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。

热壁条件下油气的热着火现象

设计了高温热壁油气热着火实验系统，对受限空间油气混合气体在热壁条件下的热着火现象进行了实验研究。根据实验结果，详细讨论了油气混合物的着火方式、临界着火温度、着火压力范围以及体积分数、温度的变化规律。实验发现：热壁条件下油气混合物引燃分为油蒸气的热裂解-油气快速氧化反应-油气急速氧化反应3个阶段；油气混合物着火模式为燃烧、热爆燃和热爆炸；油气在汽油自燃点附近开始快速化学反应，热着火临界温度高于汽油自燃点近80K；温度特征曲线在着火时具有突变性质；热壁温度达到783～873K时，存在压力范围为2．2～17．6kPa的三角形油气热着火压力半岛。

T型分支管道对油气爆炸强度的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气混合物爆炸强度的影响规律,测试了不同初始体积分数条件下直管和具有T型分支管中爆炸波超压值,并利用有机玻璃透明管道对火焰传播规律进行了可视化研究。得到以下结论:(1)T型分支管道对油气爆炸有强化作用,在油气体积分数为1.2%至1.6%范围内表现最明显;(2)T型分支管道对油气爆炸的强化作用受管道横截面突扩和障碍物扰动以及波的反射、绕射三方面的影响;(3)火焰经过分支管道时,火焰阵面发生极大的扭曲,火焰表面积显著增大,燃烧速率增大,增强了热量和活性物质的输运速率,提高了爆炸波的强度;(4)在T型分支管道附近,油气爆炸的压力突变增强,是由压力波反射、绕射引起的温升效应和压力波引起湍流强度增强共同导致。

点火方式对受限空间油气爆燃规律的影响

通过可视化和数据分析方法,针对电火花、突遇高温热壁、直接加热热源和持续加热热壁4种常见的点火方式,对油气在受限空间的整个爆燃过程进行了对比分析。不同点火方式下油气爆燃的起燃条件、起燃速度、火焰结构、火焰颜色存在很大的区别,并进行了细节分析。尽管油气在受限空间的爆燃过程都呈现出4个阶段,但火焰颜色、持续时间对不同的点火方式是不同的。通过对最大爆炸超压和超压典型曲线的分析,最大爆炸超压由大到小的点火方式依次是突遇高温热壁、电火花、直接加热热源和持续加热热壁,并分析了受限空间中超压曲线的典型特征。

障碍物数量对油气泄压爆炸特性的影响

为了研究障碍物数量对油气泄压爆炸传播特性的影响,选取了高(2.1%)、中(1.7%)、低(1.3%)3种初始油气浓度,在半开口全透明有机玻璃管道内进行了一系列油气泄压爆炸对比实验。结果表明:(1)半开口管道内油气爆炸超压曲线存在3个典型的压力峰值pv、pmax、pneg;其中pv的大小只与封口材料破裂常数有关,与障碍物数量无关,而pmax的数值大小和pneg的绝对值大小随着障碍物数量的增大而增大,但是到达pmax的时间长短不完全由障碍物数量决定;(2)火焰在传播初期以比较规则的"指尖形"火焰传播,当受到障碍物的扰动之后火焰锋面的规则形状会受到破坏,加快火焰形态从层流到湍流的转捩,并最终在管道外部形成"蘑菇状"火焰,并且管道内障碍物数量越多,这种"蘑菇状"火焰越明显;(3)障碍物对油气爆炸火焰传播具有显著的加速效应,而且随障碍物数量的增大,这种加速效应越明显,获得的最大火焰速度越大;(4)油气爆炸过程的爆炸超压和和火焰传播具有正反馈激励的耦合关系,二者在爆炸演变过程中互相促进,这种耦合关系随着障碍物数量的增大体现得越明显。(5)障碍物数量对油气爆炸pmax和火焰传播速度的增大作用在高浓度(2.1%)和低浓度(1.3%)工况下比中间浓度(1.7%)时体现得更加显著。

端部开口受限空间汽油蒸气爆燃超压特性研究

基于实验研究了端部开口半受限空间内汽油蒸气泄放爆燃特性,获得了受限空间内外爆燃超压的变化规律。研究结果表明:受限空间内部超压随时间变化分为点火孕育期、加速泄流期、外部爆燃期、波动振荡期、衰弱恢复期,爆燃过程中出现多超压峰值现象且伴随有强烈的压力振荡;随着初始油气浓度的增大,受限空间外部爆燃超压先增大后减小,外部爆燃超压最大浓度为1.70%;随着比例距离的增加,受限空间外部超压值呈负指数规律衰减,且横向衰减速率要大于轴向衰减速率。

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。

分支管道长度对油气爆炸强度影响试验研究

为研究不同长度分支管道对油气爆炸强度的影响,搭建不同分支管道试验系统。分别在直管道中和带有分支管道的直管道中进行油气体积分数为1.75%的爆炸试验,并分析爆炸超压值、升压速率、火焰传播速度以及火焰强度等特性参数变化情况。试验结果表明,分支管道对直管内的爆炸超压、升压速率、火焰传播速度、火焰强度和火焰持续时间有强化作用,并且分支管道越长,强化作用越显著,但是较短的分支管道由于面积突扩导致的泄压效应和管壁耗散效应占主导地位,使得分支管道后火焰传播速度下降。

