管道内障碍物扰动对煤气爆炸特性影响的数值模拟

结合实验研究,采用迎风型WENO格式和两阶段化学反应模型就管道内障碍物对煤气/空气预混气体爆炸火焰的影响规律进行了数值研究,探讨了自管道右端面反射产生的压缩波与火焰传播的相互作用规律,得出了该反射波是造成火焰速度下降的原因.在此基础上,分析了障碍物对火焰的作用机理以及由此诱发的流场变化规律.结果表明,由于障碍物的加入,爆燃波发生多次反射,使得可燃混合气体得到充分压缩,温度和压力增加,化学反应速率提高,火焰强度得到加强.同时,从障碍物中传播出去的爆燃波经壁面反射后形成三波点,使得该处火焰速度升高,随着三波点的向前传播,由于能量的耗散,火焰速度逐渐下降.这些结论为爆炸场预估、防火防爆和爆轰推进中有效控制可燃气体的燃烧速率和火焰传播速度提供了重要的理论依据.     

结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的影响

在实验研究的基础上,分析了结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的重要影响。研究结果表明,在拐弯处的瓦斯爆炸传播过程是一个压力波、火焰、复杂流动场相互作用的过程,压力波超压、火焰传播速度迅速增大,对拐弯处的壁面破坏特别严重。弯管角度对瓦斯爆炸传播特性有很大的影响,瓦斯爆炸通过不同角度的弯管后,火焰传播速度和压力波超压值都有不同程度的变化。管道拐弯既增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧产生能量以推动加速传播,同时也因为拐弯而增大了总阻力和热量向壁面的传递,弯角处膨胀波也会抑制瓦斯爆炸的传播。管道拐弯对瓦斯爆炸传播特性的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用。     

障碍物形状对瓦斯爆炸火焰传播过程的影响

为研究障碍物形状对瓦斯爆炸火爆传播过程的影响,利用水平长直爆炸实验管道,研究了圆形、半圆形、十字圆、四孔圆、挡板和网状共6种形状障碍物对火焰传播速度和瓦斯爆炸超压的影响. 结果表明,瓦斯体积分数为8%时,在半圆形障碍物下火焰传播速度最快,火焰加速诱导的较强激波对未燃气体的作用起到了关键作用,其它形状障碍物条件下火焰传播速度较低;瓦斯体积分数为10%时,火焰整体传播速度较低,四孔圆和挡板形状的障碍物下火焰传播速度最小;激波越过障碍物后受到火焰的影响较小,在不同工况下爆炸超压呈现出相似的分布规律.      

瓦斯体积分数对火焰传播规律影响的实验研究

为研究长直管道中体积分数对瓦斯爆炸的影响以及瓦斯爆炸火焰的传播特征,进行了有无障碍物条件下不同体积分数的瓦斯爆炸实验,用高速摄影仪拍摄火焰阵面发展的过程. 实验结果表明,火焰在密闭管道中传播经历了多次振荡的过程,这是火焰前方未燃气体在压缩波的作用下形成湍流所致;瓦斯的体积分数对最大火焰速度和火焰最大传播距离有很大的影响;得出了障碍物对火焰的传播有加速作用,接近当量体积分数的瓦斯爆炸火焰传播速度最快,在一定条件下会发生爆燃转爆轰.      

管道内运动火焰生成压力波及其特性的研究

从一维非定常守恒方程出发 ,本文用Richtmyer Lax Wendroff格式研究了压缩波、稀疏波、燃烧速率、火焰熄灭和管道长度对管内运动火焰生成压力波的影响 .结果表明 :相对于火焰面 ,同向压力波和异向稀疏波会加速火焰传播 ;异向压力波和同向稀疏波使火焰传播减速 ;增大燃烧速率使得和火焰面两侧的压力、温度增大 ;火焰熄灭时 ,火焰面变为接触间断面 ,同时产生稀疏波向火焰面两侧传播 .此后 ,接触间断面几乎处于滞止状态 ;增加管子长度会促使燃烧向爆轰转变 .     

垂直管道中锆粉云火焰传播速度特性及锆颗粒群燃烧模型

在粉尘云瞬态火焰实验系统上开展实验研究,揭示了垂直管道中锆金属云的火焰传播速度特性并建立了垂直管道中向上运动的锆颗粒群燃烧模型. 研究结果表明,锆颗粒的燃烧产物二氧化锆颗粒具有单斜和四方两种晶相. 管道中的锆粉云浓度高低可根据火焰锋面形状进行初始判断. 垂直管道中锆粉云的最大火焰传播速度随锆粉云浓度的增加先增大后减小,这是由于管道中富燃料燃烧缺氧和未燃颗粒吸收体系热能而造成. 锆粉云浓度为0.625 kg/m3时,管道中出现最快火焰的传播速度可达39.7 m/s. 在锆颗粒群燃烧模型中将颗粒燃烧过程分为4个阶段. 从宏观现象和微观机理上对锆粉云在垂直管道中的火焰传播过程进行了表征.      

