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.     

碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究

在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析。研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小。利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度。     

高温高压条件下甲醇-空气-稀释气层流燃烧速度测定

利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究了不同初始压力、初始温度、气体稀释度和燃空当量比下甲醇一空气混合气预混层流燃烧速度和Markstein长度,分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响．基于火焰纹影照片,分析了火焰前锋面形态随混合气初始状态的变化规律．结果表明：甲醇-空气混合气层流燃烧速度随初始压力的增加而降低,随初始温度的增加而增加．氮气作为稀释气添加后,混合气的燃烧速度随稀释度增加而减小．Markstein长度值随初始压力增加而减小,随初始温度增加而减小,随气体稀释度增加而增大．随初始压力增加,火焰前锋面不稳定性增加,皱褶火焰前锋面出现的时刻提前．     

直流电场对预混CH4/O2/N2火焰传播特性影响的试验研究

为研究直流电场及其极性对火焰传播行为的影响,利用高速摄像法和球形扩展火焰理论在定容燃烧弹上展开了正负直流电场作用下预混CH4/O2/N2火焰传播规律的试验研究.试验结果表明:对于化学计量空燃比混合气,施加电场后球形火焰面在水平方向上被拉伸,拉伸火焰传播速率、无拉伸层流燃烧速率以及马克斯坦长度均随着输入电压幅值的增大而增大,且负电场比正电场的作用更加显著.当输入电压为-5 kV与5 kV时,火焰传播速率相对于未加电场时分别增加了10.85％和5.66％,而层流燃烧速率则分别增加了13.13％和6.98％.因此,电场能有效促进火焰传播,改善燃烧以及提高燃烧稳定性.     

正丁醇预混层流燃烧试验

基于定容燃烧弹,利用高速纹影摄影和球形火焰扩展法,分析了不同燃空当量比(0.7~1.6)、初始温度(400,430,460 K)、初始压力(0.1,0.2,0.3 MPa)对正丁醇-空气预混层流燃烧的影响.研究了正丁醇-空气层流燃烧速度、火焰传播速度和拉伸率等关键层流燃烧特性参数的变化规律.结果表明:随着燃空当量比的增加,火焰前峰面稳定性变差,火焰传播速度和无拉伸火焰层流燃烧速度均呈现先增加后减小的趋势;随着初始温度的增加,火焰传播速度和无拉伸层流燃烧速度均增加,火焰前峰面稳定性下降;随着初始压力的增加,无拉伸层流燃烧速度和火焰传播速度均减小,火焰前峰面稳定性变差;火焰前峰面拉伸率随拉伸火焰传播速度的增加而逐渐减小.     

不同初始条件下页岩气层流燃烧火焰结构分析

应用Chemkin4.5中预混层流火焰速度模型,调节燃烧初始条件,针对页岩气层流燃烧的火焰结构开展了研究.探讨了页岩气层流燃烧时,初始温度、初始压力和氮气稀释度对页岩气反应物、生成物和自由基摩尔分数的影响,分析了H+OH基摩尔分数峰值和绝热火焰温度的变化规律.结果表明:当燃烧初始温度升高时,燃烧反应速度加快,H+OH基摩尔分数峰值提高,页岩气预混层流燃烧速度加快;燃烧反应速度随初始压力的增大而加快,自由基摩尔分数下降,由于反应速度的增加小于密度的增加,火焰传播速度下降;由于反应物裂解作用减弱,初始压力增大时,绝热火焰温度提高;氮气稀释度升高,空燃比提高,反应物、生成物和自由基摩尔分数下降,绝热火焰温度降低,燃烧速度下降.     

当量比对乙炔/空气爆炸特性和火焰速度的影响

为了获取不同当量比乙炔/空气的爆炸特性和火焰速度,采用20 L球形爆炸装置与高速相机,在常温常压下对当量比为0.60～4.20的乙炔/空气进行爆炸实验,并结合Chemkin对爆炸过程进行计算,将实验结果与Chemkin模拟结果进行对比.根据火焰图像,计算光滑火焰阶段不同当量比下乙炔/空气火焰传播速度和层流燃烧速度.研究...     

异辛烷掺混乙醇在高温下层流预混燃烧特性的研究

利用高速纹影摄像系统,在定容燃烧弹上对异辛烷掺混乙醇的层流预混燃烧特性进行了研究,获得了两组压力为0.1、0.5MPa,5组乙醇体积掺混比为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,初始温度为433K下的层流火焰速率。为了去除火焰面拉伸作用的影响,数据处理采用非线性方法进行推导。研究结果表明,在不同当量比条件下,异辛烷/乙醇混合燃料的层流火焰速率均随初始压力的增加而降低,随乙醇体积掺混比的增加而逐渐增大。根据一步总反应假设理论,对该实验规律进行了分析,并且计算了热力学参数、输运特性参数和总体活化能,发现了化学反应动力学因素对层流燃烧速率的变化所起的主导作用。利用Chemkin软件,对预混层流燃烧速率进行了数值模拟,结果表明,Dagaut模型对异辛烷/乙醇混合燃料的预测效果更好。另外,采用Dagaut模型,对总体反应路径和火焰面结构进行了分析,发现乙醇的替代作用是乙醇掺入后对混合燃料层流燃烧速率起促进作用的原因。     

