泄爆面特征参数对天然气爆炸超压峰值的影响规律

为揭示泄爆面特征参数对大尺度受限空间内天然气爆炸超压峰值结构的影响机制，基于典型房间特征，借助计算流体动力学技术研究不同泄爆面开启压力、开启时间以及泄压比等参数条件下室内天然气泄爆超压峰值结构的分布规律。研究结果表明:峰值Pb随开启压力和开启时间增加均呈线性增长趋势，而泄压比对Pb影响较小；峰值Pmfa与室内最大火焰面积有关，随开启压力、开启时间的增加和泄压比的减小，气体出流速度增大，进而产生更强的湍流，导致室内火焰面积和气体燃烧率增加，最终Pmfa增大；峰值Pext随泄压比增加呈快速降低趋势，同时开启压力和开启时间对Pext影响具有协同效应，共同促进Pext快速增加。     

泄爆面积比对泄爆门封闭泄爆特性的影响研究*

为研究泄爆面积比对泄爆门泄爆特性的影响,运用FLUENT软件建立煤矿井下1∶1巷道模型,在不同泄爆面积比的工况下对瓦斯爆炸传播规律及泄爆过程进行模拟,分析其变化特征和封闭泄爆效果。结果表明:S0工况条件下,压力和温度衰减后保持在0.29 MPa和565 K;S1~S4工况条件下,S4比S1,S2和S3达到封闭状态时间快780,260,50 ms,封闭时间最大节省70.91%;随着泄爆面积比的增大,封闭火区内的压力的峰值、峰值数量和达到封闭状态时间减小,泄爆能力增强;火焰速度峰值和衰减速率增大;温度的初始峰值、峰值数量和达到稳定状态时间减小,最大峰值反而增大,说明泄爆门对瓦斯爆炸火焰无抑制作用。     

涂料生产行业RTO设备典型爆炸及泄爆过程模拟

采用Fluent软件建立典型的物理模型及数值模型来模拟RTO燃烧室发生苯气体爆炸事故及其泄爆过程。结果表明:点火源设置在RTO底部且泄爆口设置在顶部时,更有利于保证RTO设备的系统安全。泄爆口开启后,燃烧室内的压力会在20 ms内达到常压,泄爆过程普遍存在二次峰值现象。燃烧室爆炸过程中燃烧室内达到压力峰值的时间随初始温度的升高而缩短,最大爆炸压力随温度升高而减小;燃烧室内达到的爆炸压力峰值随苯蒸气-空气初始化学计量比的增大呈现先增大后减小趋势,在化学计量比为1.4时,爆炸压力峰值最大。     

球形容器内可燃气体泄爆过程的数值模拟

利用流体力学软件Fluent对球形容器泄爆过程中流场进行数值模拟,分析泄爆导管长度和泄放压力对爆炸压力和爆炸强度的影响,以及泄爆过程中火焰阵面和速度场的变化。研究表明,泄爆过程增大了燃烧火焰的面积,燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流,燃烧速度得到极大地加速,泄爆导管对于容器内的高压气体的泄放起到了约束作用,泄爆导管的长度是影响泄爆过程中容器内部压力变化的重要因素。     

不同工况下泄爆门快速封闭泄爆特性试验研究

为研究泄爆门对瓦斯爆炸特征参数的影响,并验证其泄爆效果和快速封闭性能,自制大尺寸瓦斯爆炸管道试验系统,在瓦斯体积分数为5.5%、7.5%、9.5%和11.5%的工况下进行爆炸试验,通过数据采集系统收集瓦斯爆炸特性参数,分析其变化特征和泄爆效果。结果表明:4种工况下,爆炸压力波压力峰值分别衰减了42.25%、50.54%、53.27%和52.88%;随着瓦斯体积分数的增大,爆炸压力峰值以二次函数关系衰减,平均封闭火区14 h,说明泄爆门具有显著泄爆特性和快速封闭火区的作用;温度变化特征基本一致,无论瓦斯体积分数如何变化,泄爆门对瓦斯爆炸火焰没有抑制作用; 4种工况下火焰传播速度最大平均值分别为103.56、105.73、136.67和138.34 m/s。     

