管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性

粉末状的锆金属不仅燃烧速度快,而且燃烧释放出的热量非常高,作为高能燃料被广泛应用在航天和军工领域.锆金属以粉尘云的形态燃烧时,大量微小悬浮锆颗粒燃烧会形成具有一定面积的火焰,采用实验方法研究锆粉云火焰在竖直管道中的温度和速度特性.研究结果表明,热电偶处的锆粉云最高火焰温度与瞬间火焰传播速度有相同变化趋势,都随锆粉云质量浓度增加先增大后减小.当锆粉云质量浓度为0.625 kg·m-3时,出现最高火焰温度,可达1777.81℃,在此条件下管道中最快火焰传播速度可达39.7 m·s-1.当质量浓度超过0.625 kg·m-3后,热电偶处的锆粉云最高火焰温度与瞬间火焰传播速度都会降低,主要是由于富燃料燃烧、管道中氧气不足而导致颗粒不能完全燃烧.实验得到了不同质量浓度锆粉云的最高火焰温度值与最快火焰传播速度.     

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

半封闭空间甲烷爆炸初期火焰传播时空分布研究

通过小尺度实验,研究了半封闭空间甲烷爆炸火焰前沿位置、传播速度随时间和空间的变化规律,以及甲烷浓度对其的影响。研究得出：在时间分布上,甲烷爆炸初期欠焰前沿位置和传播速度随时间近似呈指数型增长,传播速度存在波动性;甲烷浓度越大,火焰初始传播速度越大。在空间分布上,在火焰前沿达到管道长径比蓬～6之前,传播速度在20m/s以下,达到4～6处,速度开始明显增大;在管径相确的管道中,甲烷在化学当量比附近由燃烧达到爆炸的距离最短;当甲烷浓度向大小两个方向变化时,由燃烧达到爆炸的距离逐渐增大。     

3种阻燃粉体抑制锆粉云爆炸强度的效果和机理

为分析磷酸二氢铵(ABC)、三聚氰胺焦磷酸盐(MPP)、三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)3种阻燃粉体抑制锆粉云爆炸强度的效果和机理,采用20 L近球形爆炸实验系统和热重-差热分析仪开展研究。结果表明:ABC、MPP、MCA阻燃粉体对锆粉云爆炸强度都有抑制作用;ABC粉对锆粉云爆炸的抑制效果占有极大的优势,200 g/m~3ABC粉可完全抑制住锆粉云在最猛烈状态时的爆炸;在锆粉中分别添加这3种阻燃粉体的混合体系在空气中被加热都是增重-失重-再增重、放热-吸热-再放热的过程;阻燃粉体的分解温度越低,对抑制锆粉的氧化越有利;当锆粉与阻燃粉体的质量比为2∶1时,锆粉分别添加ABC、MPP、MCA粉后,锆粉快速氧化反应的起始温度从257.08℃分别提升到591.45、581.43和401.30℃;ABC粉对锆粉云爆炸的抑制效果较佳,其原因是这种粉体更好地延长了锆粉发生快速氧化反应的时间,提升了锆粉发生快速氧化的起始温度,最大化抑制了锆粉燃烧过程。     

小尺度管道中CH4-O2爆炸火焰传播规律实验研究

为研究小尺度管道中CH₄-O₂爆炸火焰传播规律,设计并建立了小尺度管道实验系统,由小尺度管道、配气系统、点火系统、爆炸压力数据采集系统、高速摄影系统以及数据处理系统等组成. 利用小尺度管道实验系统,研究了不同初始压力、不同初始浓度条件下CH₄-O₂混合气体爆炸火焰传播的规律. 爆炸火焰传播速度由高速摄影系统采集的图像利用Matlab程序进行处理并计算得到. 结果表明:同一初始浓度条件下,随着初始压力的增加,爆炸火焰在管道中传播的最大速度随之增大;管道中爆炸火焰最大速度与初始压力的倒数近似呈线性关系;对于不同初始浓度下的混合气体,都存在使混合气体形成加速火焰的最低初始压力;以化学当量浓度（CH₄+2O₂）为界限,当初始浓度越接近化学当量浓度时,混合气体形成加速火焰所需的最低初始压力越小.      

抑制铝粉尘云爆炸的粉体材料效能对比分析

为降低铝粉尘云爆炸事故危害程度,有必要探索对其有效的抑制性粉体材料。采用瞬态火焰传播实验系统研究ABC粉、MCA粉和MPP粉对铝粉尘云爆炸的抑制效能,并深入分析优选阻燃粉体材料MPP粉对铝粉燃烧的抑制机理。研究结果表明:针对质量浓度为375 g/m3铝粉尘云,MPP粉、MCA粉和ABC粉质量浓度分别为70.31,93.75和140.63 g/m3时,铝粉尘云爆炸能够被彻底抑制。3种阻燃粉体材料中,MPP粉对铝粉尘云爆炸的抑制效果最好。在0～612.5°C,MPP分解吸收大量热,分解产生的惰性气体NH3和H2O会降低金属颗粒附近的氧气浓度。此外,分解产生的磷系自由基也会反应进一步消耗掉氧原子。铝粉在加热过程中,被氧化铝薄膜包裹着的内核铝受热膨胀突破氧化膜,开始快速氧化,而MPP粉的加入推迟了这一过程。分解吸热、降低氧化剂浓度以及消耗氧原子的综合作用导致MPP粉对铝粉尘云爆炸具有较好的抑制效果。     

