置障条件下半密闭空间油气爆炸特性实验与数值模拟

针对置障条件下容积式半密闭空间内油气着火爆炸特性进行了研究,通过高速摄影等技术手段对爆炸过程中火焰形态,爆炸超压特性进行了实验,并对实验进行了大涡模拟,精确模拟了火焰与障碍物相互作用时的火焰形态,流场结构,超压特性,与实验进行了对比分析。结果表明:障碍物的存在会使火焰结构发生变化,出现半球形圆锥形毛刷形的转变,并在障碍物下游由于未燃气体的卷吸产生火焰旋涡;爆炸超压峰值的产生是燃烧速度与泄压速度相互耦合作用的结果,在油气爆炸过程中,障碍物的存在会导致燃烧速度以及泄压速度的变化,进而对超压峰值产生一定的影响。     

含90°直角弯管结构受限空间油气泄压爆炸实验与大涡模拟研究

针对含90°直角弯管结构受限空间油气泄压爆炸特性进行了研究,采用高速摄影等技术对爆炸过程中的压力瞬变、火焰形态进行了采集,同时对实验进行了大涡模拟,精确模拟了火焰经过弯管时的超压特性、流场结构以及火焰形态,并与实验结果进行了对比分析。结果表明：（1）弯管结构对于爆炸过程中火焰结构有影响,在受限空间内火焰形态发生“半球形-指尖形-毛刷状”三种形态转变。（2）在弯管处形成的毛刷状火焰是由弯管局部压力梯度形成的涡流导致的。（3）衍射波与反射波在弯管处的叠加对爆炸超压峰值具有强化作用。（4）爆炸过程中,爆炸超压峰值、火焰速度、火焰锋面面积表现出显著的耦合性,具有密切的内在联系,三者随时间变化趋势存在较强的一致性。     

含90°直角弯管结构受限空间油气泄压爆炸实验与大涡模拟研究

针对含90°直角弯管结构受限空间油气泄压爆炸特性进行了研究,采用高速摄影等技术对爆炸过程中的压力瞬变、火焰形态进行了采集,同时对实验进行了大涡模拟,精确模拟了火焰经过弯管时的超压特性、流场结构以及火焰形态,并与实验结果进行了对比分析。结果表明:(1)弯管结构对于爆炸过程中火焰结构有影响,在受限空间内火焰形态发生"半球形—指尖形—毛刷状"三种形态转变。(2)在弯管处形成的毛刷状火焰是由弯管局部压力梯度形成的涡流导致的。(3)衍射波与反射波在弯管处的叠加对爆炸超压峰值具有强化作用。(4)爆炸过程中,爆炸超压峰值、火焰速度、火焰锋面面积表现出显著的耦合性,具有密切的内在联系,三者随时间变化趋势存在较强的一致性。     

障碍物数量对油气泄压爆炸特性的影响

为了研究障碍物数量对油气泄压爆炸传播特性的影响,选取了高（2.1%）、中（1.7%）、低（1.3%）3种初始油气浓度,在半开口全透明有机玻璃管道内进行了一系列油气泄压爆炸对比实验。结果表明：①半开口管道内油气爆炸超压曲线存在3个典型的压力峰值p_v、p_max、p_neg;其中p_v的大小只与封口材料破裂常数有关,与障碍物数量无关,而p_max的数值大小和p_neg的绝对值大小随着障碍物数量的增大而增大,但是到达p_max的时间长短不完全由障碍物数量决定;②火焰在传播初期以比较规则的“指尖形”火焰传播,当受到障碍物的扰动之后火焰锋面的规则形状会受到破坏,加快火焰形态从层流到湍流的转捩,并最终在管道外部形成“蘑菇状”火焰,并且管道内障碍物数量越多,这种“蘑菇状”火焰越明显;③障碍物对油气爆炸火焰传播具有显著的加速效应,而且随障碍物数量的增大,这种加速效应越明显,获得的最大火焰速度越大;④油气爆炸过程的爆炸超压和和火焰传播具有正反馈激励的耦合关系,二者在爆炸演变过程中互相促进,这种耦合关系随着障碍物数量的增大体现得越明显。⑤障碍物数量对油气爆炸p_max和火焰传播速度的增大作用在高浓度（2.1%）和低浓度（1.3%）工况下比中间浓度（1.7%）时体现得更加显著。     

