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。     

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。     

基板厚度对爆炸复合材料界面状态的影响

本文在试验的基础上，通过数值计算，验证了基板厚度对爆炸复合材料界面状态的影响。提出了当量厚度的概念，并从理论上进行了分析说明。从而丰富和发展了爆炸焊接的成波机理。     

N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响

将N2和CO2按一定比例混合,从极限氧体积分数、爆炸极限和抑爆效果3个方面研究了N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响。结果表明:(1)随着惰性混合气中N2含量的增加,极限氧体积分数呈线性下降;(2)任何配比的惰性混合气对爆炸上、下限的影响都可以近似认为是线性变化的;(3)惰性混合气中CO2含量越高,抑爆效果越好。同时,得到的拟合公式能预测N2和CO2任何配比时甲烷的爆炸极限。实验结果能对甲烷实际生产时的惰化处理提供基础数据和依据。     

巷道支护对瓦斯爆炸火焰传播速度影响的实验研究

通过对实验室中几何尺寸为80×80mm钢制管道内部加装高度分别为4mm、8mm、12mm、16mm的四种螺旋环,模拟巷道支护结构对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响。采用高精度动态数据采集分析系统,测量爆炸过程中的火焰传播速度,研究了不同高度的螺旋环对火焰传播速度的影响。结果表明：在螺旋环其他条件相同的情况下,管内瓦斯爆炸火焰传播速度随螺旋环高度、圈数增加而增加。并从理论上进行了分析,其主要原因为螺旋环高度越大、圈数越多,产生湍流度的程度亦愈大,对瓦斯爆炸火焰加速亦愈明显。试验结果对巷道支护的选择有指导意义。     

气流特征对水平长管内石松子粉尘爆炸火焰结构的影响

为探索气流特征对水平长管内粉尘爆炸火焰结构的影响, 对采用加压送气传输方式形成的石松子粉尘云经静电引燃后其火焰在水平长管内的传播特性进行实验。利用热线风速仪测量不同气流条件下沿管径方向的速度分布和湍流强度分布, 采用高速摄像系统记录了火焰在水平管道内的传播过程。实验观察到, 即使管内石松子粉尘质量分数相同, 仍然会出现2种不同类型的火焰结构:一种类型火焰轮廓规则、清晰, 火焰中心为连续的黄色发光区并由红色边缘火焰包裹; 另一种类型火焰空间离散, 火焰发光区局部存在, 散乱地呈现不规则状态。详细分析不同气流条件对火焰结构的影响。     

约束端面对管内甲烷爆炸特性的影响

为研究不同约束端面下甲烷的爆炸特性,利用自行搭建的实验平台完成了多种约束端面下不同浓度甲烷的爆炸实验。研究表明:约束端面的性质对甲烷的爆炸特性有显著影响,约束端面的承压强度越高,甲烷的爆炸超压越大。单层PVC薄膜作用下,薄膜破裂,不会引起火焰与超压的振荡;而纸膜破裂后,管道内外气流的高速泄放和回流则会引起超压振荡,使火焰前锋波动并发生扭曲变形;两者共同作用时,PVC薄膜会阻碍气流的泄放与回流,加速超压衰减,抑制火焰和超压的振荡。然而,随着纸膜层数增加,破膜时管道内外形成的巨大压差会使约束端面完全破裂,降低PVC薄膜的抑制作用。当破膜难度达到一定程度时,约束端面作用下的泄压峰值成为不同浓度甲烷爆炸的最大超压峰值,且泄爆压力并不随甲烷浓度的改变而改变,因此不同浓度甲烷的爆炸超压在较高的泄爆压力下相同;此时,相同约束端面下不同浓度甲烷的压力振荡曲线在压力衰减的前半个周期内完全重合,管道内外的压差成为主导超压振荡的重要因素,而不同浓度甲烷的燃烧速率对超压振荡的影响则可以忽略不计。     

