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。