甲烷-空气预混气体泄爆作用下容器振动响应特性

利用自主搭建的气体泄爆容器动态力学响应测试系统,研究甲烷-空气预混气体泄爆过程中实验舱的振动响应特性,并结合舱内部超压、火焰演化和实验舱固有频率等特征,探讨前述实验舱动态力学的响应机制.研究发现:1)泄爆过程中实验舱动态力学响应存在明显的双峰现象,且两者的幅值、频谱均存在较大差异; 2)低幅值振动与舱内气体冲击波特征密切相关,其主要由初始火焰传播、外部爆炸、亥姆霍兹振荡和泰勒不稳定性等因素综合影响导致; 3) 480和980 Hz的高幅值振动主要为舱内声波和火焰耦合作用触发高频振荡导致;而1 100 Hz左右的高幅值振动主要为受冲击后实验舱的自由振动,由舱固有频率决定.     

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.     

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.     

球形容器泄爆及其外部伤害效应

为了研究球形容器泄爆及其外部伤害效应,利用小球容器和大球容器建立了2种尺寸的球形容器泄爆测试系统。在研究球形容器泄爆内部压力变化特性时,利用大、小球容器分别开展了无膜泄爆和泄爆片泄爆2种实验,得到了如下结论:当大、小球容器泄爆时,随着泄爆口直径的增加,最大泄爆压力减小,压力上升速率减小,正压持续时间减小;当无量纲化泄压比较小时,无膜泄爆峰值压力随泄压比的增大而减小,且呈线性变化。在研究球形容器泄爆外部伤害效应时,分别进行了大、小球容器压力伤害范围实验,获取了大、小球容器泄爆口周围空间不同位置处的压力峰值,并结合超压伤害阈值标准,判断其对人员的伤害作用,从而划定了压力伤害的范围。     

球形容器泄爆收容的实验分析

为研究气体爆炸泄爆收容过程中爆炸容器和收容容器内的压力变化规律及其影响因素,对球形容器在不同收容容器和爆炸容器体积比以及不同导管长度条件下的泄爆收容过程经行了实验研究。结果表明：收容容器体积越大,爆炸容器的压力峰值越小,爆炸压力下降的速度越快;收容容器的体积达到或超过爆炸容器体积的5倍时,接近敞开泄爆的压力峰值;泄爆导管的长度越长,爆炸容器的压力峰值越小;收容泄爆时,火焰的传播速率随着导管传播距离增加而降低,泄爆口处火焰传播速率最高。     

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。     

容器内气体爆炸带导管泄爆的实验研究

利用1个球形容器和3节相同尺寸的圆形管道建立了实验系统,并开展相关实验,研究容器内气体爆炸带导管泄爆过程的机制。结果表明:安装泄爆导管增加了容器爆炸强度;破膜激波使导管入口处压力上升,射流火焰点燃导管入口处未燃气体产生二次爆炸,导致容器内及导管入口处压力突变;一定范围内,导管长度越长,容器及管道内的压力峰值越大;有导管存在时,尾部点火容器内的压力峰值及导管入口处的压力峰值都高于中心点火的情况,且尾部点火导管前部分的火焰传播速率高于中心点火的情况;无论尾部点火还是中心点火导管入口处的压力峰值都高于导管出口处的压力峰值。     

泄爆外部压力变化特性的影响因素

为了研究可燃性气体爆炸泄爆过程中,不同因素对容器外部压力变化特性的影响,利用0.022和0.113 m3 2个球形容器进行了一系列实验。实验结果给出了不同容器容积、泄爆面积、容器结构和形式条件下容器外部压力发展历史：容器容积减小,会导致泄爆容器外部的峰值压力增大,压力变化更为迅速,持续冲击时间减小;泄爆口直径在0~0.04 m范围内增加,容器外部最大压力上升速率及峰值压力均相应增大,呈现上升的趋势但非线性,存在一个增加程度先减小后增大的驻点;容器结构和形式对泄爆过程产生显著的影响,相对于单个容器,连通容器外部峰值压力、最大压力上升速率均有较大提高;连通容器泄爆时,跟大容器泄爆相比,小容积泄爆外部最大峰值压力较大,最大压力上升速率较小。     

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.     

球形容器在弯管条件下的泄爆收容

为了考察弯管对泄爆收容过程的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,对球形容器内可燃气体爆炸通过不同角度弯管泄放到另一球形容器的泄爆收容过程进行了研究。结果表明:泄爆收容时,由于高速气流和喷射火焰的作用,大部分进入导管内的未燃气体发生湍流燃烧,部分未燃气体随压力波到达收容容器内;泄爆收容过程中,起爆容器内压力受弯管角度的影响不大,而收容容器内压力随着弯管角度的增加不断下降。当采用90°弯管时,收容容器内的压力峰值最小为0.432 MPa。     

双电极点火时间间隔对天然气-空气预混合气层流燃烧的影响

在定容燃烧弹中对天然气-空气预混合气双电极点火进行了研究,分析了双电极在不同空燃比和预混压力下的4种点火时间间隔对混合气燃烧特性的影响。结果表明:增加点火时间间隔可以促进燃烧,加速火焰传播,使容弹内燃烧压力峰值、已燃区工质温度峰值略有上升,瞬时放热率峰值升高,各峰值位置提前,火焰发展期和快速燃烧期缩短,在稀薄燃烧或预混压力较小等不稳定着火、燃烧的情况下这种规律更显著,点火间隔为2ms时各参数变化最为明显;点火间隔为2ms,过量空气系数λ为1.3、预混压力为100kPa和λ为1.0、预混压力为40kPa时,双电极间隔点火的压力峰值出现时间比同时点火分别提前了45ms和12ms,温度峰值出现时间分别提前了39.8ms和11.8ms,瞬时放热率峰值分别增加了33.3%和71.2%,且峰值出现时间分别提前了32.3ms和19.8ms,火焰发展期分别缩短了14.6ms和12ms,快速燃烧期分别缩短了16.6ms和9.8ms。     

