预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡特性

为研究预混气体爆炸火焰和压力的耦合振荡特性,自行搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1000 mm透明有机玻璃爆炸管道实验平台。实验结果表明,在氧气浓度E和泄爆面积比S变化的条件下,会对CH4/O2/N2预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡产生影响。当氧气浓度E从0.21到0.40变化时,火焰传播时间逐渐缩短,火焰结构发生动态演变,火焰后期的振荡现象愈加明显,同时测到的压力曲线在后期也存在振荡增强现象;当泄爆面积比S从0.125到1.000变化时,E=0.21工况下S=0.125和S=0.250两个工况与其他工况的压力曲线有所不同,出现了一个更高的压力峰值,E=0.30工况下S=0.125也出现了新的压力峰值,E=0.30和E=0.40两种工况的压力峰值都逐渐减小,压力后期的振荡幅值与泄爆面积比有关。     

高开启压力条件下粉尘爆炸泄压火焰特性

为得到高开启压力条件下粉尘泄爆过程中火焰传播特性,采用20L球形爆炸装置,在开启压力为(0.78~2.1)×10⁵Pa的条件下对粉尘浓度为400~900g/m³的玉米粉尘开展爆炸泄放试验研究。结果表明：火焰泄放过程分为点火与破膜、欠膨胀射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃烧火焰、火焰回燃5个阶段,最大火焰宽度出现在火焰泄放过程的第2阶段,最大火焰长度出现在火焰泄放过程的第3阶段;不同开启压力下,泄爆火焰长度和火焰传播速度随时间先增大后减小;泄放火焰最大宽度变化范围为0.146~0.269m,泄放火焰的最大长度变化范围为0.41~0.666m。通过预测计算得出泄放火焰可能出现的最大范围为S_max1=0.179m²,采用MATLAB软件定量计算求得的泄放火焰可能出现的最大范围的横截面积为S_max2=0.122m²,定量计算得到的S_max2达到预测值S_max1的68%。     

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。     

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。     

泄爆条件对预混H2/空气燃爆特性影响的数值模拟

为研究泄爆口处破膜压力对管道内可燃气体燃爆特性的影响,基于大涡模拟（LES）和Zimont燃烧模型,在泄爆口不同破膜压力条件下（0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa）,对预混H₂/空气燃爆过程开展三维数值模拟。结果表明：在大长径比管道内,由于管壁作用、声波震荡作用及火焰的不稳定性,各工况条件下火焰传播速度曲线存在3个波峰、2个波谷;除破膜压力为0.1MPa工况外,泄爆口开启产生减速效应,使各工况条件下的火焰传播速度相比于密闭管道均下降;各工况的管内压力在泄爆口开启后整体呈下降趋势,且泄爆口的破膜压力越小,管内压力峰值越小;对比密闭管道,各工况的压力上升速率均有不同程度的降低,爆炸强度减弱,破膜压力为0.3MPa时,压力上升速率的下降幅度最大,泄爆效果最好。     

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。     

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。     

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。     

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。     

相变套管式储热系统放冷性能实验研究

搭建了套管式相变储热实验系统,分别填充不同质量分数膨胀石墨与正十五烷制备而成的复合相变材料,对系统进行重复充放冷循环实验。采用有效储热比E_st和储能效率ε来表征系统性能,研究了复合相变材料中换热增强对套管式潜热储能系统放冷性能的影响。结果表明：同Re数下,相变材料热导率为0.14 W·m^-1·K^-1（工况A）放冷结束时间为1770 s,相同Re条件下热导率提升至7.10 W·m^-1·K^-1（工况B）和11.60 W·m^-1·K^-1（工况C）的结束时间分别可缩短77.3%、78.9%;热导率的增加可显著提高系统有效储热比E_st和储能效率ε,热导率从0.14 W·m^-1·K^-1增加到11.60 W·m^-1·K^-1,E_st在层流区、过渡区和湍流区分别可提升33.3%、350.0%及129.6%,ε分别可提升26.8%、52.9%及14.6%;Re的增加使得工况A和工况B中E_st和ε呈现下降趋势,工况C中E_st在Re=4298出现峰值1.62。     

Electrosorption and inhibition properties of p-norborn2-yl phenolate ions at the mercury/solution interface

The electrosorption properties of p-norborn-2-yl phenolate ions in alkaline solutions were investigated by ac polarographic and electrocapillary measurements.

