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.     

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.      

障碍物对瓦斯爆炸火焰锋面参数的影响

在实验室小型模拟巷道的方形管道内,采用自制的微细热电偶和离子电流传感器、压电式压力传感器,测试了有/无障碍物2种情况下在不同位置处浓度为10.17%甲烷空气预混火焰锋面的传播过程中温度、离子电流强度及压力变化情况。实验结果表明,障碍物存在导致火焰锋面的最高温度值略有降低,由靠近点火端位置的1 303.7℃下降到1 234.4℃,远离点火端位置的1 198.7℃下降到902.5℃;离子电流曲线出现了明显的双峰值,强度明显增大,由靠近点火端的146.25nA上升到160nA,远离点火端的432.5nA上升到605nA;火焰锋面前方过早的产生前驱压力波,加速燃烧转爆轰(DDT)过程的提前实现。因此,巷道内应避免障碍物的存在。     

管道内多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播的影响

为了研究抑爆材料对可燃气体爆炸火焰传播的影响,设计加工了横截面积为200 mm×200 mm的方形实验管道,且在其内进行无抑爆材料和安装多层金属丝网条件下预混可燃气体爆炸火焰传播影响的实验,并通过高速摄影仪进行火焰传播的全程拍摄。结果表明,预混可燃气体爆炸火焰在管道内的传播速度和结构都不稳定,出现来回震荡的现象,而多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播具有很大的影响,可以完全淬熄较弱的爆炸火焰。研究结果对煤矿瓦斯爆炸的防治具有重要的理论和实际价值。     

管道内多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播的影响

为了研究抑爆材料对可燃气体爆炸火焰传播的影响,设计加工了横截面积为200 mm×200 mm的方形实验管道,且在其内进行了无抑爆材料和安装多层金属丝网条件下预混可燃气体爆炸火焰传播影响的实验,并通过高速摄影仪进行火焰传播的全程拍摄.结果表明,预混可燃气体爆炸火焰在管道内的传播速度和结构都不稳定,出现来回震荡的现象,而多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播具有很大的影响,可以完全淬熄较弱的爆炸火焰.研究结果对煤矿瓦斯爆炸的防治具有重要的理论和实际价值.     

N2对甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播稳定性的影响

为了探究N2惰化作用对甲烷-空气预混气体火焰稳定性的影响,利用自主搭建的1m3球形爆炸实验系统,实验研究了球形火焰稳定性及其影响因素。通过研究结果表明,仅改变甲烷浓度：贫燃条件下,热-质扩散不稳定性与流体力学不稳定性的共同作用是火焰前期失稳的主要因素,在甲烷浓度在化学计量比附近时,火焰稳定性最弱;继续增大甲烷浓度,热扩散因素开始制约D-L不稳定性对火焰表面扰动的影响,因此甲烷浓度为13%的火焰稳定性仅略大于10%的甲烷浓度。随着甲烷浓度向爆炸极限靠近时,可以明显观察到火焰上浮,浮力不稳定性成为主导因素。改变氮气添加比：相较于热-质扩散不稳定性,流体力学不稳定性对氮气添加比的变化更为敏感,添加比大于8%时,在流体力学不稳定性影响下,火焰稳定性迅速增强。     

微细通道中甲烷预混火焰传播的实验

对微细通道中甲烷/氧气(空气)预混火焰传播现象进行了实验研究。确定了火焰能够在细管中稳定传播的当量比极限,以及在不同甲烷百分比下火焰的传播速度。结果表明:在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定地停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;相反,对于甲烷和空气的预混气体,即便环境温度在1 100K以上,也不能在微细通道中得到稳定的火焰。在同一甲烷流量下存在着两个当量比极限。在这两个当量比之间,火焰可以进入细管传播。在较小气体流量下,当氧气过量时微细通道中甲烷和氧气预混火焰的传播速度与宏观尺度下火焰的传播速度基本相当,随着流量的增加火焰传播速度很明显地增加。     

基于MATLAB图像处理的大缸径定容弹中甲烷/空气射流火焰传播特性

在带有预燃室的大缸径定容燃烧系统中进行甲烷/空气射流引燃主燃室内预混气体的实验研究.基于MATLAB软件平台编写火焰图像批处理算法,并通过该算法进行图像预处理进而获取特征参数;通过分析瞬时压力曲线以及高速摄影仪拍摄的火焰传播图像,研究甲烷/空气预混射流火焰的传播特性以及初始压力和过量空气系数等初始条件对射流火焰发展过程及火焰传播速度的影响.研究结果表明:位于预燃室中的火花塞偏置会造成主燃室内的引燃射流火焰的不均衡发展,且这种不均衡性在过量空气系数越小时愈发严重;射流火焰传播速率随初始压力和过量空气系数的增大而减小,并且当过量空气系数较小(λ=0.8)时,射流火焰对背压的变化较为敏感.     

