预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡特性

为研究预混气体爆炸火焰和压力的耦合振荡特性,自行搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1000 mm透明有机玻璃爆炸管道实验平台。实验结果表明,在氧气浓度E和泄爆面积比S变化的条件下,会对CH₄/O₂/N₂预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡产生影响。当氧气浓度E从0.21到0.40变化时,火焰传播时间逐渐缩短,火焰结构发生动态演变,火焰后期的振荡现象愈加明显,同时测到的压力曲线在后期也存在振荡增强现象;当泄爆面积比S从0.125到1.000变化时,E=0.21工况下S=0.125和S=0.250两个工况与其他工况的压力曲线有所不同,出现了一个更高的压力峰值,E=0.30工况下S=0.125也出现了新的压力峰值,E=0.30和E=0.40两种工况的压力峰值都逐渐减小,压力后期的振荡幅值与泄爆面积比有关。     

不同管长条件下连通容器预混气体泄爆实验

通过容器与管道的连接组合,改变管道长度,开展不同管道长度的连通容器预混气体等容爆炸与泄爆实验,分析在密闭爆炸与相同泄爆面积条件下,管道长度的变化对连通容器中火焰传播与容器内压力的影响。实验结果表明：火焰在管道中加速传播,随管道长度的增加,传播速率加快;无论是密闭爆炸或是泄爆,连通条件下容器的最大压力上升速率均高于单个容器的情况;连通容器等容爆炸时,传爆容器的压力峰值随管长的增加而增加;泄爆时,传爆容器的泄爆压力峰值超过其单容器泄爆的压力峰值,特别是传爆容器为小容器时,压力峰值更高;随管长的变化情况,与相应密闭条件下的等容爆炸压力密切相关,但变化趋势不完全一致,受容器泄爆面积、火焰传播等多种因素的影响。     

点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响

为研究不同点火位置下氢气/甲烷/空气预混气体的爆燃特性,改变点火位置IP和氢气添加比例φ,在100mm×100 mm×1000 mm方形透明管道实验平台上开展爆燃实验。实验结果表明:火焰结构向泄爆端和封闭端传播时受点火位置和氢气添加比例的控制,当火焰向泄爆端传播时,郁金香火焰的形成因素由IP主导,当火焰向封闭端传播时,IP及φ共同作用于郁金香火焰的形成;IP和φ对火焰前锋演化的作用模式可以分为3类;当混合气体中φ小于0.25时,氢气添加对火焰传播速度的影响不明显;当φ不超过0.75时,仅当IP位于管道中后部时,超压出现周期性振荡,且点火位置距泄爆端越近,振荡时间越长;当为纯氢爆炸时,不同点火位置下压力振荡消失且到达最大压力峰值的时间基本一致;当φ不同时,最大压力峰值随点火位置的变化规律不同。     

初始压力对容器通过导管泄爆过程的影响

开展了容器内气体爆炸通过导管安全泄放实验,研究了导管泄放气体爆炸过程中的压力变化及导管内火焰发展规律,分析了初始压力对导管泄放过程的影响,并对比研究了密闭容器爆炸、简单泄爆及导管泄爆过程。结果表明：容器内发生密闭爆炸时,爆炸压力及压力上升速率随着初压的升高而增加;简单泄爆时,随着初压的增加,容器内的压力峰值出现了先增加然后降低最后继续增加的过程;采用导管泄爆时,初始压力越高,容器内的压力峰值及压力上升速率越高,相同时刻对应的导管入口处与容器内最大正压差越大,导管入口端的火焰速率越大,容器内爆炸强度对初始压力的变化较为敏感;随着容器内初压升高,导管泄爆过程中容器内的压力峰值与简单泄爆的压力峰值相差越来越大,与对应的密闭爆炸时压力峰值越来越接近,且最大压力上升速率远远高于密闭爆炸。     

