非线性拉伸对甲烷-空气预混火焰燃烧特性的影响

使用定容燃烧弹与高速纹影照相系统研究了不同当量比下甲烷-空气预混气体的层流火焰燃烧特性。实验数据同时应用传统线性模型和非线性模型分析了不同当量比对球形扩展火焰的传播速率和马克斯坦长度的影响。结果显示:随着当量比的增加,层流燃烧速率先增大后减小,直到当量比为1.1时,火焰速率达到最大值。马克斯坦长度始终为正值,且随着当量比的增大而增大。在所有当量比条件下,线性和非线性方法计算的火焰速率大致相同,差值小于0.01 m/s;线性方法得到的马克斯坦长度均大于非线性模型计算的结果,并随着当量比的增大,两种方法得到的马克斯坦长度的差值更加显著。     

有障碍物半开口管道内氢气燃烧数值模拟研究

基于有障碍物氢气燃烧实验装置进行数值模拟研究,采用Fluent软件分析了半开口管道内障碍物对氢气/空气燃烧特性的影响。结果表明:障碍物会促进实验管段内氢气火焰加速,随着障碍物阻塞率和数量的增加,火焰加速更快且燃烧压力峰值更大;在相同阻塞率下,障碍物形状对氢气火焰速度和燃烧压力峰值的影响很小;燃烧压力随障碍物间距的增大先增大后减小,障碍物间距为3倍管道内径时产生的燃烧压力峰值最大。     

甲烷-空气预混气体燃烧特性研究

采用纹影系统、压力传感器和高速相机对甲烷-空气预混气体在定容燃烧弹中的燃烧特性进行研究,分析了当量比对拉伸火焰传播速度、未拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度的影响及定容弹中压力的变化规律。结果表明,当量比对预混气体燃烧过程有重要影响,且存在临界当量比1.1,在临界当量比下预混气体燃烧最剧烈,层流燃烧速度达到最大值(0.368 m/s),燃烧压力也达到峰值(0.703 MPa)。当预混气体当量比小于临界值时,拉伸火焰传播速度、未拉伸火焰传播速度、层流燃烧速度和燃烧压力随当量比增加而增加;而当预混气体当量比大于临界值时,速度和压力随当量比增加而减小。     

乙醇及自由基引导对甲烷预混火焰结构影响的数值模拟

本文使用了详细化学反应动力学机理计算模拟了混合有乙醇及典型自由基引导的甲烷预混火焰结构.该反应机理由Marinov研究组研究发表,包含有56个组分以及372个反应.本文的计算使用了CHEMKIN-3以及预混火焰代码,热力学及输运部分的计算基于Sandia国家实验室和Marinov研究室发布的数据库.火焰结构中主要产物的变化,关键中间产物和次要组分的计算结果显示加入乙醇和自由基都可以减少着火延迟.本文计算了三种不同条件下的火焰结构,分别为预混CH4/O2/N2火焰;预混甲烷/乙醇火焰;和加入引导自由基在甲烷/乙醇混合燃料中.此外还有含有自由基的甲烷火焰和加入乙醇的甲烷火焰比较.     

管道中氢气-空气爆轰的多级泄爆数值模拟研究

为了研究管道内氢气的爆燃转爆轰及其抑制过程,对单个障碍物管道中氢气-空气混合物燃爆过程以及多级泄爆进行了二维数值模拟。基于氢气-空气19步详细化学反应动力学机理,以及k-ε湍流模型、概率密度函数输运方程和同位网格SIMPLE算法,采用计算流体软件Fluent进行模拟。结果表明:密闭管道无泄爆时,在距点火端1.5 m左右爆燃转为爆轰;泄爆口的位置对管道内氢气-空气预混气体的爆炸参数有重要影响,泄爆口位于管道中部时,能降低管道内爆轰超压,泄爆效果较好;位于管道中部单个泄爆口泄爆时,有效降低爆轰超压,管道中部设置2个泄爆口时,能通过压力和混合气体的泄放将管道中已经发生的爆轰衰减为爆燃;当有3个泄爆口泄爆时,管道中没有发生爆轰,达到良好的泄爆效果。     

管道内甲烷-空气预混爆炸燃烧的数值模拟

在实际生产过程中,有很多情况能使气体燃料与空气混合,达到可燃浓度,此时若有点火源存在,就可能酿成燃烧、爆炸灾害,造成严重的财产损失和人员伤亡.选取甲烷作为研究对象,选用空气作为氧化性气体,对其进行数值模拟.获得了不同时刻爆燃的压力场、温度场、密度场的变化数据,为工程上防爆、抑爆、泄爆提供了理论基础和数据.     

