载流雾化水惰化甲烷空气预混气体特性实验研究

设计了预混气体载流雾化水惰化和抑制燃烧管实验台,对层流火焰的燃烧速度、稳定性及拉伸变形规律进行实验研究,分析了雾化水抑制和熄灭层流预混火焰的过程和机理,获得了雾化水惰化爆炸极限内甲烷和空气预混气体的特性。研究结果表明:浓度为7%的甲烷和空气预混气体,最小惰化雾化水通量为20.8ml/(m2.min);对于浓度为9%的甲烷和空气预混气体,最小惰化雾化水通量为32.9ml/(m2.min);对于浓度为11%的甲烷和空气的预混气体,最小惰化雾化水通量为44.6ml/(m2.min)。研究成果为雾化水熄灭甲烷火焰和抑制甲烷爆炸具有一定的指导意义。

柔性障碍物对甲烷空气爆炸波激励作用的实验研究

为研究柔性障碍物对甲烷空气爆炸波的激励效应,采用双向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene,BOPP)薄膜作为柔性障碍物将管道内甲烷空气预混气体与空气隔开,对比障碍物前后火焰、激波变化,分析膜状柔性障碍物激励效应的机理。实验结果表明:这种具有一定承压能力的柔性障碍物对甲烷爆炸波产生的激励效应不可忽视,在膜片破裂前产生多次激波反射过程,可诱导湍流火焰形成,促使膜前爆炸压力提高,膜片破裂后,火焰在伴流作用下传播速度突增,并加速逐渐逼近前驱冲击波,致使膜后爆炸压力大幅提高;激励效应可使膜片前后最大爆炸压力相差5倍,火焰速度相差7倍;另外在膜片位置2.5 m后增设一道膜片,可增强这种激励效应,而增加膜片的实质是使激波火焰相互作用的次数增加。

甲烷-空气预混区外含钾细水雾抑爆特性研究

为了解含钾细水雾在综合管廊燃气泄漏场景下的抑爆能力,采用自制的爆炸试验系统,开展含添加剂细水雾位于甲烷-空气爆炸区域外的抑爆试验,分析纯水及草酸钾、碳酸钾、氯化钾3种含钾化合物细水雾对9.5%甲烷-空气爆炸超压与过火范围的影响。研究结果表明:纯水细水雾的临界抑爆雾化质量浓度区间为320~480 g/m^(3);含草酸钾条件下超压下降率随质量分数增加呈现正态累积分布函数(NormalCDF)变化,最佳抑爆质量分数为10%;当雾化质量浓度为480 g/m^(3)、雾滴D32为61.7μm、化合物质量分数为10%时,对应抑爆能力均大于纯水细水雾条件,其中,含草酸钾抑爆能力最强,其次为碳酸钾与氯化钾,峰值超压下降率较纯水细水雾条件分别提高2.32、1.88与1.53倍,过火范围分别缩减46.7%、40%与13.3%。相较于碳酸钾与氯化钾条件,爆炸气体预混区域外含草酸钾细水雾能够吸收更多的爆炸热量、消耗更多的活性自由基。

两型甲烷/空气燃气发生器设计与仿真研究

飞行器热喷流干扰风洞试验需研制稳定可靠工作的甲烷/空气燃气发生器为其提供高温燃气。对燃气发生器进行结构设计,采用同轴直流式和同轴离心预混式两种喷注器结构,并利用数值模拟方法获得其稳态燃烧场,考察两种类型甲烷/空气火炬点火器的燃烧性能和燃烧室热载。结果表明,两种喷注结构条件的火炬点火器均可以满足设计要求,但同轴直流喷注方式燃烧性能表现更好,采用同轴直流式喷注方式比预混喷注方式的燃气温度及组分均匀度更高。

密闭管道内非连续分布甲烷/空气爆炸特性

在长度900 mm、截面为100 mm×100 mm的矩形密闭管道内开展预混气体非连续分布对甲烷/空气爆炸影响的试验研究。通过分段通入甲烷体积分数为9.5%的预混气体,形成甲烷/空气-空气和甲烷/空气-空气-甲烷/空气两种非连续分布模式。研究发现,随着空气区域缩短,火焰传播距离、火焰尖端速度和爆炸超压均增大。特别是在甲烷/空气-空气-甲烷/空气分布中,当中间空气区域小于500 mm时,火焰会穿越并引发二次爆炸,且其超压随空气区域减小而增加。研究结果可为天然气爆炸事故防控提供理论支持。