点火能量对天然气空气预混合气层流燃烧的影响

通过改变点火线圈的充电时间,研究了充电时间与天然气空气预混合气点火能量、预混层流燃烧速度及压力和放热率等燃烧特性参数之间的关系.结果表明:点火能量随充电时间的增加而增大,当充电时间增加到6 ms时,点火能量的增加趋势减缓;点火能量能会影响火核的形成和初期火焰的发展,当火核半径发展到8mm时,火焰传播速度不受影响;压力峰值随点火能量的增加逐渐增大且峰值位置提前,当充电时间由2 ms增加到8 ms时,最大压力峰值增加了3.8％,峰值提前8.6 ms出现,火焰发展期和快速燃烧期分别缩短了5.2 ms和1.7ms.     

正/负电场对预混稀燃火焰影响的对比研究

为了比较正/负电场的助燃效果,在室温298K、气压100kPa条件下,通过对定容燃烧弹内的网状电极分别加载正直流电压和负直流电压,研究了正/负电场助燃机理,由此分析了2种电压对甲烷/空气预混火焰形状、火焰传播速度以及燃烧压力等参数的影响。结果显示:正/负直流电场对过量空气系数分别为1.2、1.6的预混稀燃火焰均有促进作用,平均火焰传播速度在施加电压的电极方向得到增强;在施加电场后,相同过量空气系数下的火焰燃烧峰值压力增大,且随着电压幅值绝对值的增大,峰值压力到达时间相应缩短;在相同的电压幅值下,正电场的促进效果优于负电场。该结果对电场辅助燃烧的进一步研究具有指导意义。     

连通容器泄爆过程的CFD模拟

利用Fluent软件对连通容器泄爆过程中的气体爆炸流场进行数值模拟,获得气体爆炸过程的温度场和压力场,模拟结果能较清晰地反映泄爆过程。研究表明:连通容器泄爆时起爆容器的火焰高度均高于传爆容器,容器内温度随着泄爆时间的延长逐渐上升,泄爆口开启后又迅速下降;在泄爆初期,起爆容器的压力均低于传爆容器的压力,小球内压力衰减速度大于大球内压力衰减速度。     

玻璃窗泄爆下室内燃气爆炸荷载规律试验研究

建立了一套野外试验系统,设计了19组试验工况,分别研究了室内燃气浓度、泄爆窗玻璃破坏强度及面积对室内燃气爆炸荷载的影响,得到了玻璃窗泄爆条件下室内燃气爆炸的荷载特性和变化规律。试验研究结果表明：甲烷浓度在7.5%~10.5%时,室内燃气爆炸产生两个压力峰值,并引起声振不稳定燃烧,形成远大于第一个压力峰值的第二压力峰值;甲烷浓度较高时,声振现象不容易出现,只产生一个压力峰值,其大小仅与泄爆口封闭物有关;当甲烷气体浓度为9.5%时,燃气爆炸反应最剧烈,第一个压力峰值和声振压力峰值均为最大;提高泄爆窗玻璃破坏强度,会导致爆炸荷载的第一个压力峰值增大;增加泄爆窗面积,会使第一个压力峰值略微降低,但第二个的声振压力峰值则会大幅降低。研究结果有利于了解玻璃窗泄爆条件下室内燃气爆炸荷载规律和作用机理,并对进一步研究燃气爆炸荷载下结构的动力响应和破坏形态具有实际意义。     

丝网结构对容器管道开口系统气体爆炸的影响

为研究丝网结构对容器管道开口系统气体爆炸的影响,通过改变丝网结构的层数和目数,对连接有一段管道的球形容器进行实验。研究发现,当系统处于开口状态时,在管道处加入具有抑爆效果的丝网后,容器内最大泄爆压力增大,且最大泄爆压力随着丝网层数以及丝网目数的增加而增大。建立数学模型对容器内部最大泄爆压力进行拟合,通过拟合公式发现,丝网层数对容器管道开口系统气体爆炸时的最大泄爆压力有一定的影响,并且开始时最大泄爆压力随着丝网层数的增加而增加,随后丝网结构对最大泄爆压力的影响逐渐减小,最大泄爆压力趋于稳定。     

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。     

水介质爆炸容器动力响应的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟水介质爆炸容器在不同TNT当量炸药于容器中心处爆炸时的动态响应,并与实测数据进行比较。结果表明,容器筒体爆心环面处的应变幅值在第一个周期内就达到最大值,并且其值大于筒体上其他点的最大应变;在容器椭圆封头处出现应变增长现象,封头顶端的最大主应变峰值大于筒体爆心环面处的应变峰值,且封头顶端的加速度峰值也明显大于爆心环面处的加速度峰值,仿真计算值与实测值吻合较好。在设计同类水介质爆炸容器时,应重点加强筒体爆心环面处和封头顶端。     

基于支持向量机的泄爆压力峰值预测模型

在现有的气体爆炸泄爆实验及理论研究的基础上,归纳总结泄爆过程中影响容器内压力峰值的主要因素,将这些因素作为输入,对压力峰值与各因素之间的内在非线性关系进行模拟,提出一种基于支持向量机的容器内气体爆炸泄爆压力峰值预测方法。对模型的有效性及预测性能进行验证,表明模型预测的结果与实验值基本一致;将模型的预测性能与现有的经验、半经验公式以及泄爆设计准则进行对比,表明建立的模型具有较高的准确性,为容器泄爆设计提供了一种新的途径。     

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.