Numerical simulation of flow in Hartmann resonance tube and flow in ultrasonic gas atomizer

The gas flow in the Hartmann resonance tube is numerically investigated by the finite volume method based on the Roe solver. The oscillation of the flow is studied with the presence of a needle actuator set along the nozzle axis. Numerical results agree well with the theoretical and experimental results available. Numerical results indicate that the resonance mode of the resonance tube will switch by means of removing or adding the actuator. The gas flow in the ultrasonic gas atomization （USGA） nozzle is also studied by the same numerical methods. Oscillation caused by the Hartmann resonance tube structure, coupled with a secondary resonator, in the USGA nozzle is investigated. Effects of the variation of parameters on the oscillation are studied. The mechanism of the transition of subsonic flow to supersonic flow in the USGA nozzle is also discussed based on numerical results.

Hartmann共振管及超音速雾化喷嘴流场的数值模拟

采用基于Roe解法的有限体积法,对Hartmann共振管中的气体流场进行了数值模拟,研究了当喷嘴轴线处存在针型激励器的情况下流场的振动情况,数值计算的结果与理论和相关的实验结果符合得较好.计算结果表明移除或引入激励器,将会使Hartmann共振管的共振模式发生转换.通过对超音速雾化喷嘴流场的数值模拟,研究了其中Hartmann共振腔和二级共振腔共同作用下的振动现象以及各物理参数对振动的影响,并对喷嘴中气流从亚音速向超音速的转变机理进行了研究.

带阶梯型谐振腔的Hartmann低频超声雾化喷嘴设计及试验

针对目前雾化栽培领域所用喷嘴无法兼具雾滴粒径细小及大雾化量特性的问题,该文设计了一种带阶梯型谐振腔的流体动力式Hartmann低频超声雾化喷嘴,为了使喷嘴喷雾方向可控,对雾化区域进行了流场主动控制,即在喷雾出口区域设置了圆锥罩,通过数值模拟研究了小尺寸阶梯型谐振腔的振动特性,对其雾化效果进行了试验对比。结果表明:在相同参数条件下,当阶梯型谐振腔第二级阶梯孔与第一级阶梯孔深度比超过2时,其谐振频率达到了传统圆柱型谐振腔谐振频率的1.6~1.7倍;圆锥罩的加入使得腔内流体压力振幅变大,初段起振特性更优;阶梯型谐振腔两级阶梯孔孔径比是影响阶梯腔谐振特性的重要因素,阶梯孔孔径比的改变会使阶梯型谐振腔的谐振模式由"回流模式"转变为"尖声模式"或使谐振现象消失;带阶梯型腔体的低频超声雾化喷嘴比带普通圆柱型腔体喷嘴的雾化效果更好,在0.1 MPa^0.5 MPa的进气压力下,前者比后者雾滴粒径小2~6?m;阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴在加装圆锥罩之后,低压时的雾滴粒径随供气压力变化更大,而在高压时,其雾化效果与没有加装圆锥罩的阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴相比基本一致;索太尔平均粒径SMD(Sauter mean diameter)随Laval管出口与谐振腔之间的距离的变大呈现出先变小后变大的趋势,SMD的变化趋势与腔内声压级SPL的变化趋势基本一致。雾化量为2 L/h下时,阶梯腔式超声雾化喷嘴的最小雾滴粒径为42μm。该研究可为阶梯腔式超声雾化喷嘴在雾化栽培领域的应用提供参考。

MgH_(2)粉尘火焰传播过程与热辐射特性

为了探究MgH_(2)粉尘爆炸火焰传播过程及其热辐射特性,采用改进后的哈特曼管装置对其进行点火实验,通过高速摄像机、热辐射仪和红外热成像仪同步记录MgH_(2)粉尘的火焰传播、热辐射通量和温度场变化过程。结果表明,点火后MgH_(2)火焰持续增长形成连续的燃烧区域,达到最大值后开始衰减并出现离散状火焰;粉尘质量浓度在150~1000g/m^(3)范围内,火焰前锋阵面的最大传播高度和最大传播速度随着质量浓度的增大呈现出先增大后减小的规律,均在750g/m^(3)时最大,分别达到1138mm和45m/s;热辐射通量随着粉类质量浓度的增加逐渐增大,在火球正上方的3号热辐射通量最大值达到31.7kW/m2,远高于火球两侧的1号和2号热辐射通量;火焰中心区域温度最高,向四周逐渐降低,高温区集中在火焰上部。