预点火湍流对正戊烷云雾爆炸参数的影响

以正戊烷云雾为研究对象,进行预点火湍流对云雾爆炸参数影响规律的实验研究。首先通过不同气动压力进行喷雾,获得平均特征直径（SMD）分别为 21.21、14.51 和 8.64 μm 的正戊烷云雾,并得到不同气动压力预点火的湍流均方根速度;随后在 20 L 云雾爆炸参数测量系统中实验获得预点火湍流对正戊烷云雾蒸发速率、爆炸超压峰值、压力上升速率和火焰传播延迟时间的影响。结果表明：(1) 对于圆柱形罐体对称式双喷头分散系统,流场环境可近似认定为零平均速率湍流场;在0.4、0.6和0.8 MPa的气动压力喷雾50 ms的分散作用下,在100～250 ms内,湍流均方根速度在1.0～6.2 m/s范围内,平均湍流积分尺度在40～72 mm范围内,湍流最大湍流尺度的雷诺数在8 000～15 000范围内,柯尔莫哥洛夫微尺度在0.03～0.1 mm范围内;(2) 对于较小的液滴群,随湍流强度的增加,液滴群的蒸发速率有更为明显的提升;(3) 对比云雾三种SMD,粒径8.64 μm的超压峰值与最大压力上升速率随湍流强度增长趋势更显著,并发生爆炸强度显著提升现象,即存在“转变区域”（transition range）现象;(4) 对于SMD在8～22 μm范围内,湍流均方根速度处于1.0～4.0 m/s时为火焰传播延迟时间的低增长阶段,湍流均方根速度处于4.0～6.2 m/s时为火焰传播延迟时间的高增长阶段,湍流强度与火焰传播延迟时间在相应的两个湍流强度阶段范围内呈线性增长。

     

点火能量对粉尘爆炸行为的影响

为防控工业粉尘爆炸和完善粉尘爆炸测试方法,在Siwek20L球形爆炸测试系统内,实验研究了 不同点火能量下高、低挥发性粉尘的爆炸行为。对粉尘爆炸猛度(最大爆炸压力、最大升压速率和燃烧持续时 间)、敏感度(爆炸下限)及惰性介质的抑爆效力随点火能量的变化规律进行了重点探讨。结果表明,增加点火 能量能提高粉尘云爆炸能量和燃烧速率,低挥发性粉尘爆炸行为受点火能量的影响更显著。低挥发性粉尘在 低质量浓度下无法被低点火能量充分引燃,爆炸不良效应显著;随着粉尘质量浓度的增加,爆炸不良效应不 断减弱直至消失。低挥发性粉尘爆炸下限随点火能量增加急剧下降,而高挥发性粉尘爆炸下限受点火能量影 响较小。惰性介质抑爆效力随点火能量增加而下降。建议采用5~10kJ点火能量考察低挥发性粉尘爆炸下 限及惰性介质对粉尘爆炸的抑制效力。研究结果有助于理解粉尘爆炸规律、完善测试方法和安全设计。     

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。     

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。     

温度和浓度对甲醇喷雾爆炸特性参数的影响

采用20 L球形喷雾爆炸实验系统,探究甲醇在不同环境温度、物料温度及喷雾浓度下的爆炸特性规律。结果表明:20 L爆炸球内甲醇喷雾液滴爆炸极限范围为118.8~594.0 g/cm^3,与纯气相爆炸极限范围(78.6~628.6 g/cm^3)相比,甲醇喷雾液滴爆炸极限范围较窄,喷雾液滴的爆炸敏感性比纯气相甲醇蒸汽低。随着爆炸球内环境温度的升高,甲醇喷雾爆炸极限范围变宽,受限空间内甲醇气液喷雾点火成功概率增大。当甲醇物料自身温度或爆炸容器内环境温度保持不变时,相应爆炸特性参数在Φ=1.8拐点处均呈现先增大后减小的趋势。当Φ=1.8时,甲醇喷雾爆炸存在最大超压峰值。环境温度、物料温度的升高可以提高雾化质量,促进扩散燃烧。但是环境温度的变化较之物料温度的改变对于甲醇液滴喷雾爆炸特性参数的影响更为显著。环境温度和化学当量比二元变量共同影响着甲醇喷雾爆炸强度值,当Φ=1.8,环境温度为303.15 K时,甲醇的喷雾爆炸强度大于甲烷气体爆炸的爆炸强度。     

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。

     

