点火方式对欠膨胀氢气射流爆炸超压影响规律研究

针对自燃点火与电火花点火对欠膨胀氢气射流燃爆超压的变化规律开展实验研究,测量了自燃和电火花两种点火方式在不同释放压力下的爆炸超压与火焰传播速率,分析了初始压力和点火条件对爆炸超压的影响机制。实验结果表明：相同释放条件下,自燃点火比电火花点火引发的管外爆炸超压峰值更高,压力上升速率更快,且自燃点火的发展过程更稳定;随着缓冲罐内释放压力从6 MPa升高到9 MPa,自燃管外爆炸超压峰值先升高后降低,在释放压力为8 MPa时自燃引发的爆炸超压达到最大值15.97 kPa,而电火花点火源处的燃爆超压随释放压力的上升从7.23 kPa先降低至3.17 kPa后升高到4.19 kPa;电火花点火火焰在点火源处形成了不规则形状点火核,同时火焰传播速度大于自燃火焰发展速度。本研究对于加氢站设计和燃爆风险评估具有参考意义。     

含双侧分支结构受限空间油气泄压爆炸超压特性与火焰行为

为研究含有双侧分支结构受限空间内油气泄压爆炸超压和火焰演变特性,进行了不同初始油气体积分数工况下含有双侧分支结构受限空间和长直受限空间内的对比实验。研究结果表明： ①爆炸超压曲线会出现3个典型的超压峰值p₁、p₂、p_max,其中p₁的形成与管道开口端密封材料瞬时破裂有关,p₂与分支结构泄压有关,而p_max受管道内部爆炸强度与火焰加速协同效应影响。②分支结构对爆炸超压有强化作用,当油气体积分数在1%～2%区间,爆炸超压强化程度先增强后减小,且在1.4%～1.8%之间最为强烈。③火焰在分支结构处发生显著的弯曲、褶皱变形,这增大了火焰面积,提高了燃烧速率,加速了流场的传热传质效率,诱导爆炸强度的急剧增大,同时提高了火焰传播速度并增大了最大火焰锋面位置。④火焰在含有双侧分支结构的管道内呈现“半球形火焰--指尖形火焰--平面状火焰--浪花状火焰”形态变化。     

局部开口受限空间油气爆燃的超压瞬变与火焰行为

开展了油气在局部开口受限空间内油气爆燃的实验研究,获得了不同初始浓度下油气爆燃超压及火焰特性。研究结果表明：内场有两个超压峰值,外场仅有一个,开口处出现负压区。内外最大超压大小基本相同,均由外部爆燃形成。随着浓度的升高,超压先增后减,最大超压对应初始浓度为1.88%。火焰的传播过程分为3个阶段,火焰的形态、颜色、各阶段持续时间、直径、平均速度均受初始浓度的影响。随着初始浓度升高,火焰从淡蓝色层流光滑火焰变为亮黄色褶皱火焰,层流传播阶段和加速变形阶段的持续时间先增后减,溃散熄灭阶段的持续时间增加。火球直径与浓度的关系可用三次多项式描述,火焰平均速度随时间的变化可用二次多项式描述。随着开口率的升高,爆燃超压和火焰速度逐渐减小,火球直径先增大后减小。     

局部开口受限空间油气爆燃的超压瞬变与火焰行为

开展了油气在局部开口受限空间内油气爆燃的实验研究,获得了不同初始浓度下油气爆燃超压及火焰特性。研究结果表明:内场有两个超压峰值,外场仅有一个,开口处出现负压区。内外最大超压大小基本相同,均由外部爆燃形成。随着浓度的升高,超压先增后减,最大超压对应初始浓度为1.88%。火焰的传播过程分为3个阶段,火焰的形态、颜色、各阶段持续时间、直径、平均速度均受初始浓度的影响。随着初始浓度升高,火焰从淡蓝色层流光滑火焰变为亮黄色褶皱火焰,层流传播阶段和加速变形阶段的持续时间先增后减,溃散熄灭阶段的持续时间增加。火球直径与浓度的关系可用三次多项式描述,火焰平均速度随时间的变化可用二次多项式描述。随着开口率的升高,爆燃超压和火焰速度逐渐减小,火球直径先增大后减小。     