点火位置对甲烷/空气预混爆炸特性影响的数值模拟研究

密闭容器内预混气体爆炸非常复杂,为研究点火位置对甲烷/空气预混气体爆炸特性的影响,在初始压力为101 kPa和初始温度为300 K的环境下,开展1 m^(3)密闭球形爆炸容器中10 vol%甲烷浓度的中心点火爆炸实验,并使用Fluent数值模拟软件,采用LES湍流模型和Zimont燃烧模型,研究不同点火位置(中心点火、0.5R点火、R点火)对容器内甲烷/空气预混气体爆炸特性的影响,包括火焰结构演化、爆炸温度、爆炸压力、爆炸压力上升速率。结果表明:(1)在中心、0.5R和R处点火时,火焰分别向四周膨胀直至容器壁面、轮廓由最初的“左薄右厚”逐渐转变为“左侧凸起的尖角”和在壁面处从“圆弧形”逐渐拉伸转变成“尖形”向左侧发展;(2)不同点火位置下温度场存在温度梯度,升温规律均由点火中心能量持续向外释放,温度不断积聚升高;(3)不同点火位置下爆炸压力变化趋势基本一致,由于壁面绝热,最终最大爆炸压力均稳定在766 kPa左右;(4)中心点火时最大爆炸压力上升速率最大,较0.5R点火和R处点火分别增大了94.5%和141.8%。

介质阻挡放电辅助稀薄甲烷-空气燃烧点火过程的一维数值模拟

非平衡态等离子体可以辅助稀薄甲烷-空气燃烧,但是目前对该过程的数值模拟尚不深入。本文建立了简化的等离子体辅助甲烷燃烧反应机理,并采用一维流体模型对微尺度DBD非平衡态等离子体辅助稀薄甲烷-空气燃烧过程进行数值模拟。模拟结果显示,等离子体放电可以在较低的初始温度下有效促进燃烧反应的发生,并且随着放电电压增加,放电空间中电子数密度明显增加,同时有效提高了燃烧温度。数值模拟结果可以反映主要活性粒子的变化趋势。在该阶段中,Ar含量增加或者CH_(4)与O_(2)摩尔比增加都会小幅增加燃烧温度,但是影响幅度较小。本研究结果增进了对该过程的了解。

受限空间侧向双口泄爆对甲烷爆炸特性的影响研究

为了减小受限空间燃气泄漏爆炸带来的风险和损失,利用自主搭建的小尺寸实验平台,研究泄爆面积及位置对甲烷爆炸特性的影响。结果表明:火焰锋面到达舱室末端的时间随着泄爆口与点火源之间距离的增加而缩短;当泄爆口开设在舱室上游1、2位置时,随着泄爆口面积的增大,火焰锋面到达舱室末端的时间缩短,火焰传播速度降低至10.59 m/s,空间内最大爆炸压力持续升高,且超压峰值最小值出现在泄爆口尺寸40 mm × 40 mm处,为8.92 kPa;当泄爆口开设在舱室下游3、4位置时,随着泄爆口面积的增大,火焰锋面到达舱室末端的时间延长,最大火焰传播速度可达到24.39 m/s,空间内最大爆炸压力先降低后升高,且超压峰值最小值上升至12.6 kPa,出现在泄爆口尺寸60 mm × 60 mm处。若对受限空间侧壁采用双口泄爆,增加泄爆面积并不能使受限空间内的最大爆炸压力降低;泄爆位置距离点火源越近,泄爆效果越好。

甲烷-空气混合气燃烧过程的高速摄影测量

采用高速摄影方法测试了圆柱形聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）管道内当量浓度甲烷空气混合气燃烧火焰传播过程.建立了准确的数学模型和测试系统,利用Matlab对高速CMOS相机采集到的视频进行图像处理和数据计算,绘制了火焰锋面传播速度的变化曲线,清楚地再现了甲烷空气混合气燃烧过程.通过分析火焰锋面传播速度变化曲线,得到当量浓度甲烷空气混合气火焰锋面加速、减速周期在2.53.5 ms之间.本文的研究结果对矿井瓦斯事故防治和调查研究具有重要的参考价值.

