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。     

障碍物布置对气体爆炸压力场的影响效果研究

为研究可燃气体爆炸压力场受障碍物布置的影响情况,运用流体动力学软件AutoReaGas建立不同阻塞程度和不同结构（平面、立体）的障碍物爆炸模型,模拟分析不同布置情况对气体爆炸压力场的影响程度和规律。研究表明:改变障碍物的阻塞程度和结构（平面、立体）都会影响可燃气体的爆炸超压峰值。同种障碍物结构下,随着阻塞率的增加,气体爆炸压力的增加程度在一定范围内呈现出先增大后减小的变化情况;相同阻塞率下,立体障碍物对爆炸压力场产生的影响明显大于平面障碍物。研究立体障碍物与平面障碍物对加速燃烧的影响情况旨在为工业生产过程中的实际应用提供理论依据和基础,为防控气体爆炸灾害提供一定参考借鉴作用。     

障碍物对火焰传播过程影响数值模拟

采用CFD软件AutoReaGas建立典型的物理模型及数值模型来研究管道内障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响规律。结果表明,障碍物间距、阻塞率的改变会对爆炸场内的火焰传播速率产生巨大影响。障碍物间距的改变对火焰传播速率的影响是一个先增大后减小的过程;低阻塞率下,火焰传播速度较低。但随着阻塞率的增大可燃气体爆炸火焰传播速度得到明显的增大。为障碍物对可燃气体爆炸传播规律的影响的进一步研究提供了理论依据。     

基于两相流模型数值研究可燃颗粒燃烧爆轰的特性

粉尘爆炸是工业爆炸灾害的重要形式。建立可燃颗粒非均相系统的燃烧爆轰模型,基于Eulerian-Eulerian数值描述方法,采取有限差分方法编制非均相系统燃烧和爆轰发展的数值模拟程序,对封闭空间内两相非定常爆轰过程进行研究。数值分析可燃颗粒尺度、颗粒浓度对非均相系统燃烧、爆轰特性的影响。结果表明:在一定的范围内,当可燃颗粒的体积分数为10%,粒径0.5mm时,流场的燃烧爆轰效应最强。即10.6ms时刻,流场压力值达到28MPa,温度高达2600K,颗粒燃烧效率最高。     

局部扰动对主坑道爆炸波发展的数值模拟与实验研究

在地下建筑物,如隧道、地下储油库、人防工程、地下物资仓库等里面,由主通道旁结分支通道是最常见的一种布置形式,是一种典型的复杂受限空间结构.一旦有可燃气体发生爆炸燃烧,爆炸压力波和火焰的传播将受众多因素的影响,其中局部扰动的影响是主要因素之一.本文通过实验和数值模拟的方法研究了油气混合物在该复杂受限空间中由弱点火引起爆炸燃烧的发展过程,湍流强度经旁接分支坑道后在主通道中的变化,以及爆炸压力波和火焰经局部扰动后的变化过程;并将数值模拟结果与实验结果进行了对比和综合分析,得到了与地下受限空间安全相关的重要结论.湍流强度是复杂受限空间中可燃气体爆炸燃烧发展过程的主要影响因素之一,局部扰动将增强爆炸流场的湍流强度,加速燃烧化学反应,能量的释放量和速率大大提高.这些能量的快速加入促进了高峰值压力波的形成,火焰也被加速,爆炸从此由弱转强,出现跃升.研究结果对地下受限空间爆炸过程的进一步研究以及爆炸灾害的预防都有参考价值.     

内置变径障碍物组管道内爆轰波传播规律的研究

为了研究爆轰波与变径障碍物组的相互作用规律,基于化学反应Euler控制方程组,结合高精度加权本质无振荡WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)空间离散格式和高精度ILW(Inverse Lax-Wendroff)固壁边界处理技术,研发了爆炸动力学的一致高精度仿真程序,并对爆轰波在内置圆柱障碍物组管道中的传播规律进行了研究,获得了爆轰流场内部反射以及绕射等作用下产生的清晰的复杂波系结构。研究结果表明:圆柱障碍物组半径的变化对绕射区45°方向上障碍物壁面上的最大压力影响较小;障碍物组半径不变的情况下获得的对称轴线上最大压力的最大峰值最大。     

