油箱明火烤燃燃爆特性实验研究

车辆在遭遇事故或高温天气时容易起火自燃,车辆油箱可能发生爆燃,威胁人员的生命安全。为研究装有油料的油箱在明火烤燃下的燃爆特性,采用摄像机、红外热成像仪和热电偶对油箱在烤燃过程中喷射火焰的表面温度和尺寸以及油箱内部温度进行测试,以76L油箱为研究对象,对比不同密闭条件和填充情况下油箱的燃爆特性。实验结果表明:油箱在出油口关闭、未填充抑爆材料时,易发生爆炸,烤燃产生的爆燃火球表面最高温度在1800K以上,火球体积约为油箱体积的1600多倍;油箱内填充抑爆球可使喷射火焰的最高表面温度和尺寸显著降低;在相同条件下,油箱内柴油蒸气的平均升温速率比汽油蒸气低36.0%,最高温度低16.2%。     

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。     

点火位置对氢气-空气预混气体泄爆过程的影响

利用高速纹影和压力测试系统对不同点火位置及不同破膜压力条件下氢气-空气预混气的泄爆特性进行研究。研究结果表明:在所有情况下,中心点火时火焰传播速率和面积最大,产生了最大的内部压力峰值,尾端点火时火焰传播速率和面积次之,产生的内部压力峰值也次之;前端点火时火焰传播速率和面积均最小,产生了最小的内部压力峰值。前端点火时,容器内部压力出现了3个明显的压力峰值,中心和尾端点火时,只能观察到第1个和第3个压力峰值。并且,随着破膜压力的增加,中心和尾端点火时,火焰面积均增大,产生的内部压力峰值均增大。在前端点火的条件下出现了声学振荡的现象,对内部压力产生了显著的影响。     

柴油的烤燃燃爆性能实验

为研究3种柴油燃料装入76 L标准小型货车油箱在明火烤燃下的燃爆特性,利用摄像机、高速照相机、红外热成像仪、热电偶以及电子秤分别记录并测量了油箱的烤燃过程及其产生的喷射火焰表面最高温度、火焰尺寸、油箱内外部温度变化、油料蒸发速率等参数。结果表明:相同烤燃条件下,-10#柴油油箱发生剧烈燃烧和爆炸,防火柴油与阻燃抑爆柴油油箱出现了喷射火焰。防火柴油油箱喷射火焰最高温度、火焰高度、内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比-10#柴油分别降低31.39%、75.34%、39.05%和57.32%;阻燃抑爆柴油油箱喷射火焰最高温度、火焰高度、油料质量蒸发速率、内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比防火柴油分别降低24.67%、61.11%、14.29%、7.54%和7.54%;阻燃抑爆柴油在抑制火焰温度上升、火球尺寸增长以及降低质量蒸发速率上效果更明显。     

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。     

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。     

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。     

TNT内爆炸准静态压力特性

为研究密闭空间内TNT爆炸准静态压力特性,通过理论分析得到了准静态压力计算模型,以爆炸罐和爆炸舱室为典型密闭空间环境开展了系列TNT内爆炸实验。结果表明,准静态压力的上升伴随着内爆炸冲击波的多次反射,反射结束后准静态压力到达峰值,药量-容积比是准静态压力的主要影响因素,准静态压力峰值及上升速率随着药量-容积比的增加而增加;基于实验数据拟合得到了TNT内爆炸准静态压力峰值经验公式,可用于准静态压力峰值预估及内爆炸威力评估。     

低温环境下甲烷爆炸流场特性模拟

在低浓度煤层气含氧液化工艺过程中,甲烷浓度会处于爆炸极限范围内,存在爆炸危险。采用流场模拟平台,对密闭容器内低温环境条件下的甲烷爆炸过程进行了数值模拟。通过研究得出:在反应体系体积及初始环境压力不变的情况下,环境温度越低,最大爆炸压力越大,到达最大爆炸压力所需时间越长;爆炸流场以化学反应区为阵面分别建立正负流动区,并不断向壁面推进,火焰传播过程受化学反应区正反馈机制的影响,在密闭容器内出现点火、加速传播、衰减传播和猝灭4个阶段;随着环境温度的降低,火焰传播速度明显降低,火焰持续时间延长。该结论可为认清低温条件下的甲烷爆炸机理及预防低浓度煤层气含氧液化工艺爆炸事故提供依据。     