稀释气对高甲烷含量天然气燃烧特性的影响

针对高甲烷含量天然气在实际发动机中燃烧温度过高、NOx排放过高的问题,利用定容燃烧弹实验和Chemkin软件模拟计算相结合的方法,对其预混层流燃烧特性进行研究,分析了不同稀释比和稀释气种类(N2和CO2)对混合气的层流火焰速度、NOx摩尔分数、燃烧压力和燃烧期等燃烧特性参数的影响。研究表明,层流火焰速度、质量燃烧率和热释放率均随稀释比的增加而减小,稀释气添加导致火焰温度下降,从而降低了NOx摩尔分数。Markstein长度和火焰厚度都随稀释比的增加而增加,火焰流动不稳定性得到抑制。添加稀释气导致燃烧压力峰值和压力升高率降低、燃烧期延长,与N2相比,CO2对混合气燃烧特性的稀释效果更加显著,从而为通过废气再循环技术路径降低高甲烷含量天然气发动机燃烧温度,控制NOx排放提供了理论指导。     

稀疏波对预混火焰影响规律的试验研究

为揭示稀疏波与层流传播火焰的相互作用规律,以管道中传播的丙烷-空气预混火焰为研究对象,利用高速纹影摄像和压力测试等手段对稀疏波与火焰的干涉过程进行了研究．实验过程中采用不同的点火方案,分别对同向稀疏波和逆向稀疏波与火焰的干涉作用进行了研究．实验结果表明,稀疏波的干涉作用均能使火焰阵面结构发生变化、火焰产生明显震荡,并导致火焰由层流向湍流燃烧的迅速转变;但在稀疏波对火焰的作用的初始阶段,同向稀疏波会明显降低火焰传播速度,而逆向稀疏波则迅速增大火焰传播速度,并伴随着剧烈的震荡．     

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.      

半封闭空间甲烷爆炸初期火焰传播时空分布研究

通过小尺度实验,研究了半封闭空间甲烷爆炸火焰前沿位置、传播速度随时间和空间的变化规律,以及甲烷浓度对其的影响。研究得出：在时间分布上,甲烷爆炸初期欠焰前沿位置和传播速度随时间近似呈指数型增长,传播速度存在波动性;甲烷浓度越大,火焰初始传播速度越大。在空间分布上,在火焰前沿达到管道长径比蓬～6之前,传播速度在20m/s以下,达到4～6处,速度开始明显增大;在管径相确的管道中,甲烷在化学当量比附近由燃烧达到爆炸的距离最短;当甲烷浓度向大小两个方向变化时,由燃烧达到爆炸的距离逐渐增大。     

甲烷浓度和煤粉粒径对混合爆炸火焰传播速度的影响

为评价瓦斯空气煤粉混合爆炸危险性大小,探究爆炸机理,方便相关事故原因分析,利用水平透明玻璃式爆炸管道,探究了甲烷浓度、煤粉粒径对复合爆炸中火焰传播速度的影响。实验结果表明:随着甲烷浓度的增大,火焰传播速度先增大后减小,在接近爆炸上限浓度和爆炸下限浓度时达到最大值;随着煤粉粒径的增大,火焰传播速度逐渐变小,最大火焰传播速度也变小,甲烷浓度为10%,煤粉粒径为30μm时火焰传播速度最大。     

变截面管道对瓦斯爆炸特性影响的数值模拟

以气体爆炸理论为基础,利用高精度的加权本质无振荡(WENO)格式对变截面管道中的瓦斯爆炸进行了数值模拟,探讨了变截面管道对瓦斯爆炸火焰传播的影响规律,得到了变截面管道造成瓦斯爆炸强度增大的结论. 在此基础上,分析了障碍物、壁面和三波结构对瓦斯二次爆炸的影响. 结果表明,经壁面反射后的激波和三波点的碰撞都能够诱导二次爆炸的产生. 这些结论为瓦斯爆炸的预防、安全评估和防火防爆提供了重要的理论依据.     

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.     

煤气-空气多元爆炸性混合气体爆炸反应极限范围的研究

通过大量实验对煤气-空气等多元爆炸性混合气体的爆炸极限范围进行了研究，找出了影响爆炸范围的主要因素。实验表明：爆炸反应呈阶段性和不完全性；甲烷对爆炸范围有影响；水气含量对支链反应有阻止作用；一氧化碳对支链反应有一定的贡献。本文结论对科学的制定安全指标提供了理论依据。     

爆炸冲击作用下钢筋混凝土板的动态响应研究

为研究爆炸载荷下钢筋混凝土板的动态响应,基于量纲分析得到了球形装药质量、爆心距和钢筋混凝土靶板挠度之间的无量纲关系.利用有限元软件AUTODYN建立空气-炸药-钢筋混凝土板的三维数值模型,考虑炸药、空气和靶板之间的流固耦合相互作用,模拟结果和实验结果基本吻合.改变固支条件为四边固支,控制单一变量,分别得到装药质量和爆心距对靶板挠度的影响规律.结果表明,保持爆心距一定,当比例距离大于0.6 m/kg^1/3的情况下,即不考虑近场爆炸和接触爆炸,钢筋混凝土板中心挠度随装药质量增加近似呈线性递增趋势;而当改变爆心距时,挠度随爆心距的增加近似呈指数递减趋势.     

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。     

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。     

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.