水雾抑制气体爆炸火焰传播的实验研究

利用自行设计的全程透明的火焰加速管系统和细水雾实验系统 ,对不同水雾条件下的气体火焰传播现象进行了实验研究。运用光电传感器与CCD摄像技术 ,笔者分析了不同水雾条件下的甲烷预混气体火焰传播速度、传播火焰阵面轨迹 ;探讨了水雾抑制气体火焰传播的机理及条件。实验发现了在一定条件水雾作用下的气体传播火焰阵面拉伸与火焰驻留的现象与条件 ,实验结果表明 :水雾对气体爆炸火焰传播的抑制是由于水雾作用于火焰阵面反应区 ,降低了反应区内火焰温度和气体燃烧速度 ,减缓了火焰阵面传热与传质的进行 ,从而使传播火焰得以抑制 ;而水雾对气体爆炸火焰传播的抑制效果与水雾通量、雾区浓度、水雾区长度以及火焰到达水雾区的火焰传播速度有关     

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。     

楔形障碍物与火焰的作用

采用多镜头Cranz ＆ Schardin高速摄影机,对卧式燃烧方管内楔形障碍物与CH4/空气预混火焰的相互作用进行了实验研究,获得了高清淅度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片.基于RANS方法,对上述复杂物理现象进行了数值模拟.计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程,得到了楔形障碍物所导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质.     

乙炔-空气预混火焰在狭窄通道中的传播与熄灭

针对预混火焰在狭窄通道中传播过程的研究是进行阻隔防爆技术研发的基础。本文首先通过数值计算模拟了预混乙炔一空气爆燃火焰在狭窄通道中的传播与熄灭过程,然后采用高速数字摄像技术对火焰的传播过程进行捕捉,分析临界火焰传播速度、狭缝高度和熄灭长度之间的关系。研究结果均表明,当狭缝高度一定时,临界火焰传播速度越大,熄灭长度越大,熄灭长度与临界火焰传播速度近似呈正比例关系。在相同的临界火焰传播速度条件下,随着狭缝高度的增加,熄灭长度值迅速增大,说明狭缝高度对预混火焰的传播与熄灭有显著影响。本文研究成果将可为工业阻火防爆装置的设计和实际应用提供参考依据。     

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。     

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.     

立体结构障碍物对甲烷预混火焰传播影响的研究

使用自行设计的火焰加速试验系统,研究了3种立体结构障碍物对管道内预混火焰传播速度和超压的影响。选用长方体、正四棱柱和圆柱,其阻塞比均为40%。结果表明,管道内障碍物对火焰传播的初始阶段起阻碍作用,当火焰越过障碍物后,障碍物加速火焰传播过程。有障碍物时管道内最大火焰传播速度和峰值超压比无障碍物时要大。随着点火距离的增大,管道中最大火焰传播速度和超压先变大后减小。当障碍物位于约6倍管径处时,对管道中火焰传播速度和超压影响最大。点火距离的改变对火焰传播速度的影响大于对管道内超压的影响。     

可燃气体爆炸破坏效应的试验研究

借助高速摄像机及ProAnalyst软件,研究可燃气体体积分数和障碍物对可燃气体爆炸破坏力的影响。测定不同体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸冲击波超压,和爆炸火焰波在有无乒乓球方向传播的平均速度。试验结果表明:超压和平均速度均随着甲烷体积分数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,其最大值均出现在甲烷体积分数为10%～11%之间;同一体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸火焰波在有乒乓球方向传播的平均速度比没有乒乓球方向传播的平均速度大。根据试验结果,推导出可燃气体爆炸冲击波超压和爆炸火焰波传播平均速度与可燃气体体积分数之间的函数关系,并得出障碍物对爆炸火焰波传播的加速作用随着体积分数的增加呈现先加强后减弱的变化趋势。     

障碍物管道中预混火焰传播物理机理的试验研究

研究氢气/空气预混火焰加速过程的物理机理对氢气爆炸灾害预防和控制有重要意义。采用压力-时间记录法和纹影法两种测试方法,开展了常温常压下二元燃料氢气/丙烷和空气混合气体在带有阻塞比为0.5的孔板形障碍物、40 mm×40 mm×3 000 mm的方管中预混火焰传播物理机理的试验研究。结果表明,由压力传感器所测的火焰传播速度沿管道轴线方向先增加后逐渐减小。通过纹影法所测的火焰传播速度在可视化范围内逐渐增加。火焰加速初始阶段的主要物理机理是火焰表面积增加、燃烧产物膨胀和障碍物间的延迟燃烧等。     

预混乙炔-空气爆燃火焰在平板狭缝中传播与熄灭的实验研究

通过对预混乙炔-空气爆燃火焰在平板狭缝中的传播与熄灭过程进行试验研究，分析临界火焰传播速度、狭缝高度和熄灭长度之间的关系。实验结果表明，当狭缝高度一定时，临界火焰传播速度越大，熄灭长度越大，熄灭长度与临界火焰传播速度近似呈正比例关系。在相同的临界火焰传播速度条件下，随着狭缝高度的增加，熄灭长度值迅速增大，说明狭缝高度对预混火焰的传播与熄灭有显著影响。     

