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。     

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。     

导流型防风网的力学特性分析

应用CFD模拟软件Fluent 6.2对开孔率30%的新型导流型防风网与传统方孔、圆孔平板网的受力与结构稳定性进行了研究。分析了不同风速下方孔、圆孔、导流型3种不同开孔型式网板受风荷载作用情况。模拟结果表明:导流型防风网受风荷载作用与传统方孔、圆孔网板相比差别不大,且风荷载都是随着风速不断加大,呈现二次方性增长,当风速由3 m·s^-1增加到15 m·s^-1时,风荷载增长约20倍;不同开孔网板的力臂与固定网高之比相差不大,且随来流风速增加变化不大;产生网板阻力的主要原因是网板近壁面的前后压差和网后气流湍动形成的拖曳涡。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含孔损伤复合材料层合板固有频率研究

建立了舍圆形穿孔和方形穿孔损伤复合材料层舍板的有限元计算模型.随着开孔损伤尺寸的变化,计算出含圆形穿孔或方形穿孔损伤复合材料层合板的各阶固有频率.拟合出开孔大小和固有频率之间的关系,得到了层合板固有频率随孔的尺寸和形状变化规律.结果表明,随着损伤程度增加,层合板固有频率都将减小;方孔损伤层合板固有频率减小的幅度和速度都比圆孔损伤层舍板的大;小尺寸穿孔损伤对层合板固有频率的影响很小.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

竖直管道中氧化铝抑制铝粉爆炸特性研究

为研究氧化铝对铝粉爆炸的影响,在自行搭建的实验平台进行铝粉爆炸实验研究。对火焰结构演化特性、火焰锋面传播特性和爆炸超压波形分析的结果表明：在惰化比不断增加的情况下,氧化铝表现出对铝粉爆炸火焰的明显抑制作用,且粒径较小的氧化铝粉抑制效果更好;在火焰锋面传播方面,氧化铝对后期火焰锋面传播抑制效果更明显,火焰传播速度下降,锋面到达管口需要更长的时间;粒径4 μm的氧化铝在其惰化比φ=30%的条件下,第二波爆炸超压波峰消失,在惰化比φ=70%条件下,抑爆效率高达88.9%,抑爆效果十分明显。但是粒径为89 μm的氧化铝抑爆效用有明显的极限值,超过该极限值,抑爆效用不再提高。     

障碍物对管道中预混火焰压力发展的实验研究

研究了管路中甲烷爆炸过程中火焰传播规律和加速机理以及由于障碍物引起的火焰加速而导致的管内压力上升现象。研究结果表明,障碍物的存在对甲烷爆炸过程中火焰传播规律以及管内压力的影响十分巨大,障碍物的存在将使瓦斯爆炸过程中火烙的传播速度迅速提高,导致压力大幅度上升。加速作用的机理主要是由于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈造成的。     

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。     

平板障碍物通道形状对油气爆炸传播特性影响

为研究平板障碍物通道形状对油气爆炸特性的影响,进行了1.3%（低）、1.7%（中）、2.1%（高）三种初始油气浓度工况下对比实验。研究表明：障碍物通道形状对油气爆炸超压随时间变化规律的影响较小;障碍物通道形状对最大爆炸超压峰值、最大升压速率、平均升压速率的影响程度分别按照通道形状为“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”、“梯形—圆形—三角形—正方形—矩形”、“梯形—圆形—正方形—三角形—矩形”的顺序递增;障碍物通道形状对障碍物上游火焰形态基本没影响,但矩形通道障碍物对障碍物下游火焰的湍流特性影响最显著,其次为正方形、梯形、三角形和圆形;初始油气浓度接近当量比时（约为1.7%）,障碍物通道形状对最大火焰传播距离和平均火焰传播速度的影响要小于低浓度(1.3%)和高浓度(2.1%)工况,且圆形通道平板障碍物的影响程度最小,矩形和正方形通道的影响程度相对较大。     

聚多巴胺包覆混合粉体抑制甲烷爆炸的实验研究

为了减小甲烷爆炸带来的影响,研究了多巴胺自聚合合成聚多巴胺,包覆二氧化硅和碳酸钙混合粉体,在自主研发的亚克力管道实验平台进行甲烷爆炸实验。进行不同浓度聚多巴胺包覆混合粉体的抑爆对比实验,以探究多巴胺浓度对甲烷爆炸的影响。通过粒径分析、电镜扫描、热重分析等技术手段对聚多巴胺包覆混合粉体进行表征分析。实验结果表明聚多巴胺包覆混合粉体符合一般抑爆粉体特征。结合分析最大爆炸超压、火焰传播特征图像来探究其甲烷抑爆性能。分析其爆炸超压时,当多巴胺浓度为0.6 g/L时,相比未喷粉工况,最大爆炸超压下降了32.31%。结合表征分析探究了抑爆机理。