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。     

惰化剂粒径对铝粉火焰传播特性影响的实验研究

为探索惰化剂粒径对可燃工业粉尘火焰传播特性的影响,通过建立竖直粉尘燃烧管道实验平台,在碳酸氢钠质量分数为30%的惰化条件下,就碳酸氢钠粒径对铝粉燃烧火焰传播特性的影响进行了实验研究。结果表明:平均粒径为30 μm的碳酸氢钠粉体对平均粒径为15 μm的铝粉的火焰传播速度具有较好的抑制作用,惰性粉体与可燃工业粉尘应存在粒度匹配效应;碳酸氢钠粉体对铝粉火焰温度的惰化抑制效果与其粒径呈反比关系;碳酸氢钠粉体会减小铝粉火焰预热区厚度,预热区厚度随碳酸氢钠粒径的增加先减小后增大。此外,分析了碳酸氢钠粒径对铝粉火焰传播特性影响的作用机理。     

甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限的变化规律

基于标准20 L球形爆炸装置,在相同测试条件下, 分别测量了石松子粉尘、甲烷和不同浓度配比的甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限,并将测试结果与Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method等混合体系爆炸下限预测结果进行了对比。结果表明:低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉尘混合后仍具有爆炸危险性。石松子粉尘爆炸下限随混合体系中甲烷体积分数的增高而减小。Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method均不能准确预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。Le Chatelier’s law对甲烷体积分数φ与甲烷爆炸下限φ_L之比φ/φ_L＜0.5的混合体系爆炸下限的预测值偏小,而对φ/φ_L＞0.5的混合体系预测值偏大;Bartknecht curve在预测φ/φ_L＞0.5的混合体系爆炸下限时适用性较好,而对于φ/φ_L＜0.5的混合体系预测值偏小;Jiang method不适用于预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。     

撤稿启事

正本刊于2018年第38卷第5期刊登的论文"热扩散不稳定性和流体动力学不稳定性对氢气/空气爆炸胞状火焰的影响"(作者:李艳超,毕明树,张大为,高伟;页码:1064-1070)、2019年第39卷第2期刊登的论文"甲烷浓度对PMMA/甲烷混合爆炸下限及预热区厚度的影响"     

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...     

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。     

不同粒径PMMA粉尘云火焰温度特性研究

为揭示粒径分布对聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）粉尘云火焰温度的影响,本文分别采用热电偶和高速比色测温法测量了开敞空间不同粒径PMMA粉尘云的火焰温度特性。结果表明:相比30 μm粉尘粒子,100 nm粉尘粒子热解/挥发速率较快,燃烧更加充分,粉尘云火焰的最高温度可达1 551℃,而30 μm粉尘云火焰最高温度仅为1 108℃;在微米尺度,随着PMMA粉尘粒径的增大,火焰最高温度和高温火焰区面积先增大后减小;20 μm粉尘粒子由于其分散性较好,裂解气化特征时间尺度与燃烧反应特征时间尺度较接近,燃烧反应充分,火焰最高温度和高温火焰区面积均最大。     

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO_3和MgCl_2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl_2和NaHCO_3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl~-销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO_3~-,阳离子Na~+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg~(2+)。     

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。     

点火位置对泄爆空间甲烷-空气爆炸荷载的影响

在12 m3密闭空间内开展了甲烷-空气预混气体（甲烷体积分数为9.5%）的爆炸试验研究,改变点火位置,分析有泄爆口时点火位置对甲烷-空气爆炸超压和火焰形态的影响。结果表明:点火位置对Δp₁的升压速度基本没有影响,Δp₂的峰值随着点火位置远离泄爆口而增大,Δp₄的峰值与点火位置的关系为:中心点火最大,尾部点火次之,前端点火最小。在所有位置,Δp₁随着泄爆阈值的增大而增大,且增量相同;Δp₂在前端点火和中心点火时随泄爆阈值的增加而消失,仅在尾部点火时出现;Δp₄只有在中心点火时随泄爆阈值的增加而增加。外部火焰发展过程可以分为火球阶段和火焰喷射阶段,尾部点火和中心点火的火球大小及火焰喷射长度远大于前端点火。     

