局部开口受限空间油气爆燃的超压瞬变与火焰行为

开展了油气在局部开口受限空间内油气爆燃的实验研究,获得了不同初始浓度下油气爆燃超压及火焰特性。研究结果表明：内场有两个超压峰值,外场仅有一个,开口处出现负压区。内外最大超压大小基本相同,均由外部爆燃形成。随着浓度的升高,超压先增后减,最大超压对应初始浓度为1.88%。火焰的传播过程分为3个阶段,火焰的形态、颜色、各阶段持续时间、直径、平均速度均受初始浓度的影响。随着初始浓度升高,火焰从淡蓝色层流光滑火焰变为亮黄色褶皱火焰,层流传播阶段和加速变形阶段的持续时间先增后减,溃散熄灭阶段的持续时间增加。火球直径与浓度的关系可用三次多项式描述,火焰平均速度随时间的变化可用二次多项式描述。随着开口率的升高,爆燃超压和火焰速度逐渐减小,火球直径先增大后减小。     

不同管径管道油气惰化抑爆实验研究

为了验证不同尺度空间油气惰化抑爆效果是否相同,在不同管径的模拟管道实验台架上进行了油气惰化抑爆实验,得到油气爆炸的爆炸超压、火焰速度及火焰强度数据,对比各管径下的抑爆效果。结果表明:最大超压峰值和平均升压速率的减小幅度随着管道直径增加而单调递增;火焰强度和火焰传播速度下降幅度随着管道直径增加先增加后减小。     

基于OH-PLIF的狭长受限空间油气爆炸中间基团浓度分布研究

为了精确测量狭长受限空间油气爆炸过程中的关键自由基团,从而实现对其爆炸流场、火焰传播的精确分析,基于先进的平面激光诱导荧光测量技术（PLIF）,设计构建了油气爆炸PLIF测量系统,开展了不同工况下狭长受限空间汽油-空气混合气爆炸实验研究,获得了该爆炸中间基团OH基的浓度分布。实验结果表明,1.1%~2.4%（体积分数）油气浓度之间,OH基浓度先增大后减小;随火焰的传播发展,OH基浓度不断变大,表明爆炸不断强化;爆燃不同时期OH基分布情况不同,表明不同爆燃阶段的燃烧反应区域有较大差异;爆燃前期火焰与壁面之间有“隔离带”,是由未燃气浓度增大导致火焰传播变慢的结果。主要创新点在于通过设计时序控制子系统,解决了非稳态预混燃烧中自由基分布瞬态测量。     

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。     

正庚烷/甲醇二元燃料层流火焰特性的数值模拟

利用PREMIX程序对预混层流正庚烷/甲醇一维自由传播火焰进行了数值模拟。计算了不同初始压力、初始温度以及不同甲醇掺混比例下正庚烷/甲醇二元燃料的层流火焰速率。研究表明:正庚烷/甲醇二元燃料的层流火焰速率随初始压力的升高而减小,随初始温度的升高而增大,随甲醇掺混比例的升高而增大,但增幅较小。研究对关键组分进行进一步分析,从化学反应动力学角度揭示了层流火焰速率变化的原因。     

大型储罐池火特性实验研究

为了更好的进行储罐区消防设计及消防救援,对大型储罐池火燃烧特性进行实验研究。通过设计大型储罐池火实验,利用高清摄像机进行摄像并利用软件进行分析,得出:对于油品表面敞开的池火灾,池火初始蔓延速率和方向由初始油气浓度决定,蔓延方向为油气浓度高的方向;同一油品液面池火,火焰蔓延速率先增加后减小;风使火焰蔓延速率的增加速率变大;同等情况下,柴油的蔓延速率小于汽油的蔓延速率;对于油品表面覆盖有厚层连续泡沫的池火灾,池火会向下风向蔓延,蔓延速率会先增大后减小。风对火焰脉动频率的影响不大;随着储罐直径的增加,火焰脉动频率减小。在储罐直径不变的情况下,有风时火焰长度要小于无风时火焰长度。     

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。     

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。     

球形抑爆材料抑制中尺度密闭空间油气爆炸研究

为了研究球形抑爆材料对油气爆炸超压的抑制作用和阻止火焰传播的性能,搭建了Φ700mm×3 300 mm中尺度圆管密闭空间试验台架。测定在装有非金属球形抑爆材料时92#汽油蒸气与空气混合气体中的爆炸超压及火焰传播速度,并与空爆和装有金属网架下的试验结果进行对比。结果表明:在该试验条件下,球形抑爆材料可以使油气爆炸最大超压下降68.28%,削弱湍流发展和震荡加强过程;虽然没有完全阻止火焰传播,但球形抑爆材料可以使火焰持续时间缩短70.13%,减小火焰强度;抑爆试验后少量球形抑爆材料发生局部失稳、变形,大体上状态良好。     

