湍流粉煤燃烧和稳定性的数值模拟

对炉内粉煤两相湍流燃烧过程作了数值模拟，计算结果与实验数据较为吻合．同时，用气相燃烧的火焰稳定性模型对煤粉燃烧的火焰稳定性作了初步分析，并与实验结果进行了比较     

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。     

基于过程变量-火焰面模型的湍流燃烧大涡模拟

湍流燃烧常伴随着复杂的流动过程和燃烧现象.先进的燃烧模型与大涡模拟结合为模拟湍流燃烧提供了有利的工具.过程变量-火焰面模型是在火焰面模型的基础上发展起来的.由于引入了过程变量,过程变量-火焰面模型可以描述诸如局部熄火和再燃等复杂的燃烧现象.为了验证基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟方法,近年来开展了一系列的数值模拟工作.在非预混火焰、部分预混火焰、抬升火焰、旋流火焰等火焰的模拟中,基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟方法都得到了很好的验证.在此基础之上,基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟也被用于燃气轮机燃烧室的模拟,并开始用于预测一些基本的燃烧现象.随着过程变量-火焰面模型的不断发展,基于过程变量-火焰面模型的大涡模拟方法将在湍流燃烧模拟中发挥更重要的作用.     

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.     

内置障碍物连通容器内气体爆炸的火焰传播

利用数值模拟方法,建立连通容器气体爆炸模型,模拟内置障碍物条件下的火焰传播过程。分析障碍物不同阻塞率、位置对连通容器气体爆炸的火焰传播、爆炸压力和强度的影响情况。结果表明:当火焰经过障碍物时,障碍物加速了火焰传播,但不同障碍物条件对整个火焰传播过程的影响有差异。     

燃烧模型对甲烷/空气非预混数值模拟的影响

对甲烷-空气的钝体燃烧进行了数值模拟,考虑了流体的湍流流动和扩散火焰燃烧的相互作用.模拟分别采用化学平衡模型和GRI - Mech 3.0反应机理的非预混燃烧稳定层流小火焰模型.通过与文献实验数据的比较,分析了上述两种模型的模拟结果和Mobini等人的条件矩平衡封闭模型的模拟结果的准确性.研究表明,上述3种燃烧模型的计算结果与实验结果均存在不同程度的误差,说明现有的燃烧模型尚需进一步完善.     

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.     

定容燃烧弹中预混湍流燃烧的数值模拟

发展了一种新型预混湍流燃烧的数值模型．该模型基于准维模型的基本思想,摒弃了湍流燃烧速度模型,以数值生成的湍流场对火焰前锋面的客观影响推动燃烧计算过程,消除了人为经验的作用．利用模拟得到的湍流速度场,实现了对火焰几何形状的二维模拟．利用该模型,计算和讨论了当量燃空比分别为０．９和０．７时,定容燃烧弹中预混湍流燃烧的特点,以及湍流强度和湍流标尺对燃烧的影响．模型的模拟结果和实验结果有很好的吻合性,这说明模型是合理的．     

涡喷加力燃烧室湍流两相燃烧数值模拟

采用无结构网格技术,对具有环形火焰稳定器的三维涡喷加力燃烧室的湍流燃烧过程进行了数值模拟,运用离散相方法和Arrhenius-EBU化学反应模型得到了合理的温度和浓度场分布.在此基础上,比较了一步反应和两步反应机理下的温度场和浓度场,研究了火焰稳定器形状对总压恢复系数和燃烧效率的影响,计算结果与实验值符合较好.     

三维加力燃烧室湍流燃烧的数值模拟

本文对涡扇发动机三维加力燃烧室内的气相湍流燃烧过程进行了数值模拟。湍流模型采用标准ｋ－ｅ模型,湍流燃烧采用涡旋破碎（ＥＢＵ）模型,数值方法采用ＳＩＭＰＬＥ算法。计算结果定性合理。     

瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究

为了研究管道瓦斯煤尘爆炸火焰传播的机理,确定表征瓦斯煤尘爆炸的主要物理量的变化特征,本文构建了瓦斯煤尘爆炸的光学实验测试系统。光学窗口采用圆形玻璃窗口,流场显示采用基于激光的纹影系统。在燃烧流场中,为获得清晰纹影照片,通过在光路中插入合适半带宽的滤光片滤除流场自发光。     

瓦斯煤尘爆炸传播数值仿真系统研究

以连续相、燃烧、颗粒相数理方程建立瓦斯煤尘爆炸传播数理模型，并应用连续相、颗粒相计算方法，依据大型巷道瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸传播实验数据，借助普遍应用的流场模拟平台，开发了瓦斯、煤尘爆炸数值仿真系统。该系统可以有效地模拟煤矿瓦斯、煤尘的爆炸事故过程，对瓦斯爆炸的爆燃转爆轰、煤尘是否参与爆炸、爆炸冲击传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围都能进行较准确的模拟。     

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.      

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.     

瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的实验测试系统研究

为了研究管道瓦斯煤尘爆炸火焰的传播机理,确定表征瓦斯煤尘爆炸的主要物理量的变化特征,本文构建了瓦斯煤尘爆炸的实验测试系统,主要包括管体系统、爆炸压力及火焰数据测量系统、配气系统、激光器触发延时系统、激光纹影系统、真空舱(实验前抽真空)。气路、数据采集电缆和电源线分别通过相互隔离的沟槽,并与充配气系统集成在控制台。实验段和过渡段均设置专用光学窗口,用于流场显示和光谱测量(组分、温度)。实验测试系统还设计了多通道的压力(压电和压阻传感器)和火焰速度测量和数据采集系统。该实验测试系统能够模拟煤矿内复杂燃烧、爆炸及其传播机理,因此,在煤矿瓦斯爆炸事故,研制阻爆和隔爆设备,勘察事故现场,瓦斯爆炸基础研究等方面,有着较为广泛的应用前景。     

采用泄爆管泄放气体爆炸的数值模拟

采用k-ε湍流模型和涡耗散概念模型（EDC）,建立泄爆管泄放气体爆炸的模型,并模拟泄爆过程中火焰的传播过程。分析点火位置、泄爆压力（Pv）、泄爆管尺寸和结构对容器内爆炸超压(P_red)和压力上升速率的影响。结果表明:泄爆管内的气体爆炸是导致P_red异常上升的原因;P_red与Pv存在线性递增关系;泄爆管管长的增大或管径的减小均会增大P_red,且管径对其的影响更显著;泄爆管与容器之间采用平滑过渡的方式可降低P_red,但增大平滑过渡半径会使P_red上升;总泄爆面积相同时,采用2根泄爆管可降低P_red,但两管的位置对P_red的影响不显著。     

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。     

导管长度和通径对粉尘爆炸泄放火焰的影响

为研究高开启压力条件下泄爆导管对粉尘爆炸泄放火焰传播的影响，采用FLACS软件模拟了20 L球形装置粉尘泄爆过程，研究了不同导管长度（0~10 m）和导管通径（50~130 mm）对粉尘爆炸泄放过程中火焰形态、温度、长度的影响规律。结果表明，增加泄爆导管长度可降低泄放火焰的温度；加装泄爆导管后，粉尘爆炸泄放火焰锋面形态由“半弧形”转变为“刀锋状”，且对最大泄放火焰长度影响显著；导管通径较小时，导管长度越长，泄放火焰长度越短；导管通径较大时，泄放火焰长度随导管长度的增加先增大后减小。