水蒸气对层流甲烷/空气扩散火焰中烟黑生成的影响

空气中水的存在会严重影响烷烃类扩散火焰中烟黑的生成,研究氧化剂流中水对烷烃类火焰的影响,对污染物控制及火灾扑救具有重要意义。模拟采用24步简化机理的有限速率化学反应模型、Moss-Brookes烟黑模型及Discrete Ordinates(DO)辐射模型,研究在空气中加入水对甲烷/空气层流伴流扩散火焰的影响,其中烟黑模型包括烟黑的成核、表面增长和氧化。结果表明,伴流空气中的水蒸气会降低火焰的温度、抑制烟黑的生成。这是因为:一方面,水蒸气降低了甲烷燃烧的温度,火焰温度的降低导致化学反应速率减慢,烟黑成核和表面生长速率随之降低,火焰中烟黑质量分数便减少;另一方面,由于水蒸气的加入使化学反应OH+H_2 H+H_2O(R(15))逆向反应加速,继而导致OH生成量增加。但由于氧气浓度降低使火焰体积增大,OH的浓度降低。从而导致烟黑的氧化速率降低,烟黑生成量增加。由于水蒸气的化学效应小于其温度效应,总体上烟黑质量分数降低。最后对比了模拟结果和试验结果。     

瓦斯浓度对爆炸传播影响的数值模拟研究

以DN700mm管道为原型,应用连续相计算方法对不同浓度瓦斯爆炸火焰、压力波传播进行数值模拟.从中可以看出,爆源附近火焰传播速度较小,上升到某一峰值后又衰减;瓦斯浓度对火焰传播速度有比较大的影响;爆源点的最大压力值并不是整个过程的最大值;瓦斯浓度对爆炸压力峰值影响较大.     

基于三维图像分析的浮力扩散火焰几何与辐射特性研究

火焰几何特性和辐射特性是刻画火灾规模及其危害的重要参量。利用三维火焰重构技术,获取了丙烷浮力扩散火焰的火焰高度、表面积、体积和火焰面元视角系数的变化规律。结果表明,三维重构的火焰能够表征真实火焰形态的动态变化。平均火焰表面积和体积均可较好地拟合为热释放速率的幂函数,火焰表面积热释放速率随火焰热释放速率的增加趋于常数。平均火焰高度、表面积和体积与火焰外部平均辐射热流之间具有较好的幂函数关系,且拟合指数随着与火源距离的增大而减小。此外,将点源、圆柱辐射模型和火焰面元积分方法得到的辐射计算值与辐射测量值进行比较,发现火焰面元积分方法能够更好地预测火焰外围的瞬时和平均辐射热流分布。     

室内火灾喷出和旋转火焰的实验和数值模拟

喷出火焰和旋转火焰是室内火灾火焰的两种常见存在形式。利用小规模室内火灾试验装置和FDS软件,对室内火灾喷出火焰和旋转火焰进行了实验模拟和数值模拟;根据模拟结果,提出了小规模室内火灾条件下喷出火焰根部温度估算公式,分析了室内火灾火焰旋转的机理及其引起热烟气层温度、地板辐射热通量等参数升高的原因。     

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。     

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。     

窗口溢流火燃烧试验与数值模拟研究

选取20 cm × 40 cm和60cm×30c m两个开口工况对窗口溢流火燃烧现象进行试验和模拟研究.试验台基于ISO 9705全尺寸热释放速率试验台搭建,包括燃烧小室、模拟外壁面、温度测量系统和气体分析系统.结果表明,燃烧状态受通风因子影响较大.蜂值热释放速率随通风因子的增大而增大,而达到峰值热释放速率的时间和燃烧持续时间呈相反的变化趋势.溢流火焰的壁而贴附效应与小室开口比率(宽高比)有关,宽开口火焰壁面结附效应比带开口明显.采用火灾动力模拟软件FDS(Fire Dynamics Simolator)对试验结果进 行数值模拟.模拟得到的热释放速率、溢流火焰温度分布、小室温度以及溢流火焰的壁面贴附效应与试验结果吻合较好.     

