波纹管道阻火器内火焰传播的实验与数值模拟研究

对乙烯-空气预混火焰在波纹管道阻火器中的传播与淬熄过程进行了实验和数值模拟研究,实验结果显示:当乙烯接近当量浓度时,预混气体爆炸压力变化过程可分为4个阶段,等压燃烧阶段、缓慢上升阶段、快速上升阶段和压力振荡阶段;在爆炸过程中,由于反射压力波和火焰相互作用的影响,超压值出现多次振荡,压力振荡阶段一般可以持续数十毫秒;乙烯-空气火焰传播速度随管径增加、阻火单元波纹高度减小呈递增趋势,而且随着阻火单元厚度的增加,阻火器的阻火能力明显提高,可以更有效地使火焰淬熄。数值模拟结果显示:在管道封闭端点火后,火焰面呈半球形并以层流扩散的方式向四周传播;当火焰传播到管道壁面时,在管道壁面的约束作用下,火焰面发生变形,壁面附近的火焰逐渐超过了管道轴线附近的火焰,最后形成了“郁金香”状的火焰结构;当爆燃火焰经过阻火单元时,高温已燃气体被其吸收大量热量,同时在反应区产生的稀疏波作用下,气体温度逐渐降低、化学反应速率迅速减小,最终导致火焰被熄灭。通过模拟计算结果可以看出,在整个爆炸过程中,火焰传播速度与爆炸压力波动均较为明显。并提出了孔隙率和阻火单元厚度对火焰传播的影响机制。基于传热学理论模型,并结合实验数据,得出了爆燃火焰速度与爆炸压力之间的关系,为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。     

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。     

石化装置工业尺度管道爆轰传播实验研究

针对石化装置罐区大口径、长距离管道内火焰传播缺乏系统研究的问题,设计搭建了DN50～DN500工业尺度管道火焰传播实验装置,并开展了丙烷/空气、乙烯/空气等可燃气体在不同管径下的实验研究。实验结果表明:可燃气体积分数对火焰传播及爆轰有一定影响,当接近化学计量浓度时,爆轰加速距离更短,更易形成稳态爆轰,而当可燃气混合气为贫燃或富燃状况时,爆轰加速距离则会增长;火焰爆轰传播速度、爆轰压力与管道管径基本无关,受可燃气种类影响更大;对应体积分数为6.6%的乙烯/空气和体积分数为4.2%的丙烷/空气混合气体,爆轰压力分别是初始压力的15.17和14.47倍,DN150以下管径内的爆轰压力远高于ISO16852标准给出的参考值。罐区连通管道阻火器选型安装时,应结合安装位置选用合适的阻火器。     

丙烷-空气爆燃火焰通过平行板狭缝时的淬熄研究

对丙烷－空气预混气的爆燃火焰在平行板狭缝中传播时的淬熄现象进行了实验和理论研究，给出了火焰传播速度与淬熄直径、淬熄长度的关系，对爆燃火焰在狭缝中淬熄机理作了探讨，并得到了有实用价值的结论。     

丙烷-空气爆燃火焰通过平行板狭缝时的淬熄研究

对丙烷－空气预混气的爆燃火焰在平行板狭缝中传播时的淬熄现象进行了实验和理论研究，给出了火焰传播速度与淬熄直径、淬熄长度的关系，对爆燃火焰在狭缝中淬熄机理作了探讨，并得到了有实用价值的结论。     

阻爆器扩张腔中心缓冲隔离板对气相爆轰波的衰减作用

阻火器和阻爆器是工业上常用的重要安全设备。爆轰火焰的猝熄要比爆燃火焰猝熄困难得多 ,因为这不仅取决于阻火芯而且与阻爆器结构有直接关系。在阻爆器扩张腔中部设置球面形缓冲隔离板 ,实验研究了在不同爆轰火焰速度时 ,在缓冲隔离板作用下 ,入射爆轰波压力衰减情况 ,以及对爆轰火焰猝熄所产生的有利影响 ,给出了实验结果。     

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。     

方形空间可燃气体爆燃泄爆实验及三维数值模拟研究

为了研究大空间内预混可燃气体爆燃泄爆过程中的压力与火焰传播规律,在1.21 m3的方形空间内进行了不同体积分数乙烯气体和两种不同泄压面积的泄爆实验,针对泄压面积为0.18 m2、体积分数为7%的乙烯-空气预混气体爆燃泄爆过程进行了三维数值模拟研究。结果表明:不同泄爆条件下压力形式不同,小面积泄爆口开启后,压力先下降后上升且第2峰值较大,在高体积分数下超过第1峰值,大面积泄爆时第2峰值较小。数值模拟结果与实验得到的压力时程曲线趋势一致,与实验中观察到的外部火焰形态相似;泄爆口开启后引发的湍流效应,使得空间内火焰阵面变形和火焰传播速度显著加快,导致了小面积泄爆第2峰值压力较大。     

