非线性拉伸对甲烷-空气预混火焰燃烧特性的影响

使用定容燃烧弹与高速纹影照相系统研究了不同当量比下甲烷-空气预混气体的层流火焰燃烧特性。实验数据同时应用传统线性模型和非线性模型分析了不同当量比对球形扩展火焰的传播速率和马克斯坦长度的影响。结果显示:随着当量比的增加,层流燃烧速率先增大后减小,直到当量比为1.1时,火焰速率达到最大值。马克斯坦长度始终为正值,且随着当量比的增大而增大。在所有当量比条件下,线性和非线性方法计算的火焰速率大致相同,差值小于0.01 m/s;线性方法得到的马克斯坦长度均大于非线性模型计算的结果,并随着当量比的增大,两种方法得到的马克斯坦长度的差值更加显著。     

掺氢天然气层流火焰传播速度试验研究

为准确测量掺氢天然气层流预混火焰传播速度,并研究掺氢比对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响,通过本生灯法对比试验研究自然光及纹影拍摄条件下掺氢天然气层流预混火焰的传播速度,根据化学动力学机制模拟计算并讨论不同掺氢比条件下的预混燃料层流火焰传播特性。研究表明:利用纹影系统拍摄获得的火焰传播速度更接近燃烧学定义的层流预混火焰传播速度;随着掺氢比的增加,掺氢天然气层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度均不断增加,且层流预混火焰传播速度峰值所对应的当量比显著向富燃料侧移动;燃料中氢气组分的不断增加使得H自由基的摩尔分数以及OH自由基的生成速率均显著增加。     

甲烷对合成气层流预混火焰传播特性的影响

为研究甲烷对合成气层流预混火焰化学动力学特征及合成气层流预混火焰传播特性的影响,选用GRI3.0-机理,模拟研究300 K条件下含0～70%甲烷的合成气层流预混火焰传播速度、火焰温度、反应敏感性及重要自由基浓度等。结果表明:合成气层流预混火焰传播速度、绝热火焰温度随甲烷比例的增加非线性下降,火焰传播速度峰值对应的当量比随甲烷增加显著向贫燃侧发展;富燃条件下,随着甲烷少量加入(≤30%),火焰中自由基H浓度显著下降,火焰传播速度受抑制作用显著;随着甲烷的继续增加,不足的自由基OH抑制自由基CH_3的生成,影响自由基H的消耗,削弱CH_4对层流预混火焰传播速度的抑制作用。     

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。     

Hele-Shaw通道内瓦斯爆炸火焰特性试验研究

为探究甲烷/空气预混气体当量比对Hele-Shaw通道内火焰爆燃特性的影响，自行设计搭建尺寸(长×宽×厚)为950 mm×200 mm×6 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道试验平台。通过改变试验平台厚度研究通道间隙对甲烷/空气预混气体火焰结构与传播特性的影响。结果表明，不同的通道厚度和当量比对火焰锋面结构和火焰传播动态特性有显著影响。当通道厚度为6 mm时，最大火焰传播速度发生在化学当量比下，为12.84 m/s,且在该工况下火焰最先到通道末端，时间为518.57 ms。当量比为0.8的贫燃状态时，在火焰不稳定性的作用下，火焰传播后期出现二次振荡现象及手指形的火焰锋面。随着通道厚度的减小，火焰到达通道末端的时间逐渐变长，对火焰整体传播速度有明显的抑制作用。     

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。     

柱形连通容器内预混气体爆炸过程的火焰传播模拟

为研究连通容器内气体爆炸规律,采用Fluent(经典流体动力学软件)对柱形连通容器内预混气体爆炸过程进行模拟,模拟了不同点火位置和火焰传播方向条件下连通容器内火焰传播过程和压力变化,并分析了连通容器内不同时刻的速度场.结果表明:火焰面在传播过程中并非完全对称,当火焰到达传爆容器后,湍流燃烧剧烈,火焰不规则变形显著;端面点火后在传爆容器内产生的压力峰值和压力波动比中心点火时更大;当起爆容器为大容器时,传爆容器内气体预压缩程度更大,压力峰值更高.     

载流雾化水惰化甲烷空气预混气体特性实验研究

设计了预混气体载流雾化水惰化和抑制燃烧管实验台,对层流火焰的燃烧速度、稳定性及拉伸变形规律进行实验研究,分析了雾化水抑制和熄灭层流预混火焰的过程和机理,获得了雾化水惰化爆炸极限内甲烷和空气预混气体的特性。研究结果表明:浓度为7%的甲烷和空气预混气体,最小惰化雾化水通量为20.8ml/(m2.min);对于浓度为9%的甲烷和空气预混气体,最小惰化雾化水通量为32.9ml/(m2.min);对于浓度为11%的甲烷和空气的预混气体,最小惰化雾化水通量为44.6ml/(m2.min)。研究成果为雾化水熄灭甲烷火焰和抑制甲烷爆炸具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

