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。     

地下综合管廊燃气舱内爆炸下结构动力响应规律

通过ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件,建立土体与地下三舱综合管廊耦合模型,采用隐式-显式顺序求解的分析方法,模拟燃气舱在1kg、5kg、20kg、40kgTNT药量下的内爆情况。研究结果表明：①炸药量对燃气舱的影响最为显著,其次综合舱,电力舱影响最小,燃气舱内左侧隔墙的破坏相比其它墙板破坏更严重,其破坏处为墙板交接处和各板中间附近位置。②燃气舱内空气中心线上的冲击波超压峰值在传播过程中呈现出先减小后增大最后减小的趋势,其中当炸药量20kg、40kgTNT时,其超压峰值会2-5m范围内出现较大的波动。③位移时程曲线基本遵循随着炸药量的增加而增加,部分测点后半时程会出现较大差异。在40kgTNT炸药量爆炸荷载下,燃气舱上顶板较下底板的位移影响较大,其最大值能达到0.7cm,且残余变形为0.5cm左右。     

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.     

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.     

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.     

高压氢气射流火焰的数值模拟

高压氢气泄漏并发生点火是氢火灾事故的核心场景,也是氢安全研究的基本内容。该文对高压氢气泄漏后立即点火、延迟点火以及有防护墙存在时的延时点火3种场景进行了数值模拟仿真,分析了点火时间、防护墙对温度和超压的影响。结果表明:氢气泄漏后在喷口处立即点燃会形成射流火焰,该过程不会产生明显的超压;泄漏一段时间后再进行点火,将由点火中心产生压力波并向外传播,并随着与点火中心距离的增大,最大超压降低,燃烧稳定后形成的射流火焰与立即点火时基本一致;防护墙有效削弱了压力波及火焰向墙后方的传播,墙后方的超压及温度明显降低。因此,合理设置防护墙可以缩小危险范围,缩短安全距离。     

隧道内可燃液体蒸气爆燃超压缩尺寸实验研究

为了探索隧道内可燃液体蒸气的爆燃超压及火焰传播规律,该文采用1/20的缩尺寸隧道模型,以不同液体温度(30、 40、 50、 60、 70、 78℃(沸点))下蒸发产生的乙醇蒸气为爆燃介质,分析不同时间点火的引爆情况及爆燃超压等数据。结果表明:蒸气的爆炸极限受到初始液体温度的影响,当蒸气温度低时爆炸极限范围小,同时所需要的引爆能量也会变大。被引爆乙醇蒸气的超压值沿隧道纵向呈现明显的双峰形状,同时在超压曲线第1次达到峰值时,燃料盘上方压力测点P1低于远离中心位置P2、 P3处的超压值。此外,隧道内爆燃超压最大值会随着乙醇蒸气浓度的增加而呈现先增大后减小的趋势。     

管道内瓦斯爆炸火焰传播压力与温度特性

为了研究瓦斯爆炸的压力与温度特性,利用矩形管道装置对不同体积分数的瓦斯进行爆炸实验。采用压力传感器和微细热电偶测量爆炸过程中压力与温度的变化,并结合高速摄像仪采集火焰传播图像。研究结果表明:该管道内最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率以及火焰温度峰值都随瓦斯体积分数的增加呈先增加后减小的趋势,到达最大爆炸压力的时间随瓦斯体积分数的增加呈先减小后增大的趋势。该管道上部燃烧比下部燃烧剧烈,下部火焰温度峰值与瓦斯体积分数呈4次函数表达式。在瓦斯爆炸火焰传播过程中,火焰峰面会发生变化,当瓦斯体积分数越接近10%时,越易形成"Tulip"火焰峰面;当瓦斯体积分数为10%时,火焰最明亮,最大爆炸压力和火焰温度峰值都取得最大值,分别为0.74 MPa和1 704.26℃。     

密闭巷道内瓦斯爆炸超压场的数值模拟研究

应用计算流体动力学软件AutoreaGas定量研究了截面为3 m×3 m、长25 m的一段密闭巷道中瓦斯爆炸超压场. 通过数值模拟手段分析了障碍物的形状和大小对密闭巷道中瓦斯爆炸超压的影响,确定了形成最大爆炸超压时巷道内的最佳阻塞比,并在最佳阻塞比的障碍物填装条件下,研究了不同瓦斯浓度对爆炸超压的影响. 结果表明,瓦斯空气混合物爆炸超压随着阻塞比的增大呈现先增大后减小的趋势,在7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5% 5种瓦斯浓度下,爆炸超压随着浓度的增大呈现先增大后减小的趋势,当阻塞比为26.6%时,爆炸超压在9.5%时达到峰值.     