障碍物数量对油气泄压爆炸特性的影响

为了研究障碍物数量对油气泄压爆炸传播特性的影响,选取了高(2.1%)、中(1.7%)、低(1.3%)3种初始油气浓度,在半开口全透明有机玻璃管道内进行了一系列油气泄压爆炸对比实验。结果表明:(1)半开口管道内油气爆炸超压曲线存在3个典型的压力峰值pv、pmax、pneg;其中pv的大小只与封口材料破裂常数有关,与障碍物数量无关,而pmax的数值大小和pneg的绝对值大小随着障碍物数量的增大而增大,但是到达pmax的时间长短不完全由障碍物数量决定;(2)火焰在传播初期以比较规则的"指尖形"火焰传播,当受到障碍物的扰动之后火焰锋面的规则形状会受到破坏,加快火焰形态从层流到湍流的转捩,并最终在管道外部形成"蘑菇状"火焰,并且管道内障碍物数量越多,这种"蘑菇状"火焰越明显;(3)障碍物对油气爆炸火焰传播具有显著的加速效应,而且随障碍物数量的增大,这种加速效应越明显,获得的最大火焰速度越大;(4)油气爆炸过程的爆炸超压和和火焰传播具有正反馈激励的耦合关系,二者在爆炸演变过程中互相促进,这种耦合关系随着障碍物数量的增大体现得越明显。(5)障碍物数量对油气爆炸pmax和火焰传播速度的增大作用在高浓度(2.1%)和低浓度(1.3%)工况下比中间浓度(1.7%)时体现得更加显著。     

障碍物位置和油气浓度对油气泄压爆炸特性影响

为研究障碍物位置和油气浓度对油气爆炸特性影响,选取1.3%(低)、1.7%(危险浓度)和2.1%(高)三种初始浓度,进行了多工况油气泄压爆炸对比实验,主要结果为:(1)泄压爆炸超压曲线存在三个典型峰值,其中,泄压峰值pv大小与障碍物位置无关,负压峰值pneg的最大绝对值在障碍物与点火头的无量纲距离Li/L=0.4取得;最大超压峰值pmax最大值在Li/L=0.4取得(1.7%和2.1%工况),而1.3%工况在Li/L=0.6取得;(2)平均升压速率(dp/dt)ave、爆炸威力指数Emax、最大升压速率(dp/dt)max和最大爆炸指数Kmax的最大值均在Li/L=0.4取得;(3)在传播初期,火焰呈现较规则的"指尖形"形状,受障碍物扰动后,火焰锋面产生不规则变形,并在管道外部形成"蘑菇状"火焰,当Li/L=0.2时,"蘑菇状"火焰最明显;(4)最大火焰传播速度Sfmax在Li/L=0.2取得,并随着Li/L从0.2升至0.8时,单调递减。上述观测结果表明,障碍物位置和油气浓度对内置障碍物管道中油气爆炸特征参数均具有影响。     

含双侧分支结构受限空间油气泄压爆炸超压特性与火焰行为

为研究含有双侧分支结构受限空间内油气泄压爆炸超压和火焰演变特性,进行了不同初始油气体积分数工况下含有双侧分支结构受限空间和长直受限空间内的对比实验。研究结果表明： ①爆炸超压曲线会出现3个典型的超压峰值p₁、p₂、p_max,其中p₁的形成与管道开口端密封材料瞬时破裂有关,p₂与分支结构泄压有关,而p_max受管道内部爆炸强度与火焰加速协同效应影响。②分支结构对爆炸超压有强化作用,当油气体积分数在1%～2%区间,爆炸超压强化程度先增强后减小,且在1.4%～1.8%之间最为强烈。③火焰在分支结构处发生显著的弯曲、褶皱变形,这增大了火焰面积,提高了燃烧速率,加速了流场的传热传质效率,诱导爆炸强度的急剧增大,同时提高了火焰传播速度并增大了最大火焰锋面位置。④火焰在含有双侧分支结构的管道内呈现“半球形火焰--指尖形火焰--平面状火焰--浪花状火焰”形态变化。     

障碍物位置和油气浓度对油气泄压爆炸特性影响

为研究障碍物位置和油气浓度对油气爆炸特性影响,选取1.3%（低）、1.7%（危险浓度）和2.1%（高）三种初始浓度,进行了多工况油气泄压爆炸对比实验,主要结果为：（1）泄压爆炸超压曲线存在三个典型峰值,其中,泄压峰值p_v大小与障碍物位置无关,负压峰值p_neg的最大绝对值在障碍物与点火头的无量纲距离L_i/L=0.4取得;最大超压峰值p_max最大值在L_i/L=0.4取得（1.7%和2.1%工况）,而1.3%工况在L_i/L=0.6取得;（2）平均升压速率（dp/dt）_ave、爆炸威力指数E_max、最大升压速率（dp/dt）_max和最大爆炸指数K_max的最大值均在L_i/L=0.4取得;（3）在传播初期,火焰呈现较规则的“指尖形”形状,受障碍物扰动后,火焰锋面产生不规则变形,并在管道外部形成“蘑菇状”火焰,当L_i/L=0.2时,“蘑菇状”火焰最明显;（4）最大火焰传播速度S_fmax在L_i/L=0.2取得,并随着L_i/L从0.2升至0.8时,单调递减。上述观测结果表明,障碍物位置和油气浓度对内置障碍物管道中油气爆炸特征参数均具有影响。     

