内置障碍物连通容器内气体爆炸的火焰传播

利用数值模拟方法,建立连通容器气体爆炸模型,模拟内置障碍物条件下的火焰传播过程。分析障碍物不同阻塞率、位置对连通容器气体爆炸的火焰传播、爆炸压力和强度的影响情况。结果表明:当火焰经过障碍物时,障碍物加速了火焰传播,但不同障碍物条件对整个火焰传播过程的影响有差异。     

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。     

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。     

管道内障碍物对加氢甲烷爆炸特性的影响

在搭建小尺寸爆炸平台的基础上,研究了当量比为1时,氢气体积分数分别为0%、25%、50%、75%和100%时,障碍物条件下添加氢气对管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的影响。实验结果表明：最大爆炸压力、火焰传播速度都会随着氢含量和障碍物数量的增加而增大,并且火焰颜色和火焰形状也会随之发生变化。但是,障碍物对火焰平均传播速度的影响较为微弱,并且障碍物对甲烷和氢气的火焰传播速度的影响效果也有所不同。最大爆炸压力与火焰颜色随氢含量的变化趋势随着障碍物数量的增加越来越明显。氢气与甲烷相比,障碍物对前者爆炸特性的影响更为明显。     

管道内障碍物对加氢甲烷爆炸特性的影响

在搭建小尺寸爆炸平台的基础上,研究了当量比为1时,氢气体积分数分别为0%、25%、50%、75%和100%时,障碍物条件下添加氢气对管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的影响。实验结果表明:最大爆炸压力、火焰传播速度都会随着氢含量和障碍物数量的增加而增大,并且火焰颜色和火焰形状也会随之发生变化。但是,障碍物对火焰平均传播速度的影响较为微弱,并且障碍物对甲烷和氢气的火焰传播速度的影响效果也有所不同。最大爆炸压力与火焰颜色随氢含量的变化趋势随着障碍物数量的增加越来越明显。氢气与甲烷相比,障碍物对前者爆炸特性的影响更为明显。     

连通容器内气体爆炸过程的数值分析

为了研究连通容器内气体爆炸强度增加产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,采用k-ε模型和EBU-Arrhen ius混合反应模型,从流体力学和化学反应动力学守恒方程出发,利用大型流体动力学软件F luent 6.1对连通容器内气体爆炸过程进行了数值分析,获得了气体爆炸过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,模拟结果能够比较清晰地反映气体爆炸的整个过程。研究表明连通容器中气体爆炸过程中火焰始终是加速传播的,气体压缩和反流以及喷射火焰是连通容器气体爆炸强度增加的主要原因。     

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。     

四氟乙烷对甲烷/空气爆炸特性的影响

通过实验来研究四氟乙烷(R134a)对甲烷/空气爆炸的影响。在自主搭建的小尺寸甲烷管道爆炸平台上,观测R134a的加入对甲烷爆炸过程及压力、火焰传播速度产生的影响,并对此进行定性、定量分析。结果表明:各次实验中,R134a的加入会延迟破膜时间,但破膜压力主要受泄爆膜自身影响,保持在8k Pa左右;当甲烷浓度一定时,随着管内R134a体积分数的增大,火焰传播速度逐渐变小;甲烷浓度接近当量比时,R134a量的改变对管内火焰传播时间延迟的影响减小,但对超压的抑制作用仍很大;在加入体积分数为2.67%的R134a后,9.0%、9.5%、10.0%浓度的超压峰值分别降低了25.34%、61.78%、38.73%,火焰传播时间延长至未加的1.28倍、1.423倍、1.17倍。R134a能够有效抑制爆炸的机理主要在于分解产生的自由基F?对碳氢燃料氧化链式反应具有很强的干扰和阻断作用。     

不同浓度甲烷爆炸火焰传播过程的实验研究

为研究甲烷浓度对瓦斯爆炸后火焰传播的影响,以期降低煤矿事故带来的损失,在水平有机玻璃管道中,选取五种不同浓度的甲烷进行爆炸实验,并采用高速摄影仪记录火焰传播过程,利用MATLAB处理采集到的图像,研究在不同浓度甲烷爆炸传播过程中,火焰传播速度、传播位移以及火焰厚度随传播时间的变化规律。研究结果表明:甲烷浓度对火焰传播速度、传播位移及火焰厚度的影响显著。甲烷浓度越接近化学当量浓度,火焰传播速度越快,传播位移越大,火焰越厚。随着时间的增加与传播距离的增大,火焰传播速度先增大后减小,火焰厚度先变厚再变薄。     

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。     

Effect of the bifurcating duct on the gas explosion propagation characteristics

The explosion wave overpressure and the flame propagation velocity of the gas explosion in a bifurcating duct are experimentally measured and theoretically analyzed. The results show that the effect of the bifurcation on the flame velocity and overpressure is obvious. Especially, the explosion wave overpressure and the flame propagation velocity increase sharply at the bifurcation point, and the surface at the bifurcation location is destroyed seriously. The gas explosion propagation is verified to suffer a dual effect of sudden expansion of the area and obstruction induction.     

Experimental investigation of explosion pressures and flame propagations by wall obstruction ratios and ignition positions

Experimental studies were carried out to investigate the effects of different ignition source locations and wall obstructions in a partially opened chamber, 235 mm in height, with a 1,000×950 mm² cross section and with a large top-venting of area of 1,000×320mm². Four different ignition positions such as the bottom, side, corner and top, and three wall obstacles with blockage ratios ranging from about 10 to 30% were used. The comparisons between wall obstacles in the chamber showed that the dependence of overpressure on obstruction ratios was different compared with published experiments with a large L/D ratio enclosure. This may be linked to the characteristics of the chamber. The smallest wall obstacle caused the highest overpressure, while the largest one caused the lowest overpressure. The flame propagation and pressure development were highly sensitive to the ignition positions. The bottom ignition caused the highest overpressure, while the top ignition the closest to the vent opening caused the lowest overpressure.     

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。     

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。     

爆炸冲击波无限空气领域传播的数值模拟研究

利用ANSYS／LS-DYNA程序,研究了爆炸发生后爆炸冲击波在无地面障碍物阻挡时的传播规律,并将数值模拟结果和经验公式的计算结果进行了比较。结果表明,炸药近地爆炸产生的峰值超压与经验公式的计算结果基本吻合。     

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。     

超细水雾协同甲烷氧化菌降解与抑制甲烷爆炸的实验研究

搭建了半封闭的实验管道平台,开展了不同喷雾量的超细水雾降解与抑制甲烷爆炸的实验研究,分析了甲烷氧化菌的形态,抑爆过程中火焰变化,管道内部最大爆炸超压,平均升压速率的变化规律。结果表明：含甲烷氧化菌-无机盐的超细水雾能够有效降解甲烷,喷雾量越大,降解甲烷的速率越快,当甲烷的体积分数为9.5%,在喷雾量达到0.7 ml,立即引爆后的火焰亮度和火焰传播速率明显高于降解时间为360 min且二次喷雾量为0.7 ml的工况。喷雾量从0.7 ml增加至4.9 ml,无论近端还是远端最大爆炸超压均呈现下降的趋势,对于近端的平均升压速率也呈现下降的趋势。以无机盐为培养基的甲烷氧化菌和超细水雾降解与抑制甲烷爆炸具有协同作用,能够在一定时间内有效降解甲烷。