初始压力对容器通过导管泄爆过程的影响

开展了容器内气体爆炸通过导管安全泄放实验,研究了导管泄放气体爆炸过程中的压力变化及导管内火焰发展规律,分析了初始压力对导管泄放过程的影响,并对比研究了密闭容器爆炸、简单泄爆及导管泄爆过程。结果表明:容器内发生密闭爆炸时,爆炸压力及压力上升速率随着初压的升高而增加;简单泄爆时,随着初压的增加,容器内的压力峰值出现了先增加然后降低最后继续增加的过程;采用导管泄爆时,初始压力越高,容器内的压力峰值及压力上升速率越高,相同时刻对应的导管入口处与容器内最大正压差越大,导管入口端的火焰速率越大,容器内爆炸强度对初始压力的变化较为敏感;随着容器内初压升高,导管泄爆过程中容器内的压力峰值与简单泄爆的压力峰值相差越来越大,与对应的密闭爆炸时压力峰值越来越接近,且最大压力上升速率远远高于密闭爆炸。     

泄爆条件对预混H2/空气燃爆特性影响的数值模拟

为研究泄爆口处破膜压力对管道内可燃气体燃爆特性的影响,基于大涡模拟（LES）和Zimont燃烧模型,在泄爆口不同破膜压力条件下（0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa）,对预混H₂/空气燃爆过程开展三维数值模拟。结果表明：在大长径比管道内,由于管壁作用、声波震荡作用及火焰的不稳定性,各工况条件下火焰传播速度曲线存在3个波峰、2个波谷;除破膜压力为0.1MPa工况外,泄爆口开启产生减速效应,使各工况条件下的火焰传播速度相比于密闭管道均下降;各工况的管内压力在泄爆口开启后整体呈下降趋势,且泄爆口的破膜压力越小,管内压力峰值越小;对比密闭管道,各工况的压力上升速率均有不同程度的降低,爆炸强度减弱,破膜压力为0.3MPa时,压力上升速率的下降幅度最大,泄爆效果最好。     

爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性

在水平封闭的直管中,采用自主研制的阻爆实验系统(包括传感器系统、配气系统、数据采集系统、点火系统等)对不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄过程进行了实验研究。结果显示当可燃气体接近当量浓度时(丙烷4.2%、乙烯6.6%、氢气28.5%,均为体积分数),预混气体从点燃到火焰淬熄过程历时非常短,总体可分为4个阶段,缓慢燃烧阶段、快速燃烧阶段、加速燃烧阶段和超压振荡阶段。丙烷-空气、乙烯-空气预混气体在D=80 mm的管道阻火器中,爆炸压力峰值较高。当管道直径增加至400 mm时,爆炸压力峰值逐渐降低,其中乙烯-空气预混气体的爆炸压力峰值仅为3 MPa左右;氢气-空气预混气体的爆炸压力峰值随管径的增加呈递增趋势。对爆轰速度的研究结果表明,丙烷-空气、乙烯-空气预混气体爆轰速度数值相差不大,丙烷-空气预混气体甚至稍高些;而氢气-空气的爆轰速度数值较高。而且随着管径的增加,管壁热损失增大及其阻力因素等原因影响使预混气体爆轰速度趋向平稳。最后,从经典传热学理论出发,推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系。并结合实验数据,提出了爆轰安全阻火速度的计算方法,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。     

爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性

在水平封闭的直管中,采用自主研制的阻爆实验系统(包括传感器系统、配气系统、数据采集系统、点火系统等)对不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄过程进行了实验研究。结果显示当可燃气体接近当量浓度时(丙烷4.2%、乙烯6.6%、氢气28.5%,均为体积分数),预混气体从点燃到火焰淬熄过程历时非常短,总体可分为4个阶段,缓慢燃烧阶段、快速燃烧阶段、加速燃烧阶段和超压振荡阶段。丙烷-空气、乙烯-空气预混气体在D=80 mm的管道阻火器中,爆炸压力峰值较高。当管道直径增加至400 mm时,爆炸压力峰值逐渐降低,其中乙烯-空气预混气体的爆炸压力峰值仅为3 MPa左右;氢气-空气预混气体的爆炸压力峰值随管径的增加呈递增趋势。对爆轰速度的研究结果表明,丙烷-空气、乙烯-空气预混气体爆轰速度数值相差不大,丙烷-空气预混气体甚至稍高些;而氢气-空气的爆轰速度数值较高。而且随着管径的增加,管壁热损失增大及其阻力因素等原因影响使预混气体爆轰速度趋向平稳。最后,从经典传热学理论出发,推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系。并结合实验数据,提出了爆轰安全阻火速度的计算方法,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。     

