细水雾与欠膨胀氢气喷射火相互作用的实验研究

文章对细水雾与欠膨胀氢气喷射火的相互作用进行了一系列实验研究,重点研究在不同的细水雾压力和竖直释放高度下,喷射火的火焰形态、火焰长度、温度场以及辐射场的变化情况。结果表明:在细水雾的作用下,火焰将发生偏折,并且火焰折角随细水雾压力的增大而增大;细水雾压力较小时,火焰出现膨胀现象,火焰水平长度有所增大;随着细水雾压力的增大,火焰长度逐渐减小;不合适的施加细水雾可能会导致火焰温度场和辐射场增强,进而带来潜在的二次危害危及人们的生命财产安全。

富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展

燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章综述了近20年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性实验及数值模拟的研究进展,介绍了包含燃料氢含量、来流温度及工作压力等参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡和微混燃烧器等对回火特性影响的研究成果,现有研究表明,边界层内火焰传播速度超过来流速度是造成回火的主要因素,控制来流速度、来流温度、改变局部燃料浓度可以克服或者减缓回火.根据目前的研究现状和发展动态,对未来的研究方向进行了展望.

掺氢天然气喷射火燃烧特性实验研究

能源结构转型初期,天然气管道掺氢是一种有效的输氢方式,然而掺氢会提高气体活跃性,在管道泄漏的情况下增加火灾风险。在压力200~800 Pa和掺氢比0~50%条件下开展了掺氢天然气水平喷射火实验研究,以预测和评估其潜在的火灾风险。实验结果表明:掺氢后火焰温度升高,最大温差为113℃;在高压下当掺氢比>10%时,火焰温度分布发生明显变化;火焰的推举距离随压力增加而增大,随掺氢比增加而减小;当高压下掺氢比<10%时,掺氢对火焰尺寸影响较小,当掺氢比增加到50%时,火焰长度的最大降幅为13.7%。此外,提出了掺氢天然气火焰长度无量纲预测模型。研究结果可为掺氢天然气管道事故后果及火灾风险评估提供必要的数据支持和理论基础。

微喷管氢气非预混射流火焰燃烧特性

采用考虑详细化学反应机理的数值计算,对空气伴流中微圆管氢气非预混射流火焰进行了研究。不同流速下火焰OH基元分布数值计算与实验结果吻合较好。结果表明:当微圆管内径保持不变时,随着燃料速度减小,火焰最高温度逐渐降低。当燃料速度接近熄灭极限速度时,火焰最高温度开始急剧下降;微圆管氢气非预混射流火焰存在最小流速对应的熄灭极限;随着管壁材料热导率降低,火焰中心轴线上的最高温度逐渐升高,喷口处壁面温度也升高;管壁材料热导率对火焰熄灭极限速度影响不显著。

掺氢甲烷非预混射流火研究现状及展望

氢输运是推广和发展氢能的关键环节之一,其中将氢气掺入天然气(主要成分为甲烷)管网的策略是解决氢输运问题的一种新的有效途径。然而,输气管道一旦发生泄漏则易引发非预混射流火火灾事故。因此,研究掺氢甲烷非预混射流火对灾前风险评估和灾后应急处置均具有重要意义。首先介绍掺氢甲烷射流火研究的意义;接着阐述非预混射流火特性与稳定机制,综述前人关于掺氢比例(氢气所占掺氢甲烷的体积分数)与伴流特征对掺氢甲烷非预混射流火特性影响的研究进展,进一步评价归纳其性能与应用场景;最后对前人的工作进行总结,并对未来的研究进行展望。

高压氢气储运设施泄漏喷射火过程预测模型及其验证

近年氢能已迅速成为能源领域"新宠",正在迎来快速发展的战略机遇期,但氢安全问题仍然是制约其发展的关键,尤以高压氢气储运设施泄漏后引发喷射火灾害较为突出。为了探究高压氢气泄漏过程并对其引发喷射火灾特性参数变化进行评估,本文采用理论分析和实例验证相结合的方法对两起高压氢气泄漏实验案例(90MPa氢气瓶和6 MPa氢气管道)进行了研究。结果表明:通过模型精度检验,Abel-Nobel气体状态方程适用于当前常用的多种高压氢气储运设施泄漏过程的描述。基于Abel-Nobel气体状态方程、火焰尺寸模型、辐射分数模型和热辐射模型构建的高压氢气泄漏喷射火过程预测模型对实验案例中的泄漏出口气体质量流量、氢喷射火焰长度和辐射热场等的模拟计算结果与实验测量数据基本一致,验证了模型有效性及所含假设合理性。另外在计算中还需要结合实际情况充分考虑高压氢气储运设施发生泄漏时产生的能量损失以及等温流动过程,从而对模型预测精度进行修正。上述结论对于工程实际、氢能安全利用以及灾害预防等具有重要现实意义。