含CO_2天然气的可燃极限与燃爆压力

采用改进的Hartmann管作为测试主体测试了室温常压下含CO2天然气的可燃极限和燃爆压力,得到了含CO2天然气在三角坐标系下的可燃性图表和燃爆压力的变化规律。研究表明:与纯天然气相比,含CO2天然气可燃范围缩小,燃爆威力降低;当泄漏天然气与air的混合物中CO2的体积分数超过13.86%时,混合气体将失去燃爆性;处于燃爆范围的CH4/air/CO23组分混合气体,燃爆压力随CO2与CH4体积分数比的增大而减小。

石松子粉最小点火能试验研究

采用1.2 L哈特曼管最小点火能测试装置,研究了中位径为32μm的石松子粉的最小点火能量随粉尘浓度、点火延时以及喷粉压力之间的变化规律。试验结果表明:在环境温度为(25±5)℃,环境湿度为30%±5%的条件下,石松子粉的最佳着火浓度750 g/m3,最佳点火延时为90 ms,最佳喷粉压力为0.8 MPa,此时石松子粉的最小点火能达到极小值。在相同的实验条件下有电感的点火方式比无电感的点火方式所需的能量要小。在有电感存在的情况下,石松子粉的最小点火能为10 mJ;在无电感存在的情况下,石松子粉的最小点火能为15 mJ,说明石松子粉对电火花较敏感。

垂直哈特曼管与水平管道中铝粉爆炸特性

为研究铝粉粉尘在封闭空间中的爆炸特性,在其他实验条件相同的情况下研究两种不同的装置下点火延迟时间对铝粉爆炸参数的影响。结果表明:在哈特曼装置中的铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率都小于水平管道,且在最大爆炸压力上升速率上的差距更大。存在一个最佳点火时间使铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率同时达到最大值;哈特曼管中铝粉的最佳点火延迟时间小于水平管道。

1.2L Harttman管式与20L球型爆炸测试装置爆炸猛度实验研究

随着现代工业的发展,粉尘爆炸的危险性几乎涉及到所有的粉体工业部门,因此对粉尘爆炸危险场所进行危险性分析成为一种必然。粉尘爆炸的猛度参数是危险性分析的重要参数,反应了粉尘爆炸的猛烈程度,同时也是设计和选用泄爆、隔爆、抑爆等不同防爆技术方法的基础。然而,对于不同的测试装置所测得猛度参数有所不同。本文分别利用1.2L Hartmann管与20L球形爆炸装置对玉米淀粉的爆炸猛度参数进行了测试,并对相应结果进行了对比分析。

钛粉尘云最小点火能及抑制技术研究

为评价钛粉着火燃烧危险性,采用1.2L哈特曼管测试装置研究了喷粉压力、钛粉浓度、粒径及惰性粉体SiO2对钛粉尘云最小点火能的影响。结果表明:最佳喷粉压力为0.8 MPa,此时最有利于钛粉着火燃烧;钛粉尘云的最小点火能随钛粉浓度的增大先减小后增大,存在最敏感质量浓度,即1.2kg/m3,此时钛粉尘云的最小点火能最小;钛粉尘云的最小点火能随钛粉粒径的增大而增大;惰性粉体SiO2能有效抑制钛粉的着火燃烧,SiO2的含量越高对钛粉尘云最小点火能的抑制效果越显著,完全抑制质量分数为77%。

粉尘云最小点火能测试方法的比较与分析

在1 2L哈特曼管、20L球、振动筛落管3种粉尘云最小点火能测试装置上对随时间和空间变化并对最小点火能测量有重要影响的湍流度、粉尘浓度和粉尘分散质量进行了定量测量和比较·在上述3种装置上借助最小点火能测试仪对粉尘云最小点火能进行了测量和比较,对影响最小点火能测量的因素进行了分析讨论·分析与测量表明:粉尘分散方法以及粉尘初始湍流度的大小对粉尘分散度影响很大;气流携带法(20L球)对粉尘的分散最好,堆积法(1 2L哈特曼管)次之,自由下降法(振动筛落管)最差·因此,振动筛落管不适宜作为最小点火能测试装置·

