障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。     

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。     

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。     

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。     

分支管道长度和数量对油气爆炸超压特性的影响

为了研究不同分支管道长度和数量对油气混合物爆炸超压特性的影响规律,借助组合式试验管道和压力采集系统,完成了不同分支管道长度和数量条件下的油气爆炸试验,重点分析了超压峰值、超压上升速率、达到峰值时间等超压特性参数与分支管道长度和数量之间的关系。结果表明,与直管道相比,分支管道对爆炸超压峰值和超压上升速率有较大影响。随分支管道长度增大,超压峰值和最大超压上升速率均呈现先减小后增大的趋势。单分支结构条件下,分支长度为1.5 m时,超压峰值与升压速率峰值小于直管道工况,而双分支结构条件下,超压峰值与升压速率峰值均大于直管道工况。分支管道数量的增加并不能导致超压峰值和最大超压上升速率的持续增加。当分支数量小于3时,爆炸超压峰值和最大超压上升速率随分支数量增加而增加,当分支数量大于3时,超压峰值和最大超压上升速率则均出现了下降。     

滑移多孔介质下甲烷爆炸特性研究

为探究降低可燃气体燃爆危害及后果的技术及方法,本文基于多孔介质的淬火降压特性,开展当量比为1时9.5%甲烷/空气预混气体在滑移多孔介质初始位置70cm下的爆炸特性实验,通过与无装置实验结论对比,结果表明：滑移装置能够延缓“郁金香形”火焰的出现时间,降低火焰最大传播速度,衰减爆炸产生的冲击波和压力,对最大火焰传播速度的衰减可达13.24%,对管内上游峰值超压的最大衰减比例为17.87%,对下游峰值超压的最大衰减比例为24.74%,本实验结果可为火焰二次加速阶段的抑制奠定一定基础。     

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。     

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.     

丙烷对甲烷-空气预混气体爆炸影响机理研究

为探究丙烷对甲烷爆炸的影响,通过试验研究不同体积分数丙烷对甲烷爆炸特性的影响特征,利用CHEMKIN-PRO软件模拟丙烷影响甲烷爆炸过程中自由基变化特征。结果表明,随着丙烷体积分数的增大,丙烷对甲烷爆炸呈现出先促进后抑制的作用。当丙烷体积分数为0.2%～0.6%时,促进甲烷爆炸;当丙烷体积分数为0.8%～1.0%时,抑制甲烷爆炸。在丙烷促进甲烷爆炸阶段,丙烷通过均裂反应生成·C₂H₅和·CH₃,·CH₃增大·H、·O、·OH的生成速率,导致爆炸强度增强;在丙烷抑制甲烷爆炸阶段,随着丙烷体积分数的持续增加,O₂体积分数降低,·O生成速率降低,·H、·OH生成速率降低,导致爆炸强度减弱。     

浓度对橡胶粉尘爆炸特性的影响

为了解橡胶粉尘的爆炸危险性,采用20 L球爆炸测试装置对常温常压下、粒径75μm以下的橡胶粉尘在质量浓度50~700 g/m3范围内的爆炸特性进行试验研究,测定其最大爆炸压力及爆炸指数随质量浓度的变化规律,进而对其爆炸危险性程度进行分级。结果表明:橡胶粉尘质量浓度为300 g/m3时,爆炸压力达到最大值0.49MPa;在橡胶粉尘质量浓度为250 g/m3时,爆炸指数达到最大值5.04MPa·m/s,根据ISO 6184粉尘爆炸烈度等级分级标准,其粉尘爆炸危险性分级为St-1级。     

Effect of initial temperature on the explosion pressure of various liquid fuels and their blends

In this work, the effect of initial temperature on the explosion pressure, P_ex, of various liquid fuels (isooctane, toluene and methanol) and their blends (isooctane-toluene and methanol-toluene, with three different fuel-fuel ratios) was investigated by performing experiments in a 20-l sphere at different concentrations of vaporized fuel in air. The initial temperature was varied from 333 K to 413 K.Results show that, as the fuel-air equivalence ratio, Φ, is increased, a transition occurs from a “thermodynamics-driven” explosion regime to a “radiant heat losses-driven” explosion regime. The maximum pressure, P_max, is found in the former regime (Φ < 3), which is characterized by a trend of decreasing P_ex with increasing initial temperature. This trend has been explained by thermodynamics. In the latter regime (Φ > 3), P_ex increases with increasing initial temperature. This trend has been addressed to the decrease in emissivity (and, thus, radiant heat losses) with the increase in temperature.     

