温度梯度影响爆燃转爆轰的数值模拟

采用一维带真实化学反应的Navier-Stokes方程对温度梯度影响爆燃转爆轰的过程进行了数值模拟.结果表明,点火温度的不均匀性对可燃预混气的燃烧模式有显著影响.在零温度梯度条件下,点火初期呈可燃气等容爆炸现象,随后发展为火焰传播;在小温度梯度下,点火后会导致爆轰形成,但很快衰减为爆燃过程;当温度梯度增加到合适值时,点火燃烧后可形成过驱爆轰并最终称为稳定爆轰状态;而温度梯度过大时,仅呈现正常火焰传播状态.不同温度梯度可以导致燃烧化学反应放热与热传导之间的竞争,因而形成了不同的燃烧模式.上述研究对实际过程中爆轰形成现象的防治有着一定的理论意义.     

爆炸形成过程中火焰加速的试验研究

为预防和控制工业爆炸事故,并为脉冲爆轰发动机的研究提供理论指导,分析火焰加速导致的燃烧转爆轰过程的影响因素。采用爆轰管探讨障碍物的阻塞比、混合物的组成、初始压力和点火能等4个因素对爆炸性气体火焰速度和爆轰压力的影响规律。试验结果表明:障碍物的存在能大大提高火焰速度和爆轰压力;爆轰压力随管内障碍物阻塞比的增大先变大后减小,并在阻塞比为0.498,燃料种类为天然气,化学当量比为1时达到最大;爆轰压力还随混合气体初始压力的增大和点火能的提高而增大。选择适宜的条件可大大提高火焰加速速率,促进燃烧向爆轰过程转变。     

Z型管道中气体火焰传播规律的实验研究

本文实验研究了丙烷／氧气／空气的当量比气体燃烧火焰通过两个90°弯管形成的“z”型管道的传播规律,通过改变第一个弯管前加速段的长度和改变气体浓度,实验研究了稳定爆轰波,非稳定爆轰波以及爆燃火焰通过“z”型管道的传播规律。利用光电传感器记录弯管前后的火焰传播速度,运用燃烧理论和爆轰波的理论对实验结果做了分析。结果表明:稳定爆轰波通过“z”型管道时传播速度有明显的下降;但“z”型管道对非稳定爆轰波的传播作用受到非稳定爆轰波自身速度的影响;爆燃火焰通过“z”型管道时火焰传播速度的变化呈现不确定性。     

超细Al(OH)3惰化粉体对铝合金抛丸废弃物粉尘的爆炸防控效果试验研究

为探究超细粉体惰化剂对铝合金抛丸伴生粉尘爆炸特性的影响规律，利用标准化Hartmann试验装置及自行搭建的试验平台，对不同惰化比(ε)条件下高纯度铝粉尘和铝合金抛丸废弃物粉尘爆炸传播特性进行试验研究。试验结果显示：不同类型的铝粉尘在不同惰化比条件下的爆炸敏感度、爆炸传播强度以及爆炸火焰传播形态演化等方面特性存在较大差异。由于高纯度铝粉尘燃烧反应活性高，最小点火能量和爆炸下限质量浓度分别是铝合金抛丸废弃物粉尘的6%和53.3%,其爆炸火焰传播速度峰值是铝合金抛丸废弃物粉尘的2.1倍。因此，在工程实践中不宜将高纯度铝粉尘相关爆炸参数作为铝合金抛丸作业现场燃烧爆炸风险评估依据。同时，当惰化比提高到30%时，铝合金抛丸废弃物粉尘的点火敏感性大幅降低，爆炸无法形成有效火焰进而传播，且在爆炸发生后很短时间内便会发生自行熄灭，即使在强点火条件下，也未发生火焰持续传播现象。因此，在铝合金抛丸生产现场采用添加一定量超细Al(OH)₃粉体以作为抑爆措施的惰化剂具有一定的可行性。     

柱形连通容器内预混气体爆炸过程的火焰传播模拟

为研究连通容器内气体爆炸规律,采用Fluent(经典流体动力学软件)对柱形连通容器内预混气体爆炸过程进行模拟,模拟了不同点火位置和火焰传播方向条件下连通容器内火焰传播过程和压力变化,并分析了连通容器内不同时刻的速度场.结果表明:火焰面在传播过程中并非完全对称,当火焰到达传爆容器后,湍流燃烧剧烈,火焰不规则变形显著;端面点火后在传爆容器内产生的压力峰值和压力波动比中心点火时更大;当起爆容器为大容器时,传爆容器内气体预压缩程度更大,压力峰值更高.     