氨分解装置火灾危险分析与安全评价研究

以某金属加工企业氨分解装置为例,分析氨分解装置带压管道内混合气的危险性及事故模式,采用FLUENT软件仿真模拟了管道喷射火事故发生的情况。结果表明:火焰最高温度达590℃,最高辐射热值12kW/m2,如果喷射火焰持续燃烧,对周围设备和人员有一定危害,还有可能导致其他更严重的事故发生。

甲烷掺氢微管射流火焰燃烧极限的数值模拟

以燃气灶火孔建立了微圆管射流火焰模型,探究了甲烷掺氢对稳燃极限的影响。首先,选用层流有限速率模型,改变燃气掺氢比和进气速度,通过ANSYS Fluent软件对其燃烧过程进行稳态仿真;然后,确定不同掺氢比下的稳定燃烧的进气速度区间,并从化学反应和热循环效应2个方面对掺氢的影响进行分析。研究结果表明:随着掺氢比(β=0~25%)增加,吹熄极限显著提高,熄火极限略有降低,稳燃区间扩大;当量比保持不变时,甲烷掺氢后预混气中O_(2)的体积分数降低;接近熄火极限时,由于火焰位于管口,外界O_(2)不易被卷吸和扩散至火焰上游,反应速率降低;临近吹熄状态时,由于外部空间的O_(2)被卷吸和扩散至火焰内部,抵消了预混气中O_(2)含量差别带来的影响;甲烷掺氢后H自由基增加,燃烧速率升高,火焰更靠近微管,加强了火焰与管壁之间的传热,改善了微管内壁对未燃预混气的预热作用,且进气速度越低,预热效果越显著;热循环效应导致甲烷掺氢拓展了熄火极限,而吹熄极限提高则主要归因于掺氢促进了化学反应。

不同气压音速射流氢气火焰温度与辐射

为分析不同气压条件下氢气射流火焰的危险性并提出预防措施建议,在0.06 MPa和0.10 MPa条件下进行音速射流氢气火焰的热特性实验研究。采用内径1.0 mm的焊枪作为喷嘴,研究火焰热特性对压力和质量流量的依赖关系。16个热电偶沿火焰轴向排成两排,2个辐射计设置在喷嘴上部和下部,分别用于记录温度场和辐射反馈。结果表明,近距离区域内0.10 MPa时上部和下部热电偶温度高于0.06 MPa,而远距离区域则处于相反状态。低气压条件下分隔间距应设计得更宽。0.10 MPa时上部和下部辐射反馈数值都大于0.06 MPa。建议低海拔区域需采用具有更强耐热性的输气管道。

封闭舱室动态泄放氢喷射火焰行为及关键参数的试验研究

为了研究封闭舱室内动态泄放氢喷射火焰形态、火焰高度、氧气体积分数、火焰上方中心线温度和侧壁气体温度的变化规律,开展了一系列封闭舱室氢喷射火试验。试验采用相机拍摄火焰形态,采用氧浓度传感器、热电偶测量舱室内指定点氧气体积分数和温度。试验结果表明,封闭舱室动态泄放氢喷射火焰形态演变过程分为氢气控制的喷射火和氧气控制的喷射火两种类型。前者的火焰演变过程分为四个阶段,即增长阶段、衰减阶段、升高阶段和熄灭阶段;后者的火焰演变过程分为三个阶段,即增长阶段、衰减阶段和自熄灭阶段。两种类型氢喷射火的氧气体积分数下降趋势明显不同。氢气控制的喷射火的氧气体积分数变化呈先近似线性下降再缓慢下降趋势,而氧气控制的喷射火的氧气体积分数呈近似线性下降趋势。同时,两者最小平均氧气体积分数与喷射压力呈线性下降趋势。舱内火焰上方中心线温度和侧壁气体温度变化的总体趋势大致相同,但氧气控制的喷射火温度下降过程中会出现明显的中断现象。喷射压力对封闭舱内氢喷射火作用下最大温升有显著的影响。基于本试验条件,建立了封闭舱室火焰上方中心线最大温升预测模型。

H_(2)/CH_(4)燃料轴向分级燃烧再燃火焰流动与燃烧特性的试验研究

燃料轴向分级(AFS)燃烧技术是目前重型燃气轮机的先进低污染燃烧技术。为了揭示H_(2)/CH_(4)燃料种类和射流角对轴向分级燃烧的再燃区流场、火焰结构的影响规律,使用高频粒子图像测速(PIV)技术和OH^(*)基自发光技术,探究射流当量比为0.6、动量通量比为6时90°和45°射流角对不同种类的燃料轴向分级流场、再燃火焰结构的影响。研究表明:当射流角为90°时,射流根部会产生明显的回流区;射流火焰存在周期性脉动;当射流角为45°时,剪切层在射流根部不会产生明显的回流区,射流火焰燃烧更加稳定,燃料在低速区的化学停留时间更短,对于火焰传播速度快、容易回火的氢气燃料有较好的适应性;甲烷燃料掺氢增加了射流火焰的传播速度,随着掺氢比的增加,射流火焰从脱体火焰逐渐变为连续火焰,迎风侧射流火焰分支出现,反应区长度缩短并且变小,火焰强度增强,火焰根部向喷嘴出口移动并最终附着在射流喷嘴出口。

