甲烷-空气预混区外含钾细水雾抑爆特性研究

为了解含钾细水雾在综合管廊燃气泄漏场景下的抑爆能力,采用自制的爆炸试验系统,开展含添加剂细水雾位于甲烷-空气爆炸区域外的抑爆试验,分析纯水及草酸钾、碳酸钾、氯化钾3种含钾化合物细水雾对9.5%甲烷-空气爆炸超压与过火范围的影响。研究结果表明:纯水细水雾的临界抑爆雾化质量浓度区间为320~480 g/m^(3);含草酸钾条件下超压下降率随质量分数增加呈现正态累积分布函数(NormalCDF)变化,最佳抑爆质量分数为10%;当雾化质量浓度为480 g/m^(3)、雾滴D32为61.7μm、化合物质量分数为10%时,对应抑爆能力均大于纯水细水雾条件,其中,含草酸钾抑爆能力最强,其次为碳酸钾与氯化钾,峰值超压下降率较纯水细水雾条件分别提高2.32、1.88与1.53倍,过火范围分别缩减46.7%、40%与13.3%。相较于碳酸钾与氯化钾条件,爆炸气体预混区域外含草酸钾细水雾能够吸收更多的爆炸热量、消耗更多的活性自由基。

管道内两相流流型特征对预混式两相雾化特性的影响

预混式两相流雾化方式应用于车载细水雾系统中时具有雾化效果好、雾化压力低的优势,但面临管道喘振、雾流量周期性波动的问题。基于沈阳地铁车载细水雾实际混合系统结构及工况参数,对管道内流型特征开展了实验和数值模拟研究,发现预混式两相细水雾系统中发生的喘振现象主要是因为混合流在管道内疏水过程中形成了段塞流和环状流。通过改变混合流的输送工况参数,可将混合流流型转变为均匀性较强的雾状流和气泡流。结合车载细水雾系统的实际运行工况和空间条件限制,指出通过降低输送管路直径的方法不仅可有效地解决现有系统的喘振问题,而且不影响现有系统的气、液消耗量及系统布置空间。

超细水雾抑制瓦斯燃烧火焰的实验研究

通过搭建模拟回采工作面小尺寸实验平台,利用改造后的家用燃气灶作为燃烧器,研究了可燃预混气体火焰在超细水雾作用下火焰的变化过程,并测得了超细水雾作用于火焰过程中火焰的温度.通过改变通风速度和超细水雾的雾化速率,揭示了可燃预混气体在超细水雾氛围中火焰与温度的变化规律.通过建立稳定火焰面的力和速度平衡,找出了火焰形状拉伸扭曲的原因是破坏了火焰外焰和热气层交界面上力和速度的平衡;在其他条件一定的情况下,向模拟工作面上施加超细水雾后,火焰周围流场扰动明显增大,与在单独通风条件下相比,火焰温度跳动变化幅度和频率增大;在保证超细水雾质量浓度不变条件下,通风速度越大,则混合气体扰动越大,温度的跳动就越大,火焰的燃烧就越不稳定.实验结果表明超细水雾能很好地抑制瓦斯火焰的燃烧.

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C_2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明。当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C_2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO3和MgCl2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl2和NaHCO3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl^−销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO3^-,阳离子Na+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg^2+。

细水雾对置障管内预混气体抑爆机理研究

为揭示细水雾对爆燃的抑制作用以及细水雾的释放位置对甲烷预混气体爆燃过程的影响,设计了4种细水雾释放位置和3种粒径(8、45、80μm)的细水雾共13种工况的实验。结果显示:8、45和80μm细水雾在位置2释放时管内压力分别降低36.59%、65.85%和31.7%。在位置3释放时管内压力分别降低34.15%、56%和39.02%。8μm水雾对爆燃过程具有明显的抑制作用,且对火焰的结构和火焰面的影响较小;45μm水雾和80μm水雾对火焰结构和火焰面产生明显影响,火焰面出现褶皱,并呈现发散状向前扩展,随着水雾粒径的增大这种效果更加明显。细水雾对火焰主要有稀释预混气体、降低局部可燃气体浓度和气化吸热作用。在距点火点最近障碍物上方和两个障碍物之间释放水雾时对管内爆燃抑制效果最显著。