甲烷煤尘燃烧爆炸试验研究

为揭示甲烷煤尘空气混合物爆炸波的传播规律,采用试验分析的方法,建立甲烷煤尘空气混合物燃烧爆炸的3种试验方案,分析不同体积分数的甲烷和不同质量浓度的煤尘消耗不同体积空气时的爆压和爆速等参数的发展趋势,探究爆轰波传播的稳定性,阐明了甲烷煤尘燃烧爆炸的基本特征。试验结果表明,在最优配比条件下,与单一甲烷空气、煤尘空气混合物相比,甲烷煤尘空气混合物的爆压、爆速明显增加。甲烷煤尘空气混合物爆轰比单一的气相、固相混合物爆轰的爆炸压力、爆速明显增加、爆轰更稳定。     

管道燃气爆炸特性实验研究

管道是化工及油气储运系统的重要组成部分,却时常受燃烧爆炸事故的威胁,因此对管道中燃气燃烧爆炸特性与规律的研究就十分必要。以甲烷作为研究对象,采用压力传感器以及火焰传感器等对水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧爆炸进行了实验研究,通过大量实验来研究可燃气体爆炸压力与火焰及其传播变化规律。根据实验结果将超压以及气体燃烧的变化情况,对前驱冲击波与火焰面的相对时间及相对位置关系进行了分析。结果显示,管道中会产生前驱压力波,并超前火焰阵面甲烷气体在管道传播过程中,出现冲击波反压射、波叠加及反冲现象,压力的持续时间较火焰光信号持续时间长。所做的工作为油气受限空间中燃气燃烧爆炸特性与规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术及工艺的实施、系统设计以及关键参数计算提供了理论依据。     

密闭受限空间可燃气体爆炸特性数值模拟研究

密闭受限空间中可燃气体的爆炸研究对于石油及天然气工业的安全生产具有重要意义.以RNG湍流模型及EBU-Arrehnius燃烧模型为基础,建立了可燃气体单步化学反应湍流爆炸模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,从而对二维受限空间中可燃气体爆炸的过程及规律进行了数值模拟,模拟结果与实验数据有着较好的吻合性.所做的工作为受限空间中可燃气体爆炸特性及规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供了理论依据.     

温度梯度影响爆燃转爆轰的数值模拟

采用一维带真实化学反应的Navier-Stokes方程对温度梯度影响爆燃转爆轰的过程进行了数值模拟.结果表明,点火温度的不均匀性对可燃预混气的燃烧模式有显著影响.在零温度梯度条件下,点火初期呈可燃气等容爆炸现象,随后发展为火焰传播;在小温度梯度下,点火后会导致爆轰形成,但很快衰减为爆燃过程;当温度梯度增加到合适值时,点火燃烧后可形成过驱爆轰并最终称为稳定爆轰状态;而温度梯度过大时,仅呈现正常火焰传播状态.不同温度梯度可以导致燃烧化学反应放热与热传导之间的竞争,因而形成了不同的燃烧模式.上述研究对实际过程中爆轰形成现象的防治有着一定的理论意义.     

High resolution numerical simulation of methane explosion in bend ducts

In this paper we developed a parallel code, adopting a fifth-order weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme with a third-order TVD Runge-Kutta time stepping method for the two-dimensional reactive Euler equations, to investigate the propagation process of methane explosion in bend ducts. In the simulations, an inverse Lax-Wendroff procedure is adopted to construct a high order boundary in order to treat the complex boundaries. The numerical results show that when the bend angle is 30° and 45°, it cannot inhibit the propagation of the detonation wave; while when the angle reaches 60° and 75°, the detonation wave finally attenuates to the shock wave. It indicates that the propagation of the detonation wave can be inhibited. Furthermore, the temperature and the pressure at the entrance of the bend are low. When the angle arrives at 90°, the detonation wave evolves into cellular detonation when it passes through the bend. When the angle is larger than 90°, the detonation wave dramatically attenuates at the diffracting point, and later some hot spots can be formed, which can ignite the combustible gas nearby. Thus the second explosion occurs and finally the detonation is formed. When the angle is larger than or equal to 90°, the temperature and the pressure at the entrance of the bend is too high that the rescue efforts in the methane explosion accidents will encounter great difficulties. Hence, the laneway with 60° and 75° bend can inhibit the propagation of the detonation wave, and the temperature and the pressure at the entrance of the bend is not too high as well. All the results above can provide an important basis for the design and optimization of the mine laneway.     