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。     

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。     

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。     

AP对炸药空中爆炸参数的影响

为研究AP对炸药空中爆炸性能的影响,在RDX和HMX基混合炸药和含铝炸药中添加AP,并进行了空中爆炸性能试验.从冲击波超压、爆炸火球的最大半径及火球持续时间、爆炸场温度等方面分析了AP对炸药空中爆炸性能的影响.结果表明,AP对空中爆炸冲击波超压的影响与主炸药的种类有关,加入AP后,混合炸药的冲击波超压降低,含铝炸药的冲击波超压增大;随着AP含量的增加,最大火球半径和火球持续时间及爆炸场温度都减小.     

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。     

网状高分子材料装填工艺对油气爆炸抑制实验研究

为研究网状高分子材料装填工艺对油气爆炸抑制影响规律,搭建了截面边长100 mm,壁厚10 mm、长度1000 mm、耐压2 MPa的可视化方形管路装置实验系统,分析爆炸超压、升压速率、火焰强度和火焰传播等爆炸特性参数.结果表明:网状高分子材料对油气爆炸产生的爆炸超压、升压速率和火焰强度等特性参数有明显得抑制作用;保持填充位置不变,随着填充率的增加,最大爆炸超压和升压速率降幅由68.04％和79.12％逐步上升到94.35％和97.8％,火焰强度明显减小,火焰传播得到明显阻止;保持填充率不变,随着改变填充位置逐步远离点火端,最大爆炸超压和升压速率降幅由68.04％和79.12％逐步下降到26.52％和1.84％,火焰强度明显增大,火焰传播得到明显增强.     

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(pST)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pST下超压时序曲线分为4种类型,超压峰值包括破膜峰值(Δ_(p1))、泄流峰值(Δ_(p2))、外部爆燃峰值(Δ_(p3))和局部不稳定燃烧峰值(Δ_(p4))。当0≤pST≤2.5 k Pa时,内部的最大峰值为Δ_(p3);而当5 k Pa≤pST≤30 k Pa时,内部的最大峰值为Δ_(p1)。对于受限空间外部,最大峰值均为Δ_(p3)。当2.5 k Pa≤pST≤20 k Pa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pST有关。破膜阶段持续时间与pST呈正比,而泄流、外部爆燃、压力荷载振荡阶段持续时间与pST呈反比。内外超压峰值均随着pST的增大而升高,内部Δ_(p1)和Δ_(p2)的数值与pST呈线性关系,外部Δ_(p3)的数值与pST呈二次函数关系。     

NaHCO_3抑制瓦斯爆炸火焰与压力的耦合分析

为研究粉体作用下瓦斯爆炸火焰与压力的耦合规律,在5 L石英管道中开展了不同浓度NaHCO_3抑制瓦斯爆炸的实验。结果表明:随着粉体浓度的升高,瓦斯爆炸压力波形逐渐由单峰曲线向双峰曲线过渡;高浓度粉体抑爆下,单位体积内粉体小颗粒较多,小颗粒快速分解抑制火焰传播,使粒径较大的粉体有较长的时间吸热分解,进一步抑制火焰的发展;火焰传播中后期,大颗粒粉体沉降造成空间内粉体分布不均,形成粉体浓度较低的燃烧区、浓度较高的粉体沉降汇集区和低浓度的小颗粒悬浮区,影响粉体中后期的抑爆效果;火焰前锋速度与爆炸超压随时间变化曲线的线形相似,火焰前锋速度能一定程度上反映管内燃烧强度,但瓦斯爆炸超压的升降并不完全取决于火焰前锋速度的变化;当火焰前锋速度较大时,短暂的速度降低不会立刻造成爆炸超压的减小。     

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。     

MgH2粉尘火焰传播过程与热辐射特性

为了探究MgH₂粉尘爆炸火焰传播过程及其热辐射特性，采用改进后的哈特曼管装置对其进行点火实验，通过高速摄像机、热辐射仪和红外热成像仪同步记录MgH₂粉尘的火焰传播、热辐射通量和温度场变化过程。结果表明，点火后MgH₂火焰持续增长形成连续的燃烧区域，达到最大值后开始衰减并出现离散状火焰；粉尘质量浓度在150～1000g/m³范围内，火焰前锋阵面的最大传播高度和最大传播速度随着质量浓度的增大呈现出先增大后减小的规律，均在750g/m³时最大，分别达到1138mm和45m/s;热辐射通量随着粉类质量浓度的增加逐渐增大，在火球正上方的3号热辐射通量最大值达到31.7kW/m²,远高于火球两侧的1号和2号热辐射通量；火焰中心区域温度最高，向四周逐渐降低，高温区集中在火焰上部。