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。     

对称障碍物条件下瓦斯爆炸火焰与压力波耦合作用研究

为了研究对称障碍物条件下瓦斯爆炸压力波与火焰传播的耦合作用,在150 mm×150 mm×1 700 mm的有机玻璃瓦斯爆炸管道中,距离点火端不同距离安装0.5阻塞率的对称障碍物,进行8.5%甲烷体积分数的爆炸试验,采集瓦斯爆炸的超压信号并同步拍摄火焰传播图像。结果表明:火焰穿越板式对称障碍物的过程经历了火焰加速、火焰降速到火焰再加速的过程,火焰降速的时间仅为5 ms。距离点火焰源不同长度的对称障碍物在火焰加速过程中的作用存在明显差异,近点火源的障碍物作用主要为诱导湍流,远离点火源的障碍物作用主要为湍流增强。     

变截面管道内瓦斯爆炸火焰与压力耦合趋势

为研究变截面管道内瓦斯爆炸火焰传播与压力波的耦合趋势,在内部尺寸(长×宽×高)为50 mm×50 mm×250 mm的管道中进行甲烷体积分数为7.5%、8.5%和9.5%的甲烷/空气爆炸试验,在该管道距点火位置80 mm处有长50 mm的变截面管道,其截面(长×宽)为50 mm×17 mm,分别利用高频压力传感器、高速摄像仪采集爆炸超压及火焰结构的瞬态演变过程。结果表明：火焰穿越变截面通道经历了火焰加速、火焰降速到火焰再加速的过程,且火焰降速时间小于整体时间的1/5;变截面通道会诱导湍流的生成,爆炸火焰通过变截面通道后传播加速的主要原因是湍流对火焰传播速度的增强作用;火焰结构演变与超压的上升、下降趋势及最大超压密切相关,而压力波被壁面反射后使火焰阵面进一步出现褶皱和变形,火焰-湍流-超压之间形成多场耦合效应。     

可燃气体爆炸破坏效应的试验研究

借助高速摄像机及ProAnalyst软件,研究可燃气体体积分数和障碍物对可燃气体爆炸破坏力的影响。测定不同体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸冲击波超压,和爆炸火焰波在有无乒乓球方向传播的平均速度。试验结果表明:超压和平均速度均随着甲烷体积分数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,其最大值均出现在甲烷体积分数为10%～11%之间;同一体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸火焰波在有乒乓球方向传播的平均速度比没有乒乓球方向传播的平均速度大。根据试验结果,推导出可燃气体爆炸冲击波超压和爆炸火焰波传播平均速度与可燃气体体积分数之间的函数关系,并得出障碍物对爆炸火焰波传播的加速作用随着体积分数的增加呈现先加强后减弱的变化趋势。     

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。     

泄压点火不同端管道内甲烷爆炸特性数值模拟

结合气体爆炸传播机理,利用FLACS软件对泄压点火不同端两种方式(泄压口通径为25 mm和泄压口完全开放)下甲烷的爆炸过程进行数值模拟,获得了5种体积分数甲烷的爆炸特性参数,分析得出:两种不同泄压方式下,10%,9.5%,11%体积分数的甲烷爆炸特性变化趋势接近,7%,8%的甲烷较前三者有所延迟;5种甲烷在管道中心处的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值都随甲烷体积分数的增大而逐渐上升,在10%时达到最大,继续增加甲烷体积分数则出现下降趋势,最大爆炸压力时间变化趋势与其相反;管道中心处的爆炸产物浓度随着甲烷体积分数的增大而增大,与泄压方式无关;增大管道泄压口面积有利于爆炸压力以及爆炸高温高压气体的释放,使得各体积分数甲烷的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值均下降,到达最大爆炸压力的时间均增大。     

水雾喷洒时间对滑移装置下甲烷爆炸特性影响

为提升滑移装置抑爆效果，在方形管中通入体积分数为9.5%甲烷/空气预混气体，分析细水雾协同不同弹性系数滑移装置作用下，水雾起始喷洒时间对预混气体爆炸特性影响。结果表明：先喷、指尖喷出现坡形火焰二次加速火焰传播，爆炸反应加剧，水雾不同程度充当障碍物加速火焰传播和碰壁断链，缩短火焰熄灭时间；后喷细水雾障碍物作用微弱，利用吸热降温作用抑制火焰传播，熄灭耗时相对较长。在爆炸超压方面，0.22 N/mm、0.42 N/mm 2种弹性系数滑移装置协同作用，先喷情形超压峰值增幅分别为9.25%、16.55%,指尖喷情形则高达88.71%、77.37%,促爆效果明显。后喷有一定的抑爆作用，超压峰值降幅分别为7.11%、2.93%。综上，后喷的抑爆效果优于先喷和指尖喷。     

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.     