3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究

为了预测油池火灾的火焰特性,采用CFD模拟技术开展静风状态下3 m直径煤油液池的火灾场景模拟,探讨火焰温度、火焰羽流速度、辐射热通量、燃烧产物质量分数等油池火焰特性参数随高度的变化关系;并结合火焰形态分布,提出一种4区域模型,即将湍流扩散火焰划分为油气混合燃烧区、燃烧火焰区、烟尘区和热烟气区来分析燃烧气流在不同高度的实际物理化学特性。此外,通过经验公式和CFD模拟2种方法分别计算出3 m直径煤油池火灾的火焰高度、火焰表面的辐射通量及热辐射破坏半径,并对计算结果进行比较分析,结果表明:2种方法可互相补充完善,有助于池火灾的热辐射危害性评估。     

水雾作用下气体爆炸火焰传播的实验研究

利用自行设计的全程透明的火焰加速管和水喷雾系统，对不同水雾条件下的气体火焰传播现象进行了实验研究。运用光电传感器与数字摄像技术分析了不同浓度的甲烷在不同水雾条件下的火焰传播速度、火焰阵面轨迹以及火焰结构特性，并通过对传播火焰反应区温度的测量，探讨了水雾抑制气体爆炸火焰传播的内在机理及所需的条件。实验结果表明：由于水雾作用于火焰反应区，降低了火焰反应区内的温度和气体燃烧速度，延长火焰阵面的预热区，减缓火焰阵面传热与传质的进行，从而使传播火焰得以抑制。水雾对气体爆炸火焰传播的抑制效果与水雾流量速度、雾区浓度以及火焰到达水雾区的火焰传播速度有关。     

障碍物对开敞空间贫燃天然气爆炸特性的影响研究

为揭示贫燃条件下障碍物对开敞空间天然气爆炸特性的影响,试验记录了火焰传播形态和爆炸压力,并对火焰结构和压力空间分布进行了数值分析.结果表明:在无障碍物工况下,火焰近似以球形向外膨胀传播,火焰表面较为连续,火焰传播速度较慢,爆炸压力较低;而在障碍物的湍流扰动下,火焰表面出现较大的"褶皱"结构,火焰燃烧表面积显著增大,火焰传播速度升高,爆炸压力也相应增大.相比于由障碍物引起的火焰加速作用,因流体动力学不稳定性产生的失稳效应可忽略不计.由温度分布可清晰观察火焰表面"褶皱"结构的形成过程,计算所得的爆炸压力达到峰值时间较早,且超压峰值相比试验值较低.     

典型木材燃料层流扩散火焰碳黑生成特性研究

为了对木材燃料层流扩散火焰碳黑生成特性进行研究,搭建了基于消光法原理的轴对称层流火焰碳黑浓度测量平台,选用马尾松针、柚木以及红橡木三种典型木材燃料粉碎成针状试样,并堆成直径3.5 cm堆垛,利用酒精引燃后可获得稳定的层流扩散火焰,同时通过电热丝辅助加热延长稳定燃烧。通过对三种典型木材燃料层流燃烧过程的质量损失和火焰碳黑浓度的测量和对比分析,结果显示三种燃料中马尾松针碳黑生成能力最大,这说明木材的碳黑生成能力可能与其碳元素和氧元素的含量有关。     

低压下典型可燃液体层流扩散火焰碳烟分布规律研究

对正己烷、正庚烷、正辛烷三种不同含碳量的可燃液体进行了燃烧实验,利用一台压力范围为40 kPa～101kPa的低压燃烧设备,分析了其在低压下的火焰高度、宽度及其与压力的关系,发现上述3种可燃液体的火焰高度均随压力升高而增加,火焰宽度随压力增加而减小。利用激光诱导炽光法研究了压力对三种可燃液体碳烟浓度分布的影响,包括不同高度下的径向碳烟浓度、轴向碳烟浓度和碳烟浓度峰值,结果表明低压下可燃物含碳量越高、压力越大,碳烟浓度越高;碳烟浓度峰值与压力成指数关系。     

Effect of initial temperature on explosion characteristics of 2, 3, 3, 3–Tetrafluoropropene

