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。     

大型相连容器中火焰传播的研究

为了进一步了解相连装置中粉尘爆炸的火焰传播行为和压力发展,为该结构的安全防护设计提供有价值的信息,采用大型实验装置对相连容器中玉米淀粉/空气混合物爆炸时的火焰传播行为进行了实验研究,同时采用已开发的数值模型对实验进行仿真计算。实验表明:粉尘浓度的变化对粉尘爆炸的火焰传播行为有重要影响;在粉尘浓度很低的情况下,火焰仍然能够在管道中加速传播且爆炸发展的最终结果相当猛烈。数值模型采用欧拉-拉格朗日方法模拟两相流现象,通过求解非稳态的湍流两相反应流守恒方程对实验进行二维仿真,计算结果与实验结果符合性较好,表明该模型可以很好地应用于粉尘爆炸火焰传播的研究。     

直线管道煤尘爆炸火焰传播规律的试验研究

为提供煤尘爆炸事故预防和缓解所需的科学依据,对煤尘爆炸火焰传播过程进行试验研究。所用试验装置,其主要部分为直径0.3 m的圆形管道与断面边长为80 mm的方形管道对接形成的一个长2 m的爆炸腔体。在其中共进行9次煤尘爆炸试验。结果表明,煤尘爆炸火焰传播具有速度快,波动大,稳定性较差的特点,火焰区长度远大于扬尘区长度,最大火焰速度和传播距离与煤尘量均不存在正比例关系,但存在一个特定的煤尘质量浓度。在这个特定质量浓度处,最大火焰速度达到最大值。当煤尘质量浓度大于这个特定质量浓度时,火焰传播速度曲线整体下降,暂时缺氧被认为是导致这一情况的重要因素。     

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。     

以氢气为主要成分的其他可燃气体对低浓度甲烷爆炸特性的影响

为研究矿井火区中一氧化碳(CO)、氢气(H_2)、乙烯(C_2H_4)和乙烷(C_2H_6)等其他可燃气体对甲烷(CH_4)爆炸特性的影响,利用可视球形气体爆炸系统开展了多元可燃气体爆炸压力特性试验,观察并分析了峰值爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及其相应时间。通过高速摄影系统拍摄了视窗范围内爆炸火焰传播图像,基于边缘检测方法确定了火焰前锋位置,继而得到最大火焰传播速度。分析了以氢气为主要成分的其他可燃气体对低浓度CH_4-空气混合物压力特性和火焰传播行为的影响。结果表明,多元可燃气体的存在增加了低浓度CH_4-空气混合物的爆炸危险性。随混合气体体积分数增加,低浓度CH_4-空气混合物的峰值爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和最大火焰传播速度非线性增加;此外,到达峰值爆炸压力、最大爆炸压力上升速率的时间显著缩短。     

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。     

障碍物对开敞空间贫燃天然气爆炸特性的影响研究

为揭示贫燃条件下障碍物对开敞空间天然气爆炸特性的影响,试验记录了火焰传播形态和爆炸压力,并对火焰结构和压力空间分布进行了数值分析.结果表明:在无障碍物工况下,火焰近似以球形向外膨胀传播,火焰表面较为连续,火焰传播速度较慢,爆炸压力较低;而在障碍物的湍流扰动下,火焰表面出现较大的"褶皱"结构,火焰燃烧表面积显著增大,火焰传播速度升高,爆炸压力也相应增大.相比于由障碍物引起的火焰加速作用,因流体动力学不稳定性产生的失稳效应可忽略不计.由温度分布可清晰观察火焰表面"褶皱"结构的形成过程,计算所得的爆炸压力达到峰值时间较早,且超压峰值相比试验值较低.     

2-氢七氟丙烷熄灭聚甲基丙烯酸甲酯燃烧火焰的实验研究

采用二视窗小型燃烧室和数码摄像技术分别研究了2-氢七氟丙烷和二氧化碳对聚甲基丙烯酸甲酯(RMMA)燃烧火焰的熄灭过程;探讨了2-氢七氟丙烷对PMMA的点火延迟时间、火焰形貌和燃烧速率的影响;同时,运用傅立叶变换红外光谱(FTIR)对PMMA熄火表面的化学成份进行了分析.结果发现:极低浓度的2-氢七氟丙烷不仅不能灭火反而还能够促进PMMA的点火和燃烧,但在灭火剂浓度相对较高的情况下,2-氢七氟丙烷抑制样品点火和燃烧的能力要远高于二氧化碳.与二氧化碳灭火剂相比,2-氢七氟丙烷具有灭火浓度低、灭火效率高和灭火速度快等明显优点.此外,FTIR的分析结果显示PMMA熄火表面的化学成份没有明显变化,这表明2-氢七氟丙烷对RMMA燃烧火焰的熄灭作用可能主要是发生在气相中.     

