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。     

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。     

浓度和点火位置对氢气-空气预混气爆燃特性影响

开展了氢气-空气预混气在透明方管内的爆燃实验研究,分析在一端开口一端封闭的狭长空间内,浓度和点火位置对氢气-空气预混气爆燃特性的影响。实验结果表明：氢气浓度和点火位置对火焰锋面结构以及发展有重要影响;各当量比条件下,均在距封闭端100 mm位置点火时反应最为迅速;在极贫燃或极富燃条件下,点火位置对火焰发展影响更大。氢气浓度与点火位置共同作用于压力波形,以距封闭端300 mm点火位置为界,分别在管道前后两段点火时,不同当量比条件下超压波形呈现复杂变化。超压峰值对氢气浓度具有极强依赖性,并且浓度对爆燃超压的影响程度远大于点火位置;在各点火位置下,均在Φ = 1.25时获得最大超压;最大超压对应的点火位置取决于当量比。     

点火方式对欠膨胀氢气射流爆炸超压影响规律研究

针对自燃点火与电火花点火对欠膨胀氢气射流燃爆超压的变化规律开展实验研究,测量了自燃和电火花两种点火方式在不同释放压力下的爆炸超压与火焰传播速率,分析了初始压力和点火条件对爆炸超压的影响机制。实验结果表明：相同释放条件下,自燃点火比电火花点火引发的管外爆炸超压峰值更高,压力上升速率更快,且自燃点火的发展过程更稳定;随着缓冲罐内释放压力从6 MPa升高到9 MPa,自燃管外爆炸超压峰值先升高后降低,在释放压力为8 MPa时自燃引发的爆炸超压达到最大值15.97 kPa,而电火花点火源处的燃爆超压随释放压力的上升从7.23 kPa先降低至3.17 kPa后升高到4.19 kPa;电火花点火火焰在点火源处形成了不规则形状点火核,同时火焰传播速度大于自燃火焰发展速度。本研究对于加氢站设计和燃爆风险评估具有参考意义。     

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。     

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。     

超压测试方法对炸药TNT当量计算结果的影响

用地面和空中冲击波超压测试系统测定了TNT和B炸药爆炸的马赫反射波超压和入射冲击波超压,计算得到不同测试条件下TNT爆炸冲击波超压的经验公式和B炸药的TNT当量。结果表明,马赫反射波超压大于入射冲击波超压,马赫反射波超压与入射冲击波超压比值随实验中对比距离的增加而增加。由马赫反射波超压和入射冲击波超压计算得到的B炸药TNT当量比分别为1.40和1.32。认为以空中入射冲击波超压测试结果计算得到的TNT当量更真实。     

电场对甲烷-空气混合气燃烧特性的影响

利用定容燃烧弹研究了外加电场对甲烷-空气混合气燃烧特性的作用。加载电压为0、-5、-10和-12 kV,混合气的过量空气系数λ分别为0.8、1.0和1.6,代表浓燃、当量比和稀燃三种混合气状态。结果表明,电场方向上的火焰发展半径和火焰传播速度明显增加,原先近似圆球形的火焰形状发生变化。特别是稀燃混合气,电场作用下火焰的传播状况增加最为显著,火焰近似呈圆柱形。在加载电压为-12 kV时,对于λ=0.8、1.0和1.6的混合气,火焰拉伸速度最大值分别增加了42.3%、29.7%和111.7%。同时,混合气燃烧压力的发展明显加快,压力峰值出现的时间明显提前。对于浓燃和当量比浓度的混合气,压力峰值变化不大,而稀燃混合气的压力峰值增加较为明显。在-12 kV电压作用下,浓燃、当量比和稀燃三种状态下混合气的压力峰值时间提前了13.4%、7.5%和24.6%,相应的燃烧压力峰值增大了2.2%、1.0%和8.1%。本文应用外加电场对燃烧火焰产生的离子风效应及其对传播火焰形成的拉伸作用对试验结果进行了说明。     

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。     

基于简化反应机理的甲烷-空气爆炸增厚火焰大涡模拟

基于简化的单步反应机理,采用增厚火焰模型开展了管道内甲烷-空气爆炸大涡模拟,分析了Légier （TF1） 与Durand （TF2） 提出的两种火焰探测函数对模拟结果的影响。结果表明,大涡模拟能够精确预测管道内火焰传播过程中出现的郁金香形状与形成特征时间。尽管两种探测函数的火焰传播速度与超压的大涡模拟结果与实验基本一致,但TF2预测值更加精确。火焰探测函数对效率因子变化基本上没有影响,TF1对火焰的增厚效应要强于TF2。     