T型分支管道对油气爆炸压力的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气爆炸压力的影响,进行了不同初始油气体积分数、不同初始点火能工况下多参数对比实验,并对火焰传播进行了可视化研究。实验结果表明:T型分支管道对油气爆炸压力有强化作用,强化程度和初始油气体积分数关系密切,在当量比附近,强化程度表现最显著;初始点火能对油气爆炸最大超压影响显著,随着点火能的增大,最大爆炸超压呈线性增长;波的绕射和反射、流场湍流度增强、管道通道面积增大和障碍物扰动是导致T型分支管道内爆炸压力增强的主要因素;T型分支管道会导致火焰阵面严重地弯曲褶皱变形,增大火焰面积,并且回传火焰对T型分支结构壁面具有较强的破坏作用。

狭长管道油气爆炸流场分布特征规律及分析

为研究狭长管道油气爆炸流场分布特征规律,搭建了狭长管道油气爆炸实验系统,并在狭长密闭管道中进行了油气爆炸实验。通过采集爆炸超压值和火焰强度值并进行分析,得到以下结论：随着初始油气体积分数的增大,管道沿线最大爆炸超压值和升压速率均呈现先增大后减小的趋势,在1.75%时达到最大,并且初始油气体积分数越接近1.75%,升压速率增大越快;根据管道沿线最大超压分布规律可将初始油气体积分数分为1.25%~1.55%、1.55%~2.20%、2.20%~2.65%3个部分;管道末端出现二次爆炸现象,爆炸超压变化曲线可分为点火延迟、一次爆炸、二次爆炸、振荡衰减4个阶段;火焰持续时间随油气体积分数的增加先下降后上升,油气体积分数为1.75%时火焰持续时间最短。

不同形状受限空间内油气爆燃特性的实验研究

基于实验对4个不同形状的20L容器内的油气爆燃过程进行了研究,探讨了不同形状受限空间内爆炸压力荷载的变化和火焰行为的区别。结果表明:管道(短管和长管)的压力时序曲线较容积式受限空间(球形容器和立方体容器)的压力时序曲线更复杂,并且出现压力振荡;随着初始浓度的增加,超压值和平均升压速率均先增大后减小,在浓度为1.74%时达到最大值,此时,超压从大到小依次为:长管>短管>立方体>球形容器,平均升压速率从大到小依次为:短管>立方体>长管>球形容器;在爆燃初期,立方体中火焰行为为半球状层流火焰→扁平层流火焰,火焰速度先增大后减小,最大速度为12.5 m/s,长管中火焰行为为半球状层流火焰→拉伸指状火焰,火焰速度一直增大,最大速度为40 m/s。

七氟丙烷对狭长受限空间油气爆炸抑制实验研究

为研究七氟丙烷对油气爆炸的抑制作用,研制了主动式油气爆炸抑制装置,搭建了狭长受限空间油气爆炸抑制实验系统,进行了油气爆炸抑制实验,并与无抑爆介质条件进行了对比,分析了爆炸超压值、火焰传播速度和火焰强度等特性参数变化情况。实验结果表明:当以3、4和5 kg七氟丙烷作为抑爆介质时,最大超压值分别下降34.05%、50.78%和55.87%,平均火焰传播速度分别下降72.15%、79.87%和89.23%,火焰持续时间明显缩短,火焰强度减弱;随着七氟丙烷质量的增加,抑爆效果越显著。

当量比对液体燃料旋转爆轰发动机爆轰影响实验研究

为了研究液态燃料连续旋转爆轰波起爆机理和不同工况下的旋转爆轰波特性,采用了环形阵列式精细雾化装置,进行了汽油/富氧空气组合的连续旋转爆轰试验。试验成功起爆并实现了旋转爆轰波的自持传播,爆轰波传播频率为2.1-2.4k Hz,传播速度为1022.2-1171.8m/s。该发动机上旋转爆轰波始终为同向传播模态,存在单波头、双头波和多波头同时存在的混合传播模态,旋转爆轰波传播速度存在亏损。试验工况范围内,旋转爆轰波的传播速度随总推进剂的质量流量增大而增加;在一定工况范围内,同一当量比工况下,旋转爆轰波压力值随总推进剂的质量流量增大而增加;旋转爆轰波压力极大值出现在当量比1.1附近。