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。     

障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律的影响

为了进一步探究瓦斯煤尘耦合爆炸火焰的传播规律,用自行搭建的半封闭垂直管道爆炸试验系统,研究障碍物对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响。研究结果表明:障碍物能显著提高瓦斯煤尘爆炸火焰的传播速度,其加速机理主要是障碍物诱导的湍流区会促进火焰的传播;火焰在传播过程中的加速度不是一直增加,随着火焰速度的增加会出现上下波动;煤尘的加入会使瓦斯爆炸产生的火焰传播速度显著增大及速度的最大值距离点火端较远;通过障碍物时爆炸产生的火焰形状发生较大的改变,出现拉伸和褶皱现象。     

多孔材料对管道内甲烷-空气预混火焰传播的影响

为研究多孔材料对封闭管道内甲烷-空气预混气体火焰传播的影响,设计加工了横截面积为80 mm×80 mm的方形试验管道,运用自发光拍摄技术和动态压力传感器对甲烷-空气预混火焰在该管道内传播过程中形状变化和压力特性进行了实验研究。结果表明,在管道尾部放置3种不同材质的多孔材料时,其对爆炸压力均有一定的抑制作用,聚氨酯泡沫对管道内压力的衰减效果优于聚苯乙烯泡沫和自制泡沫材料。对压力曲线进行一次求导,得出了压力变化速率,结果与空管道实验相比,在放置多孔材料的管道内压力降低的速率更快,时间更短。     

Nonlinear distribution characteristics of flame regions from methane–air explosions in coal tunnels

High temperature flame fronts generated in methane–air explosions are one of the major hazards in underground coal mines. However, the distribution laws of the flame region in explosions of this type and the factors influencing such explosions have rarely been studied. In this work, the commercial software package AutoReaGas, a finite-volume computational code for fluid dynamics suitable for gas explosion and blast problems, was used to carry out numerical simulations of a series of methane–air explosion processes for various initial premixed methane–air regions and cross-sectional areas in full-scale coal tunnels. Based on the simulated results and related experiments, the mechanism of flame propagation beyond the initial premixed methane–air region and the main factors influencing the flame region were analyzed. The precursor shock wave and turbulence disturb the initial unburned methane–air mixture and the pure air in front of the flame. The pure air and unburned mixture subsequently move backward along the axial direction and mix partially. The enlargement of the region containing methane induces that the range of the methane–air flame greatly exceeds the initial premixed methane–air region. The flame speed beyond the initial region is nonzero but appreciably lower than that in the original premixed methane–air region. The length of the initial premixed methane–air region has substantial influence on the size of the flame region, with the latter increasing exponentially as the former increases. For realistic coal tunnels, the cross-sectional tunnel area is not an important influencing factor in the flame region. These conclusions provide a theoretical framework in which to analyze accident causes and effectively mitigate loss arising from the repetition of similar accidents.     

Effects of hydrogen addition on propagation characteristics of premixed methane/air flames

An experimental study has been conducted to investigate the effects of hydrogen addition on the fundamental propagation characteristics of methane/air premixed flames at different equivalence ratios in a venting duct. The hydrogen fraction in the methane–hydrogen mixture was varied from 0 to 1 at equivalence ratios of 0.8, 1.0 and 1.2. The results indicate that the tendency towards flame instability increased with the fraction of hydrogen, and the premixed hydrogen/methane flame underwent a complex shape change with the increasing hydrogen fraction. The tulip flame only formed when the fraction of hydrogen ranged from 0 to 50% at an equivalence ratio of 0.8. It was also found that the flame front speed and the overpressure increased significantly with the hydrogen fraction. For all equivalence ratios, the stoichiometric flame (Φ = 1.0) has the shortest time of flame propagation and the maximum overpressure.     

Effects of cross-wise obstacle position on methane–air deflagration characteristics

A vented chamber, with internal dimensions of 150 mm × 150 mm × 500 mm, is constructed in which the premixed methane–air deflagration flame, propagating away from the ignition source, interacts with obstacles along its path. Three obstacle configurations with different cross-wise positions are investigated. The cross-wise obstacle positions are found to have significant effects on deflagration characteristics, such as flame structure, flame front location, flame speed, and overpressure transients. The rate of flame acceleration, as the flame passes over the last obstacle, is the highest at the configuration with three centrally located obstacles, whereas the lowest is observed at the configuration with three obstacles mounted on one side of the chamber. Compared with the side configuration, the magnitude of overpressure generated increases by approximately 80% and 165% for the central and staggered configurations, respectively. Furthermore, flame propagation speeds and generated overpressures for both the central and staggered configurations are greater, which should to be avoided to reduce the risk associated with turbulent premixed deflagrations in practical processes.     

泡沫金属对甲烷/空气爆燃火焰的淬熄实验研究

为研究多孔材料对甲烷/空气预混气体爆燃火焰的抑制淬熄效果,运用一套自主设计的管道爆炸抑制系统进行实验研究。在实验中运用高速摄像机记录爆燃火焰在穿过多孔材料板时的淬熄过程,采用20,40,60,80PPI (孔目数) 的4种多孔材料,研究不同孔目数的多孔材料对爆燃火焰传播的形态结构、火焰传播速度以及抑制淬熄等特性的影响。结果表明:多孔材料的孔目数对爆燃火焰传播的早期阶段影响较小,爆燃火焰都经历了半球形火焰和指形火焰阶段;当火焰传播到多孔材料板时,孔目数越大对火焰的降速作用越强,80PPI工况下爆燃火焰不能穿过多孔材料板,即发生淬熄。实验结果揭示了多孔材料对火焰的淬熄作用与微孔通道和火焰的相互作用有关。