初始压力对容器通过导管泄爆过程的影响

开展了容器内气体爆炸通过导管安全泄放实验,研究了导管泄放气体爆炸过程中的压力变化及导管内火焰发展规律,分析了初始压力对导管泄放过程的影响,并对比研究了密闭容器爆炸、简单泄爆及导管泄爆过程。结果表明：容器内发生密闭爆炸时,爆炸压力及压力上升速率随着初压的升高而增加;简单泄爆时,随着初压的增加,容器内的压力峰值出现了先增加然后降低最后继续增加的过程;采用导管泄爆时,初始压力越高,容器内的压力峰值及压力上升速率越高,相同时刻对应的导管入口处与容器内最大正压差越大,导管入口端的火焰速率越大,容器内爆炸强度对初始压力的变化较为敏感;随着容器内初压升高,导管泄爆过程中容器内的压力峰值与简单泄爆的压力峰值相差越来越大,与对应的密闭爆炸时压力峰值越来越接近,且最大压力上升速率远远高于密闭爆炸。     

不同管长条件下连通容器预混气体泄爆实验

通过容器与管道的连接组合,改变管道长度,开展不同管道长度的连通容器预混气体等容爆炸与泄爆实验,分析在密闭爆炸与相同泄爆面积条件下,管道长度的变化对连通容器中火焰传播与容器内压力的影响。实验结果表明：火焰在管道中加速传播,随管道长度的增加,传播速率加快;无论是密闭爆炸或是泄爆,连通条件下容器的最大压力上升速率均高于单个容器的情况;连通容器等容爆炸时,传爆容器的压力峰值随管长的增加而增加;泄爆时,传爆容器的泄爆压力峰值超过其单容器泄爆的压力峰值,特别是传爆容器为小容器时,压力峰值更高;随管长的变化情况,与相应密闭条件下的等容爆炸压力密切相关,但变化趋势不完全一致,受容器泄爆面积、火焰传播等多种因素的影响。     

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。     

泄爆条件对预混H2/空气燃爆特性影响的数值模拟

为研究泄爆口处破膜压力对管道内可燃气体燃爆特性的影响,基于大涡模拟（LES）和Zimont燃烧模型,在泄爆口不同破膜压力条件下（0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa）,对预混H₂/空气燃爆过程开展三维数值模拟。结果表明：在大长径比管道内,由于管壁作用、声波震荡作用及火焰的不稳定性,各工况条件下火焰传播速度曲线存在3个波峰、2个波谷;除破膜压力为0.1MPa工况外,泄爆口开启产生减速效应,使各工况条件下的火焰传播速度相比于密闭管道均下降;各工况的管内压力在泄爆口开启后整体呈下降趋势,且泄爆口的破膜压力越小,管内压力峰值越小;对比密闭管道,各工况的压力上升速率均有不同程度的降低,爆炸强度减弱,破膜压力为0.3MPa时,压力上升速率的下降幅度最大,泄爆效果最好。     

MgH2粉尘爆炸的能量释放特性规律

为了探究MgH₂粉尘爆炸的能量释放特性规律,采用改进后的20L球爆炸泄放装置获取了其爆炸压力和火焰传播规律,并分析了现行的工业粉尘爆炸泄放标准对MgH₂爆炸泄放安全设计的适用性。结果表明,密闭条件下,MgH₂粉尘爆炸压力随粉尘浓度的升高呈现先增大后减小的趋势,在750g/m³时达到最大,爆炸指数为310.5MPa·m/s;泄放条件下泄放压力和火焰持续时间主要受MgH₂粉尘浓度影响;导管对泄放有限制作用,当导管长度从30cm增至100cm时,球内最大压力和压力上升速率分别上升了5%和9%;NFPA 68设计标准在250、500、1000g/m³时对MgH₂粉尘爆炸较为适用,但在750g/m³时,标准的预测值低于实验值。因此,仅通过现有的普通工业粉尘爆炸泄放标准对MgH₂进行爆炸泄放安全设计存在一定的安全风险。     

球形容器与管道内甲烷-空气混合物爆炸强度的尺寸效应

通过实验和理论分析,从球形容器内径、单个球形容器接管长度和连通容器连通管道长度变化3个方面,研究了球形容器与管道内甲烷-空气混合物爆炸强度的尺寸效应。研究表明:单个球形容器接管后,球形容器中最大爆炸压力和最大压力上升速率均随接管长度的增加逐渐减小,而小球接管时的管道末端气体最大爆炸压力和最大压力上升速率随连接管道长度的增加逐渐增加;在连通器结构中,传爆容器中最大爆炸压力和最大压力上升速率随连通管道长度的增加呈线性关系增加。研究结果揭示了尺寸效应对气体爆炸强度的影响规律,为球形容器与管道泄爆安全设计提供依据和重要参考。     