A study on the obstacle-induced variation of the gas explosion characteristics

A study on the variation of the gas explosion characteristics caused by the built-in obstacles was conducted in enclosed/vented gas explosion vessels. It has been well known that the obstacles in pipes and long ducts would accelerate the flame propagation, and cause the transition from deflagration to detonation. In this study, the explosion characteristics and the flame behavior of vented explosions and constant-volume explosions were investigated. Experiments were carried out in a 270-liter and 36-liter hexahedron vessels filled with LPG–air mixture. The explosion characteristics of the gas mixture were determined by using a strain-responding pressure transducer. The flame behavior was recorded by using a high-speed video camera. The shape and the size of the obstacle, and the gas concentration, were adjusted in the experiments.

It can be seen from the experimental results that, instead of being accelerated, the flame propagation inside the explosion vessel is decelerated by the plate obstacles fixed at the bottom of the vessel. Also, the characteristics of the enclosed explosion are not so affected by the built-in obstacles as those of the vented explosion are. It is believed that the eddy-induced turbulence behind the obstacle decelerates the flame propagation.     

民居内燃气泄漏爆炸特性及其数值仿真研究进展

为研究民居内可燃气体爆炸规律及特点,预防燃气泄漏爆炸案/事件发生,提高案/事件现场勘验与侦破效率,综述受限空间内燃气爆炸的形成机理和传播特性、现场结构和障碍物对爆炸的影响规律以及爆炸后现场勘验和重建技术方法,阐述数值仿真技术在气体爆炸案件现场勘验和重建中发挥的作用。研究结果表明：民居内燃气爆炸现场特征明显异于传统爆炸类案件现场,尤其是炸点特征存在差异;数值仿真可有效揭示燃气泄漏爆炸的形成、传播和作用机理;目前,燃气爆炸实验研究方法和体系需进一步统一,以提高研究结论普适性。研究结果可为民居内燃气爆炸现场勘验和重建提供技术支持。     

障碍物对瓦斯爆炸冲击波影响研究

为研究障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响,利用水平管道式气体——粉尘爆炸实验装置,测试并分析障碍物数量、尺寸和壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压、冲击波传播规律的影响。结果表明:障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波传播规律具有重要影响。障碍物存在时,改变了爆炸冲击波的传播规律,提高了冲击波超压的最大峰值压力,且随着障碍物数量和尺寸的增加,这种激励作用越明显。随着壁面粗糙程度的增大,瓦斯爆炸冲击波超压明显增大。研究结果对井下巷道瓦斯爆炸冲击波的防治具有一定的指导意义。     

障碍物压力反射特性对瓦斯爆炸传播影响的数值模拟研究*

为了研究不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播的影响机理,对直径0.2 m、长6.5 m的密闭直管道内的瓦斯爆炸过程进行数值模拟。研究结果表明:在该实验条件下,对于火焰通过整个管道的时间,方形障碍物时间最长,球形障碍物与无障碍物时间接近,且用时最短;无障碍物时,在反射压力波作用下火焰传播速度存在明显的波动特性;有障碍物时,障碍物的诱导作用要大于反射压力波的作用,火焰传播的这种波动特性得到抑制,提升了火焰前锋向未燃区域传播的能力;压力波的波动频率与气流震荡、压力波反射叠加有关,波幅则主要与正向压力波和反射压力波的叠加效果有关。研究结果为煤矿瓦斯爆炸事故防治及隔抑爆技术应用提供技术支撑。     

易燃混合气体爆炸完全基元反应模型数值模拟

采用完全基元反应模型和高精度ENO格式对易燃混合气体爆炸过程进行了数值研究,对H2/O2/Ar混合气体起爆和爆轰波传播过程的数值模拟结果表明,计算的爆轰波阵面参数和实验相当符合,对轰波反应区化学反应的研究表明,参与反应的不同组分具有不同类型的变化特征,这些特征为爆炸灾害的预防设计提供了线索。     

小环境密闭空间初始压力对预混合可燃性气体爆炸的影响

在工程应用中,初始压力的增高一般都能提高预混合可燃性气体爆炸的强度,缩小反应设备的体积.因此研究在小环境密闭空间下初始压力的变化对预混合可燃性气体爆炸的特性与规律是十分必要的.本文运用AutoReaGas爆炸仿真模拟器定量研究了小环境密闭空间的初始压力对预混合可燃性气体爆炸的影响.其结果表明,在相同小环境密闭空间尺寸下利用AutoReaGas爆炸仿真模拟器充入相同条件的预混合可燃性气体.其预混合气体密度、冲击波产生的超压都随着初始压力的增加而增大;并且爆炸超压与初始压力呈近似的线性关系;但各个观测点的温度和速度并不随着初始压力的增加而变化.研究所取得的成果可为今后的工程应用提供一定的理论数据指导.