半密闭空间油气爆炸初期火焰特性研究

为了研究半密闭空间内部油气着火爆炸初期火焰特性,进行了不同油气体积分数下的油气着火爆炸实验,通过高速摄影等技术手段对爆炸过程中火焰形态进行了捕捉,分析了不同油气体积分数下爆炸初期火焰着火模式、火焰形态、传播过程和火焰浮力稳定性的变化规律。结果表明:油气体积分数为决定容器内部着火模式的关键因素,随着油气体积分数的逐渐增大,着火模式呈现出燃烧-爆炸-爆燃后持续燃烧的转变;爆炸下的火焰具有明显的分区现象,而其他的着火模式则没有;随着油气体积分数的增加,越靠近化学当量比,纵向和横向火焰阵面速度越大;油气体积分数小于等于1.1%或大于等于2.6%时,火焰稳定性受浮力影响显著。     

氢气添加对乙醇/空气预混火焰燃烧特性影响的数值模拟研究

通过对不同混合比率的乙醇/氢气/空气燃烧特性进行数值模拟,研究氢气添加量对点火延迟时间、层流燃烧速度、火焰厚度、化学反应滞留时间及组分分布情况的影响。研究发现一定程度上氢气添加量的增加能够缩短混合气体的点火延迟时间,并且氢气对点火延迟时间的影响随着温度的升高而逐渐减小。随着混合比率的增大,层流燃烧速度增大,并且在混合比率大于0.4时显著增大。火焰厚度及化学反应滞留时间随氢气增加而逐渐减小。此外,进一步分析组分分布情况得知氢气添加使火焰中H*、O*、OH*自由基摩尔分数峰值增大,并且H+O+OH摩尔分数峰值与层流燃烧速度存在线性关系。     

柱形压力容器开口泄爆过程数值模拟研究

为研究柱形压力容器泄爆规律,采用经典流体力学软件FLUENT对典型的柱形压力容器泄爆过程进行数值模拟,分析从泄爆口开启到泄压结束时间段压力发展、火焰传播、气体流动及可燃气体浓度变化特性。结果表明:不同泄爆压力下容器内压力发展变化呈现不同特点,在较小泄爆压力情况下会出现压力再度上升的双峰现象。泄爆过程中产生的湍流沿泄爆口附近容器壁拉长火焰面,并加快燃烧速率。同时就容器内不同点火位置对爆炸强度影响进行研究,得出在泄爆压力为0.04 MPa时,底面点火对本柱形压力容器产生的最大升压速率约为中心点火最大升压速率的1.4倍。     

丙烷/空气拉伸火焰传播稳定性实验研究

为了揭示空气中丙烷火焰传播特性,利用纹影系统记录了预混气体小能量点火条件下火焰形成与传播过程,得到了火焰表面的微观结构特征,分析了混合气体火焰的稳定性及其影响因素。结果表明:丙烷/空气混合物火焰发展过程及其表面微观特征与浓度直接相关;当混合物浓度接近爆炸上下限时,火焰扩展速率整体不大于0.5 m/s,燃烧区域向上漂浮,浮力成为影响火焰失稳的主导因素;当混合物浓度靠理论配比时,火焰呈规则球形扩展,火焰稳定性按照先减弱后增强的趋势发展,火焰表面褶皱的形成及演化规律是热扩散不稳定性和流体力学不稳定性共存与竞争的作用结果。     

约束空间可燃气体燃烧爆轰特性的数值研究

在可燃气体的输送、贮存、加工和使用过程中,容易发生可燃气体的燃烧和爆炸事故。文中基于有限体积方法,采用五阶WENO格式进行左右状态量的重构后,利用ROE格式进行空间离散,自行开发程序对甲烷氧气的气相爆轰波传播过程进行了数值研究。计算结果表明:在CH4质量分数为10%的混合气体中,高温高压气团可诱导气相发生爆轰,爆轰波以2133.3 m/s的速度传播。在带有障碍物的约束空间内,文中分析了障碍物不同高度、不同间距条件下爆轰波传播时波的绕射、马赫反射等现象,给出障碍物表面压力随时间变化历程和冲量值,揭示波与障碍物的相互作用机理以及由此引发流场的变化规律,为有效地控制可燃气体的燃烧速率、防治爆炸灾害的发生提供理论依据。     

