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。     

狭长管道油气爆炸流场分布特征规律及分析

为研究狭长管道油气爆炸流场分布特征规律,搭建了狭长管道油气爆炸实验系统 ,并在狭长密闭管道中进行了油气爆炸实验。通过采集爆炸超压值和火焰强度值并进行 分析,得到以下结论:随着初始油气体积分数的增大,管道沿线最大爆炸超压值和升压 速率均呈现先增大后减小的趋势,在1.75%时达到最大,并且初始油气体积分数越接近 1.75%,升压速率增大越快;根据管道沿线最大超压分布规律可将初始油气体积分数分 为1.25%~1.55%、1.55%~2.20%、2.20%~2.65%3个部分;管道末端出现二次爆炸现象,爆 炸超压变化曲线可分为点火延迟、一次爆炸、二次爆炸、振荡衰减4个阶段;火焰持续 时间随油气体积分数的增加先下降后上升,油气体积分数为1.75%时火焰持续时间最短 。     

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。     

储油条件下拱顶油罐的油气爆炸实验

为研究储油条件下拱顶油罐油气爆炸的发展过程,设计了中尺度拱顶油罐油气爆炸实验台架,并完成了储油条件下油罐油气爆炸试验。实验结果表明:储油条件下油气爆炸会导致罐顶破坏,超压发展分为多个阶段,并出现强烈的超压振荡和二次爆炸现象,最大超压由二次爆炸所产生;爆炸最大超压随着初始油气体积分数的降低而升高;在储油条件下,油罐油气爆炸后会诱导产生二次爆炸现象,第2次爆炸超压峰值和升压速率均远大于第1次爆炸的数值,且二次爆炸对外场的影响更加明显;火焰强度随时间的变化曲线具有2个明显的峰值,其形成原因分别为第1次爆炸和第2次爆炸。     

单侧弱面受限空间油气爆炸超压荷载的实验研究

为了研究油气在单侧含有弱面结构受限空间中的爆炸特征,构建了单侧开口短管道汽油蒸汽爆炸实验系统,研究了不同开口面积下汽油蒸汽爆炸过程中超压的变化规律。研究结果表明:开口率为25%和50%条件下,内场仅有一个超压峰值P_B,外场轴向有2个超压峰值P_B和P_(FV),且外场沿轴向和纵向超压值相差较大;开口率为100%条件下,内外场均有2个超压峰值P_B和P_(FVEXT),且轴向和纵向超压峰值相差较小;25%开口率和50%开口率条件下油气爆炸火焰形态为喷射状,但未发生外部爆炸;100%开口率条件下火焰形态为蘑菇状,并且发生外部爆炸;随着初始油气浓度的升高,腔体内外超压峰值均先增大后减小,内外场最大超压峰值所对应的油气浓度为1.69%,外部爆炸超压峰值的最大值对应油气浓度为2.12%;随着初始点火能的升高,爆炸过程中的内外超压峰值均升高,而且外部爆炸发生所对应的初始油气浓度的范围增加。     

大长径比管道汽油-空气混合气爆炸与抑制实验研究*

为探究狭长受限空间中油气爆炸失控时的发展状态,探索高效环保的油气爆炸抑制方法,利用长径比155的管道开展92号汽油-空气混合气爆炸发展规律和七氟丙烷主动抑爆技术研究。通过测量不同端部开口条件下油气爆炸超压、火焰传播速度、火焰强度等参数,对比研究空爆和抑爆工况下的油气爆炸变化规律,探讨长直管道中的油气爆炸特性,分析七氟丙烷抑爆效果。结果表明:大长径比管道中,端部开口泄爆对降低油气爆炸破坏能力的作用较小,开口与否对最大超压峰值的出现位置有影响;长直管道空爆时,油气爆炸由爆燃发展成爆轰,管道尾部的爆轰波速可达近2 000 m/s;密闭管道中,爆轰发生前火焰传播呈“已燃区-火焰锋面-待燃区-前驱激波-未燃区”的2波3区结构;主动抑爆方式下七氟丙烷抑爆效果良好,最大超压峰值降低幅度可达90%,火焰传播被及时阻断。     

