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。     

置障条件下含氢瓦斯爆炸特性试验

为了获得置障条件下含氢瓦斯爆炸特性,通过试验研究了50 mm×50 mm×250 mm透明管道内连续障碍物条件下氢气体积分数对瓦斯爆炸火焰锋面位置、火焰传播速度、超压及最大超压上升速率的影响规律。结果表明,与氢气体积分数为0时相比,当氢气体积分数分别为1. 5%、3. 5%和6. 5%时,火焰锋面到达出口所用时间分别缩短了3. 3 ms、6. 7 ms和8. 3 ms,最大超压分别增大了10. 5%、62. 8%和109. 2%,最大超压到达时间分别缩短了18. 7%、31. 3%和41. 3%,最大超压上升速率大致呈线性增长趋势。此外,当氢气体积分数增加时,其爆炸超压主要频率对应的分量随之增大,爆炸产生超压振荡的周期性增强,其频率主要分布于200～400 Hz,这种高频超压振荡现象可能与含氢瓦斯爆炸产生较大水蒸气分压进而引起的燃烧诱导快速相变有关。     

丙烷对甲烷-空气预混气体爆炸影响机理研究

为探究丙烷对甲烷爆炸的影响,通过试验研究不同体积分数丙烷对甲烷爆炸特性的影响特征,利用CHEMKIN-PRO软件模拟丙烷影响甲烷爆炸过程中自由基变化特征。结果表明,随着丙烷体积分数的增大,丙烷对甲烷爆炸呈现出先促进后抑制的作用。当丙烷体积分数为0.2%～0.6%时,促进甲烷爆炸;当丙烷体积分数为0.8%～1.0%时,抑制甲烷爆炸。在丙烷促进甲烷爆炸阶段,丙烷通过均裂反应生成·C₂H₅和·CH₃,·CH₃增大·H、·O、·OH的生成速率,导致爆炸强度增强;在丙烷抑制甲烷爆炸阶段,随着丙烷体积分数的持续增加,O₂体积分数降低,·O生成速率降低,·H、·OH生成速率降低,导致爆炸强度减弱。     

超细水雾对管内丙烷爆炸火焰抑制效果的试验研究

利用自行研制的超细水雾抑制管内丙烷爆炸的小尺寸试验系统,研究超细水雾抑制管内丙烷爆炸的有效性.试验采用0.6m×0.09m的圆柱形透明玻璃管,研究体积分数为2.7％～3.7％的丙烷/空气预混气体在0～2 mL超细水雾作用下的爆炸火焰传播特性,测定超细水雾作用下丙烷爆炸下限及火焰传播速度的变化规律,探讨超细水雾对管内丙烷爆炸火焰的抑制机理及效果.结果表明:超细水雾可显著提高丙烷的爆炸下限,降低丙烷爆炸的危险性;超细水雾可有效抑制丙烷爆炸的传播速度,且随超细水雾添加量增大,传播速度不断降低;根据抑制率计算结果,在贫燃料情况下,超细水雾对丙烷爆炸的抑制效果随雾量增大和体积分数降低而增强.     

管内煤粉爆炸特性及抑制技术研究

为更好地预防煤粉爆炸事故,利用大型水平粉尘爆炸试验管道系统开展试验,探讨煤粉粒度和挥发分含量对爆炸峰值超压的影响,选取ABC粉、CaCO_3粉和SiO_2粉等3种粉尘抑爆剂,分析抑爆剂种类、浓度和粒度等因素对煤尘爆炸抑制效果的影响。结果表明,煤粉粒度以及挥发分含量对爆炸峰值超压的影响程度随着煤粉质量浓度的增加逐渐减弱。试验所用3种粉尘抑爆剂的抑爆效果由高到低依次为ABC粉,SiO_2粉和CaCO_3粉。就ABC粉抑爆剂而言,平均粒径越小抑爆效果越好,且只有当其质量浓度超过920 g/m3时,才能完全抑制爆炸波,否则穿越抑爆区后将会重新成长。     

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。     

管内合成气爆炸压力特性的试验与机理研究

为了确保合成气在工业生产与使用中的安全,通过自行搭建的试验系统研究了不同H₂体积分数的H₂/CO/空气预混气体爆炸压力振荡特性,同时利用理论计算了量纲一因素对压力振荡的影响。结果表明,在H₂体积分数为70%时,合成气在密闭管道存在燃烧诱导快速相变现象。在开口管道中,当H₂体积分数为50%和70%时,爆炸超压最大值发生在曲线后期高频振荡阶段。燃烧诱导快速相变发生在开口管道中,且H₂体积分数的变化对超压峰值和超压振荡的变化起着重要作用。不同H₂体积分数的振荡周期都属于10^-4同一数量级,表明H₂体积分数对振荡周期没有影响。随着H₂体积分数的增加,振荡平均幅值逐渐增加,超压振荡现象更加明显。通过理论分析,燃烧诱导快速相变受量纲一因素的影响,是火焰传播阶段、水和壁面凝结阶段,以及火焰和冷壁面辐射热交换阶段三者共同驱动的。研究结果对于预防合成气爆炸故发生具有指导意义。     