合成气纯氧高压预混湍流火焰结构研究

为了理解高压下合成气纯氧预混湍流火焰中火焰与流动的耦合作用,利用OH-PLIF激光测量技术开展了高压条件下合成气纯氧预混湍流火焰结构研究,获得了高压下预混湍流火焰前锋面结构,得到了火焰前锋面尺度信息,包括火焰体积、火焰面密度和火焰前锋面尺度,并分析了预混湍流火焰前锋面与湍流尺度和层流火焰尺度的相互作用关系.研究结果表明:高压预混湍流火焰前锋面为褶皱火焰面结构,火焰面为小尺度的尖峰结构和大尺度的树干状结构互相叠加;合成气火焰前锋面结构比甲烷混合气火焰更加精细,尺度更小;合成气预混湍流火焰体积较小,放热区较小,在预混贫燃燃气轮机燃烧室中容易产生燃烧振荡;合成气和甲烷火焰在湍流燃烧速率上表现出不同的转折规律,这可以通过火焰前锋面尺度和火焰自身不稳定性尺度来解释;湍流流动对火焰前锋面的扰动受到火焰自身不稳定尺度的限制.     

不同管道开口率下丙烷-空气预混火焰传播规律的研究

对不同开口率的管道内丙烷-空气预混火焰传播规律进行了数值模拟.结果表明:随着管道开口率的增加,管道内最大爆炸超压值迅速降低,当开口率大于30%时,爆炸超压值下降速率减小,即开口率大于30%时泄爆效果区别不明显;开口情况下,最大爆炸超压值出现在点火端附近,靠近开口处时爆炸超压逐渐下降,而闭口情况下最大爆炸超压出现在管道两端.     

甲烷/空气预混气的火焰传播过程

为研究爆炸罐内甲烷/空气预混气中火焰的传播过程,利用高速摄像仪对火焰的传播过程进行了拍摄,用压力测试系统测量了爆炸罐中压力的成长过程,分析了火焰传播特性,计算了层流燃烧速度和不同位置的爆炸特性值.研究结果表明:根据高速摄像仪得到的图片将预混火焰分为火焰稳定成长及剧烈燃烧阶段,用两种方法测得预混气的层流燃烧速度分别为0.344和0.391m/s.爆炸特性值的最大值出现在离点火位置0.75m处,壁面的爆炸特性值偏小.     

点火位置对甲烷-空气预混泄爆容器结构响应影响研究

为研究点火位置对甲烷-空气预混泄爆容器结构响应的影响,利用自主搭建的甲烷泄爆容器结构响应测试系统,研究不同点火位置条件下的甲烷-空气预混气体泄爆作用下的舱体结构响应特性,结合内部超压、火焰演化和固有频率等特征探究点火位置对泄爆容器结构响应的影响机制。研究表明:泄爆过程中容器振动响应和内部超压均出现双峰值,点火位置的改变对两峰值的影响规律不同。点火位置的改变对容器内部火焰前期的发育、传播及内部超压特性有着一定的影响,泄爆初期容器低幅值振动响应受点火位置的影响较为有限。泄爆后期的高幅值振动响应随点火位置远离泄爆口而快速降低,底部点火泄爆时高幅值振动响应消失,为热声不稳定现象因点火位置的不同受到抑制。泄爆口附近点火将有较大幅值的振动响应以及更大能量的高频振荡。研究成果有助于全面地分析泄爆容器及其附属装置受爆炸冲击后的振动损伤状态,评估可能存在的损伤模式等。     

管道由封闭向开口转化过程中预混火焰传播特性

为研究泄压强度与泄压口位置对封闭管道内甲烷-空气预混火焰传播的影响规律,通过在方形管道内放置不同厚度的泄压膜并改变泄压口位置进行试验,采用自发光拍摄技术和动态压力测试技术对其观测.研究结果表明:随着泄压膜厚度的增加,泄压前管道内火焰发展越来越充分,压力峰值与压力上升时间也随之增加.泄压之前压力变化曲线一致,当泄压口距离点火端较远时,泄压后各工况下的压力缓慢增加后下降;当泄压口距离点火端较近时,泄压后压力值直接降低.     

