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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

CO2-双流体细水雾抑制管道甲烷爆炸实验

搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台,采用双流体喷嘴将二氧化碳和细水雾送入实验系统,从火焰速度、瓦斯爆炸超压两个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明CO₂双流体细水雾抑制瓦斯爆炸效果显著。随着喷雾时间的延长,火焰传播速度呈缓慢增加趋势,火焰传播速度峰值大幅降低;爆炸超压曲线呈先增大后缓慢减小的趋势,超压峰值大幅降低;当CO₂压力增至0.4 MPa喷雾时间大于3 s时,经多次点火无法引爆, 说明CO₂-双流体细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应,有利于提高细水雾的抑爆效率。     

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。     

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。     

破坏压力对含有弱顶面受限空间内油气爆燃超压荷载的影响

基于实验研究了静态破坏压力（p_ST）对含有弱顶面受限空间内油气爆燃超压荷载的影响，实验结果显示：不同p_ST下超压时序曲线分为4种类型，超压峰值包括破膜峰值（Δp₁）、泄流峰值（Δp₂）、外部爆燃峰值（Δp₃）和局部不稳定燃烧峰值（Δp₄）。当0≤p_ST≤2.5 kPa时，内部的最大峰值为Δp₃；而当5 kPa≤p_ST≤30 kPa时，内部的最大峰值为Δp₁。对于受限空间外部，最大峰值均为Δp₃。当2.5 kPa≤p_ST≤20 kPa时，外部爆燃和泄放负压耦合会诱导容器内形成压力振荡，振荡周期和持续时间与p_ST有关。破膜阶段持续时间与p_ST呈正比，而泄流、外部爆燃、压力荷载振荡阶段持续时间与p_ST呈反比。内外超压峰值均随着p_ST的增大而升高，内部Δp₁和Δp₂的数值与p_ST呈线性关系，外部Δp₃的数值与p_ST呈二次函数关系。     

狭长密闭空间内油气爆炸火焰特性大涡模拟

基于WALE模型和Zimont预混火焰模型对横截面尺寸0.187 m×0.187 m,长2 m的狭长密闭空间内汽油-空气混合物爆炸火焰特性进行了大涡模拟。将大涡模拟与RNG k-e湍流模型计算结果及实验结果进行对比,验证了大涡模拟对于狭长密闭空间中汽油-空气混合物预混爆炸计算的适用性。结果表明：（1）大涡模拟准确再现了火焰传播过程中的形态变化;（2）火焰锋面后已燃区壁面两侧和中轴线两侧涡旋结构分别对Tulip形火焰的形成和消散有显著影响,且形成及消散前的两种涡旋结构方向相反;（3）当量比浓度下汽油-空气混合物爆炸未燃区气体流动始终保持正向传播,且爆炸超压、火焰传播速度和火焰传播形态三者间存在显著的耦合性。     

点火方式对受限空间油气爆燃规律的影响

通过可视化和数据分析方法,针对电火花、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种常见的点火方式,对油气在受限空间的整个爆燃过程进行了对比分析。不同点火方式下油气爆燃的起燃条件、起燃速度、火焰结构、火焰颜色存在很大的区别,并进行了细节分析。尽管油气在受限空间的爆燃过程都呈现出4个阶段,但火焰颜色、持续时间对不同的点火方式是不同的。通过对最大爆炸超压和超压典型曲线的分析,最大爆炸超压由大到小的点火方式依次是突遇高温热壁、电火花、直接加热热源和持续加热热壁,并分析了受限空间中超压曲线的典型特征。     

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。     

草酸盐和碳酸氢盐抑制聚乙烯粉尘爆炸特性

为研究草酸盐和碳酸氢盐抑制聚乙烯粉尘爆炸特性，选取NaHCO₃、KHCO₃、Na₂C₂O₄和K₂C₂O₄四种粉体，从火焰结构和火焰传播速度两方面分析其对聚乙烯粉尘爆炸的抑制性能，并结合抑爆粉体的理化性质分析抑爆机理。结果表明，四种抑爆粉体均可抑制聚乙烯粉尘爆炸火焰传播，且抑制效果随抑爆粉体浓度增加而增强。相同条件下，抑爆性能KHCO₃>NaHCO₃>K₂C₂O₄>Na₂C₂O₄，即钾盐粉体抑爆性能优于具有相同酸根离子的钠盐，碳酸氢盐粉体抑爆性能优于具有相同金属离子的草酸盐。另外，结合抑爆粉体热解特性测试及爆炸产物分析，探究了四种抑爆粉体的抑爆机理及离子构成带来的抑爆性能差异性原因。