甲烷／空气预混气体火焰的传播特征

利用高速纹影摄像等技术探讨了密闭管道内不同当量比的甲烷/空气预混气体火焰的传播特征。结果表明,当甲烷含量接近当量值时,预混气体火焰传播中会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程,逐渐由层流燃烧转变成湍流燃烧,并形成Tulip火焰结构;当甲烷含量偏离当量值一定程度时,预混火焰呈现出典型的层流燃烧特征,不会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程。Tu-lip火焰结构形成于火焰传播速度迅速降低的区间里,且只有当减速阶段的最大加速度的绝对值大于某一数值时才能形成;Tulip火焰结构是预混火焰由层流燃烧向湍流燃烧转变的一个中间过程。

超细水雾增强与抑制甲烷/空气爆炸的机理分析

通过数值模拟方法对密闭容器内部超细水雾与甲烷/空气爆炸火焰的相互作用机理进行研究。采用大涡模型和部分预混燃烧模型分别对爆炸火焰流场和甲烷/空气燃烧过程进行计算;利用欧拉-拉格朗日方法对连续相和离散相方程进行耦合求解,实现气液两相间的质量、动量和能量的传递。通过实验验证了模型的准确性,并详细分析了水雾导致爆炸增强与抑制的机理。结果表明:水雾吸收的汽化潜热大于显热,且两者均远大于液滴的动量吸收作用;水雾吸热和汽化膨胀两种效应的共同作用导致增强和抑制爆炸两种相反的结果,液滴粒径、速度和水雾质量浓度将影响火焰面的温度、导温系数、脉动速度和湍流尺度,进而影响火焰传播速度和容器内部的热增速率。

甲烷与空气预混管内爆炸火焰传播特性试验

借助高速摄影、光电传感器和压力传感器,研究了有机玻璃管道(100 mm×100 mm×1500 mm)内预混甲烷与空气气体爆炸火焰传播特性。结果表明:点火后测点处压力信号、光信号起跳基本同步,但在光最强时刻后出现峰值压力,且压力持续时间较长;布有重复障碍片时火焰绕流加速湍流,爆炸压力和火焰速度明显提高;分析高速摄像照片,认为火焰传播过程有成长、加速及消失3个阶段。

水雾粒径对超细水雾抑制甲烷/空气爆炸过程的影响

建立了超细水雾作用下甲烷-空气爆炸过程的三维数值模型,采用大涡模拟模型计算爆炸流场瞬态流动过程;考虑了水雾的蒸发、汽化过程以及气液两相间的质量、动量和热量交换,通过欧拉-拉格朗日模型分别对连续相与离散相进行计算,交替求解离散相与连续相的控制方程实现气液两相间的耦合求解;分析了水雾粒径对爆炸火焰反应区作用程度以及热量交换速率的影响;获得了最佳抑爆粒径并解释了粒径导致抑爆效果差异的原因;水雾粒径通过与火焰反应区的作用程度和蒸发速率影响气液两相间的热量交换速率,进而影响火焰传播速率和爆炸强度;为实现爆炸强度的有效抑制,水雾粒径选取的条件应保证水雾在反应区完全汽化。

空气和甲烷/空气氛围中喷油压力对柴油燃烧特性的影响

利用高速摄像的方法,在定容燃烧弹内对比了柴油在空气(AA)和在甲烷/空气(MAA)氛围中的燃烧过程和碳烟生成特性.结果表明:两种氛围中喷油压力对柴油着火和燃烧影响规律一致;当喷油压力从40,MPa升高到160,MPa时,柴油在空气和甲烷/空气氛围中滞燃期分别由2.6,ms和2.8,ms缩短至2.0,ms和2.1,ms,燃烧持续期分别由5.2,ms和4.9,ms缩短至3.3,ms和3.2,ms;火焰浮起长度增加,燃烧压力更快达到峰值,放热率曲线上升始点提前,放热率峰值增大;空间综合自然发光度(SINL)和时间积分自然发光度(TINL)均大幅度降低.但在甲烷/空气氛围中与在空气中相比,柴油滞燃期平均延长0.18,ms,燃烧持续期平均缩短0.15,ms;火焰浮起长度增加,燃烧压力和放热率升高始点均推迟,放热率峰值升高;SINL和TINL均有所降低.

