掺氢甲烷非预混射流火研究现状及展望

氢输运是推广和发展氢能的关键环节之一,其中将氢气掺入天然气(主要成分为甲烷)管网的策略是解决氢输运问题的一种新的有效途径。然而,输气管道一旦发生泄漏则易引发非预混射流火火灾事故。因此,研究掺氢甲烷非预混射流火对灾前风险评估和灾后应急处置均具有重要意义。首先介绍掺氢甲烷射流火研究的意义;接着阐述非预混射流火特性与稳定机制,综述前人关于掺氢比例(氢气所占掺氢甲烷的体积分数)与伴流特征对掺氢甲烷非预混射流火特性影响的研究进展,进一步评价归纳其性能与应用场景;最后对前人的工作进行总结,并对未来的研究进行展望。     

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。     

横向风作用下喷口间距对射流扩散火焰特征的影响研究*

为研究横向风作用下喷口间距对射流扩散火焰特征的影响,以双喷口火焰为研究对象,利用CCD摄像机拍摄火焰几何形态,研究横向风条件下喷口间距对火焰形态演化、火焰长度和火焰吹熄极限的影响。研究结果表明:喷口间距较小时,2束火焰因空气夹带竞争和压差作用,彼此相互倾斜融合,火焰融合概率随喷口间距增加而逐渐降低,火焰临界融合间距随横向风的增加先增大后减小;由于火焰的空气夹带和热反馈处于较高水平,2束火焰被少量拉伸,火焰长度先增加后减小;喷口间距较小时,火焰吹熄极限显著增加。     

含水雾横向风作用下双喷口射流扩散火焰特性

为探究在横向风作用下不同超细水雾含量对双喷口射流扩散火焰燃烧特性的影响,利用高速摄像机拍摄火焰几何形态,分析不同喷口间距和横向风中的超细水雾含量对火焰形态演化、火焰长度和火焰吹熄极限的影响,并基于前人数学模型,推导与增长区域试验数据具有较好相关性的火焰拉伸长度变化的经验公式.结果 表明:随着横向风中雾通量的增加,双喷口...     

建筑火灾顶棚射流的数值模拟及火焰扩展长度处理方法

探讨了建筑火灾数值模拟中常用的火焰区域获取方法及其优缺点。通过火灾动力学模拟软件(Fire Dynamics Simulator, FDS)对建筑火灾中的顶棚射流现象进行了模拟计算,其中考虑了不同火源热释放速率与不同火源距顶棚高度等条件的影响。分别采用连续图像法和温度阈值法获取了数值模拟中顶棚射流火焰扩展长度的数据,并与文献中基于试验建立的火焰扩展长度预测模进行了对比。结果表明：通过温度阈值法获取的火焰扩展长度数据受阈值取值的影响较大。通过连续图像法获取的火焰扩展长度数据可以较好地反映出火焰扩展在不同火源热释放速率及不同火源距顶棚高度等条件下的动态变化情况,与前人建立的火焰扩展长度预测模型之间的吻合较好,表明通过连续图像法获取的火焰扩展长度数据较为准确。建筑火灾数值模拟中的火焰扩展长度可通过基于单位体积热释放速率的连续火焰图像获取。研究结论可为建筑火灾数值模拟中火焰燃烧区域的确定提供参考。     

载铁改性沸石粉体抑制甲烷/空气扩散火焰试验研究

为发展洁净高效新型粉体灭火介质,以沸石粉体为基体,采用盐酸活化和氯化铁溶液浸泡方法制备载铁改性沸石粉体灭火剂。采用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和X-射线荧光光谱仪(XRF)等仪器对该粉体灭火剂的结构和形貌进行表征。通过小尺度的杯式燃烧器试验研究载铁沸石粉体对甲烷/空气扩散火焰的灭火效果,并和未改性沸石粉体进行对比。试验结果表明,载铁改性沸石粉体灭火剂的灭火效能明显高于未改性沸石粉体。改性沸石灭火效能提高,主要是由于所负载的铁离子在火焰中转化为活性铁原子,参与清除火焰自由基的催化反应。     

