氢气及重烃组分对瓦斯爆炸下限影响的实验研究

为研究矿井瓦斯中含有的氢气及重烃组分对瓦斯爆炸下限的影响,建立了多组分瓦斯混合气体爆炸实验系统.运用该实验系统对分别混有氢气、异丁烷和正己烷的甲烷气体的爆炸下限进行了测定.实验结果表明:强点火源条件下,当混有氢气的体积分数达到1.5%时,甲烷的爆炸下限可以降到1%;当异丁烷和正己烷的体积分数约为0.25%时,甲烷的爆炸下限可降到2%左右.图8,表5,参10.     

水平管道内甲烷爆炸压力传播实验

借助自行研制的瓦斯爆炸水平管道模拟巷道,通过实验研究低浓度瓦斯爆炸特征参数及爆炸压力在水平管道内的传播规律。结果表明：爆炸极限范围内的甲烷气体,在燃爆腔体内（点火段附近）爆炸超压随甲烷浓度的增大呈先增大后减小的趋势;甲烷体积分数为9．4％时,爆炸压力最大,为0．165670MPa,对应时间为76．8ms。在燃爆腔体一扩散管路内,气体爆炸压力峰值呈波动性变化;距点火段3600mm处、体积分数为9．4％的甲烷气体爆炸压力最大,爆炸超压为0．181228MPa。实验中甲烷爆炸超压的体积分数为9．4％。该研究为管道及煤矿巷道瓦斯爆炸事故分析提供了参考。     

分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播规律实验及数值模拟

为了研究煤矿井下瓦斯爆炸火焰在分岔巷道内的传播规律,自制45°分岔管道实验装置开展甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播实验,用Fluent 16.0软件模拟分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播过程。对比分析实验数据与模拟结果,得到分岔管道瓦斯爆炸火焰传播的变化规律。研究结果表明:1)分岔管道内瓦斯爆炸火焰在分岔处产生漩涡,加速管道内爆炸火焰湍流化,火焰冲击反射现象明显;2)分岔支管截面处爆炸火焰温度、传播速度、冲击波超压与离子电流峰值最大;3)瓦斯爆炸火焰传播的模拟结果与实验数据在数值上存在一定差异,但各参量总体变化趋势相同。研究结果为深入认识井下瓦斯爆炸传播机制和在巷道分岔处采取瓦斯爆炸火焰传播抑制措施提供一定参考。     

城市综合管廊燃气爆炸传播特性实验研究

随着中国城镇化建设的快速发展,容纳天然气、供热、给水、电力等多种市政管线于一体的综合管廊已成为保障城市“生命线”运行的重要基础设施。天然气管线作为其中最具威胁的危险源,一旦发生泄漏极易在管廊受限空间内形成易燃易爆气体云,给综合管廊安全运行带来巨大的爆炸风险。为揭示多因素影响下综合管廊复杂受限空间内燃气爆炸传播特性,有效支撑管廊燃气爆炸事故后果评估及安全防护需求,该文使用自主研制的综合管廊燃气爆炸实验系统研究了甲烷体积分数、泄压口和舱内附属设施(燃气管道、配电箱、灭火箱等)对火焰传播过程和超压分布的影响。结果表明：甲烷体积分数为9.5%时爆炸超压达到峰值;与封闭管廊模型相比,综合管廊预设的通风口可以起到较强的泄压作用,超压峰值衰减率达28.4%;燃气舱内附属设施会加速火焰传播过程并导致更大的超压峰值。该研究能为提升综合管廊天然气舱的防灾减灾能力提供理论和技术支撑。     

CH3自由基的ν2和ν3基带在高温下的谱线强度

采用密度泛函理论(DFT)的B3P86方法,在6-311G**基组水平上,优化出CH3自由基的稳定构型为双重态D3h构型,并得出基态的简正振动频率、转动常数。在此基础上,根据对称陀螺分子红外光谱跃迁定则,计算了谱线跃迁频率。使用以上数据,我们研究了不同温度下CH3自由基ν2平行谱带谱线强度,并分析了谱线强度随温度的变化规律。结果表明直到1600 K时,谱线强度计算值和实验结果符合很好。表明对CH3自由基在高温下谱线强度的计算方法是成功的。进而计算了CH3自由基在2000和3000K时ν2谱带谱线强度及模拟光谱,并总结其光谱精细结构随温度变化的规律。同时本文也给出了CH3自由基ν3垂直谱带在296和3000 K 时的模拟光谱。     

