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。     

油气浓度对半开口管道爆炸超压特性与火焰行为的影响

为了研究油气浓度对半开口管道爆炸超压特性与火焰行为的影响,建立半开口透明管道实验台架,采用5种不同初始油气浓度,进行了一系列油气爆炸对比实验。研究结果表明:油气浓度对油气爆炸超压峰值以及升压速率有显著影响,二者都呈现随浓度的增加先增大后减小的变化规律;油气浓度对火焰锋面传播速度有着显著影响,在当量浓度比下,火焰锋面的传播速度最大,并且火焰锋面的传播距离也最远;管道内的火焰行为可以分为4个阶段;油气浓度对火焰传播形态以及传播速度有明显的影响,对火焰传播形态的影响主要体现在破坏变形以及管道外爆炸阶段,随着浓度增加,爆炸半径先增大后减小,火焰传播速度呈现相同的变化规律。     

大长径比管道汽油-空气混合气爆炸与抑制实验研究*

为探究狭长受限空间中油气爆炸失控时的发展状态,探索高效环保的油气爆炸抑制方法,利用长径比155的管道开展92号汽油-空气混合气爆炸发展规律和七氟丙烷主动抑爆技术研究。通过测量不同端部开口条件下油气爆炸超压、火焰传播速度、火焰强度等参数,对比研究空爆和抑爆工况下的油气爆炸变化规律,探讨长直管道中的油气爆炸特性,分析七氟丙烷抑爆效果。结果表明:大长径比管道中,端部开口泄爆对降低油气爆炸破坏能力的作用较小,开口与否对最大超压峰值的出现位置有影响;长直管道空爆时,油气爆炸由爆燃发展成爆轰,管道尾部的爆轰波速可达近2 000 m/s;密闭管道中,爆轰发生前火焰传播呈“已燃区-火焰锋面-待燃区-前驱激波-未燃区”的2波3区结构;主动抑爆方式下七氟丙烷抑爆效果良好,最大超压峰值降低幅度可达90%,火焰传播被及时阻断。     

缝洞型管道瓦斯爆炸特性数值模拟研究

为探究采空区遗煤、松散破碎岩块对瓦斯爆炸的影响，建立缝洞型管道模型，采用数值模拟与理论分析结合方法研究采空区内缝洞型管道内瓦斯爆炸的传播规律及管道长径比对瓦斯爆炸过程中速度与冲击波的影响。研究结果表明:在缝洞型结构内，随着火焰沿管道向前传播，各监测点速度逐渐变大、压力先增加后降低，而压力上升速率则表现出不规则的变化；缝洞结构加剧了火焰燃烧的剧烈程度，提高了管道内各监测点的温度峰值；在缝洞型管道内随长径比r增加，各监测点最大压力峰值以及速度大小依次降低。     

狭长管道油气爆炸流场分布特征规律及分析

为研究狭长管道油气爆炸流场分布特征规律,搭建了狭长管道油气爆炸实验系统 ,并在狭长密闭管道中进行了油气爆炸实验。通过采集爆炸超压值和火焰强度值并进行 分析,得到以下结论:随着初始油气体积分数的增大,管道沿线最大爆炸超压值和升压 速率均呈现先增大后减小的趋势,在1.75%时达到最大,并且初始油气体积分数越接近 1.75%,升压速率增大越快;根据管道沿线最大超压分布规律可将初始油气体积分数分 为1.25%~1.55%、1.55%~2.20%、2.20%~2.65%3个部分;管道末端出现二次爆炸现象,爆 炸超压变化曲线可分为点火延迟、一次爆炸、二次爆炸、振荡衰减4个阶段;火焰持续 时间随油气体积分数的增加先下降后上升,油气体积分数为1.75%时火焰持续时间最短 。     

单侧弱面受限空间油气爆炸超压荷载的实验研究

为了研究油气在单侧含有弱面结构受限空间中的爆炸特征,构建了单侧开口短管道汽油蒸汽爆炸实验系统,研究了不同开口面积下汽油蒸汽爆炸过程中超压的变化规律。研究结果表明:开口率为25%和50%条件下,内场仅有一个超压峰值P_B,外场轴向有2个超压峰值P_B和P_(FV),且外场沿轴向和纵向超压值相差较大;开口率为100%条件下,内外场均有2个超压峰值P_B和P_(FVEXT),且轴向和纵向超压峰值相差较小;25%开口率和50%开口率条件下油气爆炸火焰形态为喷射状,但未发生外部爆炸;100%开口率条件下火焰形态为蘑菇状,并且发生外部爆炸;随着初始油气浓度的升高,腔体内外超压峰值均先增大后减小,内外场最大超压峰值所对应的油气浓度为1.69%,外部爆炸超压峰值的最大值对应油气浓度为2.12%;随着初始点火能的升高,爆炸过程中的内外超压峰值均升高,而且外部爆炸发生所对应的初始油气浓度的范围增加。     