连通容器内预混气体爆炸过程的实验研究

对连通容器内预混气体爆炸过程进行实验研究,具有重要的科研和实用价值。本文通过实验室内自制的实验仪器详细研究了不同的点火位置、初始压力、初始浓度对连通容器内预混气体爆炸压力的影响。结果显示,在大容器中点火,会引起更大的爆炸压力;压力上升速率也增大很快。初始浓度对连通容器内预混气体爆炸的影响基本与单个容器中的影响一致。当初始压力增大时,连通容器的爆炸压力也随着一起增大,而且小容器比大容器增加更快。因而,在工业中,最有效的方法是隔爆,在容器和管道接口设置隔离装置,使爆炸不能通过管道传播。     

泄压条件下管道内瓦斯爆炸传播的氮气阻爆

矿井瓦斯爆炸发生后,采用灭火剂进行阻爆,将有助于从根本上消除爆炸的灾难性后果。本文在爆炸管道上设置双喷头,探索喷出N_2来实现阻爆和熄灭火焰。对于四周保持密闭的平直管道,采用不同压力将氮气喷出,但均未能阻止爆炸火焰沿管道的传播。在管道下表面设置开口进行泄压后,可以观测到爆炸过程中大量的高温气团和预混气从该开口流出,并在开口外继续发生反应。结合侧向泄压,当双喷头中左喷头(第二喷头)不喷N_2时,右喷头(第一喷头)所喷N_2在各个压力下也仍未能实现阻爆。但当左喷头(第二个喷头)压力在0.1 MPa及以上时,均能实现阻爆。并且双喷头所喷N_2压力越大,爆炸火焰被阻止和熄灭的位置越靠前。通过侧向泄压使管道内的反应变弱是有利于阻爆的第一个主要原因。侧向泄压使管道内爆炸火焰的传播速度下降,从而喷出更多氮气并获得更长的时间来对预混气进行充分稀释,这是实现阻爆和熄灭火焰的第二个主要原因。     

泄压条件下管道内瓦斯爆炸传播的氮气阻爆

矿井瓦斯爆炸发生后,采用灭火剂进行阻爆,将有助于从根本上消除爆炸的灾难性后果。本文在爆炸管道上设置双喷头,探索喷出N₂来实现阻爆和熄灭火焰。对于四周保持密闭的平直管道,采用不同压力将氮气喷出,但均未能阻止爆炸火焰沿管道的传播。在管道下表面设置开口进行泄压后,可以观测到爆炸过程中大量的高温气团和预混气从该开口流出,并在开口外继续发生反应。结合侧向泄压,当双喷头中左喷头（第二喷头）不喷N₂时,右喷头（第一喷头）所喷N₂在各个压力下也仍未能实现阻爆。但当左喷头（第二个喷头）压力在0.1 MPa及以上时,均能实现阻爆。并且双喷头所喷N₂压力越大,爆炸火焰被阻止和熄灭的位置越靠前。通过侧向泄压使管道内的反应变弱是有利于阻爆的第一个主要原因。侧向泄压使管道内爆炸火焰的传播速度下降,从而喷出更多氮气并获得更长的时间来对预混气进行充分稀释,这是实现阻爆和熄灭火焰的第二个主要原因。     

连通容器气体爆炸流场的CFD模拟

跟单个容器或管道相比,连通容器内气体爆炸会导致较高的爆炸压力和压力上升速率,以至于很多装置或设备不能承受而造成人员伤亡和财产损失。连通容器内气体爆炸强度增加主要是跟气体流动与燃烧过程有关,研究该类气体爆炸机理就必须从爆炸流场着手。本文利用大型计算流体动力学软件FLUENT对气体爆炸流场进行了数值模拟,获得了气体爆炸流场中温度、压力、速度、密度和燃烧速率随时间的变化规律,模拟结果能够比较清晰地反映出气体爆炸的整个过程。研究表明,连通容器中气体燃烧和流动引起未燃气体的压缩和湍流以及湍流诱导的喷射燃烧是系统中气体爆炸强度增加的主要原因,而管道在湍流诱导的喷射火焰中扮演非常重要的角色。     