开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸内场超压荷载的影响

构建了汽油蒸气泄压爆炸实验系统,研究了开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸过程中内场超压荷载的影响规律,研究结果表明：汽油蒸气泄压爆炸会导致内场形成多个超压峰值,其中最大峰值由泄压爆炸膜破坏所形成;随开口率的增大,P₁数值近似呈线性下降,P₂的数值近似呈指数下降,外场火焰的Rayleigh-Taylor不稳定强度增加,Helmholtz振荡的持续时间延长;点火源类型对最大超压峰值和平均升压速率大小均有影响,不同点火源类型下超压峰值和平均升压速率的数值从大到小排列分布依次为高温灯丝 > 火药点火杆 > 高能电火花 > 明火点火杆;火焰结构为“火焰外锋面+内部火焰核心”,二者所占的比例受点火源类型的影响。     

三种多分支结构坑道内油气爆炸过程的大涡模拟

多分支结构坑道在石油化工、天然气工业中应用十分广泛。研究多分支结构坑道内的油气爆炸过程,对避免或减小人员伤亡和财产损失、提高多分支结构坑道的安全防护水平具有重要意义。针对三种多分支结构坑道(一字分布型、交错分布型、相对分布型),采用WALE湍流模型和Zimout预混燃烧模型对上述三种坑道内的油气爆炸过程迚行了模拟分析,重点研究了火焰传播速度、火焰面积、超压峰值、超压上升速率等爆炸过程的关键参数。数值模拟结果表明:总容积不变时,一字分布型和交错分布型坑道内的火焰速度、升压速率均大于相对分布型坑道;支坑道数量不变时,一字分布型和交错分布型火焰传播规律相似,但交错型分布坑道内较一字型分布作用更强;数值分析结果表明,火焰传播速度、火焰面积与爆炸超压特性关系密切,三者之间相互耦合、相互激励,存在显著的正反馈机制。     

基于小尺度实验的燃料蒸气-空气预混气体泄爆动力学研究

利用体积为2 L的亚克力材质容器搭建了小尺度可燃气体泄爆实验系统,基于小尺度实验开展了不同泄爆面积条件下的石油燃料蒸气-空气预混气体泄爆过程研究,获得了典型开口率条件下的内外场超压随时间的动态变化特征,分析了开口率对超压及火焰参数的影响,并对泄爆模式进行了分类。研究结果显示：（1）在不同泄爆系数条件下,石油燃料蒸气-空气预混气体的泄爆模式包括泄爆失败诱导的封闭燃烧、泄爆成功诱导的射流燃烧、泄爆成功诱导的外部爆炸,三种泄爆模式的内外场超压-时间动态曲线、超压峰值、火焰传播速度、火焰传播距离均具有显著差异,且小尺度实验与中尺度实验中均出现破膜超压峰值、火焰射流超压峰值、外部爆炸超压峰值Δp₁、Δp₂、Δp₃;（2）当泄爆系数K_v≤39.68时,内场最大超压峰值、外场轴向最大超压峰值、最大火焰传播速度、轴向火焰传播距离均随着K_v的增大而增大,径向火焰传播距离随着K_v的增大而减小;（3）当K_v≤4.41时,外场轴向和径向最大超压峰值分别由外部爆炸引起（Δp_3（ver）和Δp_3（hor））,当7.94≤K_v≤39.68时,外场轴向和径向最大超压分别由火焰射流冲击和泄爆膜破裂引起（Δp_2（ver）和Δp_1（hor））;（4）泄爆成功和泄爆失败的临界泄爆系数在K_v=39.68和K_v=158.74之间,发生外部爆炸和射流燃烧的临界泄爆系数在K_v=4.41和K_v=7.94之间。     

障碍物对管道中预混火焰压力发展的实验研究

研究了管路中甲烷爆炸过程中火焰传播规律和加速机理以及由于障碍物引起的火焰加速而导致的管内压力上升现象。研究结果表明,障碍物的存在对甲烷爆炸过程中火焰传播规律以及管内压力的影响十分巨大,障碍物的存在将使瓦斯爆炸过程中火烙的传播速度迅速提高,导致压力大幅度上升。加速作用的机理主要是由于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈造成的。     

