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。     

点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响

为研究不同点火位置下氢气/甲烷/空气预混气体的爆燃特性，改变点火位置IP和氢气添加比例φ，在100 mm×100 mm×1000 mm方形透明管道实验平台上开展爆燃实验。实验结果表明：火焰结构向泄爆端和封闭端传播时受点火位置和氢气添加比例的控制，当火焰向泄爆端传播时，郁金香火焰的形成因素由IP主导，当火焰向封闭端传播时，IP及φ共同作用于郁金香火焰的形成；IP和φ对火焰前锋演化的作用模式可以分为3类；当混合气体中φ小于0.25时，氢气添加对火焰传播速度的影响不明显；当φ不超过0.75时，仅当IP位于管道中后部时，超压出现周期性振荡，且点火位置距泄爆端越近，振荡时间越长；当为纯氢爆炸时，不同点火位置下压力振荡消失且到达最大压力峰值的时间基本一致；当φ不同时，最大压力峰值随点火位置的变化规律不同。     

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。     

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。     

点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响

为研究不同点火位置下氢气/甲烷/空气预混气体的爆燃特性,改变点火位置IP和氢气添加比例φ,在100mm×100 mm×1000 mm方形透明管道实验平台上开展爆燃实验。实验结果表明:火焰结构向泄爆端和封闭端传播时受点火位置和氢气添加比例的控制,当火焰向泄爆端传播时,郁金香火焰的形成因素由IP主导,当火焰向封闭端传播时,IP及φ共同作用于郁金香火焰的形成;IP和φ对火焰前锋演化的作用模式可以分为3类;当混合气体中φ小于0.25时,氢气添加对火焰传播速度的影响不明显;当φ不超过0.75时,仅当IP位于管道中后部时,超压出现周期性振荡,且点火位置距泄爆端越近,振荡时间越长;当为纯氢爆炸时,不同点火位置下压力振荡消失且到达最大压力峰值的时间基本一致;当φ不同时,最大压力峰值随点火位置的变化规律不同。     

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。     

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。     

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。     

负压环境对炸药爆炸冲击波影响的实验研究

为了研究负压环境对炸药爆炸冲击波的影响,在自制可调真空度爆炸容器中进行负压爆炸实验,采用PCB压力传感器测量罐体轴线固定位置点的冲击波超压,分析了在0、-20、-40、-60、-80、-90、-99kPa等不同负压环境下罐体内测点爆炸冲击波反射超压时程曲线。结果表明,爆炸环境负压降低,测点一次、二次冲击波峰值超压随之降低,在-40kPa和-99kPa负压环境下超压降低显著;爆炸冲击波速度大小与传播介质密度相关,即环境负压越低,气体越稀薄,冲击波传播速度越快;爆炸冲击波速度随环境负压降低而升高,与超压降低强度无相关性;负压环境不改变容器内实验雷管爆炸的气体产物生成量;在近似真空环境中,爆炸冲击波主要以爆轰产物为传播介质,冲击波速度提高受限于爆轰产物运动速度,强度弱,衰减迅速。     

Modeling of Dust Explosion in the Industrial Spray Dryer

Standard ANSYS FLUENT software was used to model a dust explosion inside a counter current spray-drying tower by replacing the dust with a flammable gas–air mixture. Two sets of computational fluid dynamics (CFD) calculations for a dust explosion in the tower were carried out at a uniform gas concentration and variable concentration in the dryer, which reflect the distribution of wet and dry powder zones in the spray dryer. The CFD calculation showed that a dust explosion developed from the ignition point mostly to the upper part of the tower. The temperature, velocity, and reaction profiles followed the same upward pattern. Results of the calculations allowed us to determine the position and parameters of venting devices that should be installed to minimize the risk of damage to the dryer construction.     

Analytical and numerical assessments of local overpressure from hydrogen gas explosions in petrochemical plants

Accurate prediction of pressure rise is important for safety assessments of a petrochemical plant in the event of an explosion accident. The sudden pressures arising from gas explosions at various hydrogen concentrations in air have been predicted analytically and numerically. These solutions were compared against experimental data. The analytical solution, based on the self‐similar solution for pointwise strong explosions in an open space, which assumed no energy loss and premixed fuel‐air mixture, reasonably predicted the explosive‐ignition detonation case while the numerical solutions were more suitable to model spark‐ignition deflagration cases that accounted for the effect of turbulence arising from three‐dimensionality and presence of obstacles in the computational domain. Comparison of both analytical and numerical results against experimental data indicates that their differences are within a 30% margin. The analytical model presented herein can be useful for field engineers who want conservative estimates of the overpressure resulting from explosive‐ignition detonation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸内场超压荷载的影响

构建了汽油蒸气泄压爆炸实验系统,研究了开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸过程中内场超压荷载的影响规律,研究结果表明：汽油蒸气泄压爆炸会导致内场形成多个超压峰值,其中最大峰值由泄压爆炸膜破坏所形成;随开口率的增大,P₁数值近似呈线性下降,P₂的数值近似呈指数下降,外场火焰的Rayleigh-Taylor不稳定强度增加,Helmholtz振荡的持续时间延长;点火源类型对最大超压峰值和平均升压速率大小均有影响,不同点火源类型下超压峰值和平均升压速率的数值从大到小排列分布依次为高温灯丝 > 火药点火杆 > 高能电火花 > 明火点火杆;火焰结构为“火焰外锋面+内部火焰核心”,二者所占的比例受点火源类型的影响。     