点火位置对乳胶泡沫水平火蔓延规律的影响

为研究点火位置对乳胶泡沫材料水平方向火蔓延规律的影响。搭建小尺寸实验平台,在距离材料中心点0（x1）、3.54 cm（x2）、7.08 cm（x3）、10.62 cm（x4）、14.16 cm（x5）、17.70 cm（x6）位置处点火,研究了试样表面温度、质量损失、火焰高度、火蔓延速度等特性参数的变化规律。结果表明,随着点火位置由材料中心点向边缘点移动,平均火蔓延速度分别为0.24、0.23、0.19、0.31、0.42、0.51 cm·s^-1,呈现先减小后增大的规律;x3点火位置时的平均火焰高度较低,燃烧时间较长,平均质量损失速率较低,主要与火蔓延过程中的热量传递方式有关。研究结果显示了乳胶泡沫的火蔓延过程,得到了点火位置对火蔓延的影响规律。     

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。     

含硫天然气井放喷气体点火位置的确定

为了及时、可靠地点燃含硫天然气井的放喷气体,根据中石化南方公司天然气井生产实际,对井场中原有的放喷装置进行了改进,并以计算流体力学理论为基础,建立优化后的放喷装置数学模型,借助FLUENT软件,模拟了天然气放喷后放喷池内的流场与浓度场,结合现场的多次试验对模拟结果进行修正,最后确定了天然气有效点火位置的范围,为点火设备的建设提供了理论和技术支持。     

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。     

Analytical and numerical assessments of local overpressure from hydrogen gas explosions in petrochemical plants

Accurate prediction of pressure rise is important for safety assessments of a petrochemical plant in the event of an explosion accident. The sudden pressures arising from gas explosions at various hydrogen concentrations in air have been predicted analytically and numerically. These solutions were compared against experimental data. The analytical solution, based on the self‐similar solution for pointwise strong explosions in an open space, which assumed no energy loss and premixed fuel‐air mixture, reasonably predicted the explosive‐ignition detonation case while the numerical solutions were more suitable to model spark‐ignition deflagration cases that accounted for the effect of turbulence arising from three‐dimensionality and presence of obstacles in the computational domain. Comparison of both analytical and numerical results against experimental data indicates that their differences are within a 30% margin. The analytical model presented herein can be useful for field engineers who want conservative estimates of the overpressure resulting from explosive‐ignition detonation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

BC粉体抑爆剂改性及抑制甲烷/空气混合物爆炸

采用不同工艺和配方,对BC干粉进行细化和表面改性,制备了3种规格的碳酸氢钠抑爆粉体,应用扫描电镜及激光粒度测试仪表征其表面特性及粒径分布,结果表明:采用MM4及MT3工艺所制备的抑爆粉体,粒径得到大幅度降低,比表面积显著增大,表面特性得到改善。自主设计了主动式抑爆器并进行了参数优化,膜片开启压力为8 MPa,抑爆器在敞开空间冷态喷射实验表明:从药柱点火到抑爆剂完全喷射的时间为12 ms,抑爆粉体射流最大喷射速度可达5～15 m·s^-1。在容积为200 L的爆炸实验装置中,以化学当量比的甲烷-空气混合物爆炸为抑制对象,开展了细化改性抑爆粉体主动式抑爆的实验研究,研究表明:粉体抑爆效果不仅与平均粒径有关,同时粒径分布的影响也较为重要;粒径呈正态分布、表面形状不规则的粉体更有利于与爆炸火焰相互作用,抑爆效能得以提升,较常规BC粉体相比,抑爆粉体粒径细化到10 mm数量级时,抑爆性能提高8～10倍。     

甲烷对煤粉着火的实验研究与模型计算

依据零值边界梯度着火理论,建立煤粉颗粒群与甲烷的混合着火模型。采用该模型对煤粉颗粒群与甲烷混合物在滴管炉中的着火孕育时间实验进行模拟,通过与实验结果的对比,表明该模型计算得到的结果与实验结果符合较好。