定容燃烧弹内含煤尘甲烷爆燃火焰传播特性试验研究

为探究煤尘对甲烷爆燃火焰的直观影响，在定容燃烧弹(Constant Volume Chamber, CVC)内利用激光纹影技术获取了甲烷球形火焰纹影图像及含煤尘甲烷火焰纹影图像，分析了不同体积分数甲烷火焰(6.5%、8.0%、9.5%)的不稳定性，对比了不同质量浓度煤尘(5 g/m³、10 g/m³、15 g/m³、20 g/m³、25 g/m³)对甲烷火焰的影响，分析了含煤尘甲烷火焰传播机理。结果表明，定容燃烧弹内球形火焰发展经历了层流火焰、胞状不稳定火焰。煤尘对甲烷火焰的影响呈明显的阶段特性：在层流燃烧阶段，煤尘因吸热抑制火焰传播，且煤尘质量浓度越高，抑制作用越强；散布的煤尘可对火焰锋面产生扰动，使火焰加快发展为胞状不稳定火焰，且甲烷体积分数越接近化学当量比，煤尘质量浓度越高，火焰可更快发展为胞状不稳定火焰；随着化学反应速率提高，火焰温度上升，煤焦开始参与反应并增强流场自发光及反应持续时间。     

甲烷-煤尘复合体系中煤尘爆炸下限的实验研究

在3.2 L的燃烧管道中,采用小能量的高压点火装置,通过改变甲烷体积分数、煤尘种类与粒径,研究了甲烷-煤尘复合体系中煤尘爆炸下限的变化规律.研究结果表明,在本文实验条件下,甲烷-煤尘混合物中甲烷体积分数的增加能明显降低煤尘的爆炸下限.对于煤尘粒径小于42 μm煤样A,当甲烷体积分数从1.8%增加到2.2%时,煤尘的爆炸下限相应从30 g/m3下降到6.25 g/m3.煤尘的爆炸下限也随着煤尘中挥发分含量的增加而降低.煤尘粒径对其爆炸下限的影响较弱.实验结果与文献中高能量化学药头点火的测试结果进行比较表明,甲烷对煤尘爆炸下限的影响趋势并不随着点火源能量的改变而改变.     

甲烷体积分数对甲烷-煤粉复合火焰传播特性的影响

为探究甲烷体积分数对煤粉爆炸过程的影响,并掌握甲烷-煤粉爆炸火焰传播特征,通过粒度分析仪和同步热分析仪研究2种煤粉样品的粒径大小和热解过程。利用1 500 mm×80 mm×80 mm的半开口竖直燃烧管道,探究不同甲烷体积分数下,中位粒径分别为65和25μm烟煤粉的火焰传播特性,分析甲烷体积分数对甲烷-煤粉复合火焰结构、温度和速度的影响。结果表明:25μm煤粉比65μm煤粉的火焰更加明亮,甲烷体积分数的增加对65μm煤粉火焰有更强的促进作用;当甲烷体积分数越接近当量比时,火焰锋面越规则,火焰速度也越快;随着甲烷体积分数的增加,火焰温度和火焰传播速度均呈现先增大后减小的趋势;甲烷体积分数为9%时,火焰温度达到最大值;甲烷体积分数为8%和10%时,65和25μm煤粉最大火焰速度为分别为26.53和39.28 m/s。     

直线管道煤尘爆炸火焰传播规律的试验研究

为提供煤尘爆炸事故预防和缓解所需的科学依据,对煤尘爆炸火焰传播过程进行试验研究。所用试验装置,其主要部分为直径0.3 m的圆形管道与断面边长为80 mm的方形管道对接形成的一个长2 m的爆炸腔体。在其中共进行9次煤尘爆炸试验。结果表明,煤尘爆炸火焰传播具有速度快,波动大,稳定性较差的特点,火焰区长度远大于扬尘区长度,最大火焰速度和传播距离与煤尘量均不存在正比例关系,但存在一个特定的煤尘质量浓度。在这个特定质量浓度处,最大火焰速度达到最大值。当煤尘质量浓度大于这个特定质量浓度时,火焰传播速度曲线整体下降,暂时缺氧被认为是导致这一情况的重要因素。     

煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响研究

为研究煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响及其变化规律,选取挥发分含量不同的四种典型烟煤煤样,分别制备成31.5、44、62.5、81.5、119、>150 μm六种粒径,利用煤尘爆炸性鉴定装置测试其爆炸火焰长度,并对其爆炸火焰长度变化规律进行分析。结果表明:随着挥发分含量的增加,不同粒径级别的煤尘爆炸火焰长度均呈增长趋势;在挥发分含量较低的区间,挥发分含量增加对爆炸火焰长度影响不大;在挥发分含量较高的区间,随着挥发分含量的增加其爆炸火焰长度也急剧增加,并且粒径越小增加的越快。对于同一实验煤样,随着粒径的增大,其爆炸火焰长度逐渐减小,粒径增大到150 μm以上时爆炸火焰几乎消失。爆炸火焰长度随粒径变化的变化率根据实验煤样的不同,呈现出两种变化规律,挥发分含量为18.99%和27.52%煤样的爆炸火焰变化率先增加再减小再增加,挥发分含量为32.20%和39.74%的煤样呈现先增加再减小的趋势,但四组实验煤样的爆炸火焰长度变化率都在44～62.5 μm的粒径变化量时达到最大值。     