MgSO4环境对混凝土强度影响的试验研究

以掺有粉煤灰和不掺粉煤灰的两组混凝土试块作为研究对象,通过室内模拟试验研究了不同浓度硫酸镁溶液侵蚀环境下,混凝土试块抗压强度及峰值应变随龄期的变化规律。由试验可知,混凝土强度的增长随着时间的增长呈现先增大后缓慢增长的趋势。相同龄期下,随着硫酸镁溶液浓度的增加,试块峰值应变先增大后减小,并且得到粉煤灰的掺入对试块力学性能有一定程度提高。     

埋地输气管道爆炸驱动的路面动力响应分析

为探究埋地输气管道爆炸驱动下的路面动力响应规律,利用ANSYS软件模拟仿真天然气管道爆炸过程,通过改变管道埋深、壁厚、敷设夹角三个主要因素得到道路不同点处超压峰值,与安全评定准则相对比得出人和物安全指数。研究结果表明：管道埋深对道路超压峰值影响显著,在单一变量改变下,道路超压峰值随着埋深增加而减小,埋深超过5m时,爆炸冲击波不足以破坏路面且对人和建筑物造成影响;管道壁厚改变时道路超压峰值呈现“增加-减少”趋势,壁厚为15mm时,超压峰值达到顶峰,当壁厚达到20mm后,爆炸冲击波不足以对人和物形成伤害;管道敷设夹角改变时道路超压峰值呈现“减小”的趋势,管道爆炸点正上方处无安全敷设角度,当敷设角度为60°时,道路其余位置均处于安全范围。     

最小抵抗线对台阶模型爆破效果影响研究

为揭示最小抵抗线（W）对台阶模型爆破效果的影响,利用相似准则原理加工混凝土台阶模型进行爆破试验,并采用高速摄影系统、瞬态信号测量仪以及超动态应变测试仪等对爆破效果进行监测分析,得到结果如下:爆堆质量及最大块度随着W的增大而增大;随着W的增加自由面初速度减小,模型装药中心点合速度与水平方向夹角逐渐减小,且W越大夹角减小越缓慢;自由面上的峰值应变随到爆源距离的减小而增大;随着W的增大最大振动速度会先增加后减小,爆破振动主频则呈现逐渐降低的趋势.      

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。     

多火源气体射流火动力学特性研究

文章采用试验与理论相结合的方法,研究了不同喷嘴直径、多火源喷嘴距离及热释放速率下的火焰高度和温度的演化规律;通过无量纲分析,在单火源火焰高度公式的基础上发展了多火源气体射流火的无量纲火焰高度和无量纲热释放速率之间的关系式;通过分析建立了空气卷吸系数、火焰高度和热释放速率之间的关系模型。研究结果表明:在喷嘴距离较小的情况下,火焰发生耦合,火焰高度明显增大;随着喷嘴距离增大,火焰的耦合行为逐渐减弱直至消失;在火焰底部,火焰温度较低,随着高度上升,火焰温度增大,当达到羽流区时,火焰温度随着高度增加而减小。     

爆炸冲击波在扁平大空间内的传播规律

为研究爆炸冲击波在地下停车场等扁平大空间内的传播规律，采用AUTODYN软件建立了二维轴对称分析模型，分析了8种质量的TNT在扁平大空间中间位置地面处引爆后冲击波的传播特性。通过结合爆炸冲击波传播云图和部分测点的压力时程曲线，分析发现冲击波在传播过程中会形成多个马赫波，首个马赫波的马赫杆高度可以达到空间净高，后续马赫波的马赫杆高度较小，但传播速率大，最终会追上首个马赫波，并与其汇合，在汇合处峰值超压较马赫杆其他位置有所增加，随着传播距离的增加后续马赫波对首个马赫波的影响越来越小。给出了根据比例净高确定马赫波阵面峰值超压恒定的临界点水平位置和对应最大峰值超压值的计算公式，给出了根据平面比例爆距确定最大峰值超压平均值的计算公式。     

通风环境下保温材料XPS的火灾特性

在0,0.6和1.2m/s机械通风条件下,实验研究不同火源距离和火源位置时挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)的火灾行为、引燃特性及烟气特性.结果表明,随着风速的增大,XPS表面火焰蔓延速度逐渐增大且较早出现结焦现象.通风风速和火源位置相同时,XPS引燃时间与火源距离近线性相关;火源位于垂直墙面位置时,风速从0.6m/s增加到1.2m/s,XPS最大引燃距离从0.2m缩短至0.15m.与其他工况相比,风速为0.6m/s时,烟气温度达最大值,且氧气、二氧化碳及一氧化碳浓度变化量最小,XPS燃烧速率随着风速的增加先增大后减小;当风速较小时,氧气浓度增加对XPS燃烧起主导促进作用;随着风速的进一步增加,其热效应对燃烧的抑制作用显著增强.     