Two adsorption regions were found. At low bulk surfactant concentrations the adsorption at the positively charged electrode (−0.2 E −0.6 V) is predominant while at higher surfactant concentrations the adsorption at the negatively charged electrode (−0.6 E −1.0 V) is more pronounced. At E = −0.40 V the adsorption parameters were determined (a ≈ 2; ΔG°_A = −32.5 ± 1 kJ mol⁻¹. Between −0.6 E −1.0 V one potential of maximum adsorption for all concentrations does not exist and therefore the adsorption parameters could not be calculated.

At E = −0.40 V progressive two-dimensional nucleation with a nucleation order of 3 was observed which corresponds well with the high attraction constant.

The electrode reaction S₂O²⁻₈ + 2e⁻ → 2 SO²⁻₄ is inhibited by norborn-2-yl phenolate ions in the potential range −0.2 E −0.6 V. In the second potential range of capacity decrease the electrode process is much less retarded. At E = −0.40 V, in a similar manner as described for neutral molecules, a linear dependence of the log k_s (k_s apparent rate constant) on ln c_A and π (π = surface film pressure), respectively, has been found.     

优筋布置矩形箱体应力及变形分析

针对工业生产中矩形箱体笨重、加筋结构布置设计欠佳的问题,采用ANSYS APDL语言对矩形箱体进行静压工况下应力及变形分析。选取6因素5水平正交试验方案,以矩形箱体最大一次应力S_1max、最大等效应力S_2max以及最大变形量Δ_max作为试验指标,侧壁加强铁间距A、宽度B及厚度C,端壁加强铁间距D、宽度E及厚度F作为试验因素,结合矩阵分析法获得加强筋的优筋布置方案A₄B₅C₅D₂E₅F₂,并用ANSYS一阶优化算法对箱壁以及箱壁加强铁壁厚进行优化。结果表明:矩形箱体采用优筋布置后,箱体质量减少了27%。最后采用极限载荷分析法通过P_T=0.1 MPa试验工况验证。     

镧掺杂PMN-PT陶瓷在准同型相界处的相组成调控

采用两步预烧工艺制备Pb_{0.962 5}La_0.025(Mg_1/3Nb_2/3)_1-zTi_zO₃(z=0.28、0.29、0.30、0.31)陶瓷,其准同型相界(MPB)的化学组成位于PbTiO₃含量为0.29 mol和0.30 mol附近。选取准同型相界两侧的化学组成,制备四方晶相Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.66Ti_0.34O₃和三方晶相Pb_1-1.5xLa_x(Mg_1/3Nb_2/3)_1-yTi_yO₃(x=0.083 3~0.041 7,y=0.206 7~0.273 3)陶瓷粉体。将两种晶相粉体按照设计比例(三方晶相摩尔分数w=0.3、0.4、0.5、0.6)混合,干压成型,烧结成化学组成相同、晶相占比不同的Pb_{0.962 5}La_0.025(Mg_1/3Nb_2/3)_0.70Ti_0.30O₃陶瓷。研究了晶相组成对陶瓷压电性能、介电性能、铁电性能的影响。结果表明,高温烧结后,陶瓷中的三方晶相和四方晶相占比与配料比基本一致。当w=0.5时,1 250 ℃烧结陶瓷中三方晶相与四方晶相含量占比分别为0.47、0.53,晶粒平均尺寸为(5.24±0.23) μm,相对密度为96.76%。陶瓷的压电应变常数d₃₃、径向机电转换系数k_p、厚度机电转换系数k_t、相对介电常数ε_r、剩余极化强度P_r和场致应变系数S(1 Hz、3.5 kV/mm)分别为1 014 pC/N、0.67、0.64、10 955、24 μC/cm²和0.21%。该方法可人为调控化学组成位于准同型相界的陶瓷的晶相占比。     