连通器内预混气体泄爆过程的数值模拟

连通器内预混爆炸性混合气体被点燃后，随着气体燃烧火焰的传播，而发展成爆轰，压力急剧上升，故研究连通器安装爆破片后，泄爆过程的数值模拟有其重要价值。采用有限元的方法，对连通器内预混气体的火焰传播和泄爆过程进行数值模拟。通过模拟获得了不同时刻燃爆的速度场、密度场、浓度场、温度场，为工程上防爆、抑爆、泄爆提供了理论基础和数据。     

添加H2对生物质气层流燃烧特性的影响

为研究H₂对生物质气层流燃烧特性的影响，在内径和长度均为200 mm,点火位置为正中央的圆柱形定容燃烧弹内进行当量比为0.6～1.4、H₂体积分数为7.15%～33.15%的掺氢生物质气/空气燃烧试验。利用高速摄像仪采集火焰传播图片，并通过计算分析软件Chemkin-Pro进行化学反应路径分析。研究结果表明：添加H₂对生物质气/空气的层流燃烧速度起促进作用，在贫燃侧增长效应平稳而在富燃侧增长效应显著，使火焰的不稳定性增强；火焰结构中主要自由基浓度的增大是引起层流燃烧速度增大的主要化学动力学原因；H₂主要通过参与HCO基团氧化加快反应速率，富燃侧层流燃烧速度显著增大的原因是H₂作用的路径多为有O₂参与的反应。     

封闭管道油气爆炸超压及火焰传播特性

对油气在封闭管道内的爆炸特性进行研究，发现爆炸超压发展过程可以分为3个阶段:第1次超压上升阶段、第2次超压上升阶段和超压下降阶段。初始油气浓度对爆炸初始阶段的发展有很大影响，油气浓度为1.73%时发展最激烈；当初始油气浓度较高时，在最大超压峰值附近，会产生压力振荡现象；初始油气浓度对Tulip火焰的形成及发展有较大影响，各种浓度油气的爆炸，都有形成Tulip火焰的趋势；当油气浓度适中时，Tulip火焰会一直传播到管道末端，当油气浓度较高或较低时，火焰锋面会经由鲨鱼嘴形状火焰转变为刀尖形火焰，当初始油气浓度为1.73%时，最容易发展形成Tuilp火焰。     

20 Ah LiFePO_4电池燃烧过程及温度特性研究

为预防磷酸铁锂(LiFePO_4)电池热失控事故,在燃烧试验箱中开展20 Ah LiFePO_4电池热失控试验,分析其在3种荷电状态(SOC)下的燃烧过程、温度特性、质量和电压变化;分析射流火焰演化过程,探讨SOC对电池表面温度、火焰温度和质量损失的影响,并划分电池的电压变化阶段。结果表明:20 Ah LiFePO_4电池燃烧过程中,热失控会发生2次,且第2次热失控危险性更高;最多会形成5次射流火焰并伴随有火焰推举现象;随着SOC的增加电池表面温度、失重、火灾危险性和质量损失速率越来越大,燃烧持续时间与SOC成反比; SOC对热失控发生时表面不同位置处的温度、火焰温度和电压影响不大。     

变截面管道中气云的燃爆传播研究

工业尾气回收网结构复杂,存在许多变径结构,回收气体大多燃易爆,因此有发生燃爆事故的风险.为探究变径结构对可燃气云燃爆过程的影响,在管长为0.5m变截面管道内,采用预混燃烧模型和Zimont湍流燃烧模型,对可燃预混气体燃爆特性开展了大涡模拟(LES)研究.结果 表明:在0.5m管长的通径管道内,管道截面越小,管壁对火焰的约束作用越大,壁面反射增强,管道壁面形成的湍流加速壁面附近的火焰传播速度,使得Tulip火焰出现越早,达到最大火焰传播速度的位置距点火端越近;管道截面越小,火焰厚度越大.不同管道结构下Tulip火焰结构不同,在突缩和连续突缩管道中Tulip火焰产生变形,火焰锋面不再光滑;变截面结构对火焰传播有激励作用,管道内截面变化后涡团的产生和演化加速了火焰传播,突缩管道结构对火焰传播有明显的加速作用,因此尾气回收管网设计需尽量减少突缩管道结构或在突缩管道结构位置增加阻火装置.     

