃烧的主要研究方向.      

煤粉尘爆炸过程中火焰的传播特性

为了揭示煤粉尘爆炸过程中火焰传播特征,采用2种不同质量分数挥发分的煤粉在半封闭竖直燃烧管中进行实验。分别使用高速摄影装置和红外热成像装置记录火焰传播过程和空间的温度分布情况,并分析2种煤粉尘云的火焰传播速度和温度曲线。结果表明:在同等条件下,火焰在挥发分质量分数高的煤粉尘云中的传播速度和火焰温度要高于其在挥发分质量分数较低的煤粉尘云中的。煤粉尘云的体积质量和点火能量也影响着火焰的传播过程,随着煤粉尘云体积质量的增大,火焰的传播速度和火焰温度整体上呈现先增大后减小的趋势,在传播的后半段火焰速度出现震荡现象;随着点火能量的增大,火焰在煤粉尘云中的传播速度和最高温度也相应升高。通过大量的实验数据计算得到特定条件下火焰传播速度和温度的经验公式。     

燃料物性参数对瓦斯煤尘复合爆炸的耦合作用

为研究瓦斯煤尘复合爆炸影响因素的耦合规律,对煤粉质量浓度、甲烷体积分数、煤粉粒径、煤粉种类等4种影响因素进行了多因素与单因素实验分析。通过正交实验,将各因素对爆炸的影响进行了定量分析,结果表明,4个因素对最大爆炸压力p_max的影响由强到弱依次为:甲烷体积分数、煤粉质量浓度、煤粉种类、煤粉粒径;对最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max的影响程度由强到弱依次为:甲烷体积分数、煤粉质量浓度、煤粉粒径、煤粉种类。对于体积分数为9%、11%的甲烷,复合体系的p_max随煤粉的质量增加而减小。当煤粉质量浓度增加到100、200 g/m3时,在与体积分数为6%的甲烷耦合作用下,会产生更强的“激励”作用,且煤粉浓度较大时,挥发分低的煤种最佳瓦斯浓度会降低。甲烷体积分数存在临界值,该临界值会改变挥发分因素的影响方式:低于此临界值时,高挥发分煤尘体系的(dp/dt)_max更高,(dp/dt)_max来临时间更短;高于此临界值时,低挥发分体系具有更高的爆炸强度。粒径影响挥发分的作用,粒径越大,挥发分的影响差异越明显。当甲烷体积分数为11%时,挥发分高的煤尘更容易受粒径的影响,直径小的煤尘体系,爆炸系数K_st更小;而低挥发分煤粉在甲烷体积分数接近当量时受粒径影响更明显。     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

Combustion tube studies of dust flame acceleration

A new pneumatic dispersion system for obtaining a good quality uniform dust suspension in a horizontal dust combustion tube was developed. The effect of three different dispersion techniques on self-sustained dust flame acceleration in such a combustion tube was examined. The importance of the dispersion quality in the test tube for maintaining a self-sustained dust flame acceleration was demonstrated. A combustion tube for studies of flame acceleration in fine aluminum dust-air mixture and its transition to detonation under industrial ignition conditions was constructed in the course of the present study. It consists mainly of an initiation section and a test section. The initiation section must be equipped in a well-developed dispersion system for creating a good dispersion condition in the test tube. The length of this section is 3 meters. The test tube requires only to distribute uniformly the dust over the bottom of the tube prior to the experiment. The aluminum dust spherical in shape with 6 μm in diameter was used for tests. Experimental results demonstrated that the increase in flame velocity is roughly linear through the entire length of the test tube. The highest flame propagation velocity in fine aluminum dust-air mixture approaches some 1200m/s at a distance of 4.8m from the ignition plane.     

基于量纲分析理论的煤尘爆炸能量预测模型

为预测煤尘爆炸能量,基于量纲分析理论建立煤尘爆炸能量预测模型。选取爆炸能量E、空气密度ρ和大气压强p的量纲为导出量纲。根据量纲分析Π定理得出含有待定参数λ的具有普适性的能量预测模型。通过小型煤尘爆炸性实验设计,测定10次爆炸最长火焰长度平均值l₀、10次最长火焰长度出现时间平均值t₀与该小型煤尘爆炸中释放能量E₀,确定模型中参数λ为0.467。对模型变量t、E、l的函数关系进行合理性检验。通过实测的15组不同时刻的火焰长度进行模型变量t、l幂指关系检验。检验结果表明:量纲选取完备,预测模型科学合理。