球接管容器气体爆炸尺寸效应的试验研究与数值分析

为了解尺寸对球形容器连接管道甲烷-空气混合物爆炸的影响规律,利用Fluent软件,采用κ-ε湍流模型、涡耗散模型(简称EDC模型)、壁面热耗散、热辐射模型及SIMPLE算法,建立了球形容器连接管道内甲烷-空气混合物爆炸的数值模型,对容器与管道内甲烷-空气预混气体爆炸的尺寸效应进行了数值模拟。结果表明:随管道内径增大,球形容器内最大爆炸压力逐渐增大,管道末端最大爆炸压力变化无明显规律;而随管道长度增加,球形容器内最大爆炸压力逐渐减小;改变管道内径,较大体积球形容器内最大爆炸压力均大于较小体积球形容器内最大爆炸压力,最大爆炸压力上升速率的规律则相反,容器体积对管道末端最大爆炸压力的影响无明显规律。     

多孔聚丙烯复合材料的抑爆性能研究

为分析填充多孔材料对管道中瓦斯爆炸压力的抑制效果,采用自主搭建的气体爆炸测试平台,试验研究多孔聚丙烯复合材料的内径、填充位置和填充长度等参数影响瓦斯爆炸压力的机制。结果表明:与空管道爆炸状态比较,填充多孔材料后最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率都明显降低;当填充多孔材料为实心,即内径为0 mm,填充在距离点火源最近处、填充长度为2 m时,管道末端最大爆炸压力值衰减69.64%,最大爆炸压力上升速率降低58.31%,对瓦斯爆炸压力的抑爆效果最佳;改变材料内径、填充位置和填充长度等因素均会对多孔材料的抑爆性能产生显著影响。     

多孔球形材料阻火抑爆性能影响因素数值模拟研究

为探究影响多孔球形材料阻火抑爆性能的主要因素,采用气体爆炸模拟软件FLACS建立多孔球形结构中湍流燃烧模型,对填充多孔球形材料后丙烷/空气预混气体燃烧爆炸过程进行数值模拟。研究结果表明:多孔球形材料能够有效衰减爆燃压力波、阻隔火焰传播,起到阻火抑爆作用,且压力波衰减程度和火焰阻隔效果与多孔球形材料的尺寸、孔径及填充密度密切相关。当多孔球形材料的直径为25 mm、孔径为3 mm、填充密度为20层时,压力波衰减程度最大,火焰阻隔效果最明显,说明直径和孔径越小,填充密度越大,材料的阻火抑爆性能越强。     

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。     

泡沫镍对甲烷-空气预混气体爆燃超压影响的研究

为了有效抑制气体爆炸时产生的冲击波强度,设计加工了内部截面为110 mm×80 mm,长500 mm的爆炸实验管道,利用高频动态压力传感器,对比研究了泡沫镍在管道内的安放位置对甲烷-空气预混气体爆炸的影响。结果表明:当把泡沫镍铺设在管道中间位置时其对爆炸超压的抑制效果最好,其次是放置在管道的尾部,效果最差的是将多孔材料放置在管道的前部。     

密闭容器甲烷-空气混合物爆炸的尺寸效应

为探究密闭容器甲烷爆炸的尺寸效应及其变化特征,以及预防和控制密闭容器甲烷爆炸事故,通过改变圆柱形容器体积和管道的长度和直径,研究密闭容器甲烷-空气混合物爆炸压力变化特性;采用多元线性回归模型,分析最大爆炸压力及最大压力上升速率与管径和管长的关系。结果表明:在圆柱形容器中,最大爆炸压力上升速率随容器体积的增大而减小;随着管道内径的增加,管道末端的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率均下降;管道长度增加,管道末端最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率均增加。试验得到最大爆炸压力及最大压力上升速率的无量纲预测模型。     