变径管道中粉尘爆炸传播实验与模拟

为探究粉尘爆炸在变径管道中的传播规律,基于1m³粉尘爆炸测试系统,搭建了DN200长直管道和DN200~DN100的变径管道,以玉米淀粉为实验介质,通过实验和FLACS数值模拟相结合的方法,研究了粉尘爆炸在管道中火焰传播速度、超压峰值、火焰传播距离的变化规律.结果表明:火焰传播速度在管道内呈上升趋势,在变径点之后增幅明显变大,缩小管径对火焰传播起加速作用;但超压峰值在管道内呈下降趋势,其在变径后衰减幅度显著升高,缩小管径使超压衰减速率增加;通过数据拟合建立了变径管道引起爆炸腔内超压变化的数学模型;火焰传播距离随浓度增加而变长,相同浓度下渐缩变径管导致火焰传播距离变长.研究结果为除尘系统安全距离确定及阻火隔爆措施的设计提供了参考依据.     

影响木材火焰传播速度特征量的实验研究

木材着火时火焰的传播规律将为木材在火灾场景中的行为提供重要参考,分析了木材燃烧的机理和影响木材燃烧时火焰传播速度的特征量,借助于实验的方法,研究了空间方位角和几何尺寸等特征量对火焰传播速度的影响.结果表明,方位角越小,不同尺寸木条火焰传播速度差别越大;火焰传播速度随方位角的增大而增大;木条宽度越大,火焰传播速度越慢.     

除尘器内烟草粉尘爆炸规律的数值研究

在工业生产中,除尘器内经常发生爆炸灾害事故,给安全生产带来了严重的挑战。为探究除尘器内发生爆炸时爆炸超压演化及爆炸火焰传播的规律,基于球形爆炸装置对烟草粉尘的实验数据,构建了大规模爆炸仿真软件FLACS的烟草粉尘爆炸模块,进而实现了对带管道除尘器内爆炸及传播过程的数值仿真。模拟结果表明:除尘器内部发生爆炸时,内部的粉尘质量浓度、点火位置、管道形状均对爆炸过程有一定影响。在500~1000 g/m~3范围内,除尘器内粉尘质量浓度越大,爆炸超压越大,火焰传播速度越快;点火位置离管道入口越远,爆炸超压越大,火焰传播速度越快;管道若设置有折弯结构,火焰经过该部分后,可以一定程度上减弱爆炸超压和火焰传播的速度。     

稀疏波对预混火焰影响规律的试验研究

为揭示稀疏波与层流传播火焰的相互作用规律,以管道中传播的丙烷-空气预混火焰为研究对象,利用高速纹影摄像和压力测试等手段对稀疏波与火焰的干涉过程进行了研究．实验过程中采用不同的点火方案,分别对同向稀疏波和逆向稀疏波与火焰的干涉作用进行了研究．实验结果表明,稀疏波的干涉作用均能使火焰阵面结构发生变化、火焰产生明显震荡,并导致火焰由层流向湍流燃烧的迅速转变;但在稀疏波对火焰的作用的初始阶段,同向稀疏波会明显降低火焰传播速度,而逆向稀疏波则迅速增大火焰传播速度,并伴随着剧烈的震荡．     

Flame propagation characteristics and flame structures of zirconium particle cloud in a small-scale chamber

Flame propagating through zirconium particle cloud in a small-scale vertical rectangle chamber was investigated experimentally. In the experiments, the zirconium quoted 99% purity was used and the diameter of particles was distributed 1–22 μm. The zirconium dust was dispersed into the chamber by air flow and ignited by an electrode spark. A high-speed video camera was used to record the images of the propagating flame. Micro-thermocouples, schlieren optical system and microscopic lens were used to obtain temperature profiles and flame structure, respectively. Based on the experimental results, flame propagation characteristics and flame structure of zirconium particle cloud were analyzed. The propagation velocity of the flame is quite slow in the initial 14 ms and then accelerates to maximum value. Subsequently, the propagation velocity of the flame almost keeps constant. The combustion zone width of zirconium particle cloud is 5–6 mm. Smaller particles burn mainly at the leading edge of combustion zone in the width of 1.4 mm followed by larger particles burning 1.4–6 mm behind the leading edge of the combustion zone. Gas phase flame is not seen in zirconium particle cloud and the combustion time of single zirconium particle is 1–5 ms, which depends on its original size. The preheated zone is 7–8 mm thickness ahead of the combustion zone and intensive chemical reaction takes place at 490 K. The maximum flame temperature increases at lower concentrations, reaches the maximum value, and then decreases slightly at higher concentrations.     