小型管道中瓦斯爆炸火焰传播特性的实验研究

自行设计了内径88mm、壁厚6mm、总长1600mm、点火孔20mm的小型瓦斯爆炸实验管道,结构简单、操作方便,具有可观察性。采用高速摄录分析系统,对不同浓度瓦斯爆炸初期火焰传播特性进行了实验研究。结果表明:瓦斯爆炸初始阶段,火源引爆瓦斯到形成明显的、大强度的火焰传播的时间约为10~30ms;随着瓦斯浓度增大,爆炸感应期逐渐变短;瓦斯爆炸的火焰传播有一个突变过程,瓦斯浓度越大,达到突变的时间越短;当燃烧波在开始移动到5~10倍巷道宽度距离后,便开始明显加速,达到爆燃;当瓦斯爆炸火焰冲出管道时,爆炸火焰速度又一次加快。实验结果验证了该实验台研究瓦斯爆炸是可行的。     

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。     

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.     

Experimental study of the effect of nitrogen addition on gas explosion

Flame propagation and combustion characteristics of methane/air mixed gas in gas explosion were studied in a constant volume combustion bomb. Stretched flame propagation velocity, unstretched laminar flame propagation velocity, unstretched laminar combustion velocity and Markstein length were obtained at various ratios of nitrogen to gas mixture. Combustion stability at various ratios of nitrogen to gas mixture was analyzed by analyzing the pictures of flame propagation. Furthermore, the effect of initial pressure on the flame propagation and combustion characteristics of methane/air mixed gas in gas explosion was analyzed. The results show that the unstretched laminar flame propagation velocity, the unstretched laminar combustion velocity, Markstein length, flame stability, and the maximum combustion pressure decrease distinctly with the increase of nitrogen fraction in the gas mixture. At the same ratios of nitrogen to gas mixture, Markstein length, unstretched laminar flame propagation velocity and unstretched laminar combustion velocity decrease and the maximum combustion pressure increase with the increase of initial pressure of the gas mixture. When nitrogen fraction in the gas mixture is over 20%, the flame will be unstable and is easy to exterminate.     

长径比对管道油气爆炸特性与火焰传播规律影响研究*

为了探究长径比对油气爆炸传播特性与火焰传播规律的影响，为复杂管道受限空间油气爆炸防控提供理论参考，结合油气爆炸与爆炸抑制工程实际需要，构建不同长径比管道油气爆炸模拟实验系统,在此基础上开展不同初始浓度的预混油气-空气混合气爆炸实验。研究结果表明:管道内部的预混油气爆炸超压信号呈先上升后下降的趋势，由于耗散以及憋压效应导致超压下降平稳后仍大于初始压力；同时长径比增加会导致达到最大爆炸超压的油气浓度增加，油气爆炸超压峰值随着长径比的增加呈现上升→下降→上升的规律，小长径比管道的油气爆炸超压峰值高于大长径比管道，但同为小长径比管道或大长径比管道工况的实验结果对比显示爆炸超压峰值随着长径比增加而提升；而超压上升速率则会随着长径比的增加而上升；长径比的增加同时也会促进火焰的加速传播并减小火焰持续时间。     

2,5-二甲基呋喃-空气燃烧过程研究

利用球形发展火焰研究了常温常压下不同当量比,不同相态时2,5-二甲基呋喃-空气的层流燃烧速度和马克斯坦长度,分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响。研究结果表明:随着当量比的增加,2,5-二甲基呋喃-空气混合气的马克斯坦长度减少,火焰的稳定性减弱。并且分别计算出当量比为1.25和1.5的层流燃烧速度,分别为:1.189m/s,1.135m/s.。对于同一当量比1.5的情况下,不同相态的2,5-二甲基呋喃-空气混合物,在相同时刻的气液两相混合物的火焰半径已经拉伸火焰传播速度远远大于纯气相的混合物。     

管道内甲烷/空气预混火焰加速传播特性研究

搭建了基于可视化燃烧管道的预混火焰精细结构实验台,通过理论分析和实验等手段对预混火焰的瞬态传播过程及加速传播特性进行了研究,分析得出了不同甲烷含量的预混火焰加速传播规律及预混火焰由层流向湍流的转变规律.     

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。     

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.