狭长受限空间油气爆炸抑制实验研究

为研究气态抑爆介质对油气爆炸的抑制作用,搭建了狭长受限空间油气爆炸抑制实验系统。以二氧化碳和七氟丙烷(FM200)作为抑爆介质,进行了油气爆炸抑制实验,与无抑爆介质条件进行了对比,并分析了爆炸超压值、火焰传播速度、火焰强度以及爆炸产物等特性参数变化情况。实验结果表明:当以二氧化碳和七氟丙烷作为抑爆介质时,最大超压值分别下降28.66%和56.30%,火焰传播速度分别下降60.69%和89.23%,火焰持续时间缩短,火焰强度减弱;在相同条件下,七氟丙烷的抑爆效果优于二氧化碳。

热源条件下油气二次热着火实验

针对实际工况地下受限空间一次着火明火熄灭后,残余气体遭遇局部高温热源而导致的二次热着火的特殊现象进行实验。讨论了油气二次热着火的临界温度、临界浓度、着火强度、着火概率和着火模式。发现油气二次热着火的强度和概率更大,着火持续时间更短。总结出油气一次热着火后遭遇高温热源能否发生二次热着火的综合判据。二次热着火概率与环境温度的关系满足指数关系式Φ=aeb/cT+d。

双波对撞模态下的液态燃料旋转爆轰发动机推力测试研究

在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,分析了双波对撞模态下爆轰波自持的传播特征、时域频域特征和爆轰波高度,测量了发动机模型在双波对撞模态下的一维推力。试验结果表明:在富氧空气(34.3%O_2和65.7%N_2)流量为945.3 g/s、汽油流量为84.3 g/s、当量比为0.82的工况下,爆轰波平均传播频率为2.174 k Hz,平均传播速度为1 051 m/s,爆轰波高度在55~70 mm之间,有效推力为607.3 N,单位面积推力8.587×104N/m2,燃料比冲为735.1 s.推力曲线表明:双波对撞模态下发动机推力波动较大,推力围绕推力平均值振荡,稳定工作阶段发动机振动频率与爆轰波传播频率基本一致。

受限空间油气热着火的简化机理与分析

油气热着火是导致油气火灾的重要原因之一，对油气热着火发生的反应机理研究具有重要的理论和现实意义．通过对正庚烷、异辛烷和C1～C4详细反应机理的模拟研究，得到3个主要结果：一是通过温度敏感性分析、路径分析等方法，获得了油气热着火简化机理，包含47个组分，100个基元反应；二是通过对简化机理的模拟分析发现，随着初始温度的增加，热着火的延迟时间减少，当初始温度小于850K时，延迟时间较长，而初始温度大于900K后，延迟时间相差不多；三是在相同温度和碳氢浓度下，组分浓度越均匀，延迟期越短，大分子浓度越大，延迟期越长，反应后温度越低，小分子浓度越大，反应越充分．

半受限空间油气无约束泄爆外场特性研究

为研究半受限空间油气无约束泄爆外场特性,基于爆炸力学、可燃气体爆炸超压评估法则和化学动力学等理论,建立评估外场爆燃超压的无量纲比例距离模型;采用模拟试验的研究方法,测量外场爆燃超压并记录火焰形态变化过程;基于此,分析外场超压与火焰形态变化规律,提出外场超压-比例距离变化半经验公式。结果表明:外场横纵方向上最大爆燃超压与比例距离成负指数函数关系;流场与火焰间的正反馈作用决定了火焰传播过程中的形态变化。

油气爆炸在细长密闭管道内的振荡传播特性

针对细长密闭管道内汽油蒸气-空气混合气爆炸的振荡传播特性进行实验。研究表明:细长密闭管道内的油气爆炸分为振荡和非振荡两种爆炸模式;振荡爆炸超压呈现出锯齿状振荡特征,其超压增长期由4个阶段组成:第1阶段无明显的压力上升;第2阶段的高压力上升速率与快速的火焰有关;第3阶段的超压振幅以抛物线形式增长,此阶段是否有压力振荡与油气浓度、管道长径比有关,第3阶段的振荡周期随时间减小,振荡周期与火焰锋面前方的未燃区长度有关;第4阶段的超压振幅以指数形式增长,振荡周期趋于稳定并随管道长度的增加呈线性关系增加,振荡周期受到油气浓度的影响;振荡爆炸只在一定油气浓度范围内发生,且振荡爆炸的发生与油气浓度、管道长径比有关;振荡爆炸极限范围及其在油气的爆炸极限内所占比例均随管道长径比的增加而增大。

PFI汽油机油气混合过程三维瞬态数值模拟

以KIVA程序作为三维瞬态模拟软件,对进气道喷油式汽油机(PFI汽油机)采用闭阀喷射模式在3500r/min全负荷工况以及800 r/min怠速工况下单个工作循环内的油气混合过程进行了计算研究.计算表明两工况有着相似的燃油蒸气浓度分布状况,并且点火前时刻两工况下缸内的混合气浓度分布都比较均匀,空燃比的变化范围不大.计算还表明,800 r/min怠速工况下的燃油蒸发状况明显劣于3500 r/min全负荷工况,该工况下气道内不仅存在附壁油膜,而且部分油膜不能在本循环完全蒸发,致使点火时刻缸内的燃油蒸气浓度明显低于3500 r/min工况下的燃油蒸气浓度.