甲烷浓度和煤粉粒径对混合爆炸火焰传播速度的影响

为评价瓦斯空气煤粉混合爆炸危险性大小,探究爆炸机理,方便相关事故原因分析,利用水平透明玻璃式爆炸管道,探究了甲烷浓度、煤粉粒径对复合爆炸中火焰传播速度的影响。实验结果表明:随着甲烷浓度的增大,火焰传播速度先增大后减小,在接近爆炸上限浓度和爆炸下限浓度时达到最大值;随着煤粉粒径的增大,火焰传播速度逐渐变小,最大火焰传播速度也变小,甲烷浓度为10%,煤粉粒径为30μm时火焰传播速度最大。     

相连容器中粉尘爆炸的火焰传播

采用实验和数值模拟相结合的方法对相连容器中玉米淀粉粉尘爆炸的火焰传播行为进行了研究.实验装置为通过长管相连接的两个容器,爆炸在一个容器中引发后通过管道传播到另一个容器中.采用欧拉-拉格朗日方法模拟粉尘爆炸的两相流问题,气相湍流模型采用k-ε模型,粒子燃烧模型考虑了水分蒸发、挥发分分解、气相反应和粒子的表面反应,气相湍流燃烧模型采用涡旋破碎-阿累尼乌斯模型,数值求解采用算子分裂方法和FCT格式.仿真结果揭示了火焰在长管中的加速行为,计算结果与实验结果符合得较好,表明所采用的模型可以很好地应用于粉尘爆炸火焰传播的研究.     

蒙脱石粉体对瓦斯爆炸特性参数的影响研究

选用天然矿物粉体蒙脱石作为抑爆材料,通过20 L球形爆炸装置和自主设计的5 L管道实验系统,测试了蒙脱石粉体及其浓度对甲烷-空气预混气体的爆炸压力、火焰传播速度等特性参数的影响.结果表明:蒙脱石粉体对甲烷爆炸具有一定的抑制作用,甲烷-空气预混气体的最大爆炸压力和爆炸火焰传播的平均速度随着粉体浓度的增加呈现先降低后上升的趋势.其中,当粉体浓度为0.16 g/L时,爆炸压力下降至最低,比未添加粉体时下降了29.2%;当粉体浓度为0.20 g/L时,火焰传播平均速度最小.此外,结合蒙脱石粉体的元素组成及热解特性分析其瓦斯抑爆机理.      

细水雾抑制煤尘与瓦斯爆炸实验

搭建小尺寸细水雾实验平台,用相应管道模拟矿井环境.在阐明煤尘与瓦斯爆炸传播机理的基础上,研究细水雾抑制管道混合物爆炸的有效性,并对其做定性定量的分析研究.研究发现:在细水雾作用下,煤尘与瓦斯的火焰传播速度会相应减小、所测火焰温度有所降低.当混合物爆炸的威力较大时,细水雾对其相关参数影响较弱,应适当增加压力,改变细水雾的物理化学抑制作用,增强灭火特性.实验结论:细水雾抑制煤尘与瓦斯爆炸的研究为煤矿抑爆装置的研制和安装提供了技术支撑.     

铝粉粉尘云和戊烷云雾燃烧诱导爆炸研究

目的 在实验室内研究常见的粉尘、气云工业爆炸灾害。方法 建立相应的实验研究系统,分别以铝粉、戊烷为例,对弱点火条件下可燃粉尘、气云燃烧、爆炸和爆轰进行分析。结果在实验室内再现了粉尘、气云燃烧、爆炸、爆轰过程,并测得了该过程中的压力和火焰信号。结论 弱点火条件下粉尘、气云爆炸过程可分为激波诱导段、激波形成段、激波增强段和爆轰段。     

氧浓度对斯特林发动机燃用不同燃料时燃烧火焰特征的影响

利用高速摄影技术,研究了以乙醇为燃料时斯特林发动机引射气流中氧浓度对燃烧的火焰长度、色度、燃烧速度以及燃烧稳定性等的影响.结果表明：在引射空气时,随着氧气浓度的提高,火焰的稳定性及火焰传播速度提高,燃烧火焰长度变短,火焰变得更明亮,且柴油火焰亮度比乙醇大;在有引射气流的作用下,氧浓度对燃烧特征参数的影响较小.

     

管道内甲烷煤尘复合火焰结构的实验

对管道中甲烷煤尘复合火焰结构进行了初步研究．采用高速摄像系统拍摄了甲烷煤尘复合火焰在垂直管道内传播过程的自发光图片；采用微细热电偶和离子探针技术分别测量了火焰传播过程中的温度分布和化学反应区的强度分布．研究结果表明：管道内甲烷煤尘复合火焰化学反应区的厚度约为15．6cm，比单一甲烷空气预混火焰的化学反应区厚度要大两个量级．