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。     

舰船底部液舱结构在水下爆炸作用下的动态响应实验研究

实验研究了舰船底部液舱双层板结构在水下爆炸作用下的动态响应问题。对舰船底部液舱模型在空载、半载和满载状态下进行了水下爆炸实验,测量了底部液舱外板和内板的壁压、加速度和动态应变等参数。在此基础上,分析了船体底部液舱外板和内板在水下爆炸作用下的响应特点,液舱满载时水下爆炸冲击波的透射作用和半载液舱飞溅载荷对内底的冲击作用等问题。     

Effects of Unmixedness on Combustion Instabilities in a Lean-Premixed Gas Turbine Combustor

The present experimental study focuses on the effects of the degree of premixing and swirl strength on combustion instabilities occurring in a lean premixed gas turbine combustor burning natural gas and air. The combustor operated at pressurized conditions with heated air. Major measurements for the investigation of premixed combustion dynamics include pressure fluctuations, flame emissions in reacting flow, and acetone fluorescence in non-reacting flow to assess the degree of premixing between fuel and air. The acetone PLIF results revealed that the degree of premixing improves as mixing time increases. The first and second longitudinal acoustic modes were the dominant excited modes for most cases of interest. Combustion at a lean premixed condition becomes more susceptible to instabilities as the degree of premixing becomes poor, and self-excited pressure oscillations are obviously present under a fully premixed condition, even without equivalence ratio fluctuations in space. For incomplete premixing cases, local equivalence ratio fluctuations caused by poor premixing may initiate instabilities since reaction rate is sensitive to equivalence ratio fluctuations at lean conditions. Phase resolved chemiluminescence measurements show that pressure oscillations are strongly coupled with variations in flame structures.     

柴油舱组集中透气管燃爆危险性及阻隔防爆技术

对常温常压下柴油舱组集中透气管中柴油蒸汽的燃爆危险性以及阻隔防爆技术的抑爆效能开展了实验研究。利用nac HX-3高速相机和CY-YD-205压力传感器记录燃爆传播过程和爆炸超压,阻隔防爆装置分别采用新型抑爆小球和普通波纹型阻火器。结果表明:常温常压下,一旦柴油油舱发生爆炸,爆炸火球可以通过透气管传播到相邻油舱,并引起二次爆炸,具有较大的危险性;普通波纹型阻火器在爆炸过程中阻火失效,而新型抑爆小球具有较好的抑爆效果;相对于光滑透气管工况,在点火舱上方安装抑爆小球后,被点火舱内的最大爆炸超压可以显著地从552.5 kPa降低到35.0 kPa;抑爆小球的中空多孔结构是其阻隔防爆的关键,多孔结构不仅可以增大比表面积、扩大热损失,而且还可以有效地分割削弱反应面。     

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。     

Experimental study of biogas combustion using a gas turbine configuration

The aim of the present work is to compare stability combustion domains, flame structures and dynamics between CH₄/air flames and a biogas/air flames (issued from waste methanisation) in a lean gas turbine premixed combustion conditions. Velocity profiles are obtained by Laser Doppler Anemometry measurements. CH* chemiluminescence measurements and temporal acquisition of chamber pressure are performed in order to describe flame structure and instabilities. Changes in flame structure and dynamics when fuel composition is varying are found to strongly depend on laminar flame speed. No clear correlation between the unstable flame and the reaction zone penetration in the corner recirculation can be found.     