贫燃条件下氢气比例对甲烷/氢气预混气火焰传播的影响

为探究贫燃条件下氢气对甲烷/氢气混合气体火焰传播和传爆能力的影响,测定了甲烷/氢气混合气体的最大试验安全间隙(MESG),在安装波纹板阻火器的DN80管道试验装置上开展火焰传播试验。结果表明：在贫燃条件下,火焰速度受Ф和当量比的控制,当Ф增大时,当量比为主导因素,火焰速度降低;随Ф增加,混合气体的整体活性增大且在Ф小于25%时,火焰传播速度曲线变化相似,在Ф大于30%时,火焰传播速度曲线稳定性较弱,MESG快速下降,临界阻火速度降低,火焰无法在阻火器内淬熄,IIA类爆燃阻火器无法满足阻火需求。     

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。     

木材燃烧温度场数值模拟

木材是一种很重要的可燃物,在燃烧过程中产生的热辐射和烟气会对周围的环境造成重大的不利影响。应用数值模拟方法对木材燃烧产生的温度场进行研究,通过设置模拟参数,构建燃烧产生的温度场,设置了温度测点和温度切片,并将模拟结果通过二维和三维图表达出来。该项成果可为可燃物燃烧的研究提供一定的参考数据。     

管道截面对氢气/空气预混爆炸影响的实验研究

为研究管道截面对氢气/空气预混火焰形状与传播速度的影响,选用三个长度都为1m而截面尺寸不同的方形管道进行实验。实验结果表明,在截面为80mm×80mm的管道中,四种氢气浓度下预混火焰都发展形成了郁金香火焰。火焰传播速度呈现上升,下降,再上升的波动。在截面为100mm×100mm和150mm×150mm的管道中,只有在氢气浓度20%下形成郁金香火焰,并且传播速度也出现上述的波动。而在氢气浓度25%,30%,40%下,预混火焰都呈指尖形传至管口,未出现郁金香火焰,传播速度都是不断上升。三个管道对比中,截面为100mm×100mm的管道内火焰平均传播速度最快,且压力波第一峰值最大。     

Effects of hydrogen addition on propagation characteristics of premixed methane/air flames

An experimental study has been conducted to investigate the effects of hydrogen addition on the fundamental propagation characteristics of methane/air premixed flames at different equivalence ratios in a venting duct. The hydrogen fraction in the methane–hydrogen mixture was varied from 0 to 1 at equivalence ratios of 0.8, 1.0 and 1.2. The results indicate that the tendency towards flame instability increased with the fraction of hydrogen, and the premixed hydrogen/methane flame underwent a complex shape change with the increasing hydrogen fraction. The tulip flame only formed when the fraction of hydrogen ranged from 0 to 50% at an equivalence ratio of 0.8. It was also found that the flame front speed and the overpressure increased significantly with the hydrogen fraction. For all equivalence ratios, the stoichiometric flame (Φ = 1.0) has the shortest time of flame propagation and the maximum overpressure.     

C2H6/CO2组分构成对瓦斯着火延迟时间的影响规律研究

为进一步研究多种不同性质的气体对瓦斯着火过程的影响,采用CHEMKIN-PRO Release软件,选择CH_4燃烧化学反应机理USC Mech 2.0模型对不同组分构成的C_2H_6/CO_2与甲烷混合气体进行数值模拟,然后分析不同组分下瓦斯着火延迟时间的变化趋势,并利用SENKIN程序对其进行敏感性分析。计算结果表明:当C_2H_6百分比小于CO_2百分比时,随着CO_2百分比的增加,瓦斯着火延迟时间略有增加,且其在T=1200K下延长了17.0%,在T=2200K下延长了8.4%,同时抑制CH_4生成的关键反应步敏感性系数下降幅度略大,其协同抑制瓦斯爆炸;当C_2H_6百分比大于CO_2百分比时,随着C_2H_6百分比的增加,瓦斯着火延迟时间大幅缩短,且其在T=1200K下缩短了63.7%,在T=2200K下缩短了35.5%,同时促进CH_4生成的关键反应步敏感性系数下降幅度大,其协同促进瓦斯爆炸。     

辐射热流条件下多层电缆着火的数值模拟

通过CFD计算软件对锥形量热燃烧实验条件下的多层电缆着火性能进行数值模拟计算,对比相应CONE电缆燃烧实验结果,其计算结果表明所建立的电缆模型所得计算结果能够较好预测电缆着火时间。在此基础上,对护套层、绝缘层厚度、线芯层直径等参数对着火时间的影响进行了分析,发现护套层厚度对着火时间影响最大,线芯层对着火时间影响较小;当护套层及绝缘层厚度达到一定数值之后,电缆着火时间将不再发生变化。另外,因为电缆由多层热特性各异的材料组成,不能简单的划分为热薄材料或者热厚材料,但就所模拟电缆而言,其着火时间在不同的热辐射强度下分别表现出与热薄材料或者热厚材料相似的变化规律。     

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.     