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。     

点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响

为研究不同点火位置下氢气/甲烷/空气预混气体的爆燃特性，改变点火位置IP和氢气添加比例φ，在100 mm×100 mm×1000 mm方形透明管道实验平台上开展爆燃实验。实验结果表明：火焰结构向泄爆端和封闭端传播时受点火位置和氢气添加比例的控制，当火焰向泄爆端传播时，郁金香火焰的形成因素由IP主导，当火焰向封闭端传播时，IP及φ共同作用于郁金香火焰的形成；IP和φ对火焰前锋演化的作用模式可以分为3类；当混合气体中φ小于0.25时，氢气添加对火焰传播速度的影响不明显；当φ不超过0.75时，仅当IP位于管道中后部时，超压出现周期性振荡，且点火位置距泄爆端越近，振荡时间越长；当为纯氢爆炸时，不同点火位置下压力振荡消失且到达最大压力峰值的时间基本一致；当φ不同时，最大压力峰值随点火位置的变化规律不同。     

连通容器内预混气体泄爆过程

对甲烷-空气预混气体在连通容器内的泄爆过程进行了实验研究,与密闭容器爆炸过程进行了比较,研究了连通容器泄爆过程中压力的变化规律,分析了气体浓度和泄爆方式对连通容器泄爆过程的影响。结果表明,连通容器泄爆过程中,压力最大值通常出现在管道末端,由于震荡在球形容器内产生真空压力;与略低于化学计量比浓度相比,甲烷体积浓度略高于化学计量比浓度时,连通容器内爆炸压力增加,这种情况与单个密闭容器气体爆炸相同;两个泄爆口泄爆能较好地降低连通容器内最高爆炸压力,而仅采用一个泄爆口泄爆并不能显著降低容器内的最大爆炸压力。研究结论为工程上连通容器的泄爆安全设计提供重要参考。     

点火源位置对甲烷-空气爆燃超压特征的影响

开展了化学恰当比φ = 1甲烷-空气预混气在透明方形管道内的爆燃实验研究,改变点火源位置,分析在管道一端闭口一端开口条件下,点火源位置对甲烷-空气预混气爆燃超压特征的影响。实验结果表明:当点火源与闭口端之间距离较小时,时间-超压曲线不发生振荡,随着点火源相对于闭口端距离的增加,超压分别呈微弱等幅振荡、振幅指数增长的振荡,且最大超压峰值随之增加;超压波形与火焰瞬态结构存在密切关联,振荡波形超压峰值的极值点总是位于火焰位置的极值点;当超压发生振荡时,振幅指数增长阶段的振荡周期随时间线性减小,振荡周期与未燃气气柱长度呈现较好相关性;超压振荡的原因在于,泄爆口侧的火焰前沿触发了超压振荡,闭口侧火焰前沿与声波(压力波)在未燃气气柱中相互作用放大了超压振荡。     

泄压条件下管道内瓦斯爆炸传播的氮气阻爆

矿井瓦斯爆炸发生后,采用灭火剂进行阻爆,将有助于从根本上消除爆炸的灾难性后果。本文在爆炸管道上设置双喷头,探索喷出N_2来实现阻爆和熄灭火焰。对于四周保持密闭的平直管道,采用不同压力将氮气喷出,但均未能阻止爆炸火焰沿管道的传播。在管道下表面设置开口进行泄压后,可以观测到爆炸过程中大量的高温气团和预混气从该开口流出,并在开口外继续发生反应。结合侧向泄压,当双喷头中左喷头(第二喷头)不喷N_2时,右喷头(第一喷头)所喷N_2在各个压力下也仍未能实现阻爆。但当左喷头(第二个喷头)压力在0.1 MPa及以上时,均能实现阻爆。并且双喷头所喷N_2压力越大,爆炸火焰被阻止和熄灭的位置越靠前。通过侧向泄压使管道内的反应变弱是有利于阻爆的第一个主要原因。侧向泄压使管道内爆炸火焰的传播速度下降,从而喷出更多氮气并获得更长的时间来对预混气进行充分稀释,这是实现阻爆和熄灭火焰的第二个主要原因。     