刚/柔性障碍物对甲烷/空气预混气体泄爆动力学的影响

为探究刚/柔性障碍物对甲烷/空气泄爆行为的影响，采用自主搭建的连接容器(20 L球形容器连接4 m长爆炸管道和0.5 m长泄压管道)试验系统，研究不同阻塞比与厚度的刚性/柔性障碍物对甲烷/空气爆炸超压及泄爆火焰的影响。结果表明，在球形容器内，随阻塞比和厚度增加，峰值超压与最大升压速率相应增大，在阻塞率为80%和厚度为0.40 mm时峰值超压分别达到了190.4 kPa和273.5 kPa,最大升压速率分别为4.32 MPa/s和7.32 MPa/s。在管道末端，随柔性障碍物厚度增加，爆炸超压与升压速率同样大幅度提升。而随刚性障碍物阻塞比增加，峰值超压和最大升压速率先上升后下降。在设置刚性和柔性障碍物后，泄爆管道内均出现二次爆炸的现象，不同的是，二次爆炸的剧烈程度随柔性障碍物厚度增加而上升，而随刚性障碍物阻塞比增加呈现先增加后降低的趋势。     

泄压点火不同端管道内甲烷爆炸特性数值模拟

结合气体爆炸传播机理,利用FLACS软件对泄压点火不同端两种方式(泄压口通径为25 mm和泄压口完全开放)下甲烷的爆炸过程进行数值模拟,获得了5种体积分数甲烷的爆炸特性参数,分析得出:两种不同泄压方式下,10%,9.5%,11%体积分数的甲烷爆炸特性变化趋势接近,7%,8%的甲烷较前三者有所延迟;5种甲烷在管道中心处的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值都随甲烷体积分数的增大而逐渐上升,在10%时达到最大,继续增加甲烷体积分数则出现下降趋势,最大爆炸压力时间变化趋势与其相反;管道中心处的爆炸产物浓度随着甲烷体积分数的增大而增大,与泄压方式无关;增大管道泄压口面积有利于爆炸压力以及爆炸高温高压气体的释放,使得各体积分数甲烷的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值均下降,到达最大爆炸压力的时间均增大。     

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。     

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。     

甲烷-空气预混气体泄爆过程的实验研究

对甲烷-空气预混气体在球形容器和球形管道连通容器内的泄爆过程进行实验研究,根据实验结果得出在较小的泄压面积时,与密闭容器爆炸实验比较,不能降低容器内的最大压力,反而会增大容器内的最大压力。通过实验结果分析,泄爆口安装在远离点火源的位置,当发生预混气体爆炸时能较好地降低容器内的最大压力,起到保护容器的作用。     

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。     

水平管道内甲烷-煤尘混合爆炸的试验研究

为研究煤矿甲烷-煤尘混合爆炸的规律,采用水平管道式气体粉尘爆炸装置。试验时,通过延迟爆破系统,将储罐内的煤尘吹入管道内与甲烷气体混合,点火后甲烷爆炸产生的能量作为初始能量引起煤尘的爆炸。通过改变甲烷浓度、煤尘浓度,对甲烷-煤尘混合爆炸的最大爆炸压力和压力上升速率进行了研究。结果表明:最大爆炸压力和压力上升速率随甲烷浓度的增加先增加后减小,随煤尘浓度的增加也先增大后减小。     

球形压力容器中甲烷-氢气-空气爆炸过程数值模拟及实验研究

为研究受限空间内甲烷-氢气-空气混合气体爆炸特性参数分布规律,在20 L球形压力容器装置内开展甲烷-氢气-空气混合气体爆炸实验,探究掺氢比变化对当量比为1的甲烷-氢气-空气混合气体爆炸过程的影响;运用Fluent数值模拟软件,采用标准k-ε湍流模型,结合层流有限速率燃烧模型,探究混合气体爆炸过程中燃烧特性(爆炸温度、压力、密度等)与反应时间的变化规律。研究结果表明：爆炸过程中,添加一定氢气时爆炸压力峰值、爆炸压力上升速率峰值增大,而到达峰值时间缩短;反应初期,中心点火处密度下降,反应釜各处密度持续上升;距离点火点越远,密度变化越大,反应釜中压力分布基本相同。研究结果可为甲烷-氢气-空气混合燃料的安全使用提供相关参考。     

甲烷/空气预混气体泄爆过程的动力学研究

以甲烷/空气为研究对象,建立小尺寸管道气体爆炸实验平台,利用高速纹影技术,探测了泄爆过程中预混气体火焰在管道内的传播特性,并得出流场压力、火焰传播速度变化曲线;同时建立k-ε模型,对管道内甲烷/空气预混气体泄爆过程进行模拟,得到数值模拟情况下的流场压力和火焰传播速度变化曲线.模拟图像和实验图像变化趋势大体一致.     

