大尺度障碍物与泄爆面对天然气内爆炸的协同作用规律研究

为阐释民用建筑内部大尺度物品与门窗等泄爆面对天然气爆炸灾害的协同作用机制,基于典型厨房空间布局及内部物品特征,借助计算流体动力学技术研究了不同泄爆面开启压力和不同大尺度障碍物体积阻塞率条件下天然气内爆炸火焰速度、爆炸超压的分布规律。研究结果表明:大尺度障碍物与泄爆面对室内天然气爆炸过程具有显著的协同作用,共同促进火焰速度与爆炸超压的显著增长,并缩短峰值超压到达时间;大尺度障碍物的存在虽然显著降低了室内天然气的体积,但从增加房间内湍流源和相对长径比的角度进一步促进了泄爆效应;大尺度障碍物与泄爆面协同作用下,室内火焰速度呈现明显的阶段性特征,并在泄爆面附近发生波动。研究结论可为民用建筑物内气体爆炸事故调查分析和灾害评估提供科学依据。     

水平管道泄爆面开启压力对甲烷爆燃压力的影响*

为了研究泄爆面不同开启压力对甲烷爆燃压力的影响,针对受限空间内甲烷/空气混合物爆燃传播过程,建立由水平管道构成的数值模型。研究结果表明:水平管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应,随着泄爆面开启压力的增加,测点爆燃压力峰值增大而且测点间爆燃压力峰值差异逐渐减小;在泄爆面不同开启压力条件下,泄压效应造成泄爆面及外部空气域爆燃压力衰减,随着泄爆面开启压力的增加,泄爆面开启时间近似呈线性增大;与水平管道内和泄爆面附近测点相比,水平管道外侧测点的爆燃压力峰值和振荡幅值均显著衰减,而且随着泄爆面开启压力的增加,测点爆燃压力峰值及测点间爆燃压力峰值差异均逐渐增大。     

泄爆面积比对泄爆门封闭泄爆特性的影响研究*

为研究泄爆面积比对泄爆门泄爆特性的影响,运用FLUENT软件建立煤矿井下1∶1巷道模型,在不同泄爆面积比的工况下对瓦斯爆炸传播规律及泄爆过程进行模拟,分析其变化特征和封闭泄爆效果。结果表明:S0工况条件下,压力和温度衰减后保持在0.29 MPa和565 K;S1~S4工况条件下,S4比S1,S2和S3达到封闭状态时间快780,260,50 ms,封闭时间最大节省70.91%;随着泄爆面积比的增大,封闭火区内的压力的峰值、峰值数量和达到封闭状态时间减小,泄爆能力增强;火焰速度峰值和衰减速率增大;温度的初始峰值、峰值数量和达到稳定状态时间减小,最大峰值反而增大,说明泄爆门对瓦斯爆炸火焰无抑制作用。     

对开式泄爆条件下预混甲烷/空气爆燃试验研究

在装有对开式泄爆板的透明爆燃腔体内,用试验方法研究了甲烷/空气预混气体爆燃过程中的爆燃压力、火焰传播速度及泄爆板转动规律。结果表明:在对开式泄爆条件下,与无障碍物的工况相比,随障碍物数量增多或当量比从0.7增大到1.0,火焰传播速度、爆燃过程中的最大压力和泄爆板开启速度越来越大;当量比越接近1.0,泄爆过程中压力峰值产生的时间越提前;由于对开式泄爆板的瞬态泄压作用,压力曲线波峰附近出现"凹陷"现象。此外,在对开式泄爆容器的设计过程中,应尽可能减少容器中障碍物的数量,以降低爆燃过程中的压力峰值。     

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。     

富氧条件下不同泄爆面积对CH4燃烧诱导快速相变的影响

为了研究富氧条件下不同泄爆面积对CH4燃烧诱导快速相变的影响,基于自主设计搭建的CH4燃烧诱导快速相变试验台,通过改变富氧系数和泄爆面积对CH4燃烧的压力振荡特性进行研究,分析了不同富氧系数E(0.21,0.3,0.4,0.6)及泄爆面积比(0,0.25,0.5,0.75,1)下CH4燃烧的压力峰值、到达压力峰值的时间及特征时间等参数的变化趋势。结果表明,随富氧系数增大,爆炸压力峰值逐渐增大。富氧系数E=0.21时,压力峰值低于相应的绝热压力,无压力振荡;当E=0.3时,压力峰值低于相应的绝热压力且伴随压力振荡。当E为0.4、0.6时,压力峰值高于相应绝热压力且伴随压力振荡;在泄爆条件下,随富氧系数增加,到达压力峰值的时间逐渐减小。通过分析不锈钢管道中的燃烧诱导快速相变现象,发现泄爆可以有效降低爆炸压力峰值,且随泄爆面积比增大,到达压力峰值的时间提前。     