泄压条件下管道内瓦斯爆炸传播的氮气阻爆

矿井瓦斯爆炸发生后,采用灭火剂进行阻爆,将有助于从根本上消除爆炸的灾难性后果。本文在爆炸管道上设置双喷头,探索喷出N₂来实现阻爆和熄灭火焰。对于四周保持密闭的平直管道,采用不同压力将氮气喷出,但均未能阻止爆炸火焰沿管道的传播。在管道下表面设置开口进行泄压后,可以观测到爆炸过程中大量的高温气团和预混气从该开口流出,并在开口外继续发生反应。结合侧向泄压,当双喷头中左喷头（第二喷头）不喷N₂时,右喷头（第一喷头）所喷N₂在各个压力下也仍未能实现阻爆。但当左喷头（第二个喷头）压力在0.1 MPa及以上时,均能实现阻爆。并且双喷头所喷N₂压力越大,爆炸火焰被阻止和熄灭的位置越靠前。通过侧向泄压使管道内的反应变弱是有利于阻爆的第一个主要原因。侧向泄压使管道内爆炸火焰的传播速度下降,从而喷出更多氮气并获得更长的时间来对预混气进行充分稀释,这是实现阻爆和熄灭火焰的第二个主要原因。     

大空间内爆燃泄爆过程数值模拟研究

为研究建筑物等较大空间内气体爆燃泄爆过程,采用Fluent软件对9 m~2的方形空间内部泄爆过程进行数值模拟研究,分析了点火位置、泄爆压力对室内超压的影响。结果表明:泄爆压力对最大超压峰值影响较大;远离泄爆口点火时有最快的火焰传播速度和较大的超压,靠近泄爆口点火时火焰传播速度最慢,在靠近点火位置设置泄爆口能有效减小超压。     

高开启压力条件下粉尘爆炸泄压火焰特性

为得到高开启压力条件下粉尘泄爆过程中火焰传播特性,采用20L球形爆炸装置,在开启压力为(0.78~2.1)×10⁵Pa的条件下对粉尘浓度为400~900g/m³的玉米粉尘开展爆炸泄放试验研究。结果表明：火焰泄放过程分为点火与破膜、欠膨胀射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃烧火焰、火焰回燃5个阶段,最大火焰宽度出现在火焰泄放过程的第2阶段,最大火焰长度出现在火焰泄放过程的第3阶段;不同开启压力下,泄爆火焰长度和火焰传播速度随时间先增大后减小;泄放火焰最大宽度变化范围为0.146~0.269m,泄放火焰的最大长度变化范围为0.41~0.666m。通过预测计算得出泄放火焰可能出现的最大范围为S_max1=0.179m²,采用MATLAB软件定量计算求得的泄放火焰可能出现的最大范围的横截面积为S_max2=0.122m²,定量计算得到的S_max2达到预测值S_max1的68%。     

粉尘泄爆计算标准对比研究

介绍了粉尘爆炸及预防的一般措施,重点阐述粉尘泄爆的原理和2个常用的粉尘泄爆计算标准。总结了粉尘泄爆计算所需的基础输入参数和取值范围,并比对了2个标准在常见泄爆工况中有效长径比的差异以及对泄爆面积计算结果的影响。最后总结说明2个标准的应用特点,为工程设计合理计算粉尘泄爆面积提供参考。     

室内可燃气体-空气预混爆炸特性的数值模拟

采用CFD软件AutoReaGas建立典型的物理模型及数值模型来模拟室内可燃气体泄漏后与空气预混爆炸场的特性。结果表明,点火位置、泄爆压力的改变会对爆炸场内的超温、超压产生巨大影响。泄爆压力越大,产生的超压就越大,而其对温度无明显影响;测点温度对点火位置的改变反应灵敏,同一测点,不同点火位置,距离越近,测点的最大超压越大。这项研究为室内可燃气体爆炸特性及规律的进一步研究提供了理论依据,对于有效预防和控制事故的发生,降低事故中的人员伤亡和减少财产损失具有重要的指导意义。     

连通容器内预混气体爆炸过程的实验研究

对连通容器内预混气体爆炸过程进行实验研究,具有重要的科研和实用价值。本文通过实验室内自制的实验仪器详细研究了不同的点火位置、初始压力、初始浓度对连通容器内预混气体爆炸压力的影响。结果显示,在大容器中点火,会引起更大的爆炸压力;压力上升速率也增大很快。初始浓度对连通容器内预混气体爆炸的影响基本与单个容器中的影响一致。当初始压力增大时,连通容器的爆炸压力也随着一起增大,而且小容器比大容器增加更快。因而,在工业中,最有效的方法是隔爆,在容器和管道接口设置隔离装置,使爆炸不能通过管道传播。     

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。