含双侧分支受限空间油气爆炸火焰行为与超压特性大涡模拟

为研究含分支结构狭长受限空间油气爆炸特性规律,基于大涡模拟WALE模型和Zimont预混火焰模型,对横截面为100 mm×100 mm的含双侧分支管道受限空间油气泄压爆炸特性进行了数值模拟。通过对火焰形态、火焰传播速度和动态超压3个物理量的对比,验证了所建立模型对于含分支结构受限空间油气爆炸计算的适用性。基于数值模拟结果,对爆炸过程中的流场结构、火焰形态和超压变化规律进行了分析,指出了"浪花状"火焰的形成原因。结果表明:(1)火焰传播进入分支管道前,在主管道和分支管道交界处会产生旋转方向相反的对称涡旋结构,并随着火焰传播不断向分支管道内部发展;(2)当火焰传播进入分支管道后,分支管道内部前期已建立流场决定了火焰的形态,火焰锋面在涡旋结构作用下呈"浪花状",此后火焰和流场相互影响,流场向湍流转捩,火焰锋面褶皱变形;(3)爆炸超压升压过程可划分为4个阶段,受到火焰锋面面积和分支管道泄压共同作用,表明爆炸流场、火焰行为和动态超压呈现出显著耦合性。

密闭约束空间不同预混可燃气体火焰动力学对比数值模拟研究

从安全生产的角度,密闭空间内的预混可燃气体爆燃是基础研究课题。采用大涡模拟和预混燃烧对密闭管内的氢气、甲烷和丙烷进行数值模拟研究后发现,与甲烷和丙烷的燃烧特性相比,氢气的火焰前锋面在演化过程中会出现褶皱和扭曲变形的现象,而甲烷和丙烷的火焰前锋面演化过程中相对光滑,同时3种预混气体在传播过程中也都形成了垂直的火焰前锋面。氢气爆燃后的火焰不仅传播速度最快,而且火焰面积上升速率也最快。超压特性方面,氢气的最大爆燃超压和升压速率都要比甲烷和丙烷大,并且爆炸强度和威力也都高出2个数量级。研究结果有助于预混气体爆燃事故溯源分析,也可以用于地下管沟设计阶段的空间布局优化,进而减少爆燃风险,提高安全性。

开放管道内煤粉云形成机制及爆炸过程火焰动态行为数值模拟

半密闭空间内煤尘云爆炸火焰传播过程及传播机制更为复杂,影响因素众多,爆炸过程中存在火焰、湍流与压力的相互耦合作用。为揭示开放管道内煤尘云形成机制及爆炸火焰行为动态演化特征,基于计算流体力学、燃烧学及数值传热学等理论,以开口的哈特曼管道为对象,分别对管道内煤尘扩散特征和爆炸过程进行模拟分析。基于物理实验验证及数值模拟研究,分析了煤尘在开口管道内的分散、悬浮及沉降特征,获取了粉尘扩散过程中流场的时空演化特征,得到了煤尘云爆炸过程中的温度变化规律,获取了爆炸过程中火焰动态行为及火焰高度、火焰速度的变化规律,研究了煤粉粒径及点火延时对火焰高度及火焰速度的影响规律,揭示了开放管道内煤粉云爆炸火焰传播的动力学机制。结果表明:(1)煤尘颗粒经过快速注入、减速分散、自由扩散和沉降阶段并最终形成粉尘云;(2)在爆炸的不同阶段,影响火焰形态的因素不同;整个爆炸过程中,火焰阵面演化趋势为:"非球形-飞火及点状火-蘑菇状";(3)随着爆炸的发展,火焰高度呈现Logistic函数特征,火焰速度呈现先迅速增大后缓慢减小;(4)湍流对均相燃烧及非均相燃烧的耦合影响造成了火焰锋面的不稳定性,火焰阵面热气流对管道口外侧冷气流的卷吸是形成"蘑菇状"火焰的主要原因。

