预混甲烷/空气激光等离子体点火火焰传播与发展过程研究

基于平面火焰燃烧器设计并搭建了层流甲烷/空气预混燃气激光等离子体点火系统,研究了甲烷/空气预混燃气激光等离子体点火火焰传播与发展过程,发现将激光聚焦在层流火焰与扩散火焰交界面时点火成功率更高。通过大量重复性实验,获得了不同点火位置、当量比、入射激光能量下激光等离子体点火的成功率,发现贫燃、高激光能量更利于稳定燃烧火焰的形成。利用高速摄影技术获得了不同点火条件下火焰前沿位置随时间的变化规律,对火焰吹熄现象进行了研究,发现提高预混燃气当量比、增大入射激光能量能够降低火焰吹熄概率。

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%。

湿壁氛围甲烷预混火焰传播的可视化试验研究

针对壁面油膜对受限空间内预混火焰燃烧过程的影响机理,设计开发了基于定容燃烧弹和纹影法的燃烧可视化试验系统,研究了不同初始压力条件下正十二烷/正十四烷油膜对甲烷预混火焰燃烧过程的影响,通过背景建模与背景差分预处理和粒子群优化算法改进OTSU自适应阈值算法,开发了一种适用于纹影图像的火焰轮廓分割算法,基于火焰前锋面轮廓提取结果定量研究火焰传播速度和火焰面积.结果表明湿壁氛围下油膜蒸发过程对预混火焰燃烧过程影响有限,壁面油膜蒸气对混合气当量比的影响是预混火焰燃烧强度的主要影响因素.

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。

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。

微细通道中甲烷与氧气的预混燃烧

对微细通道中甲烷/氧气预混火焰传播性质进行了实验研究．确定了微细通道中不同甲烷浓度下的火焰传播速度,以及混合气体流量与火焰传播速度的关系．结果表明,混合气体流量对火焰传播速度有显著的影响,在微细通道中火焰传播速度的分布趋势与宏观尺度下火焰传播速度的分布趋势基本相同,但在数值上随着流量的不同相差较大．实验证明,在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;当量比为1．0时火焰传播速度受流量影响最大．

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。

边界条件对甲烷预混气爆轰特性的影响

通过实验研究及数字化处理研究了边界条件对CH4预混气体爆轰特性的影响。在内径为63.5、50.8mm圆柱形管道及长方体管道进行爆轰实验,得到胞格结构和爆轰速度曲线。烟膜数字化处理量化了预混气体的爆轰不稳定性,并计算出胞格尺寸。3种管道内测得的平均爆轰速度与CJ速度接近,边界条件的影响不明显。分析爆轰速度曲线发现,极限压力受到边界条件的影响,50.8和63.5mm管道内预混气的极限压力分别为5和4.05kPa,即随着管径增大,爆轰极限压力降低。数字化处理所得不同管道内烟膜轨迹的不规则程度无明显差别,因此可以认为不稳定性是预混气固有的性质。在相同爆轰初始压力下,管径增大,胞格数量变多,表明爆轰传播时爆轰螺旋头数增多以维持传播。

甲烷/氧气预混火焰中燃空当量比对碳烟微观结构和氧化活性的影响

基于甲烷/氧气预混火焰燃烧系统及毛细管取样装置和热泳取样装置,结合高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱仪(RS)及热重分析仪(TGA),研究了燃空当量比对碳烟的微观结构及氧化活性的影响规律,并对微晶长度、石墨化程度与表观活化能之间的关联性进行了分析.结果表明:随着燃空当量比的增大,碳烟颗粒的微晶尺寸增大,而微晶曲率和层间距均减小,AG/AD1的值增大,表明随着燃空当量比的增大,碳烟的微观结构变得更加有序,石墨化程度更高;碳烟的氧化特征温度和表观活化能均随着燃空当量比增大而增大,表明碳烟的氧化活性随着燃空当量比增大而降低;碳烟的微晶长度、石墨化程度与表观活化能呈现较好的线性关系,碳烟的微观结构越有序,石墨化程度越高,氧化活性越低.