含NaCl超细水雾抑制甲烷爆炸实验研究

为研究含NaCl添加剂超细水雾对甲烷爆炸的影响,在自制的半封闭透明管道内,进行含NaCl添加剂超细水雾抑制甲烷爆炸试验,通过检测和分析在不同NaCl浓度情况下超细水雾的粒径和甲烷爆炸的平均火焰传播速度、爆炸超压以及平均升压速率,探究NaCl浓度对超细水雾粒径及其对抑制甲烷爆炸有效性的影响。研究结果表明:NaCl浓度对超细水雾粒径影响较小;对于体积分数为9.5%的甲烷,相比于纯甲烷爆炸,其平均火焰传播速率、最大爆炸超压以及平均升压速率分别下降了53.7%,63.4%和60.7%,相比于超细纯水雾,其平均火焰传播速率、最大爆炸超压以及平均升压速率分别下降了38.6%,58%,56%;在通雾量相同的条件下,浓度为2.5%NaCl超细水雾对体积分数为9.5%的甲烷爆炸抑制性能最佳;含NaCl添加剂超细水雾的物理化学共同作用可以有效抑爆甲烷。     

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。     

甲烷体积分数及巷道结构对甲烷爆炸特性影响研究

为明确甲烷体积分数及巷道结构对甲烷-空气爆炸特性的影响机制,采用Fluent软件建立3种不同结构的巷道模型,对甲烷体积分数分别为6%、9.5%和13%条件下的巷道甲烷爆炸过程进行数值计算,分析爆炸压力和温度的变化特性以及火焰的传播特性。结果表明:当甲烷的体积分数为9.5%时,直巷道中冲击波峰值压力及爆炸温度最高;随着测试距离的增加,冲击波峰值压力不断降低,并且符合指数衰减特征;不同巷道结构甲烷爆炸后压力峰值的差异主要出现在弯道处,其冲击波峰值压力大小为90°巷道直巷道分叉巷道;分叉巷道中经过拐角后的冲击波峰值压力明显下降,对冲击波阻碍作用显著;此外,当冲击波进入弯道并沿壁面传播时,受压缩波、稀疏波及反射波等多波系共同影响,火焰沿壁面传播特性发生改变。     

超细水雾抑制甲烷爆炸的影响因素分析

为深入了解超细水雾对甲烷爆炸的抑制作用,搭建小尺寸半封闭可视化试验平台并开展试验,研究超细水雾喷施量、甲烷体积分数、通入甲烷位置和预混时间4个因素对甲烷与空气的混合物的爆炸的影响。结果表明:超细水雾能有效抑制甲烷爆炸,其中对9. 5%甲烷的抑制作用最明显;随着超细水雾喷施量的增大,抑制作用增强;甲烷体积分数对甲烷爆炸最大爆炸超压ΔP_(max)有显著影响,超细水雾喷施量对甲烷爆炸ΔP_(max)有一定影响;超细水雾喷施量对甲烷爆炸火焰传播时间有显著影响,甲烷体积分数对甲烷爆炸火焰传播时间有一定影响。     

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。     

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。     

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。     

PVDF球形多孔材料的抑爆性能研究

为分析聚偏氟乙烯(PVDF)球形多孔材料对管道内甲烷-空气预混气体的抑爆性能，自主搭建气体爆炸测试平台，试验研究球形多孔材料填充密度及填充方式等因素对甲烷-空气预混气体爆炸的影响机制。结果表明：与空爆相比，填充多孔材料后，管道内爆炸超压及最大爆炸超压上升速率均明显降低；对甲烷-空气的抑制效果与材料的填充密度呈正相关，当填充密度为0.077 g/cm³时，球形多孔材料对爆炸超压的抑制率达到54.7%,最大爆炸超压上升速率降低了58.3%;改变材料的填充方式显著影响管道内的气体爆炸超压，采用分散填充的方式增强了多孔材料对最大爆炸超压的抑制作用，在填充密度(为0.038 5 g/cm³时)不变的情况下，对管道末端气体最大爆炸超压的抑制率达到66%。说明改变材料填充密度和填充方式均会影响多孔材料对甲烷-空气预混气体爆炸的抑制效果。     

管道内瓦斯爆炸温度与压力峰值试验研究

为分析瓦斯爆炸的火焰温度及压力峰值在管道中的传播规律,采用瓦斯管网爆炸测试系统进行试验,通过爆炸压力和爆炸火焰温度采集系统采集数据。在相同点火能量和点火位置的条件下,分析了体积分数对瓦斯爆炸的温度峰值和压力峰值的影响,及温度峰值和压力峰值随管道距离的变化规律。结果表明:当瓦斯体积分数低于9.5%时,温度峰值和压力峰值随瓦斯体积分数增大而增大;同一体积分数下,温度峰值最大值出现在最接近爆源的位置,并呈逐渐下降的趋势,接近爆源的温度峰值下降较明显,随管道延长,温度峰值的下降减慢且趋于平缓;温度峰值与传播距离近似呈三次函数关系;冲击波压力峰值随管道传播呈先上升后下降再上升的波动性变化。     

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 。     

不同工况下泄爆门快速封闭泄爆特性试验研究

为研究泄爆门对瓦斯爆炸特征参数的影响,并验证其泄爆效果和快速封闭性能,自制大尺寸瓦斯爆炸管道试验系统,在瓦斯体积分数为5.5%、7.5%、9.5%和11.5%的工况下进行爆炸试验,通过数据采集系统收集瓦斯爆炸特性参数,分析其变化特征和泄爆效果。结果表明:4种工况下,爆炸压力波压力峰值分别衰减了42.25%、50.54%、53.27%和52.88%;随着瓦斯体积分数的增大,爆炸压力峰值以二次函数关系衰减,平均封闭火区14 h,说明泄爆门具有显著泄爆特性和快速封闭火区的作用;温度变化特征基本一致,无论瓦斯体积分数如何变化,泄爆门对瓦斯爆炸火焰没有抑制作用; 4种工况下火焰传播速度最大平均值分别为103.56、105.73、136.67和138.34 m/s。     

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。