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。     

高频交流电场对预混稀燃火焰影响的机理分析

为了明确高频交流电场对火焰燃烧的影响机理,分别选取了初始压力为0.1、0.3、0.5 MPa的CH_4/空气和初始压力为0.1MPa的CH_4/O_2/Ar预混稀燃气,通过在定容燃烧弹内的网状电极上加载幅值为5kV、频率为15kHz的高频交流电场,对比分析了在高频交流电场下两种预混气火焰传播特性的异同,以及不同初始压力下CH_4/空气火焰传播特性的异同。结果表明:加载高频交流电场后,随着初始压力的增大,电场对CH_4/空气火焰面发展的影响程度逐渐减小,平均火焰传播速度增大率逐渐减小;随着过量空气系数的增大,加载电场后对CH_4/空气火焰的拉伸作用逐渐减小,对CH_4/O_2/Ar火焰的拉伸作用逐渐增大,CH_4/空气的平均火焰传播速度增大率逐渐减小,CH_4/O_2/Ar的平均火焰传播速度增大率逐渐增大,电场对两种混合气火焰传播的影响趋向相同。这说明在CH_4/空气预混稀燃气中,高频交流电场影响火焰燃烧的电化学效应中电子与燃烧产物分子的振动碰撞及其后续的链式反应占据主导。在不同初始压力下,平均火焰传播速度增大率随着简化场的增大呈线性增大,说明利用简化场来衡量高频交流电场电化学效应的强弱是可行的。     

双侧分支结构管道内粉尘爆炸传播规律

为探究粉尘爆炸在工业除尘管网中的传播规律,基于1m³粉尘爆炸测试系统和自主设计的双侧分支结构管道,对双侧分支结构管道内玉米淀粉爆炸火焰传播速度和超压峰值的变化规律展开研究.实验结果表明:三种粉尘质量浓度下,火焰在主管道内的传播速度随传播距离增加均呈持续上升趋势,双侧分支结构对火焰传播具有弱化作用,且距离点火端越近,弱化作用越显著;双侧分支结构的安装位置会影响管道内超压峰值,其在距离点火端较近时呈持续衰减趋势,距离点火端较远时呈先快速下降后上升再缓慢衰减趋势.以上研究为除尘系统的防爆设计提供参考和依据.     

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.      

甲烷在具有隔热通道的微燃烧器中的燃烧特性

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,用平板Swiss-roll燃烧器进行CH4/空气预混气的燃烧实验,获得了不同甲烷流量时燃烧器的熄火极限,分析了燃烧产物成分.结果表明:该燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心;当存在回热时,未燃气体被加热,燃烧器的可燃极限范围增大,但上下极限并不对称,富燃极限比较小,而富氧极限比较大,预混气体能够在较大的空气流量下稳定燃烧;燃烧器最高的壁面温度在理论当量比附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降;空气过量时甲烷可实现较完全燃烧,空气不足时过剩的甲烷转化为H2和CO,减小了燃烧放热量,使燃烧器容易熄火.     

过滤燃烧火焰锋面不稳定性的实验研究

实验研究甲烷/空气预混气体在多孔介质燃烧器中燃烧的火焰锋面不稳定特性.结果表明,给定一个初始非均匀预热区域,在当量比为041,流速为042m/s时,在6mm的小球填充床内,火焰锋面由较为规则的对称火焰逐渐演变为倾斜火焰,并最终分裂为上下两个区域.在布置填充床的同时,对填充床进行夯实,降低孔隙率分布不均匀性.在孔隙率均匀的填充床内,初始的非均匀预热区域,使得火焰的传播极其不稳定,最终导致熄火;即使给定初始均匀的预热区域,火焰锋面依然具有一定的不对称性.填充床的结构不均性是过滤燃烧火焰锋面倾斜的主要原因,而初始的不均匀因素将加剧火焰传播的不稳定性.     

预混火焰在狭缝通道中的熄灭机理研究

为了对预混火焰在平板狭缝中熄灭的内在规律进行探讨,给出了火焰在狭缝中熄灭状态的判断依据.通过模拟甲烷/空气预混火焰在平行板狭缝中淬熄的机理及过程,借助实验和计算在特定的狭缝高度下研究预混火焰的熄灭长度与传播速度间的关系,得出了化学反应放热和壁面散热等与预混火焰传播和熄灭状态间内在关系,这为防止预混可燃气体发生爆炸和燃烧提供依据,为设计和应用阻火器提供理论上的支持.