开敞空间可燃气云爆炸的数值模拟与实验研究

基于改进的Bakke-Hjertager燃烧模型与相应的控制方程,建立了描述可燃气云爆炸的理论模型。采用SIMPLE算法,对气云爆炸场进行了数值模拟。以0．02mm厚度的聚乙烯薄膜为约束物,进行了半球形乙炔／空气预混气云爆炸实验。实验分别在0．5、0．75、1、1．25m4个气云半径下进行,数据采集系统记录了超压分布。计算超压与实验值相比较,最大偏差为11．9％,平均偏差为4．14％。结果表明,本文方法可以用来预测可燃气云爆炸强度。     

汽油蒸气与异辛烷定容爆炸压力的当量比等效

在理论计算异辛烷定容绝热爆炸压力的基础上,通过标准20L球形爆炸装置内的汽油蒸气爆炸实验,获得了不同汽油蒸气体积浓度下的爆炸压力。通过分析异辛烷定容爆炸压力理论计算值与汽油蒸气定容爆炸压力实验值之间的误差,提出了汽油蒸气与异辛烷定容爆炸压力的当量比等效关系式。该关系式不仅可以方便地用异辛烷来预测汽油蒸气爆炸压力,还可以修正汽油蒸气爆炸压力数值计算模型,使模型计算值与实验值之间的误差显著降低。     

聚乙烯薄膜对可燃气云爆炸影响的实验研究与数值模拟

聚乙烯薄膜作为约束物，对可燃气云爆炸有着重要的影响.采用7.8%的乙炔/空气混合气进行了实验研究，薄膜厚度分别为0.02、0.04 mm和0.06 mm，层数为1～4层.结果显示，当采用单层厚度0.02 mm的薄膜时，半径0.5 m的半球形气云爆炸可产生2.410 kPa的最大超压;厚度0.06 mm时，最大超压达到3.642 kPa;薄膜层数为4层时，最大超压上升到13.125 kPa.建立了描述气云爆炸的理论模型，模型考虑了薄膜强度、层数对爆炸的影响，采用SIMPLE算法进行了数值求解.计算结果与实验值相比较，最大相对偏差14.8%，平均相对偏差4.73%.提出的方法对有弱约束物存在时，气云爆炸的灾害预测具有重要的指导意义.     

甲烷爆炸对建筑物内外压力场分布的影响

天然气泄漏导致的预混爆炸，会严重威胁周围人员的生命及财产安全，因此掌握气体预混爆炸在建筑物周围产生压力场的分布至关重要。基于Fluent软件，建立了适用于甲烷无约束爆炸超压的计算模型，并通过实验数据对其修正，结果表明：在化学计量浓度下参与燃烧爆炸的预混气体体积约为总体积的1/3，即当量体积。在此基础上建立了适用于甲烷约束爆炸的仿真模型，分析了建筑物高度和宽度对建筑周围压力场的影响，并进一步研究了气体爆炸对建筑物内部压力场分布的影响。结果表明，在建筑物不失效前提下，背对爆炸源一侧中上部为较安全区域，在紧急爆炸事故中，盲目的向下逃生，反而容易受到爆炸超压的强烈冲击。     

TNT爆炸的数值计算及其影响因素

应用LS-DYNA有限元程序建立了模拟TNT爆炸的数值计算模型并进行了空爆冲击波超压等数值计算。通过数值计算结果与经验公式和试验数据的对比分析,验证了计算模型和参数取值的可信性。基于数值计算结果,分析了炸药材料参数、TNT药量、单元网格密度、建模方式、空气域形状和炸药形状等参数变化对爆炸冲击波超压的影响。结果表明,与试验结果相比,数值计算结果可以作为爆炸冲击波超压的下限值,而Henrych公式、Sadovskyi公式和GB6722-2003公式给出的是超压的中位和下位值;炸药材料参数的取值、单元网格密度和炸药形状对数值模拟结果的影响与比例距离相关,比例距离小于2.0时,不能忽视其影响;冲击波超压会随TNT药量的增加而小幅度增加,但建模方式和空气域形状对数值计算结果的影响可以忽略不计。     

圆柱形可燃气云爆炸实验研究与数值模拟

与半球形可燃气云模型相比,圆柱形模型更接近于气云爆炸事故的实际情况。进行了乙炔浓度7.75%、气云体积0.26m³的圆柱形可燃气云爆炸实验,记录了距气云中心1.2 m与1.6 m两点的爆炸超压。建立了描述气云爆炸的理论模型,采用SIMPLE算法编制了计算程序。计算结果经实验数据考核,最大与平均相对偏差分别 为18.3%与5.4%,证实程序满足气云爆炸模拟与预测的要求。研究结果显示：爆炸流场不具备球形对称的性质,爆炸超压与火焰传播方向有关,当气云高径比0.2时,沿地面方向的最大超压可达垂直方向的3.3倍;气云体积不变而形状变化时,爆炸强度随着高径比的增大而增大,高径比1.0时的最大超压可达高径比0.1时的3.1倍;气云高径比降低时,火焰传播距离增大,燃烧时间增长,气云释能速率下降,因此爆炸超压降低。研究结果对可燃气云爆炸灾害的预测具有一定的指导意义。     