5种结构障碍物对火焰传播影响的试验研究

为了研究障碍物结构对预混甲烷管道内火焰传播速度和峰值超压的影响,自行设计一套火焰加速系统。在火焰加速管道上安装光电传感器和压力传感器分别测定火焰传播速度和超压,试验中选取5种结构障碍物,即平板、长方体、三棱柱、四棱柱和圆柱,其阻塞比分别为20%,40%和60%3种。研究结果表明:初始阶段障碍物阻碍火焰传播,当火焰越过障碍物后,障碍物能显著加速火焰传播。随着阻塞比增加,相同结构障碍物的火焰传播速度总体上不断增加,而峰值超压先变大后减小。相同阻塞比下,平板、三棱柱对火焰传播速度和超压影响相对较大;长方体居中;圆柱、四棱柱对增加火焰传播速度和超压作用相对较小。较小阻塞比障碍物管道内超压与无障碍物管道中的超压相比显著增加,但此后,管道中超压随阻塞比变化不明显。     

障碍物管道中H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究

为掌握不同因素和不同条件对H₂/空气管道预混气体火焰传播的作用和影响，应用FLACS软件在不同的当量比、燃料中的CO₂体积分数、障碍物数量和阻塞率等条件下，分别以火焰传播速度、超压、升压速率和温度等特征参数为表征，对半开口管道中H₂/空气预混火焰传播过程及其参数影响进行模拟研究。结果表明：当量比为1.2时，半开口管道中H₂/空气预混火焰最高温度最大，当量比为1时，H₂/空气爆炸压力的最大超压和最大升压速率最大；CO₂对H₂/空气预混火焰的传播具有明显的抑制作用，且随着燃料中CO₂体积分数的增加，抑制效果越突出，预混火焰最高温度、最大超压和最大升压速率也就越小；障碍物的存在对预混火焰的传播具有激励作用，且激励效果在一定程度内随着障碍物数量和阻塞率的增大而增大。     

多分支管道油气爆炸特性大涡模拟

为了研究油库常见的分支结构空间内发生油气爆炸时火焰和压力的传播特性,建立了基于WALE湍流模型及Zimont预混火焰模型的油气爆炸模型;模拟了6种不同分支管道结构空间内汽油/空气混合物爆炸发生发展过程;研究了分支管道数量及相对设置位置对爆炸超压的影响规律,以及分支管道对火焰传播形态和速度的影响规律;模拟结果与前人相关实验规律进行对比。研究结果表明:分支管道对汽油/空气混合气预混爆炸具有明显的强化激励作用;火焰锋面传播经过分支管道时,经历规则—褶皱—规则的变化过程;主管道内火焰传播速度,在分支管道对流场的突扩作用和湍流作用的共同影响下呈震荡变化的规律。     

大尺度管道中煤粉爆炸的试验研究

煤粉爆炸传播特性的试验研究对于深入了解和预防矿井煤尘爆炸事故有重要意义。利用自制的长29.6 m,内径199 mm的试验管道,对煤粉-空气混合物爆炸压力波传播过程进行试验研究。采用压电传感器测量压力信号,得到爆炸压力波沿管道传播过程中不同测点处的压力时间历程曲线,探讨煤粉粒度和浓度对其爆炸超压的影响规律。结果表明:煤粉-空气混和物在弱点火条件下能够实现粉尘火焰的形成和传播。煤粉爆炸压力波传播过程中速度为400~430 m/s,峰值超压为68~72 kPa。煤粉爆炸峰值超压随着煤粉粒度的减小而增大,但煤粉粒度对其爆炸峰值超压的影响程度随着浓度的增加将逐渐减弱。     

含弱约束端面直角管道汽油蒸气爆炸及七氟丙烷抑爆研究*

为研究七氟丙烷对汽油蒸气爆炸抑制作用,搭建含弱约束端面直角管道汽油蒸气爆炸抑制实验系统,开展汽油蒸气爆炸实验研究,并与喷入七氟丙烷抑爆介质进行对比,分析爆炸超压值、火焰强度值和火焰传播速度等爆炸特性参数变化情况。结果表明:在1.3%,1.5%和1.7%汽油蒸气体积分数下,不加抑爆介质时,爆炸超压值、火焰强度和火焰传播速度随着汽油蒸气体积分数的升高而增大;将七氟丙烷作为抑爆介质喷入时,爆炸超压峰值分别下降91.06%,34.57%和50.92%,火焰强度降幅达到99.83%,火焰传播速度几乎降为0,火焰持续时间随之缩短几乎为0,七氟丙烷具有良好的阻隔防爆效果。     