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．     

不同弯型管道内粉尘爆炸传播规律

为探究粉尘爆炸在弯型管道中的传播规律,基于1m³粉尘爆炸测试系统,搭建了S型、U型、90°弯管与长直管道4种结构,利用玉米淀粉为实验介质,测试研究了粉尘爆炸在弯管内的压力发展与火焰传播速度变化规律.结果表明:对于所建立的管道系统,当粉尘浓度相同时,超压峰值在整体管道内的传播呈下降趋势,但其在弯管处的衰减程度会有所降低,且4种管道衰减程度由高到低依次为:直管>90°弯管>S型弯管>U型弯管;火焰在管道内呈持续加速状态,但弯管处的火焰上升幅度明显小于直管,弯管对火焰的传播起阻碍作用.以上研究结论对于除尘系统的防爆设计具有参考价值.     

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.     

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.      

Measurement of laminar burning velocities of iso-butanol-air mixtures

The laminar burning velocity of iso-butanol-air mixtures was measured under different initial pressures, initial temperatures and equivalence ratios using high-speed schlieren photography and outwardly propagation flame in a constant volume combustion bomb. Based on the analysis of stretched flame propagation speed and stretch rate, the laminar burning velocities and Markstein lengths of iso-butanol-air flames are obtained. In accordance, with photos of flame, an analysis of flame stability and the influencing factors is carried out. The results show that the laminar burning velocity is decreased with the increase of initial pressure and is increased with the increase of initial temperature. The maximum value of laminar burning velocity is presented at the equivalence ratio of 1.2. The Markstein length is decreased with the increase of equivalence ratio. For specified equivalence ratio, the Markstein length is decreased with the increase of initial temperature and initial pressure. Thus, the flame instability is increased with the increase of equivalence ratio, initial temperature and initial pressure.     

Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

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。     

机车用折角式过滤器特性的数值模拟

研究了不同风速下通道宽度、折角角度及折角个数对机车用折角式过滤器阻力的影响,重点分析了高风速(≥5m/s)下过滤器的性能.结果表明:高风速下,16mm通道宽度过滤器的阻力增加迅速,对16mm和20mm通道宽度的过滤器而言,在6.5m/s风速下,间距增加25%,阻力减少36%.折角角度的改变会显著影响过滤器的阻力,在高风速下这一特征更加明显.在相同通道宽度,通道长度减少29%的情况下,二折角过滤器的阻力较三折角过滤器平均减少40%.在高风速、低阻力使用条件约束下,可依据研究结果设计过滤器几何参数,将折角过滤器作为多级过滤的第一级.     

初始压力对狭缝内爆轰传播特性影响的实验研究

在高度H=1 mm,宽度W=20 mm的狭缝内,实验研究了不同初始压力(P_0=10~40 k Pa)下化学恰当比的C_2H_4/O_2预混气的爆轰传播特性。采用烟迹法记录爆轰胞格结构,同时采用高速摄影捕捉火焰面。实验结果表明,随着初始压力降低,爆轰波的化学反应诱导区距离增大,壁面条件(如摩擦、导热)的影响增强,导致火焰传播的速度震荡加剧,爆轰波传播从多头模式向单头模式过渡,并可出现多次起爆或者熄爆等复杂现象。此外,稳定自持传播爆轰波的速度亏损会随初始压力降低而增大,但详细规律还需进一步研究。     

不同频率高频交流电对球形传播火焰的影响

为研究不同频率高频交流电场对预混稀燃火焰的影响,对常温、常压下定容燃烧弹中过量空气系数为1.6时的甲烷/空气火焰的传播和燃烧特性进行了研究.结果表明:高频交流电场作用下,火焰均在水平方向被拉伸,当加载交流电压有效值一定时,交流电频率越高,火焰在水平方向的拉伸越剧烈.与未加载电压相比,当交流电压有效值u=5kV,交流电频率f为5、7.5、10、12.5和15kHz时,平均火焰传播速度分别提高43.10%、53.45%、63.79%、74.14%和84.48%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.15、0.21、0.27、0.36和0.50.由此得出,高频交流电场对火焰燃烧有一定的促进作用,且交流电频率越高,促进作用越明显.     

汽油在O2/CO2氛围下燃烧特性试验

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O2/CO2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性,研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O2/CO2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍,且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O2/CO2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大,随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

管道中瓦斯爆炸过程的数值模拟

利用AutoReaGas软件对封闭的长直管道内瓦斯爆炸进行了数值模拟,研究了瓦斯的浓度对爆炸超压影响的规律. 在此基础上,进一步研究了障碍物个数和阻塞比对瓦斯爆炸超压和火焰传播速度的影响. 数值结果表明,在无障碍物的管道中,当瓦斯浓度为化学当量浓度时,爆炸超压值最大;在带有障碍物的管道中,火焰速度值随着障碍物数量的增加先增大后减小;当障碍物个数一定时,最大爆炸超压和火焰速度随阻塞比增大而增加.