瓦斯爆炸冲击波在不同类型巷道中传播规律研究

本文利用流体力学软件AutoReaGas定量地研究了瓦斯爆炸冲击波在直管、900单向分岔和拐弯等不同类型管道中的传播特性。研究结果表明:由于瓦斯爆炸冲击波在管道壁面上发生反射、绕射等情况、导致冲击波在管道分岔和拐弯处超压峰值大大增强,且拐弯管道的冲击波超压大于900单向分岔管道,并明显高于直管道中的超压峰值。因此,在矿井开拓中,应当减少巷道的分岔,在巷道分岔和拐角处应加强保护措施,减少爆炸造成的损失。研究结果对指导减轻瓦斯爆炸的破坏作用具有重要意义。     

高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波特性

为了研究高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波传播特性,利用AUTODYN有限元软件,研究了不同海拔高度及其解耦对应的低温条件和低压条件对运动装药爆炸冲击波超压场的影响规律;建立了预测低温环境和低压环境下运动装药爆炸冲击波超压的理论计算模型,并通过试验数据和数值模拟进行了对比验证。结果表明,该计算模型可以有效预测不同低温、低压以及低温和低压耦合的高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波超压;海拔高度从0升至10000m,冲击波超压峰值平均减小35.6%,冲击波作用范围增加62.0%;随着环境温度降低,冲击波超压峰值平均增加0.43%,冲击波作用范围减小11.9%;随着环境压力降低,冲击波超压峰值平均减小36.4%,冲击波作用范围增加83.5%;不同海拔高度下装药运动速度引起的冲击波超压增大系数变化规律与解耦对应的低压条件影响规律基本相似;高海拔环境对运动装药爆炸冲击波的作用范围及超压的影响主要取决于低压条件,低温条件的影响程度较小。     

高温高压气体在氧气中爆炸下限的数值预测与实验研究

提出了高温高压下气体在氧气中的爆炸下限数值预测模型,并对25～90℃、0.2～0.6 MPa下甲烷在氧气中的爆炸下限进行了实验测定.结果表明:随着温度的升高,甲烷爆炸下限的实验值逐渐降低.爆炸下限的预测值与实验值相对误差最大值仅为1.29％,实现了可燃气体在氧气中爆炸下限的准确预测.对于燃料-氧气体系,温度的升高对可燃...     

狭长密闭空间内油气爆炸火焰特性大涡模拟

基于WALE模型和Zimont预混火焰模型对横截面尺寸0.187 m×0.187 m,长2 m的狭长密闭空间内汽油-空气混合物爆炸火焰特性进行了大涡模拟。将大涡模拟与RNG k-ε湍流模型计算结果及实验结果进行对比,验证了大涡模拟对于狭长密闭空间中汽油-空气混合物预混爆炸计算的适用性。结果表明:(1)大涡模拟准确再现了火焰传播过程中的形态变化;(2)火焰锋面后已燃区壁面两侧和中轴线两侧涡旋结构分别对Tulip形火焰的形成和消散有显著影响,且形成及消散前的两种涡旋结构方向相反;(3)当量比浓度下汽油-空气混合物爆炸未燃区气体流动始终保持正向传播,且爆炸超压、火焰传播速度和火焰传播形态三者间存在显著的耦合性。     

带孔障碍物对管道中可燃气体爆炸特性的影响

以甲烷为代表性气体,研究了在10%浓度甲烷的闭口管道中设置不同孔型、不同尺寸的带孔障碍物对可燃气体爆炸火焰和压力传播的影响。研究发现：设置障碍物隔板时,爆炸超压在穿过障碍物前缓慢增长,并受障碍物影响继续增大,在到达盲板前快速降低。火焰传播速度先缓慢增加,并在通过障碍物隔板前下降,在穿过开孔后急剧上升至最大值。随着障碍物隔板的开孔面积减小,其造成的气流喷射作用会明显增强,负压抽吸作用造成的影响增大,会导致障碍物前后超压分布更加不均匀,在障碍物隔板前的火焰传播速度下降幅度增加。同阻塞率条件下,最大超压和火焰传播速度均受到不同孔型的影响,火焰在穿过带孔障碍物隔板时,圆形开孔相对方形开孔和正三角形开孔更符合火焰球形发展规律,正三角形孔内切圆比方形孔小,火焰受到的影响更大,湍流更加明显,导致火焰速度和压力上升更加明显。不同孔型的最大超压关系为P _三角孔>P _方孔>P _圆孔>P _空载管道,火焰传播速度关系为v _三角孔>v _方孔>v _圆孔>v _空载管道。     