侧墙结构纵向多窗口羽流火焰融合的数值模拟

为了给高层建筑外部火蔓延防控提供参考,利用火灾动态仿真模拟软件PyroSim对无侧墙建筑的纵向多窗口羽流火焰与侧墙建筑的纵向多窗口羽流火焰进行了数值模拟,并改变侧墙长度,引入危险温度T=540℃、T1=350℃及T2=250℃,综合分析窗口温度曲线及等温线数据。结果表明:纵向多窗口羽流火焰产生相互融合现象,无侧墙建筑纵向相邻两窗口与三窗口的危险温度高度相似,比单窗口的危险温度高度提升了2.5~3.0 m;侧墙结构引起烟囱效应的作用效果与侧墙的长度呈正比,侧墙长度为3.6 m时,纵向多窗口的危险温度高度与无侧墙建筑相比,对T1和T2,高度提升了2.0~2.5 m,而对T,高度的影响较弱,羽流火焰的形状在纵向被拉长。     

基于双色法的层流扩散火焰温度场和烟黑浓度场重构

高温和烟气是火灾事故中造成人员伤亡的两个重要因素,能快速准确地获取火焰温度和烟黑浓度的分布,是对燃烧产热量和发烟量的控制方法进行深入研究的前提。根据双色法的理论基础,结合火焰单元的划分方法,整理并简化了火焰温度和烟黑浓度求解过程。利用自主开发的软件进行重构计算,并选取甲烷/空气轴对称层流扩散火焰为例进行试验。重构结果表明,烟黑浓度和温度的分布在轴向方向上均呈现双峰到单峰的特点。将重构结果和数值模拟的结果进行对比,发现温度峰值和烟黑浓度峰值的相对误差分别低于1.59%和6.08%,表明重构结果和模拟结果具有较好的一致性。因此,可认为该重构方法具有可行性。     

正方形煤油池火燃烧特性研究

实验研究了无风条件下正方形煤油池火的燃烧特性,包括燃烧速率、火焰高度和火焰脉动频率等。正方形油池边长分别为0．2m,0．4m,0．6m,0．8m,油池壁面高度均为0．13m。利用图像处理技术分析了油池火火焰高度,并在此基础上建立了获取火焰脉动频率的两种方法。研究发现,油池壁面高度的存在使油池火的燃烧速率低于理论值;燃烧速率实验值与油池特征尺寸（d／L）呈单调递减关系;较小尺度油池的平均火焰高度与理论预测值比较接近,但较大尺度油池的平均火焰高度明显低于理论预测值;油池壁面的存在使油池火脉动频率低于理论值;随特征尺度（d／L）的增加火焰的脉动频率范围加大,脉动不稳定加剧。     

Experimental study on the fractal characteristic of methane explosion flame

In this paper flame microstructures and propagation characteristic of methane explosion are studied by high speed schlieren photography technique. By experiment it shows that flame front surface and inner flow field of methane explosion has distinctly fractal characteristic, the effect of the wrinkle of flame front surface and inner reactants on flame propagation can be directly reflect by fractal dimensions. Fractal dimension has a direct relation to flame structure and flame propagation characteristics, and it is the important parameter to scale the flame propagation velocity and flame temperature.     

Experimental study on the quenching process of methane/air deflagration flame with porous media

This article reports experimental investigation of deflagration flame quenching behavior by porous media. In this study, a semi-vented deflagration chamber with a porous media plate was constructed, taking account of effects of obstacles and porous media materials on the flame quenching process. A high speed video camera was used to image the process and behavior of flame propagation, meanwhile, the gas-phase temperatures and ion currents, upstream, within, and downstream of the porous media, were measured using micro-thermocouples and ion probes, respectively. Results show that methane/air deflagration flame can be quenched by the Al₂O₃ porous media with thickness of 20 mm and pore density of 10 ppi. However, the presence of obstacles along the flame path may lead to significant increase of flame speed, thereby both the decreases of gas-phase temperature and ion current when the flame passes through the porous medium in the case with continuous obstacles are less, eventually the unburnt gases downstream the porous media may be reignited. Compared to Al₂O₃, Al porous media shows superior flame quenching performance because this metallic material has higher thermal conductivity, which makes combusting flame release more heat to the pore walls and adjoining structures of the porous media.     