带孔障碍物对管道中可燃气体爆炸特性的影响

以甲烷为代表性气体,研究了在10%浓度甲烷的闭口管道中设置不同孔型、不同尺寸的带孔障碍物对可燃气体爆炸火焰和压力传播的影响。研究发现：设置障碍物隔板时,爆炸超压在穿过障碍物前缓慢增长,并受障碍物影响继续增大,在到达盲板前快速降低。火焰传播速度先缓慢增加,并在通过障碍物隔板前下降,在穿过开孔后急剧上升至最大值。随着障碍物隔板的开孔面积减小,其造成的气流喷射作用会明显增强,负压抽吸作用造成的影响增大,会导致障碍物前后超压分布更加不均匀,在障碍物隔板前的火焰传播速度下降幅度增加。同阻塞率条件下,最大超压和火焰传播速度均受到不同孔型的影响,火焰在穿过带孔障碍物隔板时,圆形开孔相对方形开孔和正三角形开孔更符合火焰球形发展规律,正三角形孔内切圆比方形孔小,火焰受到的影响更大,湍流更加明显,导致火焰速度和压力上升更加明显。不同孔型的最大超压关系为P _三角孔>P _方孔>P _圆孔>P _空载管道,火焰传播速度关系为v _三角孔>v _方孔>v _圆孔>v _空载管道。     

平板障碍物通道形状对油气爆炸传播特性影响

为研究平板障碍物通道形状对油气爆炸特性的影响,进行了1.3%（低）、1.7%（中）、2.1%（高）三种初始油气浓度工况下对比实验。研究表明：障碍物通道形状对油气爆炸超压随时间变化规律的影响较小;障碍物通道形状对最大爆炸超压峰值、最大升压速率、平均升压速率的影响程度分别按照通道形状为“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”、“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”、“梯形—圆形—正方形—三角形—矩形”的顺序递增;障碍物通道形状对障碍物上游火焰形态基本没影响,但矩形通道障碍物对障碍物下游火焰的湍流特性影响最显著,其次为正方形、梯形、三角形和圆形;初始油气浓度接近当量比时（约为1.7%）,障碍物通道形状对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响要小于低浓度(1.3%)和高浓度(2.1%)工况,且圆形通道平板障碍物的影响程度最小,矩形和正方形通道的影响程度相对较大。     

瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合规律

基于火焰动态传播和超压信号的高速同步采集,实验研究了不同湍流激励条件下瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合关系。实验结果表明:在无障碍物条件下,火焰阵面较为光滑,由初始的半球状逐渐演变为手指状,最大超压为3.9 kPa。在中间连续障碍物条件下,火焰发展为舌状,最后呈现波浪状,最大超压为12.5 kPa。在两侧连续障碍物条件下,火焰转变为蘑菇状,最终发展为树状,最大超压为11.4 kPa。当火焰结构发生褶皱或卷曲时,火焰表面积增大,已燃气体与未燃气体快速掺混,导致燃烧反应速率和超压上升。进一步的理论分析阐明了火焰结构与瞬态超压的相互作用。     

障碍物阻塞率梯度对甲烷爆炸特性影响研究

通过自主设计并搭建小型实验平台,研究障碍物阻塞率梯度依次为0、0.05、0.1、0.15时,甲烷火焰传播过程的火焰结构变化、火焰前锋动力学以及压力演变。结果表明：阻塞率梯度为0和0.05的工况,经过障碍物后的火焰前锋会由模糊逐渐变得清晰,随后火焰前锋会向燃烧区凹陷;而阻塞率梯度为0.1和0.15工况的火焰在经过障碍物后,前端始终模糊,随后湍流燃烧加剧,迅速在整个管道爆燃,并无火焰前锋凹陷现象。阻塞率梯度对火焰瞬时速度影响较大,而对平均速度并无太大影响。随着阻塞率梯度从0增大到0.15,最大火焰速度会明显提升,而平均火焰速度却近似一致。此外,高阻塞率梯度的障碍物组有利于压力积聚,随着阻塞率梯度的增大,峰值超压也呈现规律性的增大,达到峰值超压所需的时间也相应延长。     

连通容器气体爆炸流场的CFD模拟

跟单个容器或管道相比，连通容器内气体爆炸会导致较高的爆炸压力和压力上升速率，以至于很多装置或设备不能承受而造成人员伤亡和财产损失。连通容器内气体爆炸强度增加主要是跟气体流动与燃烧过程有关，研究该类气体爆炸机理就必须从爆炸流场着手。本文利用大型计算流体动力学软件FLUENT对气体爆炸流场进行了数值模拟，获得了气体爆炸流场中温度、压力、速度、密度和燃烧速率随时间的变化规律，模拟结果能够比较清晰地反映出气体爆炸的整个过程。研究表明，连通容器中气体燃烧和流动引起未燃气体的压缩和湍流以及湍流诱导的喷射燃烧是系统中气体爆炸强度增加的主要原因，而管道在湍流诱导的喷射火焰中扮演非常重要的角色。