水平管道泄爆面开启压力对甲烷爆燃压力的影响*

为了研究泄爆面不同开启压力对甲烷爆燃压力的影响,针对受限空间内甲烷/空气混合物爆燃传播过程,建立由水平管道构成的数值模型。研究结果表明:水平管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应,随着泄爆面开启压力的增加,测点爆燃压力峰值增大而且测点间爆燃压力峰值差异逐渐减小;在泄爆面不同开启压力条件下,泄压效应造成泄爆面及外部空气域爆燃压力衰减,随着泄爆面开启压力的增加,泄爆面开启时间近似呈线性增大;与水平管道内和泄爆面附近测点相比,水平管道外侧测点的爆燃压力峰值和振荡幅值均显著衰减,而且随着泄爆面开启压力的增加,测点爆燃压力峰值及测点间爆燃压力峰值差异均逐渐增大。     

泄爆导管对球形容器内气体爆炸泄放过程影响的试验

设计了球形容器内气体爆炸通过导管泄爆的试验系统,选用体积分数为10%(特殊说明除外)的甲烷和空气预混气体开展试验,研究了泄爆导管长度、容器容积、点火位置、气体体积分数、破膜压力等因素的影响。结果表明:泄爆导管越长,容器内的正压力峰值和负压力峰值越大;密闭爆炸时,球形容器的容积对爆炸压力峰值几乎无影响;不同容积球形容器内气体爆炸通过相同导管泄爆时(导管长度均为6 m,直径均为0.06 m),容积大的容器内的压力锋值为小容器压力值的3.3倍,且大容器内的压力上升速率也明显高于密闭爆炸的情况;有泄爆导管存在时,尾部点火容器内的压力峰值高于中心点火;泄爆导管的存在使得容器内的压力峰值高于直接泄爆时的压力峰值;无论有、无泄爆导管,容器内的压力峰值均随破膜压力增加而增加,但差值越来越小,说明导管的存在对容器爆炸泄爆过程的影响趋向缓和,但导管的存在总是阻碍了泄爆过程,增加了爆炸的严重程度,因此,在泄爆设计时要充分考虑导管的影响,适当提高容器自身的耐压强度。     

泄压点火不同端管道内甲烷爆炸特性数值模拟

结合气体爆炸传播机理,利用FLACS软件对泄压点火不同端两种方式(泄压口通径为25 mm和泄压口完全开放)下甲烷的爆炸过程进行数值模拟,获得了5种体积分数甲烷的爆炸特性参数,分析得出:两种不同泄压方式下,10%,9.5%,11%体积分数的甲烷爆炸特性变化趋势接近,7%,8%的甲烷较前三者有所延迟;5种甲烷在管道中心处的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值都随甲烷体积分数的增大而逐渐上升,在10%时达到最大,继续增加甲烷体积分数则出现下降趋势,最大爆炸压力时间变化趋势与其相反;管道中心处的爆炸产物浓度随着甲烷体积分数的增大而增大,与泄压方式无关;增大管道泄压口面积有利于爆炸压力以及爆炸高温高压气体的释放,使得各体积分数甲烷的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值均下降,到达最大爆炸压力的时间均增大。     

泄爆夹层内障碍物对泄爆效果影响的数值模拟研究*

为研究泄爆夹层内障碍物位置对燃气泄爆效果的影响,以某大型商业综合体暗厨房为研究对象,考虑泄爆夹层中结构梁不同位置的泄爆效果,对暗厨房燃气爆炸的泄爆过程开展数值模拟研究。研究结果表明:在火焰没有到达泄爆窗前的爆炸初始阶段,障碍物对火焰结构和传播速度基本没有影响,当火焰进入泄爆夹层后,障碍物的存在可引发火焰加速现象;当障碍物距离泄爆窗1.7 m时,火焰加速现象较为明显,火焰最大传播速度可达591.5 m/s,此时厨房内压力峰值约2.9 MPa,约为没有结构梁情况下1.42倍;障碍物距离泄爆窗较近时,二者将协同影响火焰传播;厨房内压力峰值随着障碍物与泄爆窗距离的增大遵循增大-突降-增大的规律。研究结果可为商业综合体暗厨房泄爆设计提供一定理论依据。     

