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.      

可燃气体爆燃转爆轰问题的研究

文章首先介绍了一种用于可燃气体爆燃转爆轰研究的实验方法,阐述了该方法的优点及前景。依据实验结果得到了DDT火焰的2点特性,建立了一个DDT火焰结构的模型,并且据此解释了DDT火焰加速传播,以致产生超趋爆轰的机理。     

火焰在环形通道内形态演变的实验研究

采用实验方法研究环形通道内体积比为1∶3的乙烯/氧气混合气体以及体积比1∶2.5的乙炔/氧气/氩气混合气体的火焰形态演变过程.实验方面采用高速摄影观察环形通道内的火焰传播.火焰经历了四个主要阶段:球形火焰、手指型火焰、舌形火焰和爆轰,其中舌形火焰在整个爆燃到爆轰转变(deflagration to detonation transition,DDT)过程中占据了最长的时间,并且在爆轰起爆中占据重要作用.另外,舌形火焰与边界层的作用使得火焰表面积和火焰速度有所增加.也讨论了初始压力对DDT起爆距离的影响,对于同种气体,初始压力的增大有助于缩短DDT起爆距离.此外,在爆轰敏感性相同的前提下,不规则系统中的DDT起爆距离要短于规则系统中的DDT起爆距离.     

封闭管道内瓦斯爆炸传播过程中障碍物形状影响效果研究

为研究封闭管道内不同形状障碍物对瓦斯爆炸的影响,运用数值模拟软件Fluent,对比分析不同形状障碍物影响下火焰传播速度、最大超压以及爆炸流场结构的变化;运用中尺度激波管道和激光纹影系统,研究封闭管道内无障碍物和矩形障碍物存在时,冲击波和火焰传播,最大超压和火焰传播速度变化情况,对数值模拟结果进行补充。研究发现,封闭管道内最大超压随传播距离的增加而增大,火焰经历“加速-减速”过程。障碍物对火焰的加速作用主要存在于障碍物附近,火焰经历“加速-减速-再加速-再减速”过程。火焰越过障碍物前受流动压缩影响产生加速,在障碍物上方受剪切层影响,火焰下侧产生湍流扰动,加速传播;火焰越过障碍物后,与障碍物下游涡旋相互作用,形成湍流火焰,加速向下游传播。薄板障碍物对火焰传播速度和最大超压的提升效果最大,其次为长方形,三角形和圆形障碍物。在障碍物附近和其下游,最大超压相较于无障碍物情况下有明显提升。     

半封闭空间瓦斯爆炸冲击波传播距离研究

为揭示瓦斯在强爆和弱爆情况下冲击波超压变化规律,利用一维爆炸物理模型和爆炸理论,构建了冲击波超压随距离变化的数学模型,并用一端开口的半封闭爆炸试验装置,在保持瓦斯浓度和其他条件不变,仅改变点火能量大小实现了瓦斯爆燃和爆轰,验证理论求解.结果表明:半封闭受限空间内,爆燃情况下火焰传播速度要远小于爆轰条件下火焰传播速度,爆燃火焰传播速度为亚音速,爆轰为超音速;爆轰与爆燃的冲击波超压的理论解都小于实验值,但整个传播变化趋势基本一致;极强冲击波最大超压值与传播距离成反比,极弱冲击波最大超压值与传播距离的平方根成反比;爆燃和爆轰冲击波在燃烧区内的传播变化趋势与理论解基本吻合.研究结果为防治瓦斯爆炸破坏及爆炸事故灾害勘验提供了技术和理论支持.     

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.     

预混气体爆炸超压实验研究

对预混气体在圆形管道内的爆炸过程进行了实验研究,根据实验结果将超压的变化过程分为4个阶段.前驱冲击波阶段超压上升曲线比较规则,且压力上升速率逐渐增加,离点火处越远压力上升速率增加得越快.介绍了最大超压在时间和空间上的变化规律.尽管二次超压的峰值相对较小,但作用时间长,且有些二次超压过程中的超压上升幅度甚至超过了某些爆炸环境下的最大超压值.对爆燃转爆轰过程(DDT)进行了初步研究,实验能够记录爆燃转爆轰这种快速转变的过程.建议在设计非密闭的管道或矿道时要充分考虑二次超压的破坏作用和高活性可燃气体的影响.     