Experimental study on detonation flame penetrating through flame arrester

In-line detonation flame arresters are important safety apparatus to prevent group tank fires caused by the spreading of fire through vapor connection lines. In this study, a DN50 experimental apparatus aimed at the detonation flame penetration characteristics and failure mechanisms in a flame arrester was set up, and a series of experiments were carried out with 6.6% C2H4 and air mixture. Pressure, and velocity of flame penetrating through flame arrester housing and filters were analyzed. Experimental results showed that the attenuation of pressure and velocity was proportional to the thickness of the filters. Two failure modes of the fire-extinguishing process in the flame arrester were captured directly with a high-speed camera. In Mode I, the detonation flame could go straight through the flame arrester filters when the filters were too thin. In Mode II, when the filters were not sufficiently thick, the remained shock wave pressure of detonation flame was still several times of the initial pressure and could rise sharply at the downstream contraction section, resulting in that the flammable gas at the downstream transition section could be compressed and reignited even the flame had been extinguished by filters. These conclusions are helpful to reveal the nature of failure modes of fire-extinguishing process and design flame arresters with high fire-resisting performance by structure improved.     

基于化学反应动力学机理的中等尺寸甲烷湍流扩散火焰的数值模拟

通过代码修改,在大涡模拟(LES)中嵌入气相化学反应速率、组分热力学性质和输运特性三大机理文件,严格意义上实现甲烷燃烧的四步简化机理与火灾动力学模拟软件(FDS)的成功对接。燃烧模型采用针对多组分燃料的涡耗散概念(EDC)模型,模拟0.3m直径的甲烷湍流扩散火焰,并分别与基于无限快反应速率的总包单步和两步化学反应预测结果对比。分析预测结果可知:四步机理能够很好的适应FDS框架,其模拟结果具有可靠性,时均温度、速度和主要反应物的预测结果高度一致;机理导入后可以预测CO2、H2O以及中间产物CO和H2的浓度,更合理地描述了火灾中气相产物的产生与输运过程。不同反应机制下主产物CO2和H2O浓度对比结果理想,在高温反应区内存在一定的差异,在高温反应区外呈现出高度的一致性。     

狭长空间建筑内细水雾幕对顶棚射流火焰抑制效果试验研究*

为研究狭长空间内细水雾幕对顶棚射流火焰的抑制效果,通过全尺寸试验研究不同工作压力对射流火焰蔓延形态、雾幕隔热效果及烟气沉降的影响。研究结果表明:随着工作压力的增加,雾滴的动量随之增大,雾幕对射流火焰的扰动作用增强,强化雾幕对射流火焰的阻挡效果;同时,雾幕的隔热效率有明显改善,2.5 MPa时的细水雾幕的隔热效率可达0.75。然而,过大的工作压力会造成烟气层的沉降,工作压力大于2.0 MPa时保护区内烟气层高度低于1.8 m。因此,应综合考虑细水雾幕对射流火焰和烟气的作用,选择适当的工作压力。     

喷射火的人工扰流脱火规律试验研究

通过专门设计的人工扰流脱火同步数据采集试验平台,对喷射火的脱火规律进行了研究,重点分析了扰流介质、扰流流量、入射距离及喷射火尺寸对脱火规律的影响.结果表明:扰流介质为空气时,人工扰流能够使微尺寸(0.1mm级别)喷射火产生脱火;对于小尺寸(mm级别)喷射火,将空气扰流中加入一定比例的CO2才能使其脱火,但较易熄灭;喷射火尺寸的增大使得脱火所需的扰流流量大幅增加,同时脱火距离也有所增大,但不同尺寸喷射火的脱火规律相似,脱火距离随扰流流量增加逐渐增加,之后趋于平缓,随入射距离增大而减小,直至无法脱开.