球形压力容器中甲烷-氢气-空气爆炸过程数值模拟及实验研究

为研究受限空间内甲烷-氢气-空气混合气体爆炸特性参数分布规律,在20 L球形压力容器装置内开展甲烷-氢气-空气混合气体爆炸实验,探究掺氢比变化对当量比为1的甲烷-氢气-空气混合气体爆炸过程的影响;运用Fluent数值模拟软件,采用标准k-ε湍流模型,结合层流有限速率燃烧模型,探究混合气体爆炸过程中燃烧特性(爆炸温度、压力、密度等)与反应时间的变化规律。研究结果表明：爆炸过程中,添加一定氢气时爆炸压力峰值、爆炸压力上升速率峰值增大,而到达峰值时间缩短;反应初期,中心点火处密度下降,反应釜各处密度持续上升;距离点火点越远,密度变化越大,反应釜中压力分布基本相同。研究结果可为甲烷-氢气-空气混合燃料的安全使用提供相关参考。     

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。     

水平管内不同煤质煤尘爆炸火焰传播特性实验研究

为研究水平管道空间不同煤质煤尘爆炸火焰传播特性,选取褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤4种煤尘,对爆炸火焰焰峰特性、火焰加速传播特性、火焰传播距离与持续时间展开研究。研究结果表明:褐煤在500 ms内焰峰的形状由尖锐向平滑再向钝化不断演变,长焰煤与不粘煤在375 ms时焰峰前端出现明显焰体分离现象,分析认为这与管体冷壁效应、空间尺度效应及空间氧气消耗直接相关;气煤在375 ms时焰峰出现大面积火焰碎纹,说明气煤爆炸火焰猛烈传播的持续时间相对较短,整体爆炸强度相对较弱;褐煤与长焰煤爆炸火焰存在2次间断性加速,分析认为这与管体空间受限、常温管壁散热、局部助燃氧气瞬间不足等因素有关;褐煤在爆炸后400～600 ms内火焰2次加速完全,火焰传播距离达740 mm,明显大于长焰煤、不粘煤与气煤,说明低变质褐煤爆炸火焰持续时间更长,火焰传播距离更远且传播更剧烈;虽然气煤火焰最远传播距离比长焰煤大30 mm,但由于气煤火焰在375 ms左右出现大片火焰碎纹,因此气煤整体的爆炸强度小于长焰煤。     

当量比和初压对二甲醚-空气爆炸特性的影响研究

为探究二甲醚-空气爆炸特性,采用高速光学纹影技术和高频动态压力测量技术获取当量比和初压对二甲醚-空气火焰形态和爆炸超压峰值的影响规律.采用刘易斯数、热膨胀比和火焰厚度理论分析了火焰形态,采用燃烧热损失理论分析了爆炸超压峰值.结果表明,高速光学纹影技术和高频动态压力测量技术可清晰、准确地获取二甲醚爆炸火焰形态和爆炸超压峰值.在热扩散不稳定和流体动力学不稳定相互作用下,火焰形态大致可以划分为3类:光滑火焰、裂痕火焰和胞状火焰.当量比Φ=0.8和Φ=1.0时,刘易斯数大于1.0,热扩散不稳定迫使球形膨胀火焰趋于稳定,不同初压下火焰形态相对光滑或表面出现少许裂痕,未观测到胞状火焰;当量比Φ=1.5时,刘易斯数接近于1.0,球形膨胀火焰仅受流体动力学不稳定的影响,初压达到200 kPa时形成胞状火焰.随初压增加,刘易斯数几乎恒定,热膨胀比缓慢增加,火焰厚度迅速减小,即热扩散不稳定对球形膨胀火焰的影响效应不变,流体动力学不稳定对球形膨胀火焰的失稳效应逐渐增强.另外,对于不同当量比和初压,绝热工况二甲醚爆炸超压峰值均高于试验工况.随初压增加,绝热工况和试验工况二甲醚爆炸超压峰值均线性增加,不同当量比下燃烧热损失单调增加.     