狭长密闭空间内油气爆炸火焰特性大涡模拟

基于WALE模型和Zimont预混火焰模型对横截面尺寸0.187 m×0.187 m,长2 m的狭长密闭空间内汽油-空气混合物爆炸火焰特性进行了大涡模拟。将大涡模拟与RNG k-e湍流模型计算结果及实验结果进行对比,验证了大涡模拟对于狭长密闭空间中汽油-空气混合物预混爆炸计算的适用性。结果表明：（1）大涡模拟准确再现了火焰传播过程中的形态变化;（2）火焰锋面后已燃区壁面两侧和中轴线两侧涡旋结构分别对Tulip形火焰的形成和消散有显著影响,且形成及消散前的两种涡旋结构方向相反;（3）当量比浓度下汽油-空气混合物爆炸未燃区气体流动始终保持正向传播,且爆炸超压、火焰传播速度和火焰传播形态三者间存在显著的耦合性。     

连通容器内预混气体泄爆过程

对甲烷-空气预混气体在连通容器内的泄爆过程进行了实验研究,与密闭容器爆炸过程进行了比较,研究了连通容器泄爆过程中压力的变化规律,分析了气体浓度和泄爆方式对连通容器泄爆过程的影响。结果表明,连通容器泄爆过程中,压力最大值通常出现在管道末端,由于震荡在球形容器内产生真空压力;与略低于化学计量比浓度相比,甲烷体积浓度略高于化学计量比浓度时,连通容器内爆炸压力增加,这种情况与单个密闭容器气体爆炸相同;两个泄爆口泄爆能较好地降低连通容器内最高爆炸压力,而仅采用一个泄爆口泄爆并不能显著降低容器内的最大爆炸压力。研究结论为工程上连通容器的泄爆安全设计提供重要参考。     

巷道截面变窄瓦斯爆炸传播特性的数值模拟

为获得井下巷道截面变窄对瓦斯爆炸传播特性的影响,利用Fluent流体力学软件建立相应的数值模型,对井下截面变窄的巷道瓦斯爆炸进行数值模拟研究。探讨了巷道截面变窄的大小对瓦斯爆炸的影响程度以及瓦斯爆炸后压力和温度的变化。巷道截面变窄对瓦斯爆炸有明显的激励作用,且巷道越窄,激励作用越明显。在此基础上,分析了巷道壁面和三波结构对瓦斯爆炸的影响。结果表明,经壁面反射后的反射波和三波点的碰撞使爆炸的压力和温度显著升高且持续时间较长。研究结果对矿井建设的安全设计与安全设施设备的实施有重要意义。     

含90°直角弯管结构受限空间油气泄压爆炸实验与大涡模拟研究

针对含90°直角弯管结构受限空间油气泄压爆炸特性进行了研究,采用高速摄影等技术对爆炸过程中的压力瞬变、火焰形态进行了采集,同时对实验进行了大涡模拟,精确模拟了火焰经过弯管时的超压特性、流场结构以及火焰形态,并与实验结果进行了对比分析。结果表明：（1）弯管结构对于爆炸过程中火焰结构有影响,在受限空间内火焰形态发生“半球形-指尖形-毛刷状”三种形态转变。（2）在弯管处形成的毛刷状火焰是由弯管局部压力梯度形成的涡流导致的。（3）衍射波与反射波在弯管处的叠加对爆炸超压峰值具有强化作用。（4）爆炸过程中,爆炸超压峰值、火焰速度、火焰锋面面积表现出显著的耦合性,具有密切的内在联系,三者随时间变化趋势存在较强的一致性。     

架空天然气管道泄漏扩散过程特性分析

在天然气管道集输过程中,由于管道老化、腐蚀等因素引起的泄漏事故时有发生,会引起穿孔泄漏后的天然气扩散,可能会引发火灾、中毒或爆炸。因此,进行架空天然气管道泄漏扩散过程的影响因素模拟研究及分析,对天然气管道输送安全运营和保障人生财产安全意义重大。文章建立了架空天然气管道在迎风坡和背风坡处发生泄漏扩散过程的物理模型,并利用CFD软件对架空天然气管道泄漏后的甲烷气体扩散过程进行了数值模拟。结果表明：泄漏的甲烷气体扩散范围和速度非常大,在泄漏时间300S时泄漏距离已经达到40m,并在40m处形成高浓度的甲烷气团;泄漏点在背风坡时,山坡附近形成高浓度甲烷气团。     

置障条件下半密闭空间油气爆炸特性实验与数值模拟

针对置障条件下容积式半密闭空间内油气着火爆炸特性进行了研究,通过高速摄影等技术手段对爆炸过程中火焰形态,爆炸超压特性进行了实验,并对实验进行了大涡模拟,精确模拟了火焰与障碍物相互作用时的火焰形态,流场结构,超压特性,与实验进行了对比分析。结果表明：障碍物的存在会使火焰结构发生变化,出现半球形→圆锥形→毛刷形的转变,并在障碍物下游由于未燃气体的卷吸产生火焰旋涡;爆炸超压峰值的产生是燃烧速度与泄压速度相互耦合作用的结果,在油气爆炸过程中,障碍物的存在会导致燃烧速度以及泄压速度的变化,进而对超压峰值产生一定的影响。