Effect of initial pressure on the lower explosion limit of nicotinic acid/acetone mixture

In the work presented in this paper, the effect of initial pressure on the lower explosion limit (LEL) of the hybrid nicotinic acid/acetone mixture was investigated through standard explosion tests carried out in the 20 L sphere. From experimental results, the flammability diagram was built in the plane (concentration/minimum explosive concentration) of nicotinic acid versus (concentration/LEL) of acetone. Interestingly, it has been found that, in going from low pressures (P < 1 atm) to high pressures (P > 1 atm), the extension of the flammability region increases. This behavior has been attributed to the fact that the turbulence kinetic energy (and thus the energy dissipation) decreases with increasing initial pressure. Bartknecht's correlation for LEL of hybrid mixtures was modified to take into account the effect of pressure, and two correlations were obtained able to give satisfactory predictions of experimental data at both low pressures and high pressures.     

初始压力对连通容器甲烷-空气混合物泄爆压力的影响

建立球形容器与管道、2个球形容器与管道组成的2种形式的连通容器试验装置,研究初始压力对连通容器甲烷-空气混合物泄爆压力的影响。结果表明:连通容器内泄爆超压随初始压力增加而增大,并与初始压力近似成线性关系;对于2个球形容器与管道组成的连通容器,起爆容器的泄爆超压始终小于传爆容器;泄爆方式和点火方式对连通容器泄爆超压有较大影响,大容器点火时,2个容器的泄爆压力差随初始压力增加而增大,但小容器点火时,2个容器的泄爆压力差随初始压力的增加变化较小;初始压力对不同结构和尺寸的连通容器的泄爆压力的影响不同,当令初始压力对大容器点火时,小容器内泄爆压力受影响最大,而当对单球形容器与管道组成的连通容器的小容器点火时,小容器内泄爆压力受影响最小。     

气体密度和初压对炸药爆炸压力衰减的影响

为研究气体密度和初压对爆炸压力的影响,以球形装药为例,在LS-DYNA中模拟不同气体密度、环境初压和真空度条件的TNT炸药爆炸,分析空气冲击波的形成过程和衰减规律。研究结果表明：在爆炸初期冲击波的波阵面位于爆炸产物边界,产物压力与冲击波压力存在强耦合作用;随着爆炸产物自身压力下降,其膨胀速度减慢,冲击波开始与爆炸产物分离,当产物中心压力下降为环境初压时,冲击波与爆炸产物彻底分离,其后以空气冲击波的形式独立传播。降低气体密度可以通过抑制冲击波形成,大幅降低爆炸压力;减小环境初压则通过加快冲击波的衰减速度,也可以在一定程度上降低爆炸压力。相较于单独改变密度和压力,提高真空度对冲击波压力的减小效果更好;近真空环境下无法形成空气冲击波,爆炸压力衰减速度快。     

DMMP对二甲醚层流预混火焰的影响研究

二甲醚(DME)作为可再生的清洁燃料,因为其优越的性能而越来越受关注,但与此同时其燃烧的安全性却容易被忽视。自蒙特利尔议定书以后,含磷化合物成为抑制碳氢化合物火焰最理想的卤代烷替代物,选取甲基磷酸二甲酯(DMMP)应用于二甲醚火焰,基于分层结构首次构筑了DME/DMMP详细化学反应机理。通过模拟研究发现,DMMP对DME层流预混火焰表现出与碳氢火焰同样明显的抑制作用。进一步进行火焰抑制机理分析,结果显示DMMP对DME层流火焰的抑制主要是因为PO_2和HOPO的循环反应促进了H和OH重组,同时得出DMMP对DME富燃火焰抑制更有效的结论。     

