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。     

可燃气体燃爆特性综合试验装置构建与甲烷试验

为研究半开敞空间内可燃气体爆炸过程,设计带有泄压面的气体爆炸室,并在此基础上构建一套可燃气体燃爆特性综合试验装置。运用该试验装置,研究预混塔内甲烷气体分层现象以及甲烷爆炸浓度与最小点火能之间的变化规律。甲烷分层试验结果表明:静置一段时间后,预混塔中甲烷浓度随高度的增加而增大。最小点火能试验结果显示,当甲烷的试验爆炸体积分数在10%～13%时,其浓度与点火能之间呈现比较平缓的变化关系,而当其体积分数小于10%或大于13%时,浓度稍微变化,其点火能将发生明显变化。     

氢气对预混甲烷/空气燃爆过程的影响

为研究氢气的加入对不同体积分数甲烷/空气预混爆炸过程影响的规律,在尺寸为150 mm×150 mm×1 000 mm的管道中通入体积分数为8%、9.5%和11.5%的甲烷/空气预混气体,然后加入一定体积分数的氢气。氢气所占体积分数分别为0、0.74%、1.48%、2.95%、4.40%。分别对加入不同体积分数的甲烷爆炸过程中爆炸压力、火焰图像和爆炸温度进行测量、分析。结果表明:只有在8%纯甲烷爆炸时能够形成完整的郁金香火焰。8%和9.5%甲烷体积分数试验中,氢气的加入使火焰面由上下对称变得不对称,火焰阵面上移,火焰速度加快;爆炸中的最大超压增大并且最大超压时刻点提前。在11.5%的甲烷加氢试验中,随加氢量增加,爆炸压力、温度、火焰速度分别略微降低。这表明氢气的加入在体积分数为8%的爆炸反应中较大地促进了反应,而体积分数为11.5%时加氢后爆炸反应减弱。通过理论分析计算了半封闭管道中体积分数为9.5%甲烷爆炸温度和实测温度之间的差异。爆炸压力和温度的变化能很好地反映加入氢气对甲烷爆炸的影响。     

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。     

半密闭空间油气爆炸初期火焰特性研究

为了研究半密闭空间内部油气着火爆炸初期火焰特性，进行了不同油气体积分数下的油气着火爆炸实验，通过高速摄影等技术手段对爆炸过程中火焰形态进行了捕捉，分析了不同油气体积分数下爆炸初期火焰着火模式、火焰形态、传播过程和火焰浮力稳定性的变化规律。结果表明:油气体积分数为决定容器内部着火模式的关键因素，随着油气体积分数的逐渐增大，着火模式呈现出燃烧-爆炸-爆燃后持续燃烧的转变；爆炸下的火焰具有明显的分区现象，而其他的着火模式则没有；随着油气体积分数的增加，越靠近化学当量比，纵向和横向火焰阵面速度越大；油气体积分数小于等于1.1%或大于等于2.6%时，火焰稳定性受浮力影响显著。     

不同浓度甲烷-空气预混气体爆炸特性的试验研究

利用自主搭建的易爆气体爆炸试验平台,研究了甲烷体积分数为8%、9%、9.5%、10%、11%的甲烷-空气混合气体的爆炸特性。结果表明:爆炸火焰在管道内经历了层流火焰传播加速、郁金香火焰传播速度变慢和湍流火焰传播速度增大3个特征阶段;爆炸管道压力表现出升压、振荡和反向冲击3个变化阶段;爆炸感应期、火焰最大传播加速度和最大爆炸升压速率等特征参数能更好地反映易爆气体的爆炸能力和爆炸强度。结合爆炸火焰图片、光电传感信号和压力传感信号发现,在一端开口的管道内,爆炸压力出现变化的时间总是先于火焰传播速度的变化时间,表明爆炸压力的变化是导致火焰传播速度变化的原因。因此,抑爆过程中,减小爆炸压力和降低升压速率是达到良好抑爆效果的关键。     

点火能对液化石油气爆炸压力影响的试验研究

探讨点火能对多元爆炸性混合气体爆炸威力的影响.以密闭爆炸筒(20 L)内液化石油气(体积分数为5%)-空气混合气体为研究对象,逐步提高点火能量引爆混合气体,分析气体爆炸压力波形图的变化.结果表明,点火能量对气体爆炸压力的影响存在一定规律性,即液化石油气最大爆炸压力的上升速率和爆炸场中的负压峰值都随着点火源能量的增强而增加,但爆炸场中正压峰值的变化不大.本研究对深入认识多元爆炸性混合气体的爆炸特性,以及丰富和完善气体爆炸理论具有一定的参考价值.     