基于TDLAS一次谐波的甲烷浓度检测系统及其温度补偿研究

本文结合甲烷1 653.72 nm波长2v3带R3支气体吸收线,分析温度变化对甲烷吸收线的谱线特性及甲烷气体浓度测量产生的影响。基于可调谐二极管激光吸收光谱与波长调制光谱技术,应用一次谐波信号检测甲烷气体的浓度,通过温度补偿抑制环境温度变化给检测带来的干扰。实验结果表明,研制的甲烷浓度检测系统的性能稳定,利用温度补偿系数校准后系统测量偏差在1%以内,可以有效地提高系统的检测精度。     

甲烷和正庚烷的爆炸特性试验

为有效防止工业生产中气体和液体(蒸气)爆炸事故的发生,需要获得相关物质的爆炸特性参数.对此,基于传统的20 L球形爆炸测试装置,对宏观静止和流动状态下甲烷和正庚烷的最大爆炸压力(pmax)、最大爆炸压力上升率((dp/dt)max)和爆炸指数(KG)进行了测量和分析.结果表明:在2种状态下,甲烷的pmax和(dp/dt)max均随着体积分数的增加,先增大后减小,且2种参数均在体积分数为11％处同时达到峰值;在流动状态下,正庚烷的pmax和(dp/dt)max也呈现相似规律,并在体积分数为4％处达到峰值,即2种烷类的最佳爆炸体积分数分别约为11％和4％;此外,流动状态下2种烷类在最佳爆炸体积分数处的pmax小幅提高5％～10％,相应的(dp/dt)max则显著提高到4～5倍,导致爆炸释放能量与爆炸反应速率增大;2种物质在流动状态下的KG值增加到4～5倍,大幅增加爆炸的剧烈程度和危险性.     

混合气体放电中等离子体发射光谱诊断

采用水电极介质阻挡放电装置,分别在氮气/氩气、空气/氩气2种混合气体放电中,采用光谱的方法测量了氮分子(C3Πu)和氮分子离子391.4 nm(B2Σu+→X2Σg+)谱线随混合气体的体积分数的变化.实验表明:随混合气体中氩气体积分数的增加,氮分子(C3Πu)的谱线强度增强,而氮分子离子391.4 nm谱线强度减弱;在2种混合气体中、相同的氩气体积分数下,氮气/氩气混合气体放电时的氮分子(C3Πu)和氮分子离子391.4 nm(B2Σu+→X2Σg+)发射谱线强度比空气/氩气混合气体放电时的强.     

瓦斯爆炸CH/CHO/C_2自由基光谱特征研究

为研究瓦斯爆炸火焰中自由基特征光谱的特征,利用爆炸管道进行不同浓度瓦斯爆炸实验,采用高速摄像仪、单色仪来研究分析瓦斯爆炸火焰中CH/CHO/C_23种自由基发光光谱的特征。结果表明:随着瓦斯浓度的增大,3种自由基信号出现时间、消失时间、存在时间和到达极值时间都呈现先减小后增大的趋势;3种自由基在同一位置的存在时间随瓦斯浓度的改变并没有明显的规律,但都在13%瓦斯浓度下存在时间达到最长;随着瓦斯浓度的增大,同一位置3种自由基最大相对辐射强度都呈现先增大后减小的趋势,都在10%当量比达到最大;随着瓦斯浓度的改变,3种自由基在2个位置相对辐射强度最大值的差值存在较大差异,而在10%当量比的瓦斯浓度下3种自由基在2个位置相对辐射强度最大值的差值相差不大,最大相对辐射强度差值都在15 V左右;在同一位置,同一浓度的瓦斯爆炸过程中,3种自由基最大相对辐射强度从大到小依次是CH,CHO,C_2.     