氢化镁对金属混合物最小点火能的影响

为了研究氢化镁(MgH_2)含量对铝(Al)/硼(B)混合体系点火性能的影响,以Al粉为基质,B粉为高能金属添加剂与金属氢化物MgH_2为活性金属添加剂,采用机械混合方式,制备了一种新型三元高能含氢金属燃料。采用1.2 L Hartmann管装置对Al、B、氢化镁(MgH_2)的最小点火能(MIE)进行了测试,并对不同MgH_2含量下的二元金属混合物(Al-MgH_2、B-MgH_2)以及对不同B和MgH_2含量下的三元金属混合物Al-B-MgH_2的MIE进行了对比研究。结果表明,Al、MgH_2的MIE较低,分别为80～100 mJ、5～10 mJ,B的MIE较高,大于1000 mJ;随着混合物中MgH_2含量由10%增加到30%,Al-MgH_2、B-MgH_2的MIE分别由50～70 mJ、大于1000 mJ,降低到10～20 mJ、480～500 mJ。随着三元混合物Al-B-MgH_2中B含量由25%减少到10%,其MIE也由700～800 mJ降到20～30 mJ,并且B含量一定时,MgH_2含量的增加,能明显地降低Al-B-MgH_2的MIE;B粉含量降低到10%时,Al-B-MgH_2混合金属粉的MIE保持在20～40 mJ范围内。

锰粉尘云最小点火能及其抑爆研究

使用1.2L哈特曼管实验装置研究分散压力、质量浓度及惰性粉体对锰粉尘云最小点火能的影响,并分析其作用机理。环境温度为(11±3)℃、湿度为12%±2%,锰粉粒度为≤300目。结果表明:分散压力值为0.7 MPa时最有利于锰粉尘云的燃烧、爆炸;锰粉尘云最小点火能随质量浓度的增大先降低后升高,测得最敏感质量浓度为1g/L,对应的最小点火能为79.85mJ;随着惰性粉体Al2O3·3H2O或SiO2质量浓度的增加,锰粉尘云最小点火能增大;通过对比发现Al2O3·3H2O对锰粉尘云的抑爆效果优于SiO2;Al2O3·3H2O质量浓度为0.167g/L时最小点火能达到了737mJ。

“8·2”昆山事故铝粉爆炸猛度实验研究

针对昆山爆炸事故中抛光铝粉进行实验研究,了解其爆炸危险性。利用Hartmann管对昆山事故铝粉进行爆炸筛选实验,观察其爆炸过程,定性其为爆炸性粉尘。使用20L球形粉尘爆炸罐,以不同的粉尘浓度定量研究昆山铝粉的爆炸猛度,得到最大爆炸压力为1.07 MPa,最大爆炸压力上升速率为91 MPa·s^(-1),爆炸指数为25 MPa·m·s^(-1),属于St2级爆炸性强的粉尘。通过与几种常见有机粉尘和普通铝粉对比,发现昆山铝粉的爆炸猛度比较高,危险性比较大。

不同浓度下点火延长时间对煤粉点火能的影响

为评价煤粉爆炸的潜在危险性,掌握使其燃烧所需的最小点火能及其受浓度和点火延长时间的影响,采用垂直哈特曼管研究不同浓度下点火延长时间对煤粉最小点火能的影响。结果表明:对于粒径为54μm的煤粉,随着质量浓度的增加,煤粉最小点火能先减小后增大,最佳点火质量浓度为750 g/m^3;随着时间的延长,煤粉最小点火能先减小后增大继而趋于平缓,最佳点火延长时间为90 ms。

粉尘爆炸超压及响应研究

为进一步研究粉尘在密闭空间内的爆炸特性参数,采用1.2L哈特曼管作为爆炸主体装置,加载德国进口Omar系列压力传感器,在大气条件下对不同浓度的玉米淀粉和镁粉进行了一系列实验,测得玉米淀粉和镁粉的最大爆炸压力和响应时间,并对其影响因素进行分析。结果表明,随着玉米淀粉和镁粉浓度的增加,最大爆炸压力随之增大,响应时间由短变长,达到一定浓度后又逐渐缩小再延长,并且镁粉相对于玉米淀粉的响应时间更短,爆炸压力更大。