磁场效应对甲烷爆炸影响的机理

为了揭示磁场对甲烷爆炸特征的影响机理,开展了磁场对甲烷爆炸影响实验,得出了磁场对甲烷爆炸压力、火焰传播速度、爆炸产物组分及体积分数的影响规律。利用Chemkin-Pro软件模拟甲烷爆炸链式反应过程,得到了甲烷爆炸过程中的关键自由基和基元反应。通过理论计算,对不同自由基在磁场作用下的受力进行分析,揭示了磁场对甲烷爆炸的影响机理。研究结果表明,磁场能够降低甲烷爆炸压力和火焰传播速度,降低CO和CO₂的生成量,增加甲烷的残余量;·H、·O、·OH、·CH₃、·CH₂O是甲烷爆炸的关键自由基,由于·O的磁化率较高,被吸引到磁感线密集的区域,·O与其他自由基的碰撞几率减少,从而降低·HCO→CO→CO₂的链式反应速率,导致CO和CO₂生成量降低,且甲烷爆炸强度降低。     

CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响

为了研究CO₂和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响,采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO₂稀释体积分数和超细水雾质量浓度,分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性,促进了火焰加速和爆炸超压增加,表明超细水雾不足能产生促爆作用,只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸;CO₂和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象,可以明显减弱火焰不稳定性,减小火焰传播速度,降低爆炸超压和平均压升速率,以及明显推迟超压峰值来临时间。     

甲烷/石松子两相混合体系爆炸强度参数

基于改进的20 L球形粉尘爆炸装置,在相同初始条件下分别测量了甲烷、石松子粉尘和甲烷/石松子两相混合体系的爆炸压力、爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数,系统研究了甲烷/石松子粉尘两相混合体系爆炸特性变化规律。结果表明:甲烷的添加能显著提高低质量浓度石松子粉尘爆炸压力而降低高质量浓度石松子粉尘爆炸压力;甲烷对石松子粉尘最大爆炸压力没有显著影响,但能显著提高石松子粉尘最大爆炸压力上升速率。甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸指数高于单相石松子粉尘爆炸指数,但甲烷/石松子粉尘混合体系和单相石松子粉尘爆炸指数均低于单相甲烷爆炸指数。工业生产过程中应避免粉尘混入可燃气体以降低粉尘爆炸危险性。     

爆炸压力积聚工况下石松子粉尘爆炸火焰传播特性

搭建了一套兼具承压和可视性能粉尘爆炸实验平台,在压力积聚工况下实验研究了石松子粉尘爆炸火焰传播特性。实验结果表明:压力积聚工况下的石松子粉尘爆炸火焰呈现空间离散的束状结构,火焰锋面呈齿状。随着粉尘浓度的提升,火焰连续性增强,锋面趋于平滑,亮度增加,并在750g/m^3达到最佳。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰在传播过程中均呈现明显的速度脉动特征,但脉动频率随粉尘浓度的增大而减小。爆炸火焰平均传播速度随粉尘浓度的增大先增大后减小,并在750g/m^3达到最高。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰前期传播速度均高于后期传播速度。     

基于RGB颜色模型的玉米淀粉爆燃火焰传播速度

采用小尺度粉尘爆炸实验装置对不同质量浓度的玉米淀粉爆燃火焰传播过程进行了实验研究,建立了基于RGB颜色模型的火焰重构及形态学重建的粉尘火焰传播速度计算方法,计算了不同质量浓度下的玉米淀粉爆燃火焰传播速度。结果表明:采用基于RGB颜色模型的速度计算方法能够快速准确地计算出玉米淀粉爆燃火焰传播速度,火焰像素范围的确定是火焰速度计算的关键;管道内火焰传播速度受粉尘云质量浓度的影响,最大火焰传播速度随粉尘云质量浓度的增大先增大后减小,到达速度峰值的时间先缩短后增长,当质量浓度为0.63 kg/m3时,出现该实验条件下火焰传播速度最大值7.03 m/s。     