利用主成分分析法简化甲烷/空气层流预混火焰的反应机理

利用主成分分析(PrincipalComponentAnaly sis)的方法对甲烷/空气氧化的详细化学反应机理进行了简化,在低压层流预混火焰条件下进行了计算,计算结果与详细机理的计算结果及实验值进行了比较。结果表明简化机理与详细机理吻合较好,简化机理的规模和计算时间有所减少。

壁面油膜对甲烷预混气燃烧特性和排放的影响

针对壁面油膜与预混火焰的相互作用过程,采用数值模拟研究方法,考察了不同初始条件下,多组分柴油油膜对甲烷-空气预混火焰传播过程淬熄、壁面热通量等燃烧特性和碳烟、氮氧化合物NOx、未燃碳氢化合物(UHC)等排放的影响.首先,考察了温度为800~1100K,压力为1.5~2.5 MPa、壁面温度为350~450 K和当量比为0.9~1.1条件下,火焰淬熄距离、传播速度和壁面热通量的变化.其次,分析了干湿壁面对甲烷预混火焰放热率的影响.然后,研究了近壁区域内UHC、CO和碳烟前驱体以及与碳烟生成相关小分子物质,包括C2H2、C2H4和C3H3等的生成.最后,对比了单组分异辛烷油膜和四组分柴油替代油膜对排放的影响.

中心分级预混旋流火焰燃烧噪声的实验研究

针对中心分级旋流燃烧器中预混甲烷火焰在常温常压下的燃烧噪声进行了实验研究,主要关注实验工况和限制域结构对燃烧噪声的影响。用声级计测量了燃烧噪声声压级,用带有CH滤镜的单反相机拍摄火焰的平均图像。实验结果表明,在主、预燃级空气流量恒定时,总当量比与分层比对燃烧噪声产生了显著的影响,氢气掺入对燃烧噪声无明显影响;预燃级当量比对于燃烧噪声的产生起关键作用,预燃级当量比越接近1.00燃烧噪声越大;相同工况下,预燃级空气流量分配越多,产生的燃烧噪声越大。改变火焰限制域的结构,使用锥形火焰筒可以减少燃烧噪声的产生。本研究还结合带有CH滤镜的摄像机拍摄的火焰图像,初步分析了燃烧噪声与火焰宏观结构之间的对应关系。

不同阻塞比下甲烷泄爆峰值超压变化规律试验研究

为探究天然气泄爆过程内部压力变化规律,利用10 L有机玻璃管道试验装置进行了系列甲烷-空气预混气体爆炸试验,以此为基础分析了管道末端阻塞以及中部阻塞两种工况下甲烷-空气预混气体泄爆时管内峰值超压、峰值超压持续时间、Helmholtz振荡升压速率随泄爆面积的变化关系。试验结果表明:末端阻塞工况下前峰和后峰峰值超压均随着泄爆面积的减小而升高,而中部阻塞工况下位于爆炸腔体外传播管道内部后峰峰值超压随着泄爆面积的减小而不断降低;峰值超压持续时间方面,前峰超压持续时间与泄爆面积关系不大,后峰超压持续时间受泄爆面积影响明显;中部阻塞及末端阻塞两种工况下爆炸升压速率变化情况不具有一致性,中部阻塞时爆炸升压速率随阻塞率先增大后减小,60%阻塞率时出现极大值。末端阻塞时爆炸升压速率随阻塞率先减小后增大,60%阻塞率时出现极小值。

环管中甲烷-氧气预混气爆轰传播机理研究

为了研究环形管内甲烷的爆轰传播机理,在内径为80mm的管道内分别安装内径为20mm,40mm,60mm的内管,形成环形管道,进行了甲烷-氧气预混气爆轰实验。将烟膜分别固定在外管的内壁以及内管的内外壁,记录环形管道通道内的三波点轨迹;同时在环管端面安设烟膜记录端面的轨迹。所记录的轨迹较混乱,这是因为横波在沿着传播方向绕着管轴旋转时不断地相互碰撞,反映出甲烷-氧气预混气是典型的不稳定预混气。明显可见当初始压力为12kPa时,爆轰波在普通圆管内呈现双头螺旋爆轰结构,设有内部小管内径为20mm的环管外管内壁得到四头螺旋爆轰结构,说明其它因素不变的情况下,环形管内更容易获得自持爆轰。增大环管内管管径为60mm,环形通道内烟膜记录中未显示任何三波点轨迹,因为此管径下,胞格尺寸过大,无法容纳于管道中。增大内管管径,内径为20mm和40mm的环形管道的外管内壁烟膜记录胞格数量增多,胞格尺寸减小,原因为当边界条件改变时,爆轰极限发生相应的变化,分子获得的初始能量多,反应速率快。