高海拔矿井掘进巷道瓦斯爆炸火焰传播规律数值模拟*

为研究高海拔矿井瓦斯爆炸火焰传播规律,运用数值模拟方法,建立矿井掘进巷道瓦斯气体爆炸数学及物理模型,并对海拔高度为0,1 000,2 000,3 000,4 000 m时的爆炸火焰传播速度、温度和冲击波压力进行研究。结果表明:瓦斯浓度和聚集体积量一定的掘进巷道发生瓦斯爆炸时,随着海拔高度的升高,火焰传播速度增大,且海拔每升高1 000 m,瓦斯气体聚集区和非聚集区的平均火焰传播速度分别增大4.7%和1.9%,掘进巷道内同一位置受到的瓦斯爆炸火焰最高冲击波压力随着海拔高度增加而显著降低,且呈二次函数关系,达到最大冲击波压力和最高火焰温度的时间缩短,最高爆炸火焰温度受海拔高度的影响较小。     

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。     

甲烷射流扩散火焰结构试验研究

利用不同口径、不同流量的甲烷射流扩散火试验研究了射流扩散火焰结构特征,得到了射流火从层流燃烧到湍流燃烧再到吹熄的一般规律.结果表明,不同口径射流火在层流扩散燃烧与湍流扩散燃烧时火焰高度的变化各有不同.火焰最大高度出现在湍流扩散燃烧阶段.某些工况下燃烧出现脉动火焰现象,此时的火焰高度较小.     

管道内瓦斯煤尘共混爆炸温度特性

采用瞬态火焰传播实验系统,对7%,8%,9%,10%和11%的瓦斯体积浓度分别与不同浓度的长焰煤煤尘混合,并使用直径25 μm的Pt/Rh13-Pt微细热电偶测量温度,揭示受限空间内瓦斯与煤尘混合爆炸温度特性。结果表明:煤尘浓度一定时,随着瓦斯浓度的增加,爆炸温度先增加后减小;纯瓦斯浓度在10%时爆炸温度最高,加入煤尘后的混合体系中,瓦斯浓度为9%时爆炸温度最高;瓦斯浓度不变时,随着煤尘浓度的增加,爆炸温度一直减小;7%~11%瓦斯分别与130 g/m3煤尘混合爆炸后测得最高温度分别为1 333.6,1 475.4,1 511.4,1 455.6,1 396.4 ℃;与9%纯瓦斯爆炸相比,9%瓦斯与130,260,520,780 g/m3煤尘混合爆炸后测得最高温度分别降低7.2%,11.5%,15.0%和22.9%。结论得到的瓦斯煤尘共混爆炸温度数据可为煤矿灾害高温防护提供参考依据。     

瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆方法研究进展

为探究瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆机理,本文通过一系列实验,研究瓦斯、煤尘爆炸的速度和温度等特征,提出利用图像相关系数法和辐射测温原理计算火焰传播速度及温度场变化,定量分析影响煤尘爆炸的因素以及产物变化规律,揭示煤尘爆炸的宏微观机制。结果表明:火焰分形维数可以用来反应瓦斯爆炸强度,即当分形维数更接近2.2937时爆炸反应最为强烈,其爆炸过程中自由基最终生成浓度与CH 4初始浓度呈倒U型关系;当量比对煤粉火焰爆炸压力及速度也有一定影响,在最佳当量比的2倍左右时可以达到最大爆炸压力和最大火焰传播速度。另外本文亦采用泡沫陶瓷对瓦斯的多次爆炸和连续爆炸进行抑爆,发现不同厚度和孔隙的泡沫陶瓷具有不同的抑制效果,孔隙较大的泡沫陶瓷对爆炸能量有较好的抑制作用。     

楔形障碍物与火焰的作用

采用多镜头Cranz ＆ Schardin高速摄影机,对卧式燃烧方管内楔形障碍物与CH4/空气预混火焰的相互作用进行了实验研究,获得了高清淅度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片.基于RANS方法,对上述复杂物理现象进行了数值模拟.计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程,得到了楔形障碍物所导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质.     

Limit of safety against flame transmission for sintered metal flame arrester elements in the case of flashback in fuel gas/oxygen mixtures

In autogenous welding, cutting and allied processes, so-called dry safety devices are used to protect the outlet terminals of gas distribution lines. To prevent flame transmission, these units are fitted with sintered metal flame arrester elements. At the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), extensive investigations have been carried out with an experimental flame arrester to determine the limits of safety against flame transmission for sintered metal flame arrester elements in the case of flashback in fuel gas/oxygen mixtures. On the basis of the results of these investigations, it is possible to estimate the pore sizes up to which a sintered metal element can prevent any flame transmission with a given fuel gas.     