Experimental study on water sealing of fire barriers and explosion venting of large-scale pipeline with low-concentration gas

Low-concentration gas transported in pipelines may lead to explosion accidents because gas with a concentration of less than 30% is prone to explode. To reduce the incidence of gas explosions, water sealing of fire barriers is implemented, and explosion venting devices are installed along the pipeline. To investigate their suppression effect on low-concentration gas explosion, experiments using methane–air premixed gas under different conditions were implemented on a DN500 pipeline test system. The effects of three types of explosion venting forms (rupture disc, asbestos board, and plastic film) on explosion overpressure and flame were compared and analysed. Results show that the rupture disc, asbestos board, and plastic film can achieve adequate explosion venting, causing the peak decay rates of explosion overpressure to reach 82.37%, 81.72%, and 90.79%, respectively. The foregoing indicates that the greater the static activation pressure of the explosion venting form, the higher the peak explosion overpressure at each measurement point. Moreover, the shorter the explosion flame duration, the greater the flame propagation velocity. The research results provide an essential theoretical foundation for the effective suppression of gas explosion accidents in the process of low-concentration gas transportation.     

The effect of orifice plates with different shapes on explosion propagation of premixed methane–air in a semi-confined pipeline

The effect of internal shape of obstacles on the deflagration of premixed methane–air (concentration of 10%) was experimentally investigated in a semi-confined steel pipeline (with a square cross section size of 80 mm × 80 mm and 4 m long). The obstacles used in this study were circular, square, triangular and gear-shaped (4-teeth, 6-teeth and 8-teeth) orifice plates with a blockage ratio of 75%, and the perimeter of the orifice was regarded as a criterion for determining the sharpness of the orifice plate. The overpressure history, flame intensity histories, flame front propagation speed, maximum flame intensity and peak explosion overpressure were analyzed. The explosion in the pipeline can be divided into two stages: initial explosion and secondary explosion. The secondary explosion is caused by recoiled flame. The perimeter is positively related to the intensity of the recoiled flame and the ability of orifice plate to suppress the explosion propagation. In addition, the increase in the perimeter will cause the acceleration of the flame passing through the orifice plate, while after the perimeter of the orifice reaches a certain value, the effect of the increase in perimeter on explosion excitation becomes no obvious. The overpressure (static pressure) downstream of the orifice plate is the result of the combined effect of explosion intensity and turbulence. The increase in perimeter leads to the increase in turbulence downstream of the orifice plate which in turn causes more explosion pressure to be converted into dynamic pressure.     

空腔及其耦合水袋抑制瓦斯爆炸实验研究

为探索一种新型瓦斯抑爆技术,设计宽径比分别为1.5,2.5,4的矩形空腔体,并基于自行搭建的长36 m,管径为200 mm的大型瓦斯爆炸实验系统,通过在管网中铺设不同宽径比空腔体结构开展抑爆实验。此外依托支护简单的宽径比为2.5的空腔体,在腔体内填充不同质量水袋开展实验,以期进一步提高空腔体抑爆性能。结果表明:对于长径比为2.5、高径比为1的空腔体在实验宽径比范围内均能在一定程度上抑制瓦斯爆炸强度;随着腔体宽径比的增加,截面面积变化率增大,火焰及冲击波超压峰值衰减幅度越大,抑爆效果越佳;空腔耦合抑爆剂水能提高腔体的抑爆效果,在实验范围内较纯空腔可使火焰抑制率最大提高70%,超压峰值抑制率最大提高263%。     

开口钢管内甲烷爆炸火焰厚度和压力发展特征

通过搭建长为20m、截面为0.08m×0.08m的非绝热开口钢管,研究了甲烷与空气预混气体发生爆炸后的火焰和压力发展特征。实验结果表明:火焰信号最强的时刻对应于火焰前锋反应区内某时刻,而火焰信号起始上升时刻与火焰前锋预热区起始时刻接近,应选择某点火焰信号起始上升时刻作为该点的火焰到达时间。随着远离点火源距离的增加,火焰厚度呈现先变薄后变厚的变化趋势,最大超压呈现先减小、后增大、再减小的趋势,火焰传播速度则呈先增大后减小的变化过程。非绝热开口钢管的实验条件对爆炸超压和火焰传播速度的影响较大。研究成果可为甲烷爆炸致灾机制及防控的研究提供参考。