爆炸塔内爆炸流场的数值模拟

采用二维非定常流体动力学差分方法(隐式TVD格式),以轴对称和平面问题对半球顶圆柱筒身爆炸塔内,中心和偏心爆炸的流场进行了数值模拟。本文简要介绍了方法与结果。     

爆炸塔内爆炸流场的数值模拟

采用二维非定常流体动力学差分方法(隐式TVD格式)，以轴对称和平面问题对半球顶圆柱筒身爆炸塔内，中心和偏心爆炸的流场进行了数值模拟。本简要介绍了方法与结果。     

瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸数值计算

为研究煤尘对瓦斯爆炸特性的影响及不同浓度瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸特征参数变化规律,对混合物建立均相湍流燃烧模型和混合物参数计算方法,采用Fortran语言对计算流体力学软件AutoReaGas进行二次开发。利用二次开发后软件研究了混合物爆炸特性,得到不同浓度瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸规律及瓦斯-空气和瓦斯-煤尘-空气混合物爆炸特性对比。数值计算结果与试验结果吻合较好,表明该方法研究气-固两相爆炸是可行的,煤尘参与使瓦斯爆炸最大超压和最大压力上升速率分别提高1.8倍和4.7倍,反应速率明显上升。     

瓦斯体积分数梯度分布及柔性置障耦合作用下爆炸灾变范围研究

为探究柔性置障与瓦斯体积分数分布状态对瓦斯爆炸传播特性的影响,以瓦斯爆炸事故灾变范围变化为主要研究内容,从冲击波、高温火焰等主要因素展开分析.在试验的基础上采取数值模拟方法,研究了不同体积分数分布和置障耦合作用下瓦斯爆炸传播过程中压力、火焰、温度的变化特征.物理模型是截面为0.20 m x 0.20 m的水平矩形管道并加入薄膜隔段,设计9.5％-0 CH4、9.5％-3.5％CH4、9.5％-6.5％CH4、9.5％-9.5％CH4 4种工况.结果表明,隔膜障碍物使甲烷气体从高浓度到低浓度的条件下爆炸压力骤升,最大爆炸超压在隔膜后达到1.074 MPa,部分区域温度高达3 000 K.体积分数梯度差诱导瓦斯充分燃烧,反应速率升高,强化了柔性障碍物形成的激励作用,且有助于爆炸压力与火焰速度的提高,使瓦斯爆炸的受灾范围进一步扩大.甲烷体积分数在6.5％以下工况时在距爆源65 m附近的压力可达0.175 MPa,9.5％的工况时在距爆源100 m处的压力仍保持在0.3 MPa,超高压力和温度需要长距离才能下降至常压常温,促使灾变范围增大.研究揭示了在体积分数梯度分布条件下,瓦斯爆炸事故中柔性障碍物的激励效应导致灾变范围扩大的物理机制,对事故调查中确定爆炸冲击波的波及范围和事故应急救援重点区域、提高救灾方案可靠性具有理论和实际意义.     

狭长受限空间甲烷-空气爆炸事故研究评述

狭长受限空间由于结构的约束性,发生气体爆炸时易导致严重的爆炸后果。甲烷是瓦斯和天然气的主要成分,煤矿巷道和地下管涵等狭长受限空间的甲烷-空气爆炸严重威胁工业生产安全。本文系统分析了国内外狭长受限空间甲烷-空气爆炸事故研究成果,按气体体积比和气体体积、环境因素、点火源、障碍物、结构等影响因素分类评述了当前的研究进展,指出各因素下甲烷-空气爆炸后果影响研究中存在的不足,提出爆炸特征参数演化以定性为主向定量化表征是未来研究的重点,对数值模拟软件进行二次开发以实现爆炸流场演化导致结构变形的全过程分析是进一步完善的方向,对狭长受限空间甲烷-空气爆炸事故防控和后果评估具有一定指导价值。     

爆炸空气冲击波在巷道转弯处的传播特性

为了探索爆炸空气冲击波在巷道内的传播规律,进行了数值计算和理论分析,讨论了爆炸冲击波通过45°弯曲巷道后的压力变化过程.研究结果表明: 爆炸空气冲击波通过45°弯曲巷道后的压力分布复杂,空气冲击波逐渐恢复为平面波需经过4倍等效巷道直径的距离传播.在该4倍等效距离内,冲击波反射叠加,在巷道外侧壁面Mach反射点取得超压最大值,恢复平面波以后超压随距离呈单调衰减.     

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。     

垂直支管位置对等径三通管内爆炸气流及流场的影响分析

三通管支管位置变化影响管内爆炸气流分布及爆炸后果,为研究其影响规律,构建等径垂直支管三通管道模型,通过数值模拟和试验测试,计算和分析爆炸气流传播、流场变化、速度峰值及压力峰值规律。结果表明：在垂直支管B与水平支管C长度相同的工况下,C内的速度峰值整体大于B,两支管内的最大气流速度峰值均出现在分岔处,为228 m/s,比A管小26.7%;初次点火正向气流传播和末端反射的正向传播气流均会导致三通处流场气流旋涡、强湍流动能区域和速度峰值;支管位置不同工况下,三通管内气流速度峰值最大值均出现在水平管内;垂直支管内气流速度峰值随监测点距离增加均呈下降趋势,垂直支管内速度峰值与压力峰值呈现明显的反比关系。     

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。