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。     

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。     

瓦斯浓度对爆炸波振荡特征的影响研究

为研究瓦斯浓度对封闭型管道内爆炸波振荡特征的影响,用数值模拟方法分析超压波形振荡特征、超压沿管道的变化和浓度对振荡周期的影响。研究结果表明:随着瓦斯体积分数的增加,超压峰值和振幅先增大后减小,体积分数在9.5%时,具有最高的爆炸超压和最强的振荡特性。瓦斯体积分数在接近爆炸上下限时均出现多重爆炸波的振荡叠加现象,爆炸超压最大值既能发生在反射端,也能发生在爆炸波的对冲叠加点。随着瓦斯体积分数的增加,振荡周期先变短后变长,在体积分数为9.5%时具有最短的周期;振荡周期可以用拟合得到的关于浓度的多项式来计算。     

多孔材料-CO2对CH4/H2抑爆失效研究

为探讨多孔材料-CO₂对低氢比混合气体抑爆失效情况下爆炸特性的变化,本文自行设计并搭建尺寸为100mm×100mm×1 000mm有机透明玻璃爆炸管道实验平台,研究H₂体积分数φ以及CO₂喷气压力对低氢比混合气体爆炸火焰行为和超压的影响。结果表明：抑爆失效情况下,CO₂喷气作用加剧低氢比混合气体的燃烧,促进火焰结构发育,导致火焰锋面速度峰值增大。同时,CO₂喷气压力增大,上游爆炸压力峰值P_1-peak在不同程度上升高;下游爆炸压力峰值P_2-peak仅在φ=10%且CO₂压力分别为0.2、0.4MPa情况下有所衰减,其他失效情况均使压力峰值升高。     

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 。     

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。     

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。     

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。     

封闭管道油气爆炸超压及火焰传播特性

对油气在封闭管道内的爆炸特性进行研究，发现爆炸超压发展过程可以分为3个阶段:第1次超压上升阶段、第2次超压上升阶段和超压下降阶段。初始油气浓度对爆炸初始阶段的发展有很大影响，油气浓度为1.73%时发展最激烈；当初始油气浓度较高时，在最大超压峰值附近，会产生压力振荡现象；初始油气浓度对Tulip火焰的形成及发展有较大影响，各种浓度油气的爆炸，都有形成Tulip火焰的趋势；当油气浓度适中时，Tulip火焰会一直传播到管道末端，当油气浓度较高或较低时，火焰锋面会经由鲨鱼嘴形状火焰转变为刀尖形火焰，当初始油气浓度为1.73%时，最容易发展形成Tuilp火焰。     

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。     

苯蒸气爆炸/燃烧火焰传播特性研究

为探究苯蒸气爆炸/燃烧火焰传播特性,在自主设计加工的长度1 m的透明可视化爆炸试验管道内,开展不同浓度苯蒸气的爆炸/燃烧试验,利用高速摄像仪拍摄管道内不同浓度苯蒸气爆炸火焰传播图像,并对比研究火焰图像。结果表明:低浓度苯蒸气-空气预混气体点燃后发生剧烈爆炸反应,随着苯蒸气浓度的升高,剧烈爆炸反应转为温和燃烧反应;火焰传播平均速度随苯蒸气浓度的增大而增大,在苯蒸气体积分数为2. 8%时,火焰传播平均速度达到最大值,之后,随着苯蒸气浓度的增大而减小;低浓度苯蒸气爆炸火焰传播过程经历了急剧加速、急剧减速、缓慢加速和缓慢减速4个阶段,高浓度苯蒸气火焰传播速度基本保持不变,火焰形态与火焰传播速度密切相关。     

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。     

氢气对预混甲烷/空气燃爆过程的影响

为研究氢气的加入对不同体积分数甲烷/空气预混爆炸过程影响的规律,在尺寸为150 mm×150 mm×1 000 mm的管道中通入体积分数为8%、9.5%和11.5%的甲烷/空气预混气体,然后加入一定体积分数的氢气。氢气所占体积分数分别为0、0.74%、1.48%、2.95%、4.40%。分别对加入不同体积分数的甲烷爆炸过程中爆炸压力、火焰图像和爆炸温度进行测量、分析。结果表明:只有在8%纯甲烷爆炸时能够形成完整的郁金香火焰。8%和9.5%甲烷体积分数试验中,氢气的加入使火焰面由上下对称变得不对称,火焰阵面上移,火焰速度加快;爆炸中的最大超压增大并且最大超压时刻点提前。在11.5%的甲烷加氢试验中,随加氢量增加,爆炸压力、温度、火焰速度分别略微降低。这表明氢气的加入在体积分数为8%的爆炸反应中较大地促进了反应,而体积分数为11.5%时加氢后爆炸反应减弱。通过理论分析计算了半封闭管道中体积分数为9.5%甲烷爆炸温度和实测温度之间的差异。爆炸压力和温度的变化能很好地反映加入氢气对甲烷爆炸的影响。     

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。     

半封闭管道内瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律研究

为了探究瓦斯煤尘爆炸火焰的传播规律,采用自行搭建的半封闭垂直管道爆炸试验系统,研究瓦斯体积分数和煤尘质量浓度的改变对火焰传播规律的影响。结果表明:1)加入煤尘后的瓦斯爆炸火焰传播速度显著增大;2)在爆炸腔体内,瓦斯体积分数越接近化学当量比,煤尘质量浓度越接近50 g/m3,爆炸火焰传播速度越快;3)在传播管道内,大量的氧气从开口端进入参与反应,瓦斯体积分数和煤尘质量浓度较大的试验组,火焰传播速度会迅速上升; 4)煤尘质量浓度和瓦斯体积分数存在最佳配比,煤尘质量浓度和瓦斯体积分数偏离最佳浓度配比程度较大时,火焰传播加速度下降,传播距离变短。     

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。     

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。     

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。     

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。     

惰性气体-水雾协同抑爆甲烷研究

采用自行改造的20 L球形爆炸容器进行瓦斯抑爆研究，试验中采用分压法来制备混合气体，定量描述了爆炸压力、爆炸压力上升速率及抑爆效率等特征，分析了在3种惰性气体(CO₂、N₂和Ar)作用下CH₄的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率。结果表明，CO₂的抑爆效果优于其他两种惰性气体，当CO₂的体积分数达到6%时，CH₄的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率分别降为0.113 MPa和1.58 MPa/s,下降了78.6%和86.4%。通过试验可知，3种惰性气体均能延缓瓦斯爆炸的发生，降低爆炸的强度，但对于N₂和Ar而言则需要增加惰性气体的体积分数以达到与CO₂相同的抑爆效果。基于上述单相抑爆结果，选择3种惰性气体中抑爆效果最佳的CO₂来进行惰性气体-水雾协同抑爆效率的研究。通过大量重复性试验得出，2%CO₂-1 MPa水雾抑爆效率由单相体积分数为2%的CO₂