泄爆导管长度对除尘器泄爆影响的模拟分析

使用FLACS软件DESC模块,对连接不同长度泄爆导管的除尘器泄爆模型进行了模拟,研究泄爆过程中除尘器内部以及泄爆方向上的超压与高温变化规律。研究结果表明,泄爆导管内部要比除尘器内部先达到最大爆炸压力,但压力值却要小于除尘器内的超压;在泄爆方向上,距泄爆口越远,导管内的爆炸压力也越小,且在泄爆导管末端压力下降的趋势明显加快;随着导管长度从1 m增加到6 m,除尘器与泄爆导管内部的最大爆炸压力也逐渐增大,在泄爆导管长6 m时,除尘器内部达到了81.8 kPa的最大爆炸压力;而对于不同长度的导管泄爆模型,泄爆导管内部都达到了2 000 K左右的高温,且导管越长,最大爆炸温度所能持续的时间也越长。     

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。     

障碍物对采用泄爆管泄放气体爆炸影响的数值模拟

采用k-ε湍流模型和漩涡耗散概念模型(EDC)建立了泄爆管泄放气体爆炸的模型,并模拟容器内置障碍物时泄爆管泄放气体爆炸火焰的传播过程,分析了障碍物形状、阻塞率、位置、个数对超压(pred)和压力上升速率的影响.结果表明:障碍物的出现导致燃烧速度和pred上升,正方形障碍物导致的爆炸后果最严重;增加障碍物个数或增大障碍物阻塞率均可增加超压和燃烧速度;障碍物置于容器中心,爆炸后果较强,而靠近点火源或泄爆口,后果有所减弱.     

球形容器内可燃气体泄爆过程的数值模拟

利用流体力学软件Fluent对球形容器泄爆过程中流场进行数值模拟,分析泄爆导管长度和泄放压力对爆炸压力和爆炸强度的影响,以及泄爆过程中火焰阵面和速度场的变化。研究表明,泄爆过程增大了燃烧火焰的面积,燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流,燃烧速度得到极大地加速,泄爆导管对于容器内的高压气体的泄放起到了约束作用,泄爆导管的长度是影响泄爆过程中容器内部压力变化的重要因素。     

CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性研究

为了解CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性,用自行搭建的实验系统,从超压、火焰传播速度和火焰结构3个方面研究了CO2-超细水雾形成的气液两相介质对9.5%瓦斯/煤尘复合体系爆炸的抑爆效果、影响因素与原因。研究结果表明:随着CO2体积分数和超细水雾质量浓度的增加,爆炸火焰最大传播速度、爆炸超压峰值均出现明显下降,火焰到达泄爆口时间显著延迟;尤其当CO2体积分数达到14%与超细水雾的共同抑爆效果凸显,瓦斯/煤尘复合体系爆炸超压的“震荡平台”消失,同时火焰结构呈现“整体孔隙化”。所得结论为煤矿井下高效防爆抑爆技术进行了完善和增强。     

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。     

泄爆口参数对氢气火焰传播过程影响的数值模拟

为了减少管内气体爆炸造成的损失与破坏,基于大涡模拟LES模型和Zimont燃烧模型,研究泄爆尺寸(直径为40,60,80 mm)和泄爆位置(侧方距点火端1,3,5 m)等泄爆条件对受限空间中氢气燃爆特性的影响。研究结果表明：大孔径泄爆口更好的排放效果造成火焰锋面在通过泄爆口时发生严重畸变,而泄爆口与点火端距离的增加则会削弱火焰锋面畸变的程度,且不同尺寸泄爆口产生的泄压效果差异较大。因此,应考虑将合适尺寸的泄爆口设置于靠近易燃点处。通过探索不同泄爆孔径与泄爆口位置对氢气火焰传播的影响规律,可为实际应用中的安全泄爆起到指导性作用。     

An overpressure-time history model of methane-air explosion in tunnel-shape space

This study investigated methane-air explosion in tunnel-shape space and developed an overpressure-time history model based on numerical results. The findings revealed that for the progressively vented gas explosion with movable steel obstacles in a 20 m long tunnel, the inner peak overpressure increased as the activation pressure of the tunnel top cover got higher but remained below 6 bar. However, as the activation pressure increased to 8 bar or higher, the peak inner overpressure remained unchanged. As the segment cover panel became wider, the peak pressure was almost unchanged, but the pressure duration and impulse declined significantly. The peak pressure and impulse increased as the tunnel length vary from 10 to 30 m. With fixed tunnel length, higher blast pressure but lower impulse was observed as the inner obstacles were closer or the activation pressure of obstacles was higher. It is also found that a local enlarged space in the tunnel enhanced the peak pressure significantly. An overpressure time history model for the tunnel with fixed top cover and enlarged end zone was established. The model considered activation pressure of vent cover, area and length of vent opening, methane concentration, number and blockage ratio of fixed obstacles was developed to calculate the overpressure and corresponding time at characteristic points of the pressure-history curve. The cubic Hermite interpolation algorithm and a specially tuned formula consisting of the power and exponential function were used to interpolate pressure values between characteristic points. The proposed model can predict both the peak pressure and the overpressure time history with acceptable accuracy.     