管内合成气爆炸压力特性的试验与机理研究

为了确保合成气在工业生产与使用中的安全,通过自行搭建的试验系统研究了不同H₂体积分数的H₂/CO/空气预混气体爆炸压力振荡特性,同时利用理论计算了量纲一因素对压力振荡的影响。结果表明,在H₂体积分数为70%时,合成气在密闭管道存在燃烧诱导快速相变现象。在开口管道中,当H₂体积分数为50%和70%时,爆炸超压最大值发生在曲线后期高频振荡阶段。燃烧诱导快速相变发生在开口管道中,且H₂体积分数的变化对超压峰值和超压振荡的变化起着重要作用。不同H₂体积分数的振荡周期都属于10^-4同一数量级,表明H₂体积分数对振荡周期没有影响。随着H₂体积分数的增加,振荡平均幅值逐渐增加,超压振荡现象更加明显。通过理论分析,燃烧诱导快速相变受量纲一因素的影响,是火焰传播阶段、水和壁面凝结阶段,以及火焰和冷壁面辐射热交换阶段三者共同驱动的。研究结果对于预防合成气爆炸故发生具有指导意义。     

超细聚苯乙烯微球粉体的燃爆特性研究

为研究超细聚苯乙烯微球粉体的燃爆特性,通过粉尘层最低着火温度测试装置、MIE-D1.2最小点火能测试装置、20 L球形爆炸测试装置,对其最低着火温度、最大爆炸压力、最小点火能量(MIE)等爆炸特性参数进行测定,探讨了加热温度、点火延滞时间、粉尘质量浓度、粉尘粒径对粉体燃爆特性的影响。结果表明:超细聚苯乙烯微球粉尘层在350℃左右时会发生无焰燃烧,且加热温度越高,粉体粒径越小,粉尘层发生着火时所需的时间越短;当粉体质量浓度为250 g/m3时,最大爆炸压力达到0.65 MPa,质量浓度为500 g/m3时,最大爆炸压力的上升速率达90 MPa/s以上;随点火延滞时间增加,最小点火能表现出先缓慢减小再急剧增大的规律;随粉尘质量浓度增加,最小点火能逐渐降低,当粉尘质量浓度超过500g/m3后逐渐趋于稳定。     

苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘爆炸特性研究

采用MIE-D1.2型最小点火能测试装置及20 L球型粉尘爆炸测试装置,对苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘的爆炸特性进行研究。结果表明,过74μm、58μm、47μm孔径筛的粉尘对静电火花敏感,其最小点火能表征值分别为610 mJ、361 mJ、201 mJ。随粉尘质量浓度增加,最小点火能呈现先减小后增加的规律。随粉尘粒径减小,最小点火能与粉尘质量浓度变化关系曲线向低粉尘质量浓度和低点火能量方向偏移,且对应的最敏感爆炸质量浓度从500 g/m~3降至200 g/m~3。随粉尘质量浓度增加,过147μm、74μm、47μm孔径筛的苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘爆炸压力及爆炸压力上升速率呈现先增加后减小趋势。在相同粉尘质量浓度下,中位径小于74μm的苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘,粉尘的爆炸压力增幅明显减小。苯乙烯丙烯酸共聚物/碳黑混合体系粉尘爆炸下限质量浓度为25 g/m~3,最大爆炸指数为14.636 MPa·m/s,爆炸危险等级划分为St1。     

压缩比和EGR对自由活塞发动机HCCI爆震燃烧的影响

基于AVL FIRE仿真平台建立了液压自由活塞发动机气缸的三维仿真模型,使用大涡模拟（large eddy simulation, LES）耦合甲醇的详细化学反应动力学机理研究了压缩比和废气再循环（exhaust gas recirculation, EGR）率对均质压燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）爆震燃烧过程的影响。结果表明:甲醇的HCCI燃烧需要一定的进气加热;随着压缩比的提高,最小进气温度逐渐降低,缸内的最高燃烧温度、最大爆发压力和爆震强度均明显增加;在高压缩比工况下引入EGR时可以降低爆震强度,但EGR率较小时效果并不明显,因此需要较大的EGR 率来抑制爆震;最后,对压力振荡曲线的频谱特性进行了分析,发现爆震燃烧时压力振荡的峰值频率位于10～15 kHz区间内。     

浓度对橡胶粉尘爆炸特性的影响

为了解橡胶粉尘的爆炸危险性,采用20 L球爆炸测试装置对常温常压下、粒径75μm以下的橡胶粉尘在质量浓度50~700 g/m3范围内的爆炸特性进行试验研究,测定其最大爆炸压力及爆炸指数随质量浓度的变化规律,进而对其爆炸危险性程度进行分级。结果表明:橡胶粉尘质量浓度为300 g/m3时,爆炸压力达到最大值0.49MPa;在橡胶粉尘质量浓度为250 g/m3时,爆炸指数达到最大值5.04MPa·m/s,根据ISO 6184粉尘爆炸烈度等级分级标准,其粉尘爆炸危险性分级为St-1级。     