氢气添加对乙醇/空气预混火焰燃烧特性影响的数值模拟研究

通过对不同混合比率的乙醇/氢气/空气燃烧特性进行数值模拟,研究氢气添加量对点火延迟时间、层流燃烧速度、火焰厚度、化学反应滞留时间及组分分布情况的影响。研究发现一定程度上氢气添加量的增加能够缩短混合气体的点火延迟时间,并且氢气对点火延迟时间的影响随着温度的升高而逐渐减小。随着混合比率的增大,层流燃烧速度增大,并且在混合比率大于0.4时显著增大。火焰厚度及化学反应滞留时间随氢气增加而逐渐减小。此外,进一步分析组分分布情况得知氢气添加使火焰中H*、O*、OH*自由基摩尔分数峰值增大,并且H+O+OH摩尔分数峰值与层流燃烧速度存在线性关系。     

置障空间可燃气体火焰传播特性数值模拟研究

为揭示置障管道内丙烷浓度对火焰传播特性影响,借助ANSYS Fluent软件,利用Zimont燃烧模型开展了置障管道内不同丙烷浓度预混气体燃爆规律的大涡模拟研究。结果表明:在阻塞率为0,0.5,0.7,0.9障碍物管道中火焰锋面速度峰值均随给定初始浓度的增加呈现先增大后减小的趋势,且峰值速度随阻塞率的增大而增大,丙烷体积分数为4.5%、阻塞率为0.9时,火焰传播峰值速度可达178.93 m/s;阻塞率越大,涡团规模越大,导致流场紊乱程度增大,湍流脉动增强,火焰面与流场相互作用,促使火焰面褶皱破碎,加速了已燃气体与未燃气体分子间的无规则运动,对燃烧反应起到激励作用;数值模拟结果直观展示了火焰传播进程及火焰结构的发展细节。     

置障管道内天然气爆炸过程微观特性数值模拟研究

为揭示障碍物对于火焰传播过程中的激励作用,采用Zimont火焰面模型对内置不同阻塞率障碍物的密闭管道内天然气-空气预混气体的燃爆过程进行数值模拟,结果表明障碍物对于天然气燃爆过程中火焰传播的激励作用明显,火焰传播经历了从层流向湍流的转变过程,70%阻塞率时激励作用达到最大,火焰前锋速度达到了1 156 m/s,管道内最大爆炸压力达到1.02 MPa;火焰传播至障碍物处时,不同阻塞率障碍物场中湍流动能峰值变化趋势基本一致,且高湍流动能区的分布与湍流动能峰值发生剧烈变化。     

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。     

泄爆面特征参数对天然气爆炸超压峰值的影响规律

为揭示泄爆面特征参数对大尺度受限空间内天然气爆炸超压峰值结构的影响机制，基于典型房间特征，借助计算流体动力学技术研究不同泄爆面开启压力、开启时间以及泄压比等参数条件下室内天然气泄爆超压峰值结构的分布规律。研究结果表明:峰值Pb随开启压力和开启时间增加均呈线性增长趋势，而泄压比对Pb影响较小；峰值Pmfa与室内最大火焰面积有关，随开启压力、开启时间的增加和泄压比的减小，气体出流速度增大，进而产生更强的湍流，导致室内火焰面积和气体燃烧率增加，最终Pmfa增大；峰值Pext随泄压比增加呈快速降低趋势，同时开启压力和开启时间对Pext影响具有协同效应，共同促进Pext快速增加。     

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。     

添加H2对生物质气层流燃烧特性的影响

为研究H₂对生物质气层流燃烧特性的影响，在内径和长度均为200 mm,点火位置为正中央的圆柱形定容燃烧弹内进行当量比为0.6～1.4、H₂体积分数为7.15%～33.15%的掺氢生物质气/空气燃烧试验。利用高速摄像仪采集火焰传播图片，并通过计算分析软件Chemkin-Pro进行化学反应路径分析。研究结果表明：添加H₂对生物质气/空气的层流燃烧速度起促进作用，在贫燃侧增长效应平稳而在富燃侧增长效应显著，使火焰的不稳定性增强；火焰结构中主要自由基浓度的增大是引起层流燃烧速度增大的主要化学动力学原因；H₂主要通过参与HCO基团氧化加快反应速率，富燃侧层流燃烧速度显著增大的原因是H₂作用的路径多为有O₂参与的反应。     

管道结构对氢/空预混气体爆炸特性影响研究*

为研究管道结构对氢-空预混气体爆炸特性影响,采用实验与数值模拟相结合的方法,分析不同管道结构内氢-空预混气体燃爆时火焰传播进程、爆炸压力、湍流动能变化及流场分布。结果表明:90°弯管对氢-空预混气体爆炸强度增强作用明显高于T型分岔管和直管。火焰阵面在结构突变处褶皱变形较明显,并出现大尺度强湍流和涡团,气团脉动速度与湍流燃烧速率不断增大,氢-空预混气体质量扩散速率与热量扩散速率增大,湍流动能呈迅速上升趋势。     

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。     

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