交流电场对高压下甲烷/空气预混稀燃火焰的影响

为了改善天然气燃烧速率慢、稀燃条件下着火延迟以及火焰稳定性差等不足,在常温、初始压力为3×97kPa下,研究分析了定容燃烧弹中低频交流电场对甲烷/空气预混稀燃火焰形状、火焰传播速度、燃烧压力相关特性参数等的影响。结果表明:与未加载交流电压相比,加载10~100Hz交流电压的火焰在水平方向均发生拉伸变形,电压频率越小,拉伸变形越明显,在15 Hz附近时变化最明显;加载电压后火焰传播速度增大,且随电压频率的减小先增大后减小,在接近15 Hz时最大;交流电场作用下燃烧压力峰值增大,压力峰值到达时间、初始燃烧期和主燃烧期均缩短;随着电压频率的减小,燃烧压力峰值与火焰传播速度变化相一致,而压力峰值到达时间的变化则相反,但均在15Hz附近其绝对值出现最大值,比未加载电压时分别增加了19.90%、-42.23%。     

风向角对高速列车驶出隧道过程中气动效应的影响

为研究风向角对驶出隧道过程中高速列车气动效应的影响,以某型高速动车组列车为研究对象,采用数值模拟方法对隧道内气动压力、列车风风速、流场分布及列车气动荷载进行分析。通过与动模型试验结果进出对比,验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明：隧道壁面气动压力峰值及变化幅值最大值出现在隧道内部,且出现位置到隧道出口距离与风向角有关;背风侧气动压力受风向角影响更大,气动压力变化幅值随风向角增大呈现先减小后增大再减小的趋势;出口处列车风风速随风向角增大基本呈现先增大后减小的趋势,30°风向角时列车风风速最大,但迎、背风侧列车风风速峰值出现时刻不同;随着风向角增大,流场分布不对称性增强,列车绕流特性由流线型绕流逐渐过渡到钝体绕流,流动分离点到头车鼻尖的距离呈现先增大后减小最后再增大的变化规律,隧道内流动结构愈加复杂;气动横向力、升力变化幅值随风向角增加呈现先增后减趋势,头车横向力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的2.4倍和2.6倍,升力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的1.1倍和1.5倍,故保证头车安全是控制整车运行安全的关键;侧风下高速列车驶出隧道情形下的最不利风向角为30°,此时头车发生列车事故风险...     

正丁醇/正庚烷预混层流燃烧特性的试验研究

利用向外传播的球形火焰,试验研究了初始温度为393 K和初始压力为0.1 MPa时,当量比和正丁醇的掺混量对正丁醇/正庚烷掺混燃料的层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响.试验结果表明:混合物的层流燃烧速度随当量比的增大先增大后减小,随正丁醇掺混量的增加逐渐增大;火焰不稳定性随当量比的增大而增加,低当量比时随正丁醇掺混量的增加逐渐增加,高当量比时随掺混量的增加逐渐减小,当量比1.1时火焰不稳定性受掺混量的影响不大.     

车辆荷载下综合管廊应力响应及疲劳损伤分析

作为一种浅埋隧道,综合管廊不可避免会受到车辆荷载的影响。为保证管廊结构运营期安全,有必要研究循环动荷载对管廊结构的影响。依托某综合管廊工程,使用ANSYS建立管廊-车辆荷载三维模型,研究了综合管廊在不同车辆荷载条件下的应力响应,发现在车辆荷载一个作用周期内,管廊的主拉应力时程曲线可分为上升区、峰值区及下降区;各车辆工况下管廊上部应力变化幅度在10%~15%左右,下部应力变化幅度在1%左右,距离地表越远的部位应力变化幅度越小。在得到管廊应力时程数据后,基于3种不同的疲劳公式编写程序对管廊进行疲劳分析,发现按Cornelissen公式及吕培印公式计算,管廊结构的最低使用寿命分别为0.42年及24.8年,不满足其设计使用年限,因此有必要考虑管廊在车辆荷载下的疲劳效应;其中管廊疲劳损伤主要集中在管廊的5个部位,中舱顶板、两中隔墙的顶端和底端,其中中舱顶板所受疲劳损伤最大,这5个部位应是综合管廊结构设计以及运营期间应重点关注的部位。