掺氢比例对金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播的影响

为进一步揭示金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播特征的规律,通过实验研究了掺氢比例对不同孔隙密度金属丝网阻火过程的影响。结果表明：随着掺氢比例的增加,金属丝网的阻火难度加大,金属丝网的阻火效果可由成功转为失败,对火焰传播的影响作用可能从抑制转变为促进;当金属丝网阻火失败时,金属丝网会引起火焰褶皱并导致火焰加速,但郁金香形火焰的首现时间有所延迟;随着掺氢比例的增大,火焰穿过金属丝网后的加速现象更为明显;提高金属丝网孔隙密度可提高金属丝网对掺氢甲烷预混火焰的阻火能力,孔隙密度越大,阻火能力越强;60 mpi以上金属丝网能够有效淬熄掺氢甲烷预混火焰。     

高瓦斯矿发火区封闭时对瓦斯爆炸界限因素的影响

针对高瓦斯矿发火区封闭时常发生瓦斯爆炸事故,对影响瓦斯爆炸界限的因素进行实验,探索温度、压力、可燃气体(CO)、惰性气体(N2和CO2)等条件对瓦斯爆炸界限的影响规律。得出常温常压下瓦斯爆炸的体积分数下限为5%,瓦斯爆炸上限为13.5%,以及CO2的惰化效果比N2更好的结论。根据实验数据绘制混合气体的爆炸三角形,并进行新的惰化分区划分,不仅为火区封闭时防治瓦斯爆炸提供新的技术途径,而且能计算出使火区惰化时,所需惰性气体量,可对这些因素进行合理控制,有效地降低瓦斯爆炸危险性。     

环境温度对瓦斯爆炸压力及压力上升速率的影响

针对不同环境温度对瓦斯爆炸压力及最大压力上升速率的影响进行实验。研究表明,在其他条件不变的情况下,随着环境温度的增加最大爆炸压力逐渐减小,且最大爆炸压力与环境温度的倒数呈现线性衰减规律;随着环境温度的升高,化学反应速率增加,爆炸压力达到峰值所需的时间减少;瓦斯气体的最大压力上升速率随环境温度的升高呈非线性变化规律,在环境温度为298~473 K的范围内,最大压力上升速率基本不变。这些规律性的结论可为防治矿井瓦斯爆炸事故和煤层气的安全利用提供理论基础。     

泡沫铜对密闭管道内合成气爆炸特性影响的实验研究

为研究泡沫铜孔隙密度和H₂体积分数对合成气爆炸特性的影响,在封闭的管道中安装了孔隙密度为15、25和40 ppi的泡沫铜,实验分析了当量比为1的合成气-空气在不同H₂体积分数时的火焰结构、尖端速度和超压等参数变化规律。实验结果表明：火焰在泡沫铜上游的行为是受“郁金香”火焰形成过程的影响,泡沫铜对其没有影响。但是孔隙密度和H₂体积分数的改变不仅会影响“郁金香”火焰的形成时间,还会影响变形“郁金香”火焰的形成。泡沫铜将火焰分割促使其从层流向湍流转化,对爆炸火焰传播起到加速作用。泡沫铜会引起管道内超压和火焰尖端速度的极大提升,且孔隙密度越小,H₂体积分数越大,火焰穿过泡沫铜后的最大火焰尖端速度越大,压力上升幅度越大,超压峰值越高。

     

高温熔融铝液柱遇水蒸汽爆炸的压力及固体产物分布实验研究

为揭示高温熔融铝液柱遇水作用后的蒸汽爆炸压力及固体产物分布特性,开展了不同温度和下落高度条件下的熔融铝液柱与水相互作用的实验研究.通过对爆炸后固体产物粒径的统计分析,获得了不同条件下的产物粒径分布图.将熔融铝与水相互作用分为未爆炸、局部爆炸和完全爆炸3种类型.当熔融铝质量为200g时,发生完全爆炸的超压在100kPa～...     

爆速对爆炸焊接铝/不锈钢复合管界面及结合性能的影响

通过在粉状乳化炸药中添加不同比例的密度调节剂,配制了爆速范围为1 450~2 550 m/s的低爆速炸药;采用该爆速炸药进行了铝/不锈钢复合管爆炸焊接实验,结合最小碰撞速度理论,对实验结果及其界面微观结构和结合强度进行了测试和分析,确定该复合管爆炸焊接的合适爆速约为1 950~2 150 m/s,其结合质量能够满足后续加工要求;同时发现界面由介于直线与波形之间的波状形态组成,且呈现不太规则的扁平波状结合,经分析,炸药爆速、复合管的爆炸焊接环境和爆炸产物飞散条件对界面结合波形及熔化层厚度有很大影响。