网状高分子材料装填工艺对油气爆炸抑制实验研究

为研究网状高分子材料装填工艺对油气爆炸抑制影响规律,搭建了截面边长100 mm,壁厚10 mm、长度1000 mm、耐压2 MPa的可视化方形管路装置实验系统,分析爆炸超压、升压速率、火焰强度和火焰传播等爆炸特性参数.结果表明:网状高分子材料对油气爆炸产生的爆炸超压、升压速率和火焰强度等特性参数有明显得抑制作用;保持填充位置不变,随着填充率的增加,最大爆炸超压和升压速率降幅由68.04％和79.12％逐步上升到94.35％和97.8％,火焰强度明显减小,火焰传播得到明显阻止;保持填充率不变,随着改变填充位置逐步远离点火端,最大爆炸超压和升压速率降幅由68.04％和79.12％逐步下降到26.52％和1.84％,火焰强度明显增大,火焰传播得到明显增强.     

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。     

小尺度受限空间内瓦斯湍流爆燃大涡模拟

构建了150 mm × 150 mm × 500 mm小尺度受限空间三维模型,基于火焰表面密度模型和Charlette湍流燃烧模型,对两侧连续障碍物条件下瓦斯爆燃火焰与湍流耦合过程进行了大涡模拟(LES)。模拟结果均与实验结果进行了比较。结果表明:大涡模拟可以很好预测瓦斯爆燃过程中的火焰结构、火焰锋面位置、火焰传播速度及超压,验证了大涡模拟及湍流燃烧模型对于瓦斯爆燃的适用性。此外,通过Karlovitz数定量描述了瓦斯爆燃火焰与湍流之间的相互作用及其变化规律,并对不同时刻的火焰模态进行了判别,在两侧连续障碍物条件下瓦斯湍流爆燃火焰先后经历波纹小火焰和薄反应区两种模态。     

固体火箭发动机的热安全性研究

采用带源项的热传导方程,对固体火箭发动机在外界热源作用下的加热过程进行了数值模拟,分析了固体发动机内推进剂在外界热源作用下的燃烧特点,并确定了发动机产生热危险性的临界温度和起始燃烧时间。研究结果表明,在热传导方程中加入化学反应源项,可以有效地模拟发动机在外界热源作用下的加热过程;推进剂产生热危险性的临界温度为520～525K;在外界火焰作用下,发动机内的推进剂将点火燃烧,随着外界火焰温度的上升,推进剂起始燃烧的延迟时间减少。     

小尺度受限空间内瓦斯湍流爆燃大涡模拟

构建了150 mm×150 mm×500 mm小尺度受限空间三维模型,基于火焰表面密度模型和Charlette湍流燃烧模型,对两侧连续障碍物条件下瓦斯爆燃火焰与湍流耦合过程进行了大涡模拟(LES)。模拟结果均与实验结果进行了比较。结果表明:大涡模拟可以很好预测瓦斯爆燃过程中的火焰结构、火焰锋面位置、火焰传播速度及超压,验证了大涡模拟及湍流燃烧模型对于瓦斯爆燃的适用性。此外,通过Karlovitz数定量描述了瓦斯爆燃火焰与湍流之间的相互作用及其变化规律,并对不同时刻的火焰模态进行了判别,在两侧连续障碍物条件下瓦斯湍流爆燃火焰先后经历波纹小火焰和薄反应区两种模态。     

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。     

基于OH-PLIF的狭长受限空间油气爆炸中间基团浓度分布研究

为了精确测量狭长受限空间油气爆炸过程中的关键自由基团,从而实现对其爆炸流场、火焰传播的精确分析,基于先进的平面激光诱导荧光测量技术（PLIF）,设计构建了油气爆炸PLIF测量系统,开展了不同工况下狭长受限空间汽油-空气混合气爆炸实验研究,获得了该爆炸中间基团OH基的浓度分布。实验结果表明,1.1%~2.4%（体积分数）油气浓度之间,OH基浓度先增大后减小;随火焰的传播发展,OH基浓度不断变大,表明爆炸不断强化;爆燃不同时期OH基分布情况不同,表明不同爆燃阶段的燃烧反应区域有较大差异;爆燃前期火焰与壁面之间有“隔离带”,是由未燃气浓度增大导致火焰传播变慢的结果。主要创新点在于通过设计时序控制子系统,解决了非稳态预混燃烧中自由基分布瞬态测量。     