立体结构障碍物对甲烷预混火焰传播影响的研究

使用自行设计的火焰加速试验系统,研究了3种立体结构障碍物对管道内预混火焰传播速度和超压的影响。选用长方体、正四棱柱和圆柱,其阻塞比均为40%。结果表明,管道内障碍物对火焰传播的初始阶段起阻碍作用,当火焰越过障碍物后,障碍物加速火焰传播过程。有障碍物时管道内最大火焰传播速度和峰值超压比无障碍物时要大。随着点火距离的增大,管道中最大火焰传播速度和超压先变大后减小。当障碍物位于约6倍管径处时,对管道中火焰传播速度和超压影响最大。点火距离的改变对火焰传播速度的影响大于对管道内超压的影响。     

PVDF球形多孔材料的抑爆性能研究

为分析聚偏氟乙烯(PVDF)球形多孔材料对管道内甲烷-空气预混气体的抑爆性能，自主搭建气体爆炸测试平台，试验研究球形多孔材料填充密度及填充方式等因素对甲烷-空气预混气体爆炸的影响机制。结果表明：与空爆相比，填充多孔材料后，管道内爆炸超压及最大爆炸超压上升速率均明显降低；对甲烷-空气的抑制效果与材料的填充密度呈正相关，当填充密度为0.077 g/cm³时，球形多孔材料对爆炸超压的抑制率达到54.7%,最大爆炸超压上升速率降低了58.3%;改变材料的填充方式显著影响管道内的气体爆炸超压，采用分散填充的方式增强了多孔材料对最大爆炸超压的抑制作用，在填充密度(为0.038 5 g/cm³时)不变的情况下，对管道末端气体最大爆炸超压的抑制率达到66%。说明改变材料填充密度和填充方式均会影响多孔材料对甲烷-空气预混气体爆炸的抑制效果。     

连通容器内预混气体爆炸过程的实验研究

对连通容器内预混气体爆炸过程进行实验研究,具有重要的科研和实用价值.本文通过实验室内自制的实验仪器,详细研究了不同的点火位置、初始压力、初始浓度对连通容器内预混气体爆炸压力的影响.得出了在大容器中点火,会引起更大的爆炸压力.压力上升速率也增大很快;初始浓度对连通容器内预混气体爆炸的影响基本与单个容器中的影响一致.当初始压力增大时,连通容器的爆炸压力也随着一起增大,而且小容器比大容器增加更快.因而,在工业中,最有效的方法是隔爆,在容器和管道接口设置隔离装置,使爆炸不能通过管道传播.     

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。     

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。     

含弱约束端面直角管道汽油蒸气爆炸及七氟丙烷抑爆研究*

为研究七氟丙烷对汽油蒸气爆炸抑制作用,搭建含弱约束端面直角管道汽油蒸气爆炸抑制实验系统,开展汽油蒸气爆炸实验研究,并与喷入七氟丙烷抑爆介质进行对比,分析爆炸超压值、火焰强度值和火焰传播速度等爆炸特性参数变化情况。结果表明:在1.3%,1.5%和1.7%汽油蒸气体积分数下,不加抑爆介质时,爆炸超压值、火焰强度和火焰传播速度随着汽油蒸气体积分数的升高而增大;将七氟丙烷作为抑爆介质喷入时,爆炸超压峰值分别下降91.06%,34.57%和50.92%,火焰强度降幅达到99.83%,火焰传播速度几乎降为0,火焰持续时间随之缩短几乎为0,七氟丙烷具有良好的阻隔防爆效果。     

Explosions of gasoline–air mixture in the tunnels containing branch configuration

In order to investigate the effects of branch tunnels on explosion propagation, experiments were performed in five different configuration tunnels (straight configuration and configurations with 1 branch, 2 branches, 3 branches and 4 branches). Pressure and flame transducers were used to record the history of the pressure development and track the velocity of the flame front. It was shown that the branch tunnels had ability to enhance the maximum overpressure, rate of overpressure rise, and deflagration index (K_G) of the gasoline–air mixture explosion due to the turbulence induced by the branch tunnels. The overpressure rise rate and K_G of the explosion increased as a function of the number of branch tunnels. Experiments also showed that the maximum flame speed increased as the branch number increasing from 0 to 3 due to the enlargement of turbulence induced by the branch tunnels. However, an increase of branch number did not always lead to an enhancement of flame speed because the heat loss was intensified resulting from the increase of flame surface caused by the branch tunnels. When the number of branch tunnels exceeded 3, the maximum flame speed dropped.     