波纹板阻爆燃型阻火器对丙烷-空气预混火焰的淬熄研究

根据我国石油气体管道阻火器实验的国家标准(GB13347—92),对6组ⅡA类气体波纹板阻爆燃型阻火器进行了实验探究,得到了相应的阻火速度。实验结果表明:阻火器扩张比、阻火芯狭缝通道长度以及狭缝截面形状是影响阻火速度的主要因素。通过分析以上3个因素对阻火速度的影响,得出了阻火速度与阻火器基本参数的拟合公式。结果表明:阻火速度与狭缝通道的长度、扩张比的平方成正比,与狭缝截面三角形的特征尺寸成反比。     

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%。     

氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力，设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验，采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa，爆炸开始后喷射氮气，爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明，单喷头距泄压口20 cm时，各压力下喷出的氮气都未能阻爆，但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小；单喷头距泄压口35 cm时，喷气压力0.5 MPa下成功阻爆，其他喷气压力下未能阻爆；双喷头喷气时，喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆，且喷气压力越大，火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现，需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下，因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时，喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时，氮气区扩大，阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。     

Evolution of a fast flame behind an induction zone

It has been shown that pressure waves can have a large effect on the burning rate of flames. In this paper, the evolution of convection-driven fast flame, which is acoustically linked to a shock wave via an induction zone, is examined in detail. It is found that there is positive feedback mechanism and the asymptotic model breaks down as blow up occurs. Comparison is made between the case of a piston driving a shock wave into a combustible atmosphere with these studies of a shock wave passing through an existing premixed flame. Received 4 August 1995 / Accepted 20 March 1996     

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。     

Combined CARS/LDA instrument for simultaneous temperature and velocity measurements

The performance of a combined CARS/LDA instrument capable of measuring temperature and two velocity components with a time coincidence of about 4 s is evaluated in a turbulent premixed propane-air Bunsen-burner flame. Measurements near the base of the flame exhibit negative axial correlations, indicative of normal gradient transport; those near the flame tip show strong positive axial correlations, indicative of transport counter to the temperature gradient. The radial correlations are positive both in the reaction zone and in the plume. An analysis of temperature data from measurements made (1) independent of and (2) coincidental with LDA measurements indicates that the CARS/LDA instrument provides a density-weighted velocity, temperature, and velocity temperature correlation due to the density variations in the flame.     

外加磁场对乙炔气体爆炸反应影响研究

为探究磁场对气体爆炸反应的影响,实验研究了磁场强度对C₂H₂爆炸特征的影响规律,结果表明:磁场能抑制C₂H₂爆炸压力和升压速率,磁场强度越大,抑制效果越明显;沿火焰传播方向,磁场对C₂H₂爆炸火焰传播速度呈现先促进后抑制的效果,整体表现为抑制作用。磁场强度较低时,爆炸火焰平均传播速度降低了38.94%,磁场强度较高时,爆炸火焰平均传播速度降低了49.62%。利用Chemkin-Pro软件模拟了C₂H₂爆炸基元反应过程,理论推导了磁场影响C₂H₂爆炸的反应机理,磁场改变了C₂H₂爆炸反应路径,是造成爆炸特征参数下降的主要原因。由于不同种类自由基的摩尔质量和磁化强度不同,在磁场中,洛伦兹力和梯度磁场力对小分子量自由基比对大分子量自由基的作用力更大。磁场改变了自由基的运动轨迹,由于同种小分子量自由基的聚集和器壁效应的产生,减小了关键自由基之间的碰撞几率,降低了基元反应的速率,导致爆炸强度下降。     

点火能对丙烷-空气预混气体爆炸过程及管壁动态响应的影响

在长12 m的无缝不锈钢直管中,通过改变初始点火能量,探究了点火能对封闭管道内丙烷-空气混合气体爆炸传播特性和激波对管壁动态加载的影响。结果表明,初始点火能对预混气体爆炸火焰传播规律以及管壁的动态响应有显著影响:点火能越大,爆炸越剧烈,爆炸压力峰值压力和管壁最大应变就越大,且压力波和管壁应变的发展一致。火焰在传播过程中受到管道末端反射波的作用会发生短暂熄灭和复燃;管壁承受冲击波加载,应变信号主要分布在0~781.25 Hz,管壁最大应变率大于10-3 s-1,实验工况下管壁应变属动态响应。     

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。