阻火器壳体结构与爆轰火焰状态关系研究

针对大型煤矿瓦斯运输管道甲烷爆轰过程中火焰压力波和速度与阻火器结构的匹配问题,对阻火器壳体结构变化与管道内火焰压力和速度的关系进行了仿真研究,仿真中对不同尺寸的阻火器壳体结构建立了二维几何模型和网格模型,采用RNC k-e湍流模型和通用有限速率燃烧模型,运用FLUENT软件对煤管内可燃气体爆轰过程进行了模拟.得到了阻火器壳体内径尺寸、阻火器内有无障碍物与爆轰火焰压力和速度的变化规律,通过分析阻火器内火焰速度和压力的规律,为管道爆轰阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据.     

可燃气体爆炸数值模拟模型简化分析

可燃气体爆炸过程可以采用欧拉方程或N-S方程数值模拟.本文由N-S方程推导了火焰加速及爆燃和爆轰速度计算的简明公式.公式计算结果与实验结果符合较好,能够根据可燃气体爆炸特性快速计算火焰速度及爆燃转爆轰发生的判据.     

方爆轰管内压力波和火焰加速过程的试验

为探究缓燃向爆轰转捩过程中压力波与火焰加速的过程,在60 mm×60 mm×2 000 mm方爆轰管内,用乙炔(C2H2)和空气混合物进行了单次爆轰性能研究.试验在光滑爆轰管和加扰流器的爆轰管内分别进行,在爆轰管上按200 mm的间距同截面布置压力传感器与离子探针,用来监控压力波和火焰各自的信号.根据压力波和火焰位置、速度随时间的变化规律来分析压力波和火焰加速过程.结果表明:在光滑和加入扰流器的爆轰管内火焰的加速传播起主导作用;光滑管内峰值压力波速度大于初始压力波和火焰速度,而加入扰流片后,过爆前初始压力波、峰值压力波和火焰的速度基本上同步发展,过爆后初始压力波速度短暂跃升后最终三者耦合在一起形成爆轰波.     

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.      

不同点火因素对爆轰波传播影响的数值模拟

采用二维守恒元与求解元方法(简称CE/SE方法)对脉冲爆轰发动机汽油/空气两相爆轰内流场进行数值模拟,获得了脉冲爆轰发动机内流场的变化规律.分别研究了不同点火能量、点火位置和点火方式对燃烧转爆轰过程(简称DDT过程)的影响.计算结果表明,点火能量越大形成稳定爆轰波所需要的时间越短,即燃烧转爆轰时间和距离越短,并且当点火能量过小时则不能形成燃烧转爆轰过程;从不同位置处点火计算得出,存在一个最佳的点火位置,使得燃烧转爆轰形成距离最短,形成时间最少,文章所研究尺寸结构的脉冲爆轰发动机的最佳点火位置为距封闭端2倍管径处;通过两点点火和单点点火的计算结果比较发现,适当的多点点火可以诱导爆轰的形成,能够缩短燃烧转爆轰的时间和距离.以上研究结果可以为脉冲爆轰发动机的点火起爆及燃烧转爆轰的实验研究提供理论指导,并为发动机的结构改进提供参考.     

细水雾抑制熄灭障碍物油池火的有效性研究

传统水喷淋灭火系统很难扑救有障碍物遮挡的火焰。针对障碍物油池火进行了全尺寸细水雾灭火有效性的实验研究，深入了解障碍物存在时细水雾对油池火的抑制熄灭作用，同时研究了障碍物与火焰的相对位置、细水雾的工作压力、雾通量、喷头距火焰垂直距离及水平距离等关键因素对灭火有效性的影响，分析了障碍物存在时细水雾的灭火特性，揭示了实验中某些工况下不能扑灭火焰的原因，为细水雾的实际工程应用提供了科学的参考依据。     

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。     

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.     