甲烷-空气预混燃烧火焰的测量分析

本文介绍一种测量分析甲烷-空气预混燃烧火焰成份及其浓度的方法,并划分出火焰的反应区、产物区和环境区。该方法可用于烃类-空气类燃烧火焰的测量分析。

水雾喷洒时间对滑移装置下甲烷爆炸特性影响

为提升滑移装置抑爆效果,在方形管中通入体积分数为9.5%甲烷/空气预混气体,分析细水雾协同不同弹性系数滑移装置作用下,水雾起始喷洒时间对预混气体爆炸特性影响。结果表明:先喷、指尖喷出现坡形火焰二次加速火焰传播,爆炸反应加剧,水雾不同程度充当障碍物加速火焰传播和碰壁断链,缩短火焰熄灭时间;后喷细水雾障碍物作用微弱,利用吸热降温作用抑制火焰传播,熄灭耗时相对较长。在爆炸超压方面,0.22 N/mm、0.42 N/mm 2种弹性系数滑移装置协同作用,先喷情形超压峰值增幅分别为9.25%、16.55%,指尖喷情形则高达88.71%、77.37%,促爆效果明显。后喷有一定的抑爆作用,超压峰值降幅分别为7.11%、2.93%。综上,后喷的抑爆效果优于先喷和指尖喷。

细水雾对置障管内预混气体抑爆机理研究

为揭示细水雾对爆燃的抑制作用以及细水雾的释放位置对甲烷预混气体爆燃过程的影响,设计了4种细水雾释放位置和3种粒径(8、45、80μm)的细水雾共13种工况的实验。结果显示:8、45和80μm细水雾在位置2释放时管内压力分别降低36.59%、65.85%和31.7%。在位置3释放时管内压力分别降低34.15%、56%和39.02%。8μm水雾对爆燃过程具有明显的抑制作用,且对火焰的结构和火焰面的影响较小;45μm水雾和80μm水雾对火焰结构和火焰面产生明显影响,火焰面出现褶皱,并呈现发散状向前扩展,随着水雾粒径的增大这种效果更加明显。细水雾对火焰主要有稀释预混气体、降低局部可燃气体浓度和气化吸热作用。在距点火点最近障碍物上方和两个障碍物之间释放水雾时对管内爆燃抑制效果最显著。

组合型多孔材料对容器管道系统内甲烷/空气的抑爆效果

为研究多孔材料对可燃气体的抑爆效果,选取了3类6种多孔材料分别组合后进行实验研究。以甲烷/空气预混气体作为研究对象,利用自制薄型铁环将多孔材料固定在密闭容器管道系统内,对比分析了薄型铁环、单层型多孔材料、双层组合型多孔材料和三层组合型多孔材料的抑爆效果。结果表明:薄型铁环增强了气体爆炸强度,铁环后爆炸压力最大;多孔材料抑爆效果明显,双层组合型多孔材料抑爆效果相比单层型多孔材料和三层组合型多孔材料稳定;抑爆效果最佳的组合型多孔材料为Al_2O_3 10mm/30PPI+SiC 20mm/20PPI,爆炸压力抑制效果最佳的组合型多孔材料为Al_2O_3 10mm/30PPI+Fe-Ni 10mm/90PPI+SiC 20mm/10PPI。

管道由封闭向开口转化过程中预混火焰传播特性

为研究泄压强度与泄压口位置对封闭管道内甲烷-空气预混火焰传播的影响规律,通过在方形管道内放置不同厚度的泄压膜并改变泄压口位置进行试验,采用自发光拍摄技术和动态压力测试技术对其观测.研究结果表明:随着泄压膜厚度的增加,泄压前管道内火焰发展越来越充分,压力峰值与压力上升时间也随之增加.泄压之前压力变化曲线一致,当泄压口距离点火端较远时,泄压后各工况下的压力缓慢增加后下降;当泄压口距离点火端较近时,泄压后压力值直接降低.

多孔矿物-聚磷酸铵对甲烷爆炸的协同抑制研究

为探究新型多孔矿物(MTS)-聚磷酸铵(APP)复合粉体对甲烷-空气预混气爆炸的抑制效果,采用20 L球形爆炸装置开展多孔矿物、APP及其复合粉体在不同组成、不同添加浓度条件下的甲烷爆炸抑制试验,并使用热分析仪研究其热解行为。研究结果表明:当粉体添加量为0.100 g/L,多孔矿物与APP质量组成比为1∶3时,复合粉体对甲烷爆炸的协同抑制效果最显著,各爆炸参数均得到弱化;复合粉体对甲烷的协同抑爆机制包括物理及化学抑制,多孔矿物的复杂结构能增强其对自由基的捕获,多孔矿物和APP先后发生热分解反应可持续吸收热量,分解产物具有稀释、冷却及隔离效应,并能消耗燃烧反应中的自由基。