Hele-Shaw通道内瓦斯爆炸火焰特性试验研究

为探究甲烷/空气预混气体当量比对Hele-Shaw通道内火焰爆燃特性的影响，自行设计搭建尺寸(长×宽×厚)为950 mm×200 mm×6 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道试验平台。通过改变试验平台厚度研究通道间隙对甲烷/空气预混气体火焰结构与传播特性的影响。结果表明，不同的通道厚度和当量比对火焰锋面结构和火焰传播动态特性有显著影响。当通道厚度为6 mm时，最大火焰传播速度发生在化学当量比下，为12.84 m/s,且在该工况下火焰最先到通道末端，时间为518.57 ms。当量比为0.8的贫燃状态时，在火焰不稳定性的作用下，火焰传播后期出现二次振荡现象及手指形的火焰锋面。随着通道厚度的减小，火焰到达通道末端的时间逐渐变长，对火焰整体传播速度有明显的抑制作用。     

密闭空间内天然气混合及爆炸传播规律研究

为研究密闭容器内甲烷-空气不均匀分布对混合气体燃烧的影响,将数值模拟和实验相结合,发现在重力作用下混合气体浓度分布不均匀,长径比越大的容器,混合气体浓度分布梯度越大。混合气体浓度分布影响气体火焰传播规律。宏观浓度为5%的甲烷与空气混合后,容器上部甲烷浓度高于5%,在该处点火时非均匀混合甲烷-空气火焰传播较快,非均匀混合气体的爆炸压力比均匀混合气体压力上升快,且分层混合气体的超压峰值高于均匀混合气体的值。由于浓度分布不均匀,点火位置影响甲烷/空气火焰传播的规律。     

惰性气体抑制瓦斯爆燃火焰传播特性实验研究*

为研究惰性气体抑制瓦斯爆燃火焰传播特性,在自行搭建的中尺度爆炸激波管道上,采用数据采集系统、压电式传感器、火焰传感器、同步控制系统和激光纹影测试系统,通过对比4种不同喷射压力（0.5,1.5,2.5,3.5 MPa）的实验工况,选用N2做为惰性介质时抑制火焰的传播特性与喷射压力密切相关,火焰传播速度随着喷射压力增加呈现先增加后减弱的趋势。研究结果表明:少量N2在管道中扩散,加剧了未反应预混气体的扰动状态,造成火焰阵面褶皱的卷吸能力增强,进而加速化学反应进程,促进预混气体燃烧;喷射压力为1.5 MPa时,火焰阵面拉升、变形最强,火焰传播速度提高,最高可达到250 m/s;喷射压力为3.5 MPa时,火焰阵面出现明显三维凹陷结构,运动发生明显滞后现象,火焰传播速度大幅度降低至5.4 m/s,惰性气体抑制火焰传播效果明显。     

长直水平管道中铝粉/空气混合物爆炸试验研究

在长为32.4 m,内径为0.199 m的大型长直水平管道中对铝粉/空气两相流的爆炸过程进行了试验研究.试验初始压力为0.14MPa,初始温度为20℃,水平布置17个传感器对试验数据进行测量记录.采用40J电火花进行点火,对铝粉/空气混合物燃烧转爆轰过程(DDT)进行分析,并对不同质量浓度时混合物的燃爆情况进行比较.结果表明:铝粉质量浓度为184 g/m3时,铝粉/空气混合物未被引燃;铝粉质量浓度为230 g/m3时,水平管道末端刚好进入爆轰阶段,此质量浓度为该条件下燃烧转爆轰的最低临界质量浓度;质量浓度为276g/m3、367 g/m3、459 g/m3 505g/m3、551 g/m3、643 g/m3时,均能在此水平管道内完成爆燃向爆轰的转变,并且能够自持.铝粉/空气混合物爆轰的最优质量浓度为551 g/m3.对质量浓度为505 g/m3时的铝粉/空气混合物的燃烧转爆轰过程进行分析,进入爆轰阶段后,多相燃料空气混合物爆轰超压和速度曲线呈现随距离传播不断振荡,但均值稳定的典型特征,其爆轰波胞格尺寸λ约为0.486m.     

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。