具有体积分数梯度的连通装置甲烷-空气爆炸特性数值模拟

为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性,以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长,截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象,利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明:连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时,并由大容器中心点火工况时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度,以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系;连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势;大容器中心点火时,最大爆炸压力位于小容器,最大压力上升速率位于管道1或管道2,最大速度位于管道3,速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。     

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。     

月桂酸与硬脂酸粉尘爆炸过程热解动力学与火焰传播特性关系

综合应用同步热分析仪、改进的哈特曼爆炸测试装置及高速摄影系统,对月桂酸与硬脂酸粉尘的热解氧化特性及其在半封闭竖直管道内的火焰传播特性开展了实验研究,并分析讨论了月桂酸与硬脂酸粉尘爆炸燃烧过程中热解动力学与火焰传播特性的关系。结果表明,当粉尘云质量浓度为125 g/m3时,月桂酸粉尘云的火焰锋面结构比硬脂酸平滑,但硬脂酸粉尘的火焰传播速度明显大于月桂酸;随着质量浓度的增加,月桂酸和硬脂酸粉尘的火焰前锋逐渐变得离散,火焰传播速度逐渐增加,但速度差值逐渐减小;月桂酸粉尘的平均火焰传播速度在750 g/m3的粉尘云质量浓度下高于硬脂酸,火焰结构连续性显着降低。低质量浓度条件下月桂酸与硬脂酸粉尘云火焰传播特性差异主要由快速热解阶段的氧化放热特性决定,指前因子越大,参与热解和氧化反应的活性中心越多,氧化放热量越大,放热速率越快,火焰传播速度越快,火焰锋面结构由光滑连续向不规则离散的转变越快。随着粉尘云质量浓度的增加,火焰传播特性差异逐渐由活化能及火焰前锋预热区内氧气的质量输运过程控制,活化能越大,耗氧量越大,耗氧速率越快,越易导致火焰传播速度下降,火焰锋面趋于复杂,火焰结构连续性降低。     

小尺寸管道内二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的实验及数值模拟

为了有效防治矿井瓦斯爆炸事故, 以瓦斯的主要成分甲烷作为模拟气体, 运用自主设计改装的XKWB-S型小尺寸石英玻璃管道实验系统, 结合高速摄影仪, 并采用FLACS数值模拟软件, 研究惰性气体抑爆条件下甲烷燃烧爆炸特性, 进行体积分数为6%~27%的CO₂抑制体积分数为9%CH₄爆炸的实验及数值模拟, 结果表明:各组分混合气体在爆炸传播过程中, 爆炸压力、火焰锋面速度和气体运动速度均呈现一定程度的波动, 且压力和速度没有同时达到最大值; CO₂的加入有效抑制了甲烷/空气反应, 且添加CO₂体积分数越大, 抑爆效果越明显, 模拟结果与实验结果基本吻合。     

柔性障碍物对甲烷空气爆炸波激励作用的实验研究

为研究柔性障碍物对甲烷空气爆炸波的激励效应,采用双向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene, BOPP）薄膜作为柔性障碍物将管道内甲烷空气预混气体与空气隔开,对比障碍物前后火焰、激波变化,分析膜状柔性障碍物激励效应的机理。实验结果表明:这种具有一定承压能力的柔性障碍物对甲烷爆炸波产生的激励效应不可忽视,在膜片破裂前产生多次激波反射过程,可诱导湍流火焰形成,促使膜前爆炸压力提高,膜片破裂后,火焰在伴流作用下传播速度突增,并加速逐渐逼近前驱冲击波,致使膜后爆炸压力大幅提高;激励效应可使膜片前后最大爆炸压力相差5倍,火焰速度相差7倍;另外在膜片位置2.5 m后增设一道膜片,可增强这种激励效应,而增加膜片的实质是使激波火焰相互作用的次数增加。