惰性气体对氢气/空气爆轰传播的抑制作用

常温常压条件下,在内径52 mm的不锈钢管道中开展了惰性气体对氢气/空气（H₂/air）爆轰的抑制实验研究,通过改变当量比（0.6、0.8、1.0、1.2、1.4）和惰性气体种类（CO₂、N₂、Ar）探讨了三种惰性气体对爆轰火焰速度的影响。结果表明,H₂/air爆轰通过可燃气与惰性气体分界面后,爆轰波发生解耦,火焰速度大幅度下降。整个速度下降过程分为快速下降、波动缓慢衰减、火焰消失三个阶段。三种惰性气体中CO₂的抑制效果最明显,其次是Ar和N₂。相较比热容差异影响,Ar和N₂的分子量差异在爆轰抑制中起到主导性作用。贫燃和富燃条件下爆轰在惰性介质中衰减程度均比化学计量比工况下明显,其中富燃条件下爆轰在惰性介质中的衰减更为明显。     

多孔材料对氢气爆轰的抑制作用

为了研究多孔材料对氢气爆轰的抑制作用,在内径80 mm、长6000 mm的爆轰圆管中开展2H₂+O₂+3Ar预混气爆轰传播实验。在距点火头5000 mm处放置不同孔隙密度(10、20、40 ppi)厚度30 mm的Al₂O₃泡沫陶瓷和不同厚度(10、30、50 mm)孔隙密度20 ppi的泡沫铁镍金属,分别使用压力传感器、烟膜记录爆轰波压力、胞格结构,计算爆轰波传播速度。结果表明,速度亏损和胞格尺寸随着孔隙密度或厚度的增加而增大,但是均与初始压力成反比。两种多孔材料的材料特性不同,泡沫铁镍金属具有良好的导热性,因此对爆轰波的抑制效果强于Al₂O₃泡沫陶瓷。     

爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性

在水平封闭的直管中,采用自主研制的阻爆实验系统(包括传感器系统、配气系统、数据采集系统、点火系统等)对不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄过程进行了实验研究。结果显示当可燃气体接近当量浓度时(丙烷4.2%、乙烯6.6%、氢气28.5%,均为体积分数),预混气体从点燃到火焰淬熄过程历时非常短,总体可分为4个阶段,缓慢燃烧阶段、快速燃烧阶段、加速燃烧阶段和超压振荡阶段。丙烷-空气、乙烯-空气预混气体在D=80 mm的管道阻火器中,爆炸压力峰值较高。当管道直径增加至400 mm时,爆炸压力峰值逐渐降低,其中乙烯-空气预混气体的爆炸压力峰值仅为3 MPa左右;氢气-空气预混气体的爆炸压力峰值随管径的增加呈递增趋势。对爆轰速度的研究结果表明,丙烷-空气、乙烯-空气预混气体爆轰速度数值相差不大,丙烷-空气预混气体甚至稍高些;而氢气-空气的爆轰速度数值较高。而且随着管径的增加,管壁热损失增大及其阻力因素等原因影响使预混气体爆轰速度趋向平稳。最后,从经典传热学理论出发,推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系。并结合实验数据,提出了爆轰安全阻火速度的计算方法,为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。     

Effect of inlet area on the performance of a two-stage cyclone separator

The cyclone separator is an important separation device. This paper presents a new type of embedded two-stage cyclone, which includes a 2nd-stage cyclone (internal traditional cyclone) with multiple inlets and a 1st-stage cyclone (outer cylinder) that unifies the 2nd-stage cyclone inlets into one inlet. The Taguchi experimental method was used to study the two-stage cyclone separator's inlet area on its performance. Studies have shown that the increase of the 1st-stage cyclone inlet area and the increase in the number of 2nd-stage cyclone inlets (N) positively affect reducing the pressure drop and a negative effect on efficiency. It is recommended to use 2S (the original 1st-stage cyclone inlet area) of the 1st-stage cyclone inlet area and 2N of the 2nd-stage cyclone inlets when separating fine particles. Compared with a traditional cyclone, the pressure drop is reduced by 1303 Pa, the mass separation efficiency (E_q) is increased by 0.56%, and the number separation efficiency (E_n) is increased by 2.05%. When separating larger particles, it is recommended to use 2S of the 1st-stage cyclone inlet area and 4N of the 2nd-stage cyclone inlets. Compared with a traditional cyclone, although E_n decreases slightly, the pressure drop is reduced by 3055 Pa, and the E_q is increased by 0.56%. The research results provide new insight into the design of the cyclone.