管道氢气-空气预混气体爆炸特征的试验研究

为研究管道内氢气与空气预混气体的爆炸规律,使用尺寸为150 mm×150 mm×1000 mm的方形透明管道,通过试验观测了氢气体积分数从10%到40%的爆炸火焰形状、传播速度与压力变化规律。火焰传播与压力分别由高速摄像机与压力传感器记录测量。结果表明,爆炸火焰特征及压力变化受氢气体积分数的影响很大。火焰在管道内的最大传播速度及压力峰值随氢气体积分数增大而急剧增大。最大火焰传播速度由18.3 m/s增大到304.2 m/s,传播时间由123.5ms缩短到10.5 ms。压力峰值由2.95 k Pa增大到34.06 k Pa。当氢气体积分数为25%及以上时,火焰速度持续上升,没有出现郁金香火焰,压力波先出现短时间强烈正负压振荡,后长时间微小振荡。火焰特征、传播速度、压力变化及爆炸响声均能够很好地反映氢气爆炸的强度。     

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。     

基于Matlab图像处理的瓦斯爆炸火焰传播速度研究

基于自制小尺寸试验平台进行不同体积分数瓦斯爆炸试验,运用高速摄像机拍摄爆炸图像,直观分析火焰传播过程。利用Matlab软件对拍摄图像进行数字化处理,求得不同瓦斯体积分数下的爆炸火焰传播速度。结果表明:基于图像处理的方法能够简单准确地计算火焰传播速度,火焰亮度阈值的取值对火焰传播速度计算结果有重要影响;火焰传播速度随时间逐渐增大,当出现"郁金香"火焰后略有降低,随后继续增大;瓦斯体积分数对平均火焰传播速度有较大影响,混合当量比为1时火焰传播速度最大,在混合当量比小于1时,火焰传播速度受混合当量比影响较大,而当混合当量比大于1时,火焰传播速度受混合当量比影响较小。     

超细CaCO3惰化剂对铝合金抛光伴生粉尘爆炸的防控效果*

为探究超细粉体惰化剂对铝合金抛光伴生粉尘爆炸特性的影响规律,利用标准化实验装置及自行搭建的实验平台,在对爆炸基本参数进行测试的基础上,分别研究超细CaCO3粉体对抛光废弃物粉尘点燃敏感度的钝化作用以及对爆炸火焰传播进程的惰化效果,并在相同条件下与同等粒径高纯度铝粉的实验效果进行比对。研究结果表明:铝合金抛光废弃物粉尘最小点火能量为280 mJ,而同等粒径高纯度铝粉最小点火能量为35 mJ;在铝合金抛光废弃物粉尘质量浓度为300 g/m3条件下,发生爆炸的火焰传播速度峰值为7.4 m/s,约为高纯度铝粉的57%,铝合金抛光废弃物粉尘的爆炸敏感度及猛烈度均低于高纯度铝粉;当超细CaCO3粉体的惰化比为30%时,可将铝合金抛光废弃物粉尘的最小点火能量钝化至约1 J,爆炸火焰失去持续传播能力,惰化作用效果充分显现。     

Effects of ignitors and turbulence on dust explosions

The aim of this work is in an attempt to increase the understanding of the acting behaviour of pyrotechnic ignitors and their effects on confined dust explosions. Flame visualization has shown that pyrotechnic ignitors can initiate an explosion by instantaneous jet-like volumetric and/or multipoint ignition. Hence, the rate of pressure rise and also the apparent burning velocity will be increased to some extent, depending on the ignitor energy and the reactivity of the mixtures. The ignitor effect is more important for the early stages of flame propagation and would be more significant in small explosion chambers. Thus, for dust explosion tests with various purposes, use of pyrotechnic ignitors should be made carefully, and the ignitor effect must be accounted for in the data interpretation. Turbulence induced by dust dispersion is a dominant factor in affecting dust explosions. At different ignition delays, however, the turbulence influence will be coupled with that of ignitors. This complicates further the interpretation of explosion data measured under turbulent conditions.     