The effect of magnetic field on a microgravity single droplet combustion

The effects of magnetic field on the microgravity combustion characteristics of a single methanol droplet in homogeneous flow are numerically investigated to develop an effective magnetic control method for microgravity droplet combustion and spray combustion systems. First, governing equations of microgravity single methanol droplet combustion under a homogeneous magnetic field based on an unsteady two-dimensional, spherically symmetric model including single-step chemistry are presented. Employing numerical modeling, several combustion behaviors are calculated taking into account the effect of the unsteady magnetic field profiles at the flame front. It is found that the flame front becomes deformed and is elongated in the direction of the magnetic field due to the inhomogeneous magnetic pressure distribution at the interface between the fuel vapor phase and the oxidizer phase. This nonuniformity of magnetic pressure is caused by the transient deformation of the magnetic field with refraction of magnetic flux at the flame front due to the difference of magnetic susceptibility between the diamagnetic fuel vapor phase and the paramagnetic oxidizer phase.     

乙烯燃料超燃燃烧室流动特性与燃烧稳定性研究

在低飞行马赫数条件下,乙烯燃料超燃冲压发动机为实现成功点火及稳定燃烧,常使用先锋氢引燃乙烯,本文通过试验研究了多种喷注方案下的超燃燃烧室流动特性、火焰传播特性及燃烧稳定性,喷注方案包括单先锋氢、单乙烯和组合喷注方式.超燃燃烧室入口马赫数为2.0,总温为953 K,总压为0.82 MPa.多种非接触光学测量手段被应用于超...     

Flame/Wall Interactions: Laminar Study of Unburnt HC Formation

This work presents a numerical study dedicated to the formation of unburnt hydrocarbon. Two configurations: head-on quenching (HOQ) on a planar wall and in crevices, are considered. It is well known that they contribute for an important part to the sources of hydrocarbon (HC) emission in a combustion chamber. The aim of this work is to use laminar flame simulations (LFS) to understand how the unburnt HC are produced near walls in gasoline engine. A skeletal mechanism (29 species and 48 reactions) mimicking iso-octane combustion is used. In the HOQ configuration, the flame front propagates toward the cold wall where quenching occurs. The numerical procedure and the chemical scheme used in this study are first validated by comparisons with literature results for the 1D case. Several aspects of flame wall quenching such as oxidation of unburnt HC, wall heat flux, quench distances as well as HC families are investigated by varying parameters like wall temperature and equivalence ratio. In a second part, crevices are considered to study the impact of wall imperfections in combustion chambers. Configurations with different geometrical and thermodynamic properties are tested. It leads to a wide range of flame properties and HC production modes. When incomplete combustion occurs, total HC (fuel + HC) concentration can reach very high levels at the wall. When the crevice is not wide enough, the flame cannot propagate and the quantity of HC is smaller than in the case where the flame can propagate (but the fuel is not oxidizing). If the crevice is wide enough for the flame to propagate, HOQ occurs at the bottom of the crevice and HC accumulate in the corners. The computational results obtained in this work demonstrate the ability of LFS to reproduce incomplete combustion mechanisms that are responsible for a major part of HC production in gasoline engines.     

泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律研究(一)——装药质量

基于自主开发的程序开展了泄压空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了装药质量对泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律。研究表明:①爆炸发生后,舱室内部气体被迅速加热升高到准静态温度峰值,且随着药量的增大,准静态温度直线上升速率增大;随着泄压口的持续泄压,舱室内部气体温度缓慢衰减到平稳值,且随着药量的增大,准静态温度直线衰减速率加快。②相较同初始条件密闭空间内爆炸,随着药量的增加,泄压对于温度载荷的降低效果更明显。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供参考。     

近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用

针对双层结构在水中受到水下爆炸冲击这一问题,利用欧拉有限元数值模型对近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用机理进行了研究,分析了舱室涌流及流场演化等规律。首先,通过放电实验对数值模型进行了验证,结果表明,数值结果和实验结果吻合较好;然后,总结了不同破口尺寸、不同起爆位置和不同壳间水位条件下的耦合作用规律。在内部空气、流体惯性以及破口的联合作用下,气泡演化过程中会出现气泡分割现象。当内层破口尺寸系数小于0.5时,内舱室内会出现二次涌流现象,且涌流形态较细长;炸药起爆位置系数小于0.1时,自由液面处会出现破碎和重闭合现象;壳内水位对舱室涌流量的影响作用较为复杂,当水位满舱时,急速涌流会减少船艇的应急时间。