基于简化机理的甲烷/空气混合气体爆炸特性研究

基于详细的化学反应动力学机理GRI-Mech 3.0,得到包含14个组元和18个基元反应的简化化学反应机理,研究了甲烷/空气可燃混合气体的爆炸特性。考虑了火花温度、火花半径和点火源位置对于爆炸压力和温度的影响,计算得到甲烷/空气混合气体成功引发的临界点火温度和临界点火半径。研究结果表明,利用简化机理得到的结果与利用GRI-Mech 3.0详细机理得到的结果具有很好的一致性。点火温度对于甲烷/空气混合气体的爆炸特性无明显影响。随着火花半径的增加,爆炸压力上升速率和爆炸温度上升速率均增加。临界点火温度为1 220 K,临界点火半径为0.008 m。在燃烧的早期阶段,壁面效应可以忽略。最大爆炸压力和压力上升速率、最大爆炸温度和温度上升速率在点火源距离壁面0.08 m时达到最大,而在点火源位置位于壁面时达到最小。

密闭长管内甲烷-空气爆炸火焰传播数值模拟

采用LES湍流模型与预混燃烧模型对直径D=104 mm,长度L=2 400 mm的圆柱形容器内甲烷-空气预混爆炸进行了数值模拟,模拟最大爆炸压力与实验结果吻合。结果表明,混合气体被引燃后,火焰速度快速增加,接下来火焰速度突然下降;火焰传播过程中出现郁金香火焰,它的形成与中心区域逆流和容器壁的相互作用有关;在郁金香型火焰面后出现涡团,该涡团对层流燃烧转变为湍流燃烧起到重要作用。研究内容揭示了密闭长管内气体爆炸火焰传播规律。

温度、压力对甲烷-空气混合物爆炸极限耦合影响的实验研究

为了研究不同初始条件对甲烷-空气混合物爆炸极限的影响,利用容积为20L的爆炸罐,在不同初始温度(25~200℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下测定了甲烷-空气混合物的爆炸极限。实验结果表明,随着初始温度和初始压力的升高,爆炸上限升高,爆炸下限降低,爆炸极限范围扩大。在实验温度和压力范围内,常压/常温条件下,爆炸上限和下限与初始温度/初始压力呈线性相关。爆炸上限与初始温度的相关性受初始压力的影响,其与初始压力的相关性也与初始温度有关。然而,初始压力/初始温度对爆炸下限的影响与初始温度/初始压力的相关性并不显著。初始温度和初始压力对爆炸极限的耦合影响比单一因素对其的影响大,且相较而言,其对爆炸上限的影响更为显著。本文中绘制了影响曲面来描述初始温度和初始压力如何影响甲烷-空气混合物的爆炸极限。

甲烷-空气-稀释气的层流燃烧特性研究

介绍并分析了甲烷 -空气 -稀释气混合气在定容燃烧弹内进行火花点火预混层流燃烧的试验结果。通过对马克斯坦长度和马克斯坦数的测量研究了火焰拉伸对燃烧速度的影响。结果表明 ,马克斯坦数的数值仅仅与未燃气性质和初始条件相关 ,而与火焰的发展无关。同时在总结试验和计算数据的基础上 ,得到了计算甲烷 -空气 -稀释气层流燃烧速度的计算公式。公式表明 ,对于甲烷 -空气混合气 ,压力对层流火焰的发展起了阻碍作用 。

含添加剂细水雾熄灭甲烷/空气火焰的研究

利用Cup Burner燃烧装置研究了含有不同金属氯化物细水雾抑制熄灭小尺度甲烷/空气火焰的过程与机理.研究结果表明,金属氯化物具有普遍增强细水雾抑制熄灭火焰的能力,添加剂的类型和浓度对细水雾抑制熄灭气相火焰性能影响显著.在相同质量分数下,含金属氯化物添加剂的细水雾抑制火焰的能力逐渐增强,其排序为MgCl2,CaCl2,NaCl,KCl,MnCl2,FeCl2;含金属氯化物的细水雾抑制熄灭火焰过程中,吸热冷却、化学抑制与传热阻力增大3种作用同时存在,并互相竞争,最终达到平衡,存在着细水雾与添加剂的最优浓度配比,在此浓度上细水雾将达到最佳的灭火性能.

甲烷-空气同轴突扩湍流燃烧的新二阶矩模型的数值模拟

用本文作者最近提出的湍流燃烧新二阶矩模型对无旋和有族情况下的轴对称甲烷-空气湍流燃烧进行了数值模拟，并将其结果和ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ模型和原来的二阶矩模型等湍流燃烧模型的模拟结果以及文献中实验结果进行了比较，对不同的模型进行了评价，结果表明新二阶矩模型较其它模型更合理。