惰化条件下甲烷燃爆火焰特征试验与数值模拟分析

为分析甲烷惰化极限条件下燃爆火焰特征,采用高速纹影对20 L球形装置内CO_(2)惰化抑制CH4燃爆的火焰图像进行采集,并利用数值模拟方法对燃爆过程进行重现。通过观察和分析火焰形状的演化过程、火焰熄灭现象以及火焰传播速度,可掌握浮力主导下的燃爆火焰的特征,揭示惰化条件下燃爆火焰形态演化机理和各方向扩展速度演化,分析导致火焰熄灭的原因。结果显示:爆炸初期,火焰在各方向扩展速度相同,火焰形态呈“球”形。之后,添加较少CO_(2)的工况中,火焰各方向扩展速度基本相同,一直呈“球”形。在惰化极限的工况中,火焰的已燃区和未燃区内体积分数差显著增大,与惰化弱的工况相比,浮力变得显著,“球”形火焰将转变为“ω”形火焰,且火焰出现整体上浮或熄灭现象。火焰上浮过程中,向下扩展的速度出现负值,且明显大于两侧速度。此外,数值模拟可以补充试验中视窗以外的火焰部分,模拟结果显示火焰在上浮过程中底部向上速度逐渐增大,且明显大于两侧速度,导致火焰面底部中心出现凹陷,最终形成“ω”形火焰。“ω”形火焰在上浮过程中,会与周围未燃气体或容器壁面换热进而导致火焰熄灭,但整个过程没有产生超压。

基于热棒降温技术的自燃煤堆热迁移行为数值模拟

为研究热棒作用下煤堆内部传热行为特征及冷却效果,在物理实验基础上,建立了煤堆-热棒系统复合传热模型,采用ANSYS模拟软件,对自燃煤堆在热棒作用下温度场进行数值模拟。通过分析有、无热棒时煤堆内的温度场及温度等值线的变化,对热棒的降温效果进行评价。结果表明,热棒可以改变煤堆内部的热传导路径,帮助煤堆散热。热棒的存在可以使温度等值线向热端移动,而且越靠近热棒位移量越大,形成包围热棒的"马鞍状"降温模态。根据热棒对松散煤体降温的效果,把热棒的作用范围划分为"敏感区"、"过渡区"、"迟钝区"三区,来有效判断热棒的降温半径,给实际应用中控制热棒的密度提供参考。对比实验和模拟结果,模拟值与实验实测值相近,精度较高。

N2和CO2惰化丙烯爆炸极限参数实验研究

为得到惰化条件下丙烯的爆炸极限参数的变化规律,采用标准的可燃性气体爆炸极限测试装置(GB/T 12474-2008),测试研究了N2和CO2对丙烯的爆炸极限、临界氧浓度和最小氧浓度的影响,并绘制了C3H6-N2/CO2-Air爆炸三角形图,对比分析了N2和CO2对丙烯爆炸极限参数的惰化效果。结果表明,添加N2和CO2都会缩小丙烯爆炸极限范围,减小爆炸的危险度。N2惰化条件下,丙烯爆炸上下限重合时N2添加量为49%,临界氧浓度为9.79%;在CO2惰化条件下,丙烯爆炸上下限重合时,CO2的添加量为34%,临界氧浓度为12.94%。在丙烯浓度不变的情况下,发现CO2惰化氛围下的最小氧浓度值均高于N2惰化条件下的。两种惰化工况下的丙烯爆炸三角形结果显示,在CO2惰化的爆炸区域明显小于N2惰化下的;当添加惰性气体使丙烯处于完全惰化状态时,CO2的窒息比和添加量均小于N2。本文的实验数据及结论可为进一步研究丙烯爆炸和工业丙烯安全防爆工作提供理论基础。

多孔障碍物对预混火焰传播的影响

以甲烷为代表性气体,研究了半封闭管道中设置多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响,基于大涡模拟对实验进行了重现,对比了实验与模拟中火焰传播过程的形状、位置及速度,分析了模拟结果中火焰穿过障碍物前后的流场和表面积变化,给出了衡量火焰褶皱程度的指标及算法。结果表明:大涡模拟结果与实验结果有较好的一致性;火焰在存在障碍物的管道内传播,经历层流快速膨胀、受阻回流、湍流快速发展和脉动减速4个阶段,各阶段火焰依次分别呈现加速、减速、二次加速、二次减速的波动变化;当可燃气体在开口与点火位置同端的管道内爆炸,火焰在接近障碍物时,受管道封闭端和障碍物约束显著,而出现脉动回流现象;火焰穿过多孔障碍物后,传播速度骤升至峰值,较未穿过障碍物前的最大速度可增加58.7%;障碍物是导致火焰面破碎以及面积褶皱率增大的直接原因,火焰褶皱率最大可达44.8%,比未穿过障碍物前的最大褶皱率增大39.27%。

金属丝网对甲烷/空气预混火焰管道内传播的影响

为研究管道内金属丝网对甲烷/空气预混火焰传播的影响,通过实验和三维数值模拟研究安装金属丝网的管道内火焰传播特性以及流场、温度场的变化。结果表明:40目4层的金属丝网可以使火焰淬熄,30目4层的金属丝网无法淬熄,但可以使火焰停滞3 ms;大涡模型可以很好地对管道内火焰淬熄现象进行模拟;当火焰穿过30目4层金属丝网时,速度增大,在Kelvin-Helmholtz不稳定和Rayleigh-Taylor不稳定的耦合作用下形成湍流;金属丝网的目数会影响热量在丝网层中的扩散,当金属丝网为30目4层时,火焰热量扩散快,而当金属丝网为40目4层时,火焰热量扩散慢且温度大幅度衰减,衰减率达到83%。

不同位置多孔障碍物对预混火焰传播的影响

为进一步明确预混火焰的传播机制,试验研究半封闭管道不同位置处多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响;利用高速摄像机拍摄火焰传播过程,分析火焰穿过障碍物前后的形状及动力学变化;同时利用边缘算子检测火焰边缘,并计算火焰边缘长度,衡量火焰的褶皱程度。结果表明:火焰在顶端封闭的管道内传播时会出现回流现象。相比无障碍物工况,管内设置的多孔障碍物会诱导火焰锋面褶皱加剧,从而增大火焰边缘长度,缩短火焰在管道内的传播时间。此外,障碍物距点火位置越远,对火焰的影响越显著;与无障碍工况相比,当障碍物在100 mm处,火焰最大传播速度被提高54%,管道内传播时间被缩短76.2%,火焰边缘长度被增大52.7%。