来流预混均匀性对湍流射流火焰回火特性的影响

微混燃烧器的可燃气体预混发生在距燃烧器喷嘴出口较近的地方,可燃气在喷嘴出口可能存在一定的不均匀性,对回火的影响值得关注。使用高速摄像和纹影法实验观测了4种燃料预混方式对氢气(H2)、一氧化碳(CO)和空气湍流射流火焰回火特性的影响,并使用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术测量了回火条件下的出口流场,结果表明在不同预混方式下,湍流射流火焰的回火都属于边界层回火,混合均匀性不影响湍流射流火焰回火机理。高速摄像结果显示,回火前接近化学当量状态下,预混火焰周围呈蓝色且存在扩散火焰层,而混合程度最劣条件下的一侧扩散火焰呈明显的橘红色,加之回火开始于同侧,表明该侧氢气浓度较高;随着混合均匀性改善,橘红色扩散火焰逐渐消失,发生回火的起始位置呈随机性。通过纹影图像能较清晰地分辨回火发生的时刻和位置,观测的回火过程用时与高速摄像结果一致。不同来流预混方式的回火速度范围存在一定差异,来流混合程度差更容易发生回火。结合PIV测量结果分析表明:来流预混形式对喷口附近气流速度场影响不大,其对回火的影响主要体现在浓度分布的变化,主要因素是壁面附近火焰传播速度的改变。

氮气射流抑制氢气喷射火的实验研究

为了探究抑制氢气喷射火的有效方法,并揭示氮气射流对氢气喷射火焰的影响规律,开展了一系列氮气作用下氢气喷射火实验。采用喷嘴直径为3mm、滞止压力为10atm的氮气射流,并改变氮气喷射高度和水平喷射距离,对氢气喷射火进行抑制。选择2种典型的氢喷射火,分别为喷嘴直径为3mm、滞止压力为0.1atm的过膨胀亚音速火焰和喷嘴直径为1mm、滞止压力为8atm的欠膨胀超音速火焰。实验结果表明,在氮气射流作用下火焰发生偏转,氢气喷射火长度衰减率随氮气喷射高度增大而减小。当氮气作用于火焰根部时,能有效地扑灭氢气喷射火。随氮气喷射距离增加,氢喷射火长度衰减率减小。另外,欠膨胀超音速氢气喷射火存在火焰抬升现象,氮气更易使喷射火熄灭,且在较大的水平喷射距离下仍能使火焰熄灭;过膨胀亚音速氢气喷射火由于抬升高度不明显,氮气射流灭火效果较差,仅能够在较小的水平喷射距离下使火焰熄灭。

湍流热伴流中氢气与乙炔射流自着火实验

氢燃料燃气轮机是碳中和目标下氢燃料发电的关键设备,因此探究湍流热伴流中氢气自着火特征以及与碳氢燃料间的差异具有重要意义。该文采用湍流热伴流自着火实验系统,通过获取火焰图像和OH自由基分布,对比分析了氢气和乙炔在自着火类型、结构等方面的差异。结果表明:受氢气的高扩散系数和高火焰传播速度影响,氢气随机着火分布区域较紧凑,OH自由基分布较连续,同时难以观测到独立自着火核。此外,相较于乙炔,氢气自着火抬升高度对燃料射流速度敏感性较低,自着火位置波动性较弱。基于氢气射流自着火特征,该文还改进了自着火抬升高度预测模型,并证明了火焰传播在氢气射流自着火火焰稳定方面的重要作用。

超音速氢气燃烧火焰结构特性的直接数值模拟

在课题组前期工作的基础上,对一马赫数为1.2的三维超音速氢气射流抬升火焰进行了直接数值模拟研究,其中空间离散采用波带优化的四阶WENO格式,时间积分采用带有TVD性质的三步三阶龙格库塔格式,边界条件采用了无反射特征边界条件,总的计算网格数达到9.75亿。结果表明:超音速射流氢气燃烧火焰可分为根部层流状的高温高热量释放率稳燃区、高度褶皱的湍流剧烈混合区和远场燃烧区。火焰自燃稳燃点出现在喷口附近的x/D=0.86处,对应着最易反应混合分数。在此下游,预混燃烧和扩散燃烧两种模式同时存在,其中在剧烈混合区和远场区火焰以扩散燃烧为主,但在火焰根部的局部区域预混燃烧热量释放率达到35%左右。