基于Open CV的瓦斯爆炸火焰形态演化与传播速度关系的研究

为获取瓦斯爆炸火焰形态,计算火焰传播速度,利用激光纹影技术拍摄了管道内爆炸火焰传播图像,比较了Open CV中Canny、Sobel、Scharr、Laplacian算子的计算结果,分析了障碍物作用下的火焰形态变化以及火焰轴向传播速度与变化规律。结果表明：基于Open CV的边缘检测方法对复杂条件下爆炸火焰边缘的显示效果清晰,火焰边缘位置检测结果准确。边缘检测算子对火焰边缘检测结果有重要影响,四种算子中,Canny算子对火焰边缘位置检测最为精确,满足火焰形态分析与速度计算的需要。激波管空载时火焰锋面产生内含涡流的球状褶皱;单个障碍物时,障碍物后方形成孔洞状火焰面褶皱;两个障碍物时,障碍物间湍流度提升致使火焰锋面快速扩张。基于Canny算子边缘检测图像获得的火焰传播速度可知,管内无障碍物时,火焰运动近乎停滞后“突跃式”向前传播,峰值速度提升了13.3%。加入一个障碍物时,火焰轴向速度显著降低后震荡上升,峰值速度提升了14.2%;两个障碍物时,火焰产生反向速度,且速度峰值增幅最大,为25.9%。计算得出的火焰速度分布规律与爆炸图像一致,表明该方法能计算复杂条件下火焰锋面轴向速度时空分布。     

基于点状火源的秸秆火焰蔓延及燃烧特性

该文开展了圆柱形堆积秸秆的燃烧实验，测量并研究了不同堆积直径和堆积厚度条件下秸秆火焰发展蔓延过程、火焰结构、秸秆质量损失以及火焰温度等，推导并建立了关于质量损失速率■、无量纲火焰温度的定量模型。结果表明：秸秆燃烧过程中随着燃烧区域的扩大，火焰结构会依次出现中空的锥形火焰、分离的环形火焰以及断裂的环形火焰形态；秸秆质量损失速率呈现先增加后减少的趋势，其峰值与秸秆初始质量具有良好的线性关系，表明秸秆的初始质量越大越有助于燃烧过程的热量积累；火焰轴心温度也呈现先增大后减小的趋势，无量纲火焰温度与■具有幂函数关系，随■增加呈现不同斜率的线性下降趋势，其中z-z₀为火焰相对高度。该研究结论有助于加深对秸秆火灾发展蔓延过程的认识。     

模型NEPE推进剂燃烧转爆轰实验研究

建立了推进剂燃烧转爆轰（ＤＤＴ）的实验系统，分别利用弱约束和强约束对ＮＥＰＥ推进剂的ＤＤＴ过程进行测试，得到了其速度增长规律和诱导爆轰距离，并对强弱约束的ＤＤＴ数据进行了比较．实验表明，在弱约束条件下由于侧向稀疏作用，推进剂较难产生由燃烧到爆轰的转变，一旦形成爆轰，稳定爆速将不受约束强度的影响．     

连续点火诱导爆轰的数值研究

使用带基元化学反应的多组分Navier-Stokes方程,数值研究了多点连续点火过程诱导氢气-空气预混合气体的爆轰过程.计算结果表明,点火时序的变化可以显著影响预混气的爆轰引发特性.适当的加速连续点火过程可以诱导爆轰的形成,且随着点火过程的加速,爆轰的形成时间和距离均有所缩短;减速或过快的连续点火过程则不能诱导爆轰的形成.     

钝感剂及装药工艺对炸药燃烧转爆轰的影响

分析了高密度成型炸药装药的燃烧转爆轰(DDT)过程及其特性,采用电探针法分别研究了钝感剂以及熔铸与压装两种装药工艺对炸药DDT的影响,对比了不同条件下炸药发生DDT的诱导爆轰距离。结果表明,高密度成型装药的DDT过程,主要是燃烧压缩波汇聚形成冲击波,并诱发爆轰的机制。由于钝感剂具有较大热容和较小导热系数,炸药中加入钝感剂,使炸药的诱导爆轰距离变大。熔铸炸药抗压强度低于压装炸药,且呈一定的脆性,在燃烧过程中易发生破碎,导致燃烧面增大,并进一步提高燃速,因此熔铸工艺可以减小炸药的诱导爆轰距离。