The flammability of refrigerants is a major cause of refrigerant explosion incidents. Studying the explosion characteristics of refrigerants at different initial temperatures can provide significant benefits for solving the safety problems of refrigerants under actual working conditions. This paper studied the effects of the initial temperature and refrigerant concentration on the explosion characteristics of refrigerant 2, 3, 3, 3-tetrafluoropropene (R1234yf) at 0.1 MPa. The curves of explosion characteristics with different initial temperature revealed the same variation trend ranged from 25 °C to 115 °C. Specifically, as the refrigerant concentration was raised, the peak overpressure, the maximum rate of pressure rise, and laminar burning velocity increased initially and decreased afterwards, along with maximum values at the refrigerant concentration of 7.6%. When the refrigerant concentration was 7.6%, the peak overpressure declined exponentially with the initial temperature rise, while the maximum rate of pressure rise increased linearly. The laminar burning velocity calculated from the spherical expansion method indicated that the flame propagation was gradually accelerated by the increase of initial temperature, which coincided with the change of the maximum rate of pressure rise. Meanwhile, experiments and CHEMKIN simulation results demonstrated the effects of elevated temperature from 20 °C to 50 °C on the explosion limits of R1234yf. The lower explosion limit reduced and the upper explosion limit increased with rising initial temperature. In general, R1234yf exhibited moderate combustion and lower explosion risk, compared with traditional refrigerants.     

N2和CO2抑制煤燃烧火焰特性对比试验研究

为了研究N_2和CO_2气体灭火剂在抑制煤明火燃烧特性方面的不同,通过搭建受限空间煤明火燃烧试验,分别开展了11.97%、16.81%、20.76%的N_2和10.79%、14.89%、20.32%的CO_2作用下煤明火燃烧抑制试验。鉴于火焰表面积变化与热释放速率变化呈正相关,基于火焰图像分析法开展试验研究。试验过程中,首先,通过数码摄像仪记录不同体积分数惰性气体作用下煤燃烧火焰面积的变化,然后利用Matlab软件进行火焰图像特征提取和"对比度增强"预处理,消除图像记录过程中存在的噪声,以便于有效进行火焰目标识别;其次,基于"阈值法"原理,利用Image-Pro Plus软件对预处理过的火焰目标进行识别和计算,进而实时获得试验过程中火焰表面积;最后,使用小波变换理论对火焰表面积变化曲线进行消噪处理,以获得火焰表面积变化趋势及主要波动信息。结果表明,CO_2比N_2具有更好的熄灭煤明火燃烧的能力,CO_2作用下煤火火焰表面积呈现指数下降,而N_2作用下呈现直线下降,且CO_2的灭火时间比N_2缩短了25%以上。该试验结果明确了N_2和CO_2在熄灭煤明火特性上的不同,弥补了CO_2仅比N_2具有更好的抑爆特性的认识。     

Simple method for predicting pressure behavior during gas explosions in confined spaces considering flame instabilities

It is indispensable to predict the pressure behavior caused by gas explosions for the safety management against accidental gas explosions. In this study, a simple method for predicting the pressure behavior during gas deflagrations in confined spaces was examined. Previously the pressure behavior was calculated analytically assuming laminar flame propagation. However, the results of this method often provide underestimation compared with experimental data. It was known the underestimation intensifies as the scale of explosion spaces becomes larger. On the large scale gas deflagration, flame instability (especially hydrodynamic instability) might be more effective and wrinkles appeared on the flame front. Then, the flame surface area was increased and the propagating flame was gradually accelerated. The ordinary prediction methods led to the underestimation because the propagating flame was assumed to be laminar. In this study, we considered the effect of flame wrinkles caused by flame instabilities. By regarding the flame front as a fractal structure, the flame surface area could be modified. Because a flame surface starts to be wrinkled on a certain flame radius, proper determination of the critical flame radius provided accurate prediction of pressure behavior on a large scale deflagration. In addition, correction of the K_G value in a large vessel was discussed.     