Effects of premixed methane concentration on distribution of flame region and hazard effects in a tube and a tunnel gas explosion

Study of flame distribution laws and the hazard effects in a tunnel gas explosion accident is of great importance for safety issue. However, it has not yet been fully explored. The object of present work is mainly to study the effects of premixed gas concentration on the distribution law of the flame region and the hazard effects involving methane-air explosion in a tube and a tunnel based on experimental and numerical results. The experiments were conducted in a tube with one end closed and the other open. The tube was partially filled with premixed methane-air mixture with six different premixed methane concentrations. Major simulation works were performed in a full-scale tunnel with a length of 1000 m. The first 56 m of the tunnel were occupied by methane–air mixture. Results show that the flame region is always longer than the original gas region in any case. Concentration has significant effects on the flame region distribution and the explosion behaviors. In the tube, peak overpressures and maximum rates of overpressure rise (dp/dt)_max for mixtures with lower and higher concentrations are great lower than that for mixtures close to stoichiometric concentration. Due to the gas diffusion effect, not the stoichiometric mixture but the mixture with a slightly higher concentration of 11% gets the highest peak overpressure and the shock wave speed along the tube. In the full-scale tunnel, for fuel lean and stoichiometric mixture, the maximum peak combustion rates is achieved before arriving at the boundary of the original methane accumulation region, while for fuel rich mixture, the maximum value appears beyond the region. It is also found that the flame region for the case of stoichiometric mixture is the shortest as 72 m since the higher explosion intensity shortens the gas diffusion time. The case for concentration of 13% can reach up to a longest value of 128 m for longer diffusion time and the abundant fuel. The “serious injury and death” zone caused by shock wave may reach up to 3–8 times of the length of the original methane occupied region, which is the widest damage region.     

不同形状受限空间内油气爆燃特性的实验研究

基于实验对4个不同形状的20L容器内的油气爆燃过程进行了研究,探讨了不同形状受限空间内爆炸压力荷载的变化和火焰行为的区别。结果表明:管道（短管和长管）的压力时序曲线较容积式受限空间（球形容器和立方体容器）的压力时序曲线更复杂,并且出现压力振荡;随着初始浓度的增加,超压值和平均升压速率均先增大后减小,在浓度为1.74%时达到最大值,此时,超压从大到小依次为:长管>短管>立方体>球形容器,平均升压速率从大到小依次为:短管>立方体>长管>球形容器;在爆燃初期,立方体中火焰行为为半球状层流火焰→扁平层流火焰,火焰速度先增大后减小,最大速度为12.5 m/s,长管中火焰行为为半球状层流火焰→拉伸指状火焰,火焰速度一直增大,最大速度为40 m/s。     

受限空间网状高分子材料抑制油气爆炸实验研究

为研究新型网状高分子材料对油气爆炸的抑制作用,搭建了狭长受限空间油气爆炸抑制实验系统,进行了油气爆炸抑制实验,通过对比是否按留空率规范填充抑爆材料所达到的3种工况,分析了爆炸超压值、升压速率、火焰强度和火焰持续时间等特性参数变化情况。实验结果表明:新型网状高分子材料对油气爆炸产生的最大爆炸超压值、升压速率和火焰强度有明显的抑制作用;新型网状高分子材料对火焰的传播有明显的阻滞作用,使火焰传播速度减小;当新型材料按照规范填充时,最大爆炸超压值和升压速率分别下降了84.36%和 39.18%以上,火焰被完全熄灭,并且距离点火端越远,抑爆效果越明显。     

瓦斯爆炸后空间温度分布及热危害区域分析研究

为了获得瓦斯爆炸引发次生灾害的特性参数,建立了超压预测模型及爆炸后空气温度衰减模型,并结合实验数据进行了验证。结果表明:依据所建立的超压修正模型,不同浓度和体积下的超压在爆源附近呈对数形式快速下降,之后缓慢趋向平稳;基于模型修正的爆炸超压计算公式,能够很好的对各个情形的瓦斯爆炸超压进行计算,吻合较好。对初始瓦斯体积相对较小的情形吻合度很高,对于初始体积大的瓦斯爆炸超压在100 m附近会出现一定误差,但有一定指导意义。瓦斯爆炸热危害区域的研究,对瓦斯爆炸次生灾害的防治工作具有重要意义。