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。     

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。     

长管中立体障碍物对瓦斯爆炸特性影响的研究

管道内可燃气体火焰传播与障碍物相互作用的过程的研究对爆炸场所预估和防爆工程设计具有重要的意义,在实际生产、生活中,火焰传播方向上的障碍物往往具有立体结构,基本没有平面结构,因此,利用长管密闭容器,在立体障碍物存在的条件下,研究了瓦斯爆炸压力和火焰传播速度。研究结果表明:随着障碍物数量的增加,瓦斯爆炸压力和火焰传播速度随之增大;阻塞率增加,瓦斯爆炸压力和火焰传播速度出现先增大后减小的现象,当阻塞率为50%时,其爆炸压力和火焰传播速度达到最大;障碍物的摆放形式对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度也有一定的影响。     

对称障碍物条件下瓦斯爆炸火焰与压力波耦合作用研究

为了研究对称障碍物条件下瓦斯爆炸压力波与火焰传播的耦合作用,在150 mm×150 mm×1 700 mm的有机玻璃瓦斯爆炸管道中,距离点火端不同距离安装0.5阻塞率的对称障碍物,进行8.5%甲烷体积分数的爆炸试验,采集瓦斯爆炸的超压信号并同步拍摄火焰传播图像。结果表明:火焰穿越板式对称障碍物的过程经历了火焰加速、火焰降速到火焰再加速的过程,火焰降速的时间仅为5 ms。距离点火焰源不同长度的对称障碍物在火焰加速过程中的作用存在明显差异,近点火源的障碍物作用主要为诱导湍流,远离点火源的障碍物作用主要为湍流增强。     

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。     

爆炸性气体在连续拐弯管道中传播特性的实验研究

针对复杂燃气管网燃气爆炸致灾严重,传播规律复杂的问题,利用实验室加工成的连续拐弯管道,模拟研究了复杂燃气管网爆炸性气体通过连续拐弯管道时的火焰传播速度、爆炸波超压变化情况。研究结果表明,当整个管道内充满瓦斯气体时,通过连续拐弯后,火焰传播速度和爆炸波超压值产生显著变化,在连续拐弯管道拐弯处为一扰动源,诱导附加湍流,气流湍流度增大,管道拐弯增加了燃烧区的湍流度,火焰燃烧产生加速度,加速燃烧产生更大能量以推动加速传播。研究结果对指导现场如何防治复杂燃气管网气体爆炸,减轻爆炸的威力具有重要作用。     

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。     

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.     

球形障碍物对瓦斯爆燃火焰影响试验研究

为进一步开发煤矿井下瓦斯爆炸事故的隔抑爆技术装备,利用截面为0.2 m×0.2 m的方形管道、纹影仪和高速摄像机,开展无障碍物时和球形障碍物存在情况下的瓦斯爆燃传播试验。研究发现,无障碍物时,密闭管道内爆燃火焰的结构和传播速度受反射压力波的影响很大,湍流火焰、化学反应作用能力与反射压力波的相互作用是造成火焰传播速度变化的主要原因;球形障碍物存在时,火焰受扰动后被拉伸为前锋、中锋和尾锋,前锋速度最快,尾锋最慢;火焰前锋从经过障碍物开始整体呈加速趋势,与无障碍物相比,通过观察段的时间明显缩短。     

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。     

LES – DFSD modelling of vented hydrogen explosions in a small-scale combustion chamber

Accidental explosions are a plausible danger to the chemical process industries. In the event of a gas explosion, any obstacles placed within the path of the flame generate turbulence, which accelerates the transient flame and raises explosion overpressure, posing a safety hazard. This paper presents numerical studies using an in-house computational fluid dynamics (CFD) model for lean premixed hydrogen/air flame propagations with an equivalence ratio of 0.7. A laboratory-scale combustion chamber is used with repeated solid obstacles. The transient compressible large eddy simulation (LES) modelling technique combined with a dynamic flame surface density (DFSD) combustion model is used to carry out the numerical simulations in three-dimensional space. The study presented uses eight different baffle configurations with two solid obstructions, which have area blockage ratios of 0.24 and 0.5. The flame speed, maximum rate of pressure-rise as well as peak overpressure magnitude and timing are presented and discussed. Numerical results are validated against available published experimental data. It is concluded that, increasing the solid obstacle area blockage ratio and the number of consecutive baffles results in a raised maximum rate of pressure rise, higher peak explosion overpressure and faster flame propagation. Future model development would require more experimental data, probably in a more congested configuration.     

Numerical investigation of effects on premixed hydrogen/air flame propagation in pipes with different contraction or expansion angles

Numerical simulations of premixed hydrogen-air flame propagation in a pipe with different contraction or expansion angles are carried out in this study. The effects on the flame propagation characteristics are investigated, including flame shape, the speed of flame front and overpressure. Results show that the flame propagation at different contraction angles experiences 6 flame stages: spherical flame stage, finger-shaped flame stage, stage of flame front touching the sidewalls, classic tulip flame stage, dissipation stage of tulip flame and its re-formation stage. The formation of tulip flame and the following stages are promoted by the contraction structure. Meanwhile, the development of the flow and pressure fields near the contraction are analyzed and it is found that the paraclinical effects induced by the contraction angle enhance the tulip re-formation. In the sudden expansion pipes, a triple flame stage appears in the pipes. The flame front remains relatively static for a period of time. However, the flame would continue to propagate when the expansion angle becomes larger and the flame propagation distance in the ducts increased obviously with the larger expansion angle. Baroclinic effect can inhibit the intensity of the vortex in the flow field, and hence weaken the forward transport of fuel. This inhibit effects decrease with the expansion angle becomes larger. The results of this study have implications concerning designs for pipe geometry of hydrogen and may help get better hydrogen transportation.     

水平管内不同煤质煤尘爆炸火焰传播特性实验研究

为研究水平管道空间不同煤质煤尘爆炸火焰传播特性，选取褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤4种煤尘，对爆炸火焰焰峰特性、火焰加速传播特性、火焰传播距离与持续时间展开研究。研究结果表明:褐煤在500 ms内焰峰的形状由尖锐向平滑再向钝化不断演变，长焰煤与不粘煤在375 ms时焰峰前端出现明显焰体分离现象，分析认为这与管体冷壁效应、空间尺度效应及空间氧气消耗直接相关；气煤在375 ms时焰峰出现大面积火焰碎纹，说明气煤爆炸火焰猛烈传播的持续时间相对较短，整体爆炸强度相对较弱；褐煤与长焰煤爆炸火焰存在2次间断性加速，分析认为这与管体空间受限、常温管壁散热、局部助燃氧气瞬间不足等因素有关；褐煤在爆炸后400～600 ms内火焰2次加速完全，火焰传播距离达740 mm，明显大于长焰煤、不粘煤与气煤，说明低变质褐煤爆炸火焰持续时间更长，火焰传播距离更远且传播更剧烈；虽然气煤火焰最远传播距离比长焰煤大30 mm，但由于气煤火焰在375 ms左右出现大片火焰碎纹，因此气煤整体的爆炸强度小于长焰煤。     

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。