水雾喷洒时间对滑移装置下甲烷爆炸特性影响

为提升滑移装置抑爆效果,在方形管中通入体积分数为9.5%甲烷/空气预混气体,分析细水雾协同不同弹性系数滑移装置作用下,水雾起始喷洒时间对预混气体爆炸特性影响。结果表明:先喷、指尖喷出现坡形火焰二次加速火焰传播,爆炸反应加剧,水雾不同程度充当障碍物加速火焰传播和碰壁断链,缩短火焰熄灭时间;后喷细水雾障碍物作用微弱,利用吸热降温作用抑制火焰传播,熄灭耗时相对较长。在爆炸超压方面,0.22 N/mm、0.42 N/mm 2种弹性系数滑移装置协同作用,先喷情形超压峰值增幅分别为9.25%、16.55%,指尖喷情形则高达88.71%、77.37%,促爆效果明显。后喷有一定的抑爆作用,超压峰值降幅分别为7.11%、2.93%。综上,后喷的抑爆效果优于先喷和指尖喷。

超细水雾抑制预混可燃气爆炸超压的衰减模型

为获得超细水雾作用下预混可燃气爆炸超压的衰减规律,基于自行搭建的超细水雾抑爆系统,开展了不同超细水雾通量抑制三种预混气(甲烷、丙烷、氢气分别与空气预混)爆炸的系列试验,以分析超细水雾通量对爆炸超压的影响规律。结果表明,超细水雾能够有效减弱预混气爆炸超压。随着超细水雾通量增加,在1.25 L爆炸管道中,甲烷、丙烷、氢气预混气的爆炸超压分别减小了17.26%、10.13%、9.50%;在14.4 L爆炸管道中,氢气预混气的爆炸超压减小了11.33%。基于量纲分析法和爆炸相似律,结合试验数据运用regress函数进行回归分析,推导获得了四个爆炸超压衰减模型。误差分析显示,超细水雾通量在0~1 kg/m^(3)范围内时A3和A5模型相对误差在±15%以内,模型预测值与试验测试值吻合度较高。进一步结合另外两组试验数据,验证A3和A5模型的通用性发现,A5模型比A3模型更为准确,表明超细水雾通量在0~1 kg/m^(3)范围内时A5模型更可靠。爆炸超压衰减模型的建立可为抑爆设计提供依据,工程实践时可为爆炸冲击波危害防控提供理论支撑。

超细水雾对氢气-甲烷预混气体爆燃抑制机理的实验研究

为研究细水雾对发生在船舶机舱和上甲板等受限空间甲烷掺氢爆燃事故的抑爆机理及作用效果,搭建预混气体燃爆实验平台,通过改变预混气体组分、超细水雾粒径、水雾喷洒位置和有无障碍物等条件,对抑爆机理进行分析。结果表明:水雾抑爆效果受预混气体燃烧不稳定性、障碍物及水雾喷洒位置的影响。在火焰发展初期,8μm水雾表现出最佳的抑制效果,火焰速度峰值降低37%,超压峰值降低36%;45μm水雾表现出促爆效果,火焰速度峰值提升28%,超压峰值提升14%。在障碍物条件下,改变水雾的喷洒位置,45μm水雾在障碍物附近喷洒表现出最佳抑制效果,火焰速度峰值降低20%,爆炸超压峰值降低35%。根据该研究,在船舶消防系统布置中,应充分考虑预混气体燃烧的不稳定性、障碍物情况和水雾喷洒位置,在火焰发展初期应使用对火焰面结构影响最小的8μm水雾,在障碍物附近应使用45μm水雾,从而最大限度降低事故后果。