20L近球形密闭罐内可燃气体流动和火焰传播的数值模拟

采用流体动力学计算软件-FLUENT数值模拟20 L近球形密闭罐进气流场,并分析进气位置、进气速度对进气流场的影响。结果表明:进气流速越大,密闭容器内的压强和气体湍流强度越大;当进气口直径与容器高度比值较小时,罐内压强、速度、湍流强度的最大值都位于进气口的轴线上,轴线左右两边的气体在不同时刻呈相同或相近的流态。模拟了可燃气体爆炸后火焰在罐内的传播过程,得到火焰以点火源为中心,以褶皱球形面向四周扩张,最后对模拟监测的压力值和实验压力传感器采集到的压力值进行比较。直观再现了20 L近球形密闭罐进气时气体扰动状况和近球形密闭罐中心点火的火焰传播过程。     

预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡特性

为研究预混气体爆炸火焰和压力的耦合振荡特性,自行搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1000 mm透明有机玻璃爆炸管道实验平台。实验结果表明,在氧气浓度E和泄爆面积比S变化的条件下,会对CH₄/O₂/N₂预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡产生影响。当氧气浓度E从0.21到0.40变化时,火焰传播时间逐渐缩短,火焰结构发生动态演变,火焰后期的振荡现象愈加明显,同时测到的压力曲线在后期也存在振荡增强现象;当泄爆面积比S从0.125到1.000变化时,E=0.21工况下S=0.125和S=0.250两个工况与其他工况的压力曲线有所不同,出现了一个更高的压力峰值,E=0.30工况下S=0.125也出现了新的压力峰值,E=0.30和E=0.40两种工况的压力峰值都逐渐减小,压力后期的振荡幅值与泄爆面积比有关。     

基于小尺度实验的燃料蒸气-空气预混气体泄爆动力学研究

利用体积为2 L的亚克力材质容器搭建了小尺度可燃气体泄爆实验系统,基于小尺度实验开展了不同泄爆面积条件下的石油燃料蒸气-空气预混气体泄爆过程研究,获得了典型开口率条件下的内外场超压随时间的动态变化特征,分析了开口率对超压及火焰参数的影响,并对泄爆模式进行了分类。研究结果显示：（1）在不同泄爆系数条件下,石油燃料蒸气-空气预混气体的泄爆模式包括泄爆失败诱导的封闭燃烧、泄爆成功诱导的射流燃烧、泄爆成功诱导的外部爆炸,三种泄爆模式的内外场超压-时间动态曲线、超压峰值、火焰传播速度、火焰传播距离均具有显著差异,且小尺度实验与中尺度实验中均出现破膜超压峰值、火焰射流超压峰值、外部爆炸超压峰值Δp₁、Δp₂、Δp₃;（2）当泄爆系数K_v≤39.68时,内场最大超压峰值、外场轴向最大超压峰值、最大火焰传播速度、轴向火焰传播距离均随着K_v的增大而增大,径向火焰传播距离随着K_v的增大而减小;（3）当K_v≤4.41时,外场轴向和径向最大超压峰值分别由外部爆炸引起（Δp_3（ver）和Δp_3（hor））,当7.94≤K_v≤39.68时,外场轴向和径向最大超压分别由火焰射流冲击和泄爆膜破裂引起（Δp_2（ver）和Δp_1（hor））;（4）泄爆成功和泄爆失败的临界泄爆系数在K_v=39.68和K_v=158.74之间,发生外部爆炸和射流燃烧的临界泄爆系数在K_v=4.41和K_v=7.94之间。     

大空间内爆燃泄爆过程数值模拟研究

为研究建筑物等较大空间内气体爆燃泄爆过程,采用Fluent软件对9 m~2的方形空间内部泄爆过程进行数值模拟研究,分析了点火位置、泄爆压力对室内超压的影响。结果表明:泄爆压力对最大超压峰值影响较大;远离泄爆口点火时有最快的火焰传播速度和较大的超压,靠近泄爆口点火时火焰传播速度最慢,在靠近点火位置设置泄爆口能有效减小超压。     

容器内可燃气爆炸时的泄放面积计算

通过气体动力学和热力学分析,导出了球形及圆筒形容器内发生可燃气爆炸时,容器上泄压装置的最适泄放面积计算式,并以乙烯与空气的混合气为爆炸介质、爆破片为泄压装置,在圆筒形容器内进行了大量实验验证.结果表明,理论与实验结果相吻合.     