含NaCl超细水雾抑制甲烷爆炸实验研究

为研究含NaCl添加剂超细水雾对甲烷爆炸的影响,在自制的半封闭透明管道内,进行含NaCl添加剂超细水雾抑制甲烷爆炸试验,通过检测和分析在不同NaCl浓度情况下超细水雾的粒径和甲烷爆炸的平均火焰传播速度、爆炸超压以及平均升压速率,探究NaCl浓度对超细水雾粒径及其对抑制甲烷爆炸有效性的影响。研究结果表明:NaCl浓度对超细水雾粒径影响较小;对于体积分数为9.5%的甲烷,相比于纯甲烷爆炸,其平均火焰传播速率、最大爆炸超压以及平均升压速率分别下降了53.7%,63.4%和60.7%,相比于超细纯水雾,其平均火焰传播速率、最大爆炸超压以及平均升压速率分别下降了38.6%,58%,56%;在通雾量相同的条件下,浓度为2.5%NaCl超细水雾对体积分数为9.5%的甲烷爆炸抑制性能最佳;含NaCl添加剂超细水雾的物理化学共同作用可以有效抑爆甲烷。     

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。     

障碍物对气体爆炸压力场影响数值模拟

气体爆炸是工业生产和生活领域中爆炸灾害的主要形式之一,研究障碍物对管道内可燃气体爆炸的影响规律具有十分重要的现实意义。运用计算流体动力学软件AutoReaGas,定量地研究了障碍物阻塞率、个数等因素对管道中预混乙炔/空气混和物爆炸压力场的影响规律。计算结果表明,障碍物的个数和阻塞比对管道内乙炔气体爆炸峰值超压均有显著影响。本文的研究结果对于预防和控制气体爆炸灾害有一定的借鉴作用。     

氩气协同超细水雾抑制甲烷爆炸试验研究

为加强超细水雾对甲烷爆炸的抑制效果,搭建小尺寸半封闭甲烷爆炸试验平台,开展氩气协同超细水雾抑制甲烷爆炸试验。通过单因素和曲面优化试验,测试氩气、超细水雾以及两者的协同作用对甲烷爆炸的抑制效果;从火焰特性、最大爆炸超压和平均升压速率3个方面探究氩气和超细水雾协同抑爆的优越性。结果表明:氩气和超细水雾协同抑制甲烷爆炸效果显著;随着氩气体积分数和超细水雾喷雾量的增加,火焰冲出管道的时间逐渐延长,最大爆炸超压和平均升压速率逐渐降低;其中氩气体积分数10%、超细水雾喷雾量4.2 m L的工况抑制效果最佳;甲烷最大爆炸超压较氩气和超细水雾单独作用下分别下降6.15和2.68 k Pa,说明氩气和超细水雾抑止甲烷爆炸具有协同效应。     

初始温度和压力对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性影响的模拟研究

市政排污空间作为城市公共基础设施的重要组成部分，易积聚可燃气体形成爆炸性环境。结合排污空间的特殊环境条件，采用Fluidyn-MP多物理场数值模拟软件，建立了20 L球形爆炸罐分析模型，通过改变初始温度和初始压力，对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性及其变化规律进行模拟研究。结果表明:初始温度升高导致甲烷-空气混合物最大爆炸压力降低，缩短了到达最大爆炸压力的时间；初始压力增加导致最大爆炸压力急剧升高，并延长了到达最大爆炸压力的时间；最大爆炸压力对初始压力的敏感程度远大于初始温度的影响。此外，随着初始温度和初始压力的升高，爆炸火焰平均传播速度增加，而火焰传播速度对初始温度较敏感。