无约束气云弱点火爆炸压力实验研究

引　言在可燃气体的输送、贮存、加工和使用过程中由可燃气体泄漏而形成的气云爆炸已给人类社会造成了巨大的人员伤亡和财产损失 ,近年来发生在我国的几起重大气云爆炸事故无不令人触目惊心 ,可见研究气云爆炸成灾模式及防治技术具有重要的社会和经济意义 .要防治可燃气云爆炸给社会造成的巨大灾难 ,首先就要掌握气云爆炸的强度 .关于可燃气云爆炸的研究可分为两大类 :一类是针对军事领域研究由炸药点燃气云从而形成爆轰波的过程[1,2 ] ;另一类是针对工业领域研究弱点火 (通常指点火能量小于10 0Ｊ)条件下的工业气云的爆炸过程[3～ 5] ,这正…     

点火源位置对甲烷-空气爆燃超压特征的影响

开展了化学恰当比φ = 1甲烷-空气预混气在透明方形管道内的爆燃实验研究,改变点火源位置,分析在管道一端闭口一端开口条件下,点火源位置对甲烷-空气预混气爆燃超压特征的影响。实验结果表明:当点火源与闭口端之间距离较小时,时间-超压曲线不发生振荡,随着点火源相对于闭口端距离的增加,超压分别呈微弱等幅振荡、振幅指数增长的振荡,且最大超压峰值随之增加;超压波形与火焰瞬态结构存在密切关联,振荡波形超压峰值的极值点总是位于火焰位置的极值点;当超压发生振荡时,振幅指数增长阶段的振荡周期随时间线性减小,振荡周期与未燃气气柱长度呈现较好相关性;超压振荡的原因在于,泄爆口侧的火焰前沿触发了超压振荡,闭口侧火焰前沿与声波(压力波)在未燃气气柱中相互作用放大了超压振荡。     

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。     

爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性

在水平封闭的直管中,采用自主研制的阻爆实验系统(包括传感器系统、配气系统、数据采集系统、点火系统等)对不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄过程进行了实验研究。结果显示当可燃气体接近当量浓度时(丙烷4.2%、乙烯6.6%、氢气28.5%,均为体积分数),预混气体从点燃到火焰淬熄过程历时非常短,总体可分为4个阶段,缓慢燃烧阶段、快速燃烧阶段、加速燃烧阶段和超压振荡阶段。丙烷-空气、乙烯-空气预混气体在D=80 mm的管道阻火器中,爆炸压力峰值较高。当管道直径增加至400 mm时,爆炸压力峰值逐渐降低,其中乙烯-空气预混气体的爆炸压力峰值仅为3 MPa左右;氢气-空气预混气体的爆炸压力峰值随管径的增加呈递增趋势。对爆轰速度的研究结果表明,丙烷-空气、乙烯-空气预混气体爆轰速度数值相差不大,丙烷-空气预混气体甚至稍高些;而氢气-空气的爆轰速度数值较高。而且随着管径的增加,管壁热损失增大及其阻力因素等原因影响使预混气体爆轰速度趋向平稳。最后,从经典传热学理论出发,推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系。并结合实验数据,提出了爆轰安全阻火速度的计算方法,为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。     

CFD Analysis of Dust Explosion Relief System in the Counter-Current Industrial Spray Drying Tower

The aim of the paper was to evaluate the performance of venting devices in an industrial counter-current spray tower during dust explosion using a CFD model and EN14491:2006 standard. Three-dimensional CFD simulations of dust explosion in the spray tower for six different configurations of safety vents located at the top and side walls of the dryer were carried out. In the calculations, in which dust was replaced with a flammable gas-air mixture, the following parameters of dust explosion were analyzed: reaction progress, maximum and average gas temperature, gas velocity, and pressure. Reduced pressures calculated according to EN 14991:2006 standard are close to maximum pressure obtained from CFD simulations for all analyzed spatial configurations of the safety vents, which proves that the CFD model can be used both to design explosion mitigation systems and to describe the mechanism of explosion propagation in the drying chamber. Results of the calculations allowed us to evaluate the performance of analyzed venting devices, to determine the spatial configuration and parameters of venting devices that should be installed to minimize damages of the dryer construction.     

铝粉含量对梯铝炸药爆压和冲击波参数的影响

测试了以TNT为基不同含量含铝炸药的爆压和空中爆炸冲击波参数,通过分析铝粉对炸药爆压、空中爆炸参数和爆炸冲击波超压的影响,建立了爆压与铝氧比的关系曲线、5种TNT基含铝炸药的冲击波相似律方程和TNT/Al炸药的爆压与空中爆炸冲击波超压的关系式.结果表明,随着铝粉含量的增加,炸药的爆压呈指数衰减,近距离的冲击波超压也快速减小,但爆炸场温度和爆炸火球的直径及持续时间会增大.