外部条件对玉米淀粉粉尘爆炸特性的影响

为了探明外部条件对玉米淀粉粉尘爆炸特性参数的影响,利用20 L球形爆炸装置进行试验测试,探讨了点火能量及粉尘含水量对粉尘爆炸特性的影响,对比研究了CaCO_3和Al(OH)_3两种惰性介质的抑爆效果。结果表明:随点火能量增加,粉尘最大爆炸压力和最大升压速率呈线性上升,在高质量浓度下,粉尘爆炸压力受点火能量的影响更显著;添加CaCO_3和Al(OH)_3能够降低玉米淀粉的爆炸压力,相对于CaCO_3的物理抑爆,Al(OH)_3的物理-化学抑爆效果更佳;玉米淀粉粉尘的最大爆炸压力及爆炸升压速率随粉尘含水量降低而不断增大。     

煤自燃预测气体及活化能变化研究

为了研究煤在低温阶段的自燃活化能及气体产生规律,基于耗氧量与煤温间的计算模型,利用煤氧化动力学测试系统,分析了3种不同自燃性煤的低温氧化表征。结果表明:1)随着煤自燃倾向性增强,煤的耗氧量和耗氧速率逐渐增大,且其耗氧速率急剧增大的拐点温度逐渐升高;2)不同自燃性煤活化能变化规律存在显著差异,利用阶段耗氧量拐点计算出铜川和大同煤样温度分别为203℃、228℃时,活化能快速减小,开始进入自发氧化阶段;晋城煤样活化能经历先减小后增大的过程,其中过渡温度段91~135℃时,活化能最小;同时拟合出活化能(E)与指前因子(A)关系式满足动力补偿效应,验证了机理函数的合理性;3)依据复合气体CO_2/CO、CH_4/C_2H_6、C_2H_4/C_2H_6、C_3H_8/C_2H_6随温度的变化趋势,结合煤低温氧化特性,可预测煤样的氧化进程和煤体温度。     

球形压力容器中甲烷-氢气-空气爆炸过程数值模拟及实验研究

为研究受限空间内甲烷-氢气-空气混合气体爆炸特性参数分布规律,在20 L球形压力容器装置内开展甲烷-氢气-空气混合气体爆炸实验,探究掺氢比变化对当量比为1的甲烷-氢气-空气混合气体爆炸过程的影响;运用Fluent数值模拟软件,采用标准k-ε湍流模型,结合层流有限速率燃烧模型,探究混合气体爆炸过程中燃烧特性(爆炸温度、压力、密度等)与反应时间的变化规律。研究结果表明：爆炸过程中,添加一定氢气时爆炸压力峰值、爆炸压力上升速率峰值增大,而到达峰值时间缩短;反应初期,中心点火处密度下降,反应釜各处密度持续上升;距离点火点越远,密度变化越大,反应釜中压力分布基本相同。研究结果可为甲烷-氢气-空气混合燃料的安全使用提供相关参考。     

初始扰动对CO2抑制瓦斯爆炸特性研究*

为了预防实际生产过程中发生的瓦斯爆炸事故,利用20 L球形爆炸装置,通过改变粉尘仓充压压力产生不同的扰动,研究9.5%CH4浓度下不同扰动条件对CO2抑爆特性的影响。通过对所得参数进行分析,得到CO2抑爆特性与初始扰动的关系。研究结果表明:相较于均匀静置状态,初始扰动的存在均能提高CH4的爆炸强度,当引发初始扰动的粉尘仓压力为1.5 MPa时,最大爆炸压力达到0.78 MPa;随CO2浓度增大,爆炸强度整体下降,呈二次下降趋势、最大爆炸压力时间呈上升趋势,且各初始扰动压力间爆炸强度均大于均匀静置状态、最大爆炸压力时间小于均匀静置状态;同时利用CHEMKIN软件得到绝热平衡压力,计算热损失参数发现,同一气体混合比例工况下,初始扰动状态的热损失及热损失分数明显低于均匀静置状态的,且当CO2浓度为15%时,差距最大,不同初始扰动间热损失及热损失分数最小值分别为0.013 19 kJ/m2,17.9%,远小于静置状态下0.036 29 kJ/m2,46.4%,说明初始扰动对于CO2抑爆效果存在削弱作用。