甲烷直流放电等离子体中氢自由基形成规律研究

目的研究了甲烷直流放电等离子体中氢自由基的形成规律、高纯度(体积比99.99%)甲烷气的分解规律,以及氢自由基的吸收光谱强度随放电时间的变化规律。方法用光电光谱技术代替常规的化学测试方法,测量了纯甲烷直流放电等离子体中甲烷的红外发射光谱2.3μm和氢自由基的656.3 nm吸收光谱。为甲烷气的分解与再利用研究提供了实验依据。结果由氢的吸收光谱强度变化证明了甲烷在直流放电等离子体中的分解过程是一个开始时迅速分解,尔后逐渐减慢,直到最后达到动态平衡的过程。结论在上述分解过程中,甲烷分子总量经历了一个开始不断减少,最终达到动态平衡的过程。这个过程伴随着氢自由基的变化。为甲烷的分解与再利用研究提供了实验依据。     

OH自由基X2Π电子态下(9,4)及(5,1)带振转光谱理论计算

基于有效哈密顿量对角化的方法编写双原子分子光谱计算和拟合程序.根据已有分子常数计算了OH自由基X2п电子态下(3,0)带振转光谱,结果与实验值吻合较好.在高激发态跃迁谱线相对缺乏的情况下计算了(9,4)及(5,1)带振转光谱,理论位置可为实际研究提供可靠的参照,同时能对实验谱线的标识起到较好的辅助作用.     

OH自由基X~2∏电子态下(9,4)及(5,1)带振转光谱理论计算

基于有效哈密顿量对角化的方法编写双原子分子光谱计算和拟合程序,根据已有分子常数计算了OH自由基X2∏电子态下(3,0)带振转光谱,结果与实验值吻合较好.在高激发态跃迁谱线相对缺乏的情况下计算了(9,4)及(5,1)带振转光谱,理论位置可为实际研究提供可靠的参照,同时能对实验谱线的标识起到较好的辅助作用.     

敞口端点火条件下甲烷-空气爆炸火焰传播实验

为研究敞口端点火条件下的甲烷-空气爆炸火焰传播特性,采用GB/T12474-2008气体爆炸极限测定系统,结合高速摄影仪,以甲烷-空气预混气体为实验介质,在相同点火能量和点火位置条件下,研究了7%,9.5%,11%CH_4-Air爆炸火焰传播特性及变化规律。结果表明:在半封闭实验管道敞口端点火条件下,CH_4-Air爆炸火焰传播呈现出显著的震荡特点,火焰锋面在正向-反向-正向的循环中不断向管内蔓延。自敞口端向实验管道封闭端传播的过程中,锋前未燃混合气体依次经历了被火焰锋面压缩-反向拉伸-再压缩的过程,使得预混CH_4-Air体系中CH_4的体积分数被稀释、减小,导致后期火焰封面传播速度减小。已燃区域内水蒸气在爆炸高温环境和带电离子的作用下发生分解,产生的H2和O2改变了气体组分并使其进一步发生氧化反应,导致不规则光斑持续地出现-消失。     

基于双差分的高精度甲烷浓度探测系统

现有的甲烷浓度检测系统大多采用窄带激光器、可调谐激光器等实现对甲烷特征波长位置的对准,虽然可以有效提高检测精度,但高性能激光器价格昂贵、结构复杂,难以满足实际应用中需要小型化、便携化以及低成本的要求.据此设计了一种基于双差分的高精度甲烷浓度检测系统,设计了浓度差分转换窗口,可获取2组等效于窄带光对准的差分数据,从而实现了仅用宽带红外二极管作为光源的高精度甲烷浓度探测系统.分析了该系统的工作原理,推导了基于双差分的甲烷浓度函数,给出了双差分的算法流程.实验采用LSIPD型PIN光电二极管与C30659型红外探测器采集响应光强,利用GPro 500系列甲烷浓度检测仪作为标准检测设备对系统进行甲烷浓度检测误差分析.结果显示:当甲烷体积分数小于4.0%时,系统平均相对误差小于1.0%; 当甲烷体积分数高于4.0%时,系统平均相对误差小于1.5%,验证了系统的可行性.     