Experiment-based investigations on the effect of ignition energy on dust explosion behaviors

Explosion behaviors of typical light metal and carbonaceous dusts induced by different ignition energies were investigated based on systematic experiments in a Siwek 20 L vessel. Comparative analysis reveals that the explosion mechanism of carbonaceous dust is the volatile combustion, whereas the mechanism for light metal dust mainly features the surface heterogeneous oxidation. Influences of ignition energy on severity and flammability limit are much more significant for carbonaceous dust than light metal, especially for the powder with less volatile. An innovative approach was introduced to derive flame thickness from the pressure–time trace. The relation between explosion induction time and combustion duration of ignitor was also analyzed. Results show inappropriate ignition energy will cause under-/over-driving in the thermodynamic/kinetic characteristic measurements. In this way, a dimensionless parameter pressure ratio was introduced to evaluate the under-driving, while two methods by using flame thickness and induction time respectively, were proposed to evaluate over-driving. To improve the accuracy of dust explosion tests, authors advocate that explosion severity determination should be conducted at the critical ignition energy. Moreover, a comparison between the European and Chinese flammability limit determination procedures was also conducted, indicating that EN 14034-3 is suitable for light metal but not for carbonaceous, while GB/T 16425 appears to be slightly conservative for both carbonaceous and light metal dusts.     

Incendiary characteristics of electrostatic discharge for dust and gas explosion

Paying attention to the ignition potentiality of static electricity, the relation between the discharge characteristics and the ignition of a dust cloud and the gas produced was studied, applying an electrical power supply of which the electrical circuit is adjustable. The effect of ignition characteristics on dust and gas explosions was investigated. The results of the study indicate that the probability of an explosion is influenced by the minimum ignition energy, spark duration time, feeding rate of ignition energy, circuit capacitance, ignition voltage, etc.     

连通容器气体密闭爆炸与泄爆过程的实验研究

利用球型容器与管道组合,开展连通容器气体爆炸与泄爆实验,分析连通条件下,火焰在管道中的传播过程及其对起爆容器和传爆容器的压力影响。实验结果表明:连通容器气体爆炸中,火焰从起爆容器到传爆容器传播经历了一段不断加速,但加速度不断减小的过程;泄爆过程中,火焰传播过程与密闭爆炸时基本一致。管道中火焰加速传播,使得传爆容器的爆炸压力和强度相较于作为起爆容器时均明显增加,危险更大,采用与起爆容器相同的泄爆面积,无法满足对连通容器中传爆容器的泄爆。同时,泄爆是一个快速的能量泄放过程应选择合理的泄爆方式,防止二次危害。     

基于正交实验的面粉爆炸特性研究

为探究面粉爆炸实验中粉尘质量浓度、点火能量、点火延迟时间对面粉爆炸的影响,采用正交实验法并利用20 L球形爆炸测试装置比较研究了粉尘质量浓度、点火延迟时间以及点火能对面粉爆炸的影响程度。结果表明:对最大爆炸压力影响最为显著的因素是点火延迟时间,对最大爆炸指数影响最为显著的因素是粉尘质量浓度;在实验浓度范围内,存在最佳实验条件。当粉尘质量浓度500 g/m3、点火延迟时间100 ms时,面粉爆炸最剧烈。     

爆炸冲击波及高温耦合引起瓦斯二次爆炸特性研究

在煤矿安全事故中,破坏程度最严重的事故之一就是瓦斯爆炸,而瓦斯爆炸冲击波及火焰锋面可能会二次点爆其他位置积聚瓦斯,加速火焰锋面及冲击波传播,并能产生更高的超压,造成更大的人员伤亡及财产损失。借助详细反应机理GRI Mech 3.0,基于开源化学动力学软件Cantera,研究冲击波强度、瓦斯体积分数和冲击波及高温耦合条件下对瓦斯爆炸特性的影响。结果显示,冲击波诱导瓦斯爆炸中,点火延迟时间随着瓦斯体积分数的增大而出现增大现象,随冲击波强度的增大而降低;同时分析了二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物质的浓度随瓦斯体积分数、冲击波强度和冲击波及高温耦合条件下的变化情况。