基于FDS的居民楼火灾烟气远距离传播过程研究

利用大涡模拟软件FDS对某居民楼火灾发生发展和烟气传播过程进行数值模拟,探讨烟气质量浓度在侧间-走廊建筑的分布情况。在不同房间的目标位置设置探测点,分析烟气质量浓度、CO体积分数分布。结果表明,距离火源位置最远的房间烟气质量浓度、CO体积分数最高且在短时间内达到致死浓度;烟气更容易在最远的房间聚集,在特定的时间段内,始终比其他房间的危险性要高。对于此类居民楼建筑火灾中的人员安全而言,最远端房间的危险性最高,火灾时要着重注意此区域的疏散。此外,在走廊顶棚上间隔适当的距离设置了挡烟垂壁,并且模拟了该工况下烟气质量浓度分布。结果表明,加入挡烟垂壁后走廊的烟气蔓延相对均匀,各个房间烟气质量浓度更为接近,最大烟气质量浓度也有明显降低,从而延缓了整个建筑达到危险状态的时间。     

Numerical simulation of flame propagation and localized preflame autoignition in enclosures

A novel computational approach based on the coupled 3D Flame-Tracking–Particle (FTP) method is used for numerical simulation of confined explosions caused by preflame autoignition. The Flame-Tracking (FT) technique implies continuous tracing of the mean flame surface and application of the laminar/turbulent flame velocity concepts. The Particle method is based on the joint velocity–scalar probability density function approach for simulating reactive mixture autoignition in the preflame zone. The coupled algorithm is supplemented with the database of tabulated laminar flame velocities as well as with reaction rates of hydrocarbon fuel oxidation in wide ranges of initial temperature, pressure, and equivalence ratio. The main advantage of the FTP method is that it covers both possible modes of premixed combustion, namely, frontal and volumetric. As examples, combustion of premixed hydrogen–air, propane–air, and n-heptane–air mixtures in enclosures of different geometry is considered. At certain conditions, volumetric hot spots ahead of the propagating flame are identified. These hot spots transform to localized exothermic centers giving birth to spontaneous ignition waves traversing the preflame zone at very high apparent velocities, i.e., nearly homogeneous preflame explosion occurs. The abrupt pressure rise results in the formation of shock waves producing high overpressure peaks after reflections from enclosure walls.     

溴-锑-磷协效阻燃体系对聚丙烯土工格栅阻燃和生烟性能的影响

利用极限氧指数、垂直燃烧试验、酒精喷灯燃烧试验、锥形量热仪、热重分析和力学性能测试等手段研究了溴-锑-磷阻燃体系对聚丙烯(PP)土工格栅的力学性能、燃烧性能、生烟性能和热解特性的影响。结果表明,低添加量(质量分数≤5%)的溴-锑-磷阻燃体系对PP土工格栅的拉伸强度和断裂伸长率影响较小,但明显提高了材料的阻燃性能,其中质量分数5%的四溴双酚A-双(2,3-二溴丙基醚)(八溴醚)-三氧化二锑阻燃PP的峰值热释放速率(HRR)和总释放热(THR)相比于纯PP分别下降了39.98%和26.03%。八溴醚-三氧化二锑阻燃体系与红磷复配时还表现出较好的协效作用,当溴-锑与磷的质量比为3∶2时,协效阻燃效果最优,仅添加5%的协效阻燃体系便可使PP的LOI和UL 94等级分别达到27.9%和V-0级,并通过酒精喷灯燃烧试验。与纯PP相比,溴-锑阻燃体系虽降低了PP的HRR和THR,但增大了燃烧过程中的生烟速率(SPR)和总产烟量(TSR),而红磷的加入能有效降低溴-锑阻燃PP的生烟量。热重分析表明,溴-锑-磷协效阻燃体系表现出较好的气相阻燃作用,能有效降低PP的热裂解速率,增强了PP的阻燃性能。     

基于浓度敏感性分析和遗传算法的甲烷燃烧机理简化与优化

采用良搅拌反应器模型和层流预混火焰模型计算甲烷/空气燃烧过程,通过元素流通法和浓度敏感性分析法,对甲烷燃烧详细化学动力学机理GRIMECH 3.0进行简化。利用遗传算法,以甲烷/空气详细机理获得的组分浓度和一维层流火焰速度为目标,对简化机理进行优化。结果表明,相比于优化之前的简化机理,优化后的简化机理在描述甲烷/空气燃烧反应的组分浓度、层流火焰速度以及反应物和产物的时空分布方面,具有更高的精度。