Influence of the ignition source location on the determination of the explosion pressure at elevated initial pressures

Explosion pressures are determined for rich methane–air mixtures at initial pressures up to 30 bar and at ambient temperature. The experiments are performed in a closed spherical vessel with an internal diameter of 20 cm. Four different igniter positions were used along the vertical axis of the spherical vessel, namely at 1, 6, 11 and 18 cm from the bottom of the vessel. At high initial pressures and central ignition a sharp decrease in explosion pressures is found upon enriching the mixture, leading to a concentration range with seemingly low explosion pressures. It is found that lowering the ignition source substantially increases the explosion pressure for mixtures inside this concentration range, thereby implying that central ignition is unsuitable to determine the explosion pressure for mixtures approaching the flammability limits.     

Combined effects of initial pressure and turbulence on explosions of hydrogen-enriched methane/air mixtures

Hydrogen-enrichment has been proposed as a useful method to overcome drawbacks (local flame extinction, combustion instabilities, lower power output, etc.) associated to turbulent premixed combustion of natural gas in both stationary and mobile systems. For the safe use of hydrogen-enriched hydrocarbon fuels, explosion data are needed.In this work, a comparative experimental study of the explosion behavior of stoichiometric hydrogen-enriched methane/air (with 10% of hydrogen molar content in the fuel) and pure methane/air mixtures is presented. Tests were carried out in a 5 l closed cylindrical vessel at different initial pressures (1, 3 and 6 bar), and starting from both quiescent and turbulent conditions.Results allow quantifying the combined effects of hydrogen substitution to methane, pressure and turbulence on maximum pressure, maximum rate of pressure rise, burning velocity and Markstein lengths.     

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.     

Numerical modelling of the effects of vessel length-to-diameter ratio (L/D) on pressure piling

Pressure piling presents a major explosion hazard in interconnected process vessels. Pressure enhancement in the secondary vessel due to the acceleration of the flame through the connecting pipe can generate a disproportionately more violent explosion than would have been expected based on the concentration of dust in the secondary vessel. Pressure piling is a very complex phenomenon that is difficult to investigate through experimentation. Advanced computational fluid dynamics (CFD) modelling is a promising route to accurately account for all the complexities associated with pressure piling.In this paper, the current state of knowledge concerning pressure piling is presented. Further, the effects of varying the length-to-diameter ratio (L/D) of the primary vessel (Vessel 1) on pressure piling was investigated using numerical modelling. The volumes and volume ratio of the interconnected vessels were kept constant while the L/D of Vessel 1 was varied from 0.5 to 15. The simulations of coal dust explosion were performed using the coalChemistryFoam solver from OpenFOAM version 5.0.1. It is hoped that the findings from this study provide insight into the effects of the geometrical design of interconnected vessels, particularly L/D, on pressure piling. Additionally, this work has implications for the optimal placement of explosion isolation devices intended to actuate before the flame front and pressure escape to downstream vessels.     

初始温度和压力对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性影响的模拟研究

市政排污空间作为城市公共基础设施的重要组成部分，易积聚可燃气体形成爆炸性环境。结合排污空间的特殊环境条件，采用Fluidyn-MP多物理场数值模拟软件，建立了20 L球形爆炸罐分析模型，通过改变初始温度和初始压力，对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性及其变化规律进行模拟研究。结果表明:初始温度升高导致甲烷-空气混合物最大爆炸压力降低，缩短了到达最大爆炸压力的时间；初始压力增加导致最大爆炸压力急剧升高，并延长了到达最大爆炸压力的时间；最大爆炸压力对初始压力的敏感程度远大于初始温度的影响。此外，随着初始温度和初始压力的升高，爆炸火焰平均传播速度增加，而火焰传播速度对初始温度较敏感。