不同煤质煤尘云最小点火能实验研究

为研究不同变质程度煤尘云最小点火能量随煤尘云质量浓度、点火延迟时间和喷粉压力的变化规律,采用煤尘喷射扩散系统、电火花发生系统、哈特曼管体系统及点火能量数据收集传输系统组成的煤尘云最小点火能量测试装置,对褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤的最小点火能量进行测试。结果表明:8种煤质的c-E拟合曲线之间存在明显界限,变质程度越高,E越大,说明煤尘越不容易着火,其爆炸敏感性越弱。无烟煤的最佳着火质量浓度在2.08~2.50g/L范围内,6种烟煤最佳着火质量浓度在2.50~2.92g/L范围内,而褐煤的E总体上随c变化波动幅度相对最小。8种煤尘云最佳着火延迟时间均在1s附近,该时刻喷粉动力与重力沉降效应之间达到最易着火状态。变质程度越低,最佳喷粉压力越小,煤尘云越容易着火,爆炸危险性越大。

燃烧管长度对煤粉火焰传播规律的影响

为评价煤粉爆炸的危险性,掌握煤粉爆炸过程中火焰传播的规律,实验采用垂直的哈特曼管,选择褐煤为研究对象,研究燃烧管长度对煤粉火焰传播的影响,并使用高速摄影机记录火焰的传播过程.结果表明:随着燃烧管长度的增加,煤粉火焰在传播过程中逐渐变细,同时煤粉火焰前锋阵面的最大高度、火焰传播的最大速度不断增加.火焰传播速度整体呈现先增大后减小的趋势.当燃烧管的长度分别为300 mm、600 mm、750 mm和900 mm时,煤粉云的火焰前锋阵面的最大高度分别达到649 mm、808 mm、1003 mm和1010 mm,煤粉云的火焰传播的最大速度分别为5.4 m/s、12.09 m/s、15.0 m/s和18.61 m/s.研究结果可以为保证煤炭的安全开采提供理论支撑.

便携式粉尘爆炸实验演示装置的研发

随着粉体工业的发展，粉尘爆炸的危险性日益突出。对于粉尘爆炸的认识及相关研究在中国起步较晚，相应的用于安全教学及培训的实验器材也比较缺乏。笔者提出了研发便携式粉尘爆炸实验演示装置，该装置采用传统的Hartmann管结构，用高强度镍铬合金钢替代原始的有机玻璃制造管体，以承受爆炸产生的最大压力；管体上、下两部分均采用旋入式结构提高装置的便携性；端盖上设置压力传感器和泄爆膜片连接口。既可以测试爆炸压力信号，又可观测粉尘爆炸的声光效果；利用单片微机系统控制点火延时时间和喷粉时序，使操作简便、精确、可靠、安全；通过调整粉尘浓度和喷粉压力，实现最大爆炸压力和爆炸极限的测试，最大爆炸压力数据经计算机处理后利用数码管显示。该装置具有携带方便，操作简单，爆炸显示效果好，性价比高等特点，可随时随地进行粉尘爆炸测试和教学演示实验。

基于Hartmann谐振腔的雾化喷嘴声场流场特性

采用试验与数值模拟相结合的方法研究了谐振腔孔径、谐振腔深度、谐振腔与射流喷孔距离以及喷嘴压比(NPR)对基于Hartmann谐振腔(HRT)的气动式超声波雾化喷嘴外部流场及声场的影响.结果表明:当喷嘴压比大于2时,喷嘴压比增大对声场频率影响较小;当喷嘴压比小于2时,谐振腔依然能够产生高频声场,但其频率较高喷嘴压比时产生的小.当谐振腔深度小于1倍射流喷孔孔径时,此时高频声场主要由射流的不稳定性引发,声场频率与谐振腔深度经验关系式此时并不适用;当谐振腔孔径大于1.75倍射流喷孔孔径时,声场频率大小有降低趋势.谐振腔与射流喷孔距离与声场频率关系紧密,当谐振腔放置在自由射流压力增大区域时,才可获得理想高频声场.