管道内甲烷/空气预混火焰加速传播特性研究

搭建了基于可视化燃烧管道的预混火焰精细结构实验台,通过理论分析和实验等手段对预混火焰的瞬态传播过程及加速传播特性进行了研究,分析得出了不同甲烷含量的预混火焰加速传播规律及预混火焰由层流向湍流的转变规律.     

轰燃后火焰的辐射热通量计算

轰燃后火焰的热辐射危害，是目前确定建筑物间安全距离的主要依据之一。该文提出了轰燃后火焰在室外一定距离处辐射热通量的计算方法；并在喷出火焰不受室外风影响的情况下，利用小规模试验的结果对这一方法进行了验证。     

不同阻燃剂的聚氨酯泡沫材料阴燃特性研究

为了解添加不同阻燃剂的聚氨酯泡沫材料的阴燃特性,对聚氨酯泡沫材料一半干燥一半采用添加Mg Cl2、防老剂、质量分数为10%的水三种情况进行阻燃处理。各次实验结果表明,添加Mg Cl2的材料阻燃效果较好,温度传播到含有添加剂的材料时,由于材料的阻燃性吸附阻止氧气的传播导致没有发生阴燃向有焰火的转化;当传播到有防老剂材料时,由于防老剂的阻氧导致氧气量缓慢减少,在接触后的前期由于氧气量变化缓慢导致气相反应的出现,随着氧气量减少,阴燃结束;当传播到含水材料时,温度出现下降同时阴燃传播速度变慢,但是阴燃仍然能够维持,最后由于氧气的大量进入转化为有焰火。     

Radiation heat transfer in transient dust cloud flame propagation

This study investigates the impact of radiation heat transfer and heat conduction on dust cloud combustion. Radiation plays a very important role in the stability of dust cloud flame, and increasing the amount of radiation drastically raises the possibility of instability and explosion in a dust cloud mixture. Flame speed, which is a function of mixture characteristics, can exhibit a fluctuating behavior. By using the discrete heat source method, it would be possible to study the transient propagation of dust flames. Thus, the propagation speed of flame can be obtained, and as time goes by, the transient speed of dust flame will reach its steady state value. By considering the radiation effect, better agreement is observed between the obtained results and experimental data.     

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。     

丙烷/空气拉伸火焰传播稳定性实验研究

为了揭示空气中丙烷火焰传播特性,利用纹影系统记录了预混气体小能量点火条件下火焰形成与传播过程,得到了火焰表面的微观结构特征,分析了混合气体火焰的稳定性及其影响因素。结果表明:丙烷/空气混合物火焰发展过程及其表面微观特征与浓度直接相关;当混合物浓度接近爆炸上下限时,火焰扩展速率整体不大于0.5 m/s,燃烧区域向上漂浮,浮力成为影响火焰失稳的主导因素;当混合物浓度靠理论配比时,火焰呈规则球形扩展,火焰稳定性按照先减弱后增强的趋势发展,火焰表面褶皱的形成及演化规律是热扩散不稳定性和流体力学不稳定性共存与竞争的作用结果。     

Numerical investigation of effects on premixed hydrogen/air flame propagation in pipes with different contraction or expansion angles

Numerical simulations of premixed hydrogen-air flame propagation in a pipe with different contraction or expansion angles are carried out in this study. The effects on the flame propagation characteristics are investigated, including flame shape, the speed of flame front and overpressure. Results show that the flame propagation at different contraction angles experiences 6 flame stages: spherical flame stage, finger-shaped flame stage, stage of flame front touching the sidewalls, classic tulip flame stage, dissipation stage of tulip flame and its re-formation stage. The formation of tulip flame and the following stages are promoted by the contraction structure. Meanwhile, the development of the flow and pressure fields near the contraction are analyzed and it is found that the paraclinical effects induced by the contraction angle enhance the tulip re-formation. In the sudden expansion pipes, a triple flame stage appears in the pipes. The flame front remains relatively static for a period of time. However, the flame would continue to propagate when the expansion angle becomes larger and the flame propagation distance in the ducts increased obviously with the larger expansion angle. Baroclinic effect can inhibit the intensity of the vortex in the flow field, and hence weaken the forward transport of fuel. This inhibit effects decrease with the expansion angle becomes larger. The results of this study have implications concerning designs for pipe geometry of hydrogen and may help get better hydrogen transportation.     

燃气加热炉火焰视频监控系统设计

为了持续监测燃气工业加热炉燃烧状况,保障锅炉运行安全,根据燃气火焰的特点,利用数字图像处理技术,设计了相应的燃气加热炉火焰视频监控系统。通过图像预处理、火焰特征提取、火焰特征分析三个步骤,可实现对炉膛火焰燃烧状态进行实时判定,包括火焰燃烧或熄灭、燃烧是否充分、是否稳定。仿真实验结果表明,该系统能准确地从监控视频中检测和识别火焰燃烧状态,并能将燃烧特征量和特征分析结果存储到数据库以供事后查询。