Study on concentration distribution of radical groups of gasoline-air explosion in long-narrow confined space based on OH-PLIF

To measure the key free radicals of the gasoline-air explosion in long-narrow confined space accurately, which is important to the accurate analysis of the explosion flow field and the flame propagation, an experimental study on the gasoline-air mixture explosion in a long-narrow confined space is designed based on the planar laser induced fluorescence system (PLIF),and the experiments in different conditions of the gasoline-air explosion in long-narrow confined space are carried out. The concentration distributions of the OH radical of those are obtained. The results of experiments show that the concentration of OH radical rises and then descends among the gasoline concentrations of 1.1%—2.4%(volume fraction); the concentration of OH radical rises steadily along with the development of flame propagation, which means the explosion is strengthen; the distributions of the OH radical are different in different explosion stages, which means the combustion reaction area in different explosion stages differs a lot; there is a "isolation belt" between the flame and the wall, which is the result of the slowing of the flame propagation caused by the concentration increase of unburned gasoline. The main innovation is to solve the transient measurement of free radical distribution in unsteady premixed combustion by designing the timing control subsystem.     

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。     

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。     

筛孔障碍物对半球气云爆燃压力增长机制的影响

在体积为2000m³的实验基地,进行了半球面筛孔形障碍物对半球形气云爆燃压力的增长机制影响的实验研究。可燃介质是浓度为7.8%的半球形乙炔-空气混合气云,气云内置半球面筛孔形障碍物,爆燃压力由精度为0.5级、动态响应时间小于1ms的压力变送器感受,点火装置为符合国际标准ISO6184 “Explosion Protection System" 和美国标准NFPA68Guide For Venting of Deflagrations"的电火花点火。火焰传播过程的图像记录显示,爆燃火焰在遇到障碍物之前基本上以球面向外扩展,经过障碍物后会发生显著扭曲和折叠,燃烧速率增大。压力场测试结果表明,障碍物孔隙率越小、半径越大、层数越多,爆燃压力就越高。     

加氢裂化循环气支链爆炸形态的区划与应用

对加氢裂化循环气与相关可燃性气体支链爆炸的特性及其应用进行了系统的研究.探索了浓度爆炸极限、爆炸形态与波形及其影响因素;根据爆炸形态与波形的不同,提出了对加氢裂化循环气爆炸形态科学区划的新理念;在爆炸极限内,可以进一步区划4种爆炸形态(冷焰、爆燃、爆轰、爆燃向爆轰转化),与7个爆炸区域（上、下冷焰区,上、下爆燃区,上、下爆燃向爆轰转化区,爆轰区）,并探讨了不同爆炸形态压力波的发展机制.对进一步研究相关的多元支链爆炸体系,促进多元支链爆炸理论的发展,具有一定的理论价值.实验测得了爆炸危险度、火焰蔓延极限、最小点火能等特性参数;引进了“关键组分”的概念,指出加氢裂化循环气的多元体系,引发爆炸的物质是关键组分H₂和氧化剂O₂;探讨了制订防爆安全指标的依据与方法.对于预防混合气体支链爆炸事故的发生、指导防爆电气设备与阻火器的设计、指导支链燃烧与支链爆炸的实践,具有参考价值.     

浓度和点火位置对氢气-空气预混气爆燃特性影响

开展了氢气-空气预混气在透明方管内的爆燃实验研究,分析在一端开口一端封闭的狭长空间内,浓度和点火位置对氢气-空气预混气爆燃特性的影响。实验结果表明：氢气浓度和点火位置对火焰锋面结构以及发展有重要影响;各当量比条件下,均在距封闭端100 mm位置点火时反应最为迅速;在极贫燃或极富燃条件下,点火位置对火焰发展影响更大。氢气浓度与点火位置共同作用于压力波形,以距封闭端300 mm点火位置为界,分别在管道前后两段点火时,不同当量比条件下超压波形呈现复杂变化。超压峰值对氢气浓度具有极强依赖性,并且浓度对爆燃超压的影响程度远大于点火位置;在各点火位置下,均在Φ = 1.25时获得最大超压;最大超压对应的点火位置取决于当量比。