连通容器内气体爆炸过程的数值分析

为了研究连通容器内气体爆炸强度增加产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,采用k-ε模型和EBU-Arrhen ius混合反应模型,从流体力学和化学反应动力学守恒方程出发,利用大型流体动力学软件F luent 6.1对连通容器内气体爆炸过程进行了数值分析,获得了气体爆炸过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,模拟结果能够比较清晰地反映气体爆炸的整个过程。研究表明连通容器中气体爆炸过程中火焰始终是加速传播的,气体压缩和反流以及喷射火焰是连通容器气体爆炸强度增加的主要原因。     

负直流电场对不同初始压力预混甲烷/空气火焰的影响

在定容燃烧弹中研究了常温（298 K）,初始压力P_initial为0.1～0.5 MPa,加载U=-5、-10 kV直流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果表明：不同初始压力下,加载电压,火焰主要在水平方向发生拉伸变形,加载电压幅值越高,火焰变形越明显,初始压力越高,火焰不稳定性增加,火焰面褶皱增加。加载电压后,火焰传播速率明显提高,电压幅值增大,其提高程度逐渐明显,初始压力增大,其提高程度更加明显,电场对火焰的促进效果更加明显,λ=1.4,U=-10 kV,P_initial=0.1～0.5 MPa时,平均火焰传播速率分别提高35.67%～52.71%。相对于未加载电压,加载电压后,各初始压力下质量燃烧率均增大,随电压幅值升高而升高,且初始压力越大,质量燃烧率变化越明显;火焰的初始燃烧期和主燃烧期均缩短,初始压力越高,缩短程度也越明显,二者相比,初始燃烧期缩短的程度更为明显。     

预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡特性

为研究预混气体爆炸火焰和压力的耦合振荡特性,自行搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1000 mm透明有机玻璃爆炸管道实验平台。实验结果表明,在氧气浓度E和泄爆面积比S变化的条件下,会对CH4/O2/N2预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡产生影响。当氧气浓度E从0.21到0.40变化时,火焰传播时间逐渐缩短,火焰结构发生动态演变,火焰后期的振荡现象愈加明显,同时测到的压力曲线在后期也存在振荡增强现象;当泄爆面积比S从0.125到1.000变化时,E=0.21工况下S=0.125和S=0.250两个工况与其他工况的压力曲线有所不同,出现了一个更高的压力峰值,E=0.30工况下S=0.125也出现了新的压力峰值,E=0.30和E=0.40两种工况的压力峰值都逐渐减小,压力后期的振荡幅值与泄爆面积比有关。     

高开启压力条件下粉尘爆炸泄压火焰特性

为得到高开启压力条件下粉尘泄爆过程中火焰传播特性,采用20L球形爆炸装置,在开启压力为(0.78~2.1)×10⁵Pa的条件下对粉尘浓度为400~900g/m³的玉米粉尘开展爆炸泄放试验研究。结果表明：火焰泄放过程分为点火与破膜、欠膨胀射流火焰、湍流射流火焰、湍流燃烧火焰、火焰回燃5个阶段,最大火焰宽度出现在火焰泄放过程的第2阶段,最大火焰长度出现在火焰泄放过程的第3阶段;不同开启压力下,泄爆火焰长度和火焰传播速度随时间先增大后减小;泄放火焰最大宽度变化范围为0.146~0.269m,泄放火焰的最大长度变化范围为0.41~0.666m。通过预测计算得出泄放火焰可能出现的最大范围为S_max1=0.179m²,采用MATLAB软件定量计算求得的泄放火焰可能出现的最大范围的横截面积为S_max2=0.122m²,定量计算得到的S_max2达到预测值S_max1的68%。     

基于气固两相反应流的温压炸药能量释放规律数值模拟及实验验证

为研究气体环境、铝粉含量、空间体积对温压炸药能量释放的影响,基于气固两相反应流模型,建立有限差分-物质点耦合算法,对温压炸药密闭容器内爆炸流场演化进行数值模拟及实验验证。结果表明,温压炸药在空气环境中爆炸释放的能量高于氮气中,壁面冲击波峰值压力和空间准静态压力的增幅分别在20%和80%以上,空间准静态压力随空间体积的增大呈先增大后减小的趋势;铝粉含量越高,冲击波在传播过程中衰减得越慢,空间准静态压力越高;铝粉燃烧反应度随空间体积的增加而下降,当比空间体积超过100m³/kg时,反应度下降到90%以下,且铅粉含量越高,其反应程度越低。