密闭管道内不同开孔形状的柔性障碍物对可燃气体爆炸特性的影响研究

为了减少化工工业生产过程中瓦斯爆炸事故导致的巨大损失,研究了在模拟密闭管道(横截面80 mm×80 mm,长度3 m)内不同开孔形状的柔性障碍物对可燃气体爆炸特性的影响机制。选用厚度为0.105 mm,开孔形状分别为圆形、方形、三角形、四齿、六齿、八齿的植物纤维膜为柔性障碍物,阻塞率为75%,以孔隙周长和形状对称特性作为判断孔隙锐度的标准。柔性障碍物的不同开孔形状对爆炸传播有显著影响。分析了甲烷爆炸过程中的超压特性和火焰特点并得出结论。结果说明爆炸波在彻底冲开膜片前产生了多次激波反射和孔隙大小对射流的约束共同作用下,诱导了湍流火焰的产生。另外,通过与空载管道的超压和火焰强度变化趋势对比,发现孔隙柔性障碍物形状决定火焰通过柔性孔隙障碍物的加速度,而在周长和形状为特定一条件下,对爆炸激励的影响不明显。需要注意的是,柔性孔隙障碍物下游的超压是爆炸强度和湍流共同作用的结果。综上所述,柔性障碍物开孔形状对甲烷爆炸的影响表现为一个激励-抑制的特殊机制。柔性障碍物孔隙形状在一定范围内增加显著激励了火焰传播速度,进而导致湍流强度和爆炸强度增加。

油气爆炸的氮气非预混抑制实验

依靠激波管可视化实验台架,完成了油气爆炸的氮气非预混抑制实验,获得了火焰前锋在氮气非预混段内衰减、熄灭过程的高速摄影照片。通过对实验数据和高速摄影照片的分析,讨论了油气爆炸氮气非预混抑制过程的超压特性和火焰行为。结果表明,采用氮气非预混手段能显著降低油气爆炸过程的超压与超压上升速率。油气爆炸的氮气非预混抑爆过程经历了惯性相持期、抑制衰减期和扩散熄灭期3个阶段。氮气分子作为第三体参与化学反应并携带走高能自由基的能量,促使链式反应向中止链大量发展,这是油气爆炸氮气非预混抑制过程的主要机理。抑制衰减期的火焰由衰减抑制区和核心区火焰构成,火焰与氮气的相互作用主要发生在衰减抑制区内。在抑制衰减期内,火焰速度的衰减可用线性公式描述。

基于小尺度实验的燃料蒸气-空气预混气体泄爆动力学研究

利用体积为2 L的亚克力材质容器搭建了小尺度可燃气体泄爆实验系统,基于小尺度实验开展了不同泄爆面积条件下的石油燃料蒸气-空气预混气体泄爆过程研究,获得了典型开口率条件下的内外场超压随时间的动态变化特征,分析了开口率对超压及火焰参数的影响,并对泄爆模式进行了分类。研究结果显示:(1)在不同泄爆系数条件下,石油燃料蒸气-空气预混气体的泄爆模式包括泄爆失败诱导的封闭燃烧、泄爆成功诱导的射流燃烧、泄爆成功诱导的外部爆炸,三种泄爆模式的内外场超压-时间动态曲线、超压峰值、火焰传播速度、火焰传播距离均具有显著差异,且小尺度实验与中尺度实验中均出现破膜超压峰值、火焰射流超压峰值、外部爆炸超压峰值Δp_(1)、Δp_(2)、Δp_(3);(2)当泄爆系数Kv≤39.68时,内场最大超压峰值、外场轴向最大超压峰值、最大火焰传播速度、轴向火焰传播距离均随着Kv的增大而增大,径向火焰传播距离随着Kv的增大而减小;(3)当Kv≤4.41时,外场轴向和径向最大超压峰值分别由外部爆炸引起(Δp3(ver)和Δp3(hor)),当7.94≤Kv≤39.68时,外场轴向和径向最大超压分别由火焰射流冲击和泄爆膜破裂引起(Δp_(2(ver))和Δp_(1(hor)));(4)泄爆成功和泄爆失败的临界泄爆系数在Kv=39.68和Kv=158.74之间,发生外部爆炸和射流燃烧的临界泄爆系数在Kv=4.41和Kv=7.94之间。