铒酞菁的合成及光学性质研究

使用溶剂热法合成了三种具有不同分子对称性的三明治结构的铒酞菁,并用时间飞行质谱、元素分析、紫外-可见-近红外吸收谱和近红外光致发光谱对它们的结构和近红外光谱特性进行了表征.在酞菁铒[Er(Pc)2]的吸收谱中,可以明显看到其中位于318 nm附近的吸收带为B带,对应着酞菁配体的π-π*电子跃迁,位于667nm附近的吸收带为Q带,也对应着酞菁配体的π-π*电子跃迁,1528 nm附近有一个强度非常弱的吸收,对应着三价铒离子4I15/2-4I13/2跃迁的吸收.在二笨甲酰基甲烷酞菁铒[Er(Pc)(DBM)]的吸收谱中,与Er(Pc)2的吸收谱类似,只是Q带红移了11nm,达到672nm,B带红移了24nm,达到342nm.值得注意的是:随着配合物分子结构不对称性的增加1530nm附近的发射增强.这被认为是由于三价铒离子所处的配体场的不对称性的增加导致原本宁称禁阻的4f-4f跃迁几率增加,从而使1530nm附近发射增强.1530nm处的发光对应着三价铒离子4I15/2-4I13/2跃迁.     

OH自由基X^2П电子态F（9，4）及（5，1）带振转光谱理论计算

基于有效哈密顿量对角化的方法编写双原子分子光谱计算和拟舍程序，根据已有分子常数计算了OH自由基X^2П电子态下（3，0）带振转光谱，结果与实验值吻合较好．在高激发态跃迁谱线相对缺乏的情况下计算了（9，4）及（5，1）带振转光谱，理论位置可为实际研究提供可靠的参照，同时能对实验谱线的标识起到较好的辅助作用．     

杨氏双缝实验中的光谱位移和光谱开关

采用不同位置探测部分相干光光谱的方法,研究宽频带部分相干光在杨氏双缝实验中的光谱位移和光谱开关现象.实验结果表明,在干涉光场中,归一化光谱在某些观测点处发生红移,而在另一些观测点处发生蓝移,并且在临界点位置,光谱位移由红移迅速转变为蓝移,即发生了光谱开关现象.此外,研究发现双缝参数和探测距离对杨氏双缝实验中的光谱位移和光谱开关都有影响.     

基于故障树模型的燃料电池安全性评价

安全性是质子交换膜燃料电池的重要指标,而燃料电池最大的安全问题是质子交换膜超压破裂造成火灾或爆炸。实验构建了5 kW氢空质子交换膜燃料电池发电系统,用故障树方法对电池堆系统发生膜破裂造成火灾或爆炸等事故进行了概率评价,质子交换膜超压破裂氢气体积分数达到4.1%发生氢气火灾或爆炸的频率是4.744×1-0 6次/a,评价结果表明这个风险是可以接受的,完全满足此实验系统安全性要求。此结果可以作为论证燃料电池系统安全性的依据之一。     

窄间隙介质阻挡放电转化甲烷的研究

在常温常压无催化剂条件下,对介质阻挡放电甲烷与氧气的合成进行了研究.试验了原料气体总流量、氧的体积分数和激励电压等参数对甲烷转化率、甲醇及C2H4收率的影响,并研究了不同氧的体积分数下甲烷转化率和消耗功率的关系.甲烷和氧气的总流量为1 000 mL/min时,CH4转化率保持在70%以上,最高达到81.1%;氧气的加入提高了甲醇的收率,当氧的体积分数为18.26%时甲醇收率达到12.33%;激励电压在1 850~1 900 V时,CH4转化率、甲醇和C2H4的收率均出现了最大值;随着消耗功率的减少,CH4转化率也随之降低.     

利用OH自由基发射光谱测量氧炔焰燃烧温度

利用OH自由基A-X电子带系的发射光谱来测量氧炔焰的燃烧温度。以双原子自由基能级结构和分子光谱理论为基础,通过确定OH自由基不同振转能级的布居数及Einstein跃迁几率等参数,得到了任意转动温度、振动温度和展宽条件下的谱线强度分布。进行发射光谱实验,测量了氧炔焰中不同火焰高度的OH自由基的发射光谱。通过理论光谱和实验数据的对比分析发现,不同振动带系的谱支强度分别表征了粒子的转动温度和振动温度,并由此最终确定了氧炔焰不同火焰高度的燃烧温度分别为3 125K和3 380K。