Effects of combined porous media on quenching and re-ignition characteristics of methane/air premixed combustion in a duct

During the study of foam metal suppression of methane combustion in ducts, it was found that under certain conditions, after the flame is extinguished, a re-ignition phenomenon occurs in the area upstream of the foam metal. In this paper, the process and mechanism for the occurrence of this phenomenon were investigated. The porous media used in the experiments is a two-layer structure consisting of a combination of iron-nickel foam and copper foam and was mounted in a transversal position. Each layer of foam metal has a thickness of 5 mm and a pore size of 20 or 40 holes pores per inch (ppi). The results show that flame extinguishment and re-ignition are highly dependent on the material and pore density of the porous media used. After the flame was quenched by the combination of iron-nickel foam with the same pore density of 40ppi, the re-ignition intensity was higher (a dazzling white light could be observed) and the flame area was larger. However, when a combination of iron-nickel foam with different pore densities was used, the re-ignition intensity, flame oscillation frequency and amplitude were significantly lower. However, both re-ignition flames can last for a long time. In addition, the incorporation of copper foam with high thermal conductivity resulted in the decay of flame propagation speed and the overpressure before and after quenching increased significantly with the increase of pore density of the first layer of iron-nickel foam.     

开放与受限条件下电缆燃烧特性模拟对比研究

为对比研究开放与受限条件下的电缆火灾燃烧行为,采用CFD数值模拟软件建立了全尺寸电缆燃烧模型,同时考虑了不同间距对电缆燃烧特性的影响,并将开放与受限条件下的计算结果进行对比,分析了两种条件下电缆火灾中各工况的温度、O₂浓度。结果表明：开放条件下的电缆燃烧主要属于燃料控制型,而受限条件下的电缆燃烧主要属于先燃料控制型,后通风控制型。在开放条件下,氧气充足,燃烧更为充分,形成的火焰高度及温度更高,更容易引燃上方可燃物体;而在受限条件下,电缆火焰受到顶板限制形成的顶棚射流,会加强火焰对电缆的热辐射作用,有助于电缆燃烧。但由于侧壁的存在,电缆燃烧过程中的空气卷吸受到了一定的限制,由于通风不足,受限空间内的O₂浓度逐渐下降,电缆燃烧受到抑制,甚至熄灭,而随着空气的补充,电缆将可能出现复燃现象。此外,两种条件下电缆间距对燃烧的影响均较为明显,当间距较小时,燃烧电缆之间的影响显著,燃烧更为剧烈,而随着电缆间距增大,燃烧电缆间的相互热辐射减弱,更接近于单根电缆的独立燃烧,其中开放条件下相对更为明显。     

超高“Z型”中庭高度对自燃排烟特性影响的数值模拟研究

超过12m的超高中庭发生火灾时,常规排烟方法不能完全满足实际需求。通过FDS软件对某超高"Z型"中庭进行数值模拟,研究中庭高度对自然排烟特性的影响。该"Z型"中庭底层南面是自然进风口,顶层北面是自然排烟口,以烟气最先到达指定楼层人员危险时间值为到达危险时间。实验条件下模拟结果表明:无风情况下,中庭高度增加,到达危险时间增加,自然排烟效果增强。到达危险时间t与中庭高度h之间满足一定指数增长关系:t=y0+Aexp(h/α),中庭火源位置和中庭宽度对y0、A和α有一定影响。有风情况下,外界风向与进风口方向一致时,中庭自然排烟效果优于无风状况,中庭越高效果越强。在外界风向与排烟口方向相反时,烟气倒灌进中庭,自然排烟效果较弱。     

高原乙醇油池火燃烧特性实验研究

为研究低压条件下油品燃烧特性,以乙醇油池火为研究对象,搭建高原油池火实验平台,研究不同油盘直径下乙醇油池火燃烧规律,分析燃烧速率、火焰高度和火焰脉动等参数随时间的变化规律。研究结果表明：低压条件下的乙醇油池火,燃烧速率小于同等尺度常压条件下的油池火燃烧速率;乙醇油池火的燃烧速率随油盘直径增加变化不明显;火焰高度随油池直径增加呈现显著上升趋势,并拟合推导出适用于低压乙醇池火的火焰高度公式;火焰脉动频率随油池直径增大而减小,并给出火焰脉动与油池直径的经验公式。研究结果可丰富低压乙醇燃烧的油池火实验数据,为低压乙醇油池火的风险评估提供参考。     

超高层住宅楼的内天井尺寸对自然排烟影响的数值模拟研究

火灾时超高层住宅楼的内天井会形成"烟囱效应",烟气可能通过面向内天井的开启窗户进入四周住宅。利用FDS数值模拟的方法研究火源位置、火源功率和内天井的高度、长度对超高层住宅楼内天井自然排烟的影响。研究结果表明:火源位于内天井四周某住宅时,若住宅内喷淋系统有效,内天井四周其它住宅不会达到危险状态。火源位于内天井底部时,4.0MW的火灾可能会使内天井四周其它住宅受到火灾烟气影响,达到危险状态,此时内天井四周其它住宅到达危险时间与内天井高度满足二次增长函数,到达危险时间随高度的增加趋于稳定。内天井长度d存在临界值,d≤10m时到达危险时间与内天井长度满足二次增长函数;d10m时到达危险时间接近稳定值。