Prediction of the relief of gas explosion in a tubular vessel by venting using a mathematical model

The relief of a gas explosion in a tubular vessel by venting can be predicted by using a mathematical model. In this model, the flame acceleration is represented by an increase in the burning velocity. The movement of a vent cover can be included. The model assumes that the vent is blocked by the vent cover prior to the explosion. the venting ratio was the most influential parameter in terms of relieving the pressure. In the case of a large venting ratio, the flame acceleration made a highly significant contribution, whereas for small venting ratios, the weight of the vent cover contributed to the relief more than the flame acceleration. When the pressure is required to be reduced significantly, the venting ratio, the vent open pressure and the weight of the vent cover must all be reduced.     

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...     

Effects of vent layout and vent area on dynamic characteristics of premixed methane-air explosion in a tube with two side-vented ducts

To further elucidate the influence mechanism of side vents on the dynamic characteristics of gas explosions in tubes is helpful to design more reasonable vent layouts. In this paper, 9.5% methane-air explosion experiments were conducted in a tube with two side-vented ducts, and the effects of vent layouts and vent areas on the dynamic characteristics of explosion overpressure and flame propagation speed were investigated. The results demonstrate that under the same condition with a single vent area of 100 mm × 100 mm, when only the end vent is open, the maximum explosion overpressure and the maximum flame propagation speed are the highest among the five vent layouts. When the side vents 1 and 2 and the end vent are open, the maximum explosion overpressure is the lowest, and an unusual discovery is that the flame front changes into a hemispherical shape, finger shape, quasi-plane shape, tulip shape and wrinkled structure. When only side vent 1 is open, a unique Helmholtz oscillation occurs, and a new discovery is that there is a consistent oscillation relationship among the overpressure, flame propagation speed and flame structure. Helmholtz oscillation occurs only when a single vent area is 100 mm × 100 mm–60 mm × 60 mm, and the oscillation degree decreases with decreasing vent area. During the vent failure stage, the maximum explosion overpressure is generated, the flame front begins to appear irregular shape, and the flame propagation speed shows a prominent characteristic peak. After the vent failure stage, the driving effect of the end vent on the flame is higher than that of the side vent on the flame. Furthermore, the correlation equations of the mathematical relationships among the maximum explosion overpressure P_red, the static activation pressure P_stat and the vent coefficient K_v under four vent layouts are established, respectively.     

竖直分支管道泄爆开启压力对甲烷爆燃压力的影响研究

针对市政排污管网等典型受限空间内可燃气体爆燃风险,建立由水平管道和竖直分支管道构成的数值模型,研究竖直分支管道不同泄爆开启压力对甲烷爆燃压力的影响.研究结果表明:不同泄爆开启压力条件下,管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应;水平管道内各测点压力时程曲线均表现为先增大后减小而后出现亥姆霍兹振荡,随着与爆源距离的增加,初...     

不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导下爆炸传播规律研究

为了探究不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导下的爆炸传播规律,利用自行搭建的直管瓦斯爆炸诱导煤尘二次爆炸实验系统,从冲击波压力和火焰传播速度2个方面,研究了不同含水率沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下的爆炸传播规律和原因。研究结果表明:当煤尘含水率小于40%时,管道内沉积煤尘会在瓦斯爆炸诱导下产生二次爆炸,同时沉积煤尘总量一定时,沉积煤尘二次爆炸产生的冲击波超压峰值和火焰传播速度随着煤尘含水率的增加先增大后减小;当沉积煤尘含水率为20% 时,煤尘二次爆炸产生的冲击波超压峰值、火焰传播速度峰值达到最大值,分别为1.657 MPa和468.060 m/s;当沉积煤尘含水率大于40%时,沉积煤尘无法产生二次爆炸,此时爆炸产生的威力小于单一瓦斯爆炸,火焰传播速度衰减较无煤尘的瓦斯爆炸更快,沉积煤尘起到抑制瓦斯爆炸传播的作用。研究结果可以为防治煤尘二次爆炸提供理论依据。