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。

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%。

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。

低气压条件下甲烷预混燃烧CO和NO生成机理研究

为研究低气压条件对甲烷预混燃烧中CO和NO_(x)生成特性与生成路径的影响,采用Chemkin软件进行详细数值模拟研究。通过采用Python语言自编程序调用最新光谱数据计算普朗克平均吸收系数,并导入Chemkin软件中来提升辐射传热的计算精准度。结果表明:采用Konnov0.6化学反应机理与所提出的辐射模型中普朗克平均吸收系数计算方法可以准确预测低气压条件下甲烷燃烧的温度、NO和OH质量浓度分布;随着气压的降低,甲烷与空气预混燃烧时炉膛前部温度逐渐降低,而炉膛后部温度逐渐增加;气压降低导致CO生成速率增加和消耗速率减小,两者共同作用导致CO生成量增加和燃尽率降低;甲烷与空气预混燃烧生成的NO主要来自快速型和NNH型,且快速型和NNH型路径的贡献随着气压降低略有增加。

多因素耦合作用对甲烷爆炸特性的影响

为了探究多因素耦合作用对甲烷爆炸特性的影响,采用1.2 L圆柱形爆炸装置,结合自主设计和搭建的可燃气体爆炸试验平台,从最大爆炸压力的角度分析了不同当量比φ(0.6~1.4)、初始温度T0(25~200℃)和初始压力p0(0.1~0.5 MPa)耦合条件对甲烷爆炸特性的影响规律。在此基础上,基于实验获得的最大爆炸压力数据,利用1stOpt构建了甲烷最大爆炸压力与当量比、初始温度和初始压力的非线性回归预测模型。结果表明:在初始温度和初始压力耦合作用下,初始压力越高,初始温度对最大爆炸压力的影响越大;初始温度越高,初始压力对最大爆炸压力的影响越小。在初始压力和当量比耦合作用下,在研究的实验条件范围内,当φ<0.9或φ>1.2时,初始压力越高,最大爆炸压力的变化越显著。在初始温度和当量比耦合作用下,在实验条件范围内,当φ>1.15时,初始温度越高,最大爆炸压力的变化越显著。此外,通过将基于1stOpt预测模型的预测结果与实验测试结果相比较,发现二者之间的相对误差均小于10%,表明该预测模型具有较高的精度和适应性。

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。

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。

管道燃气爆炸特性实验研究

管道是化工及油气储运系统的重要组成部分,却时常受燃烧爆炸事故的威胁,因此对管道中燃气燃烧爆炸特性与规律的研究就十分必要。以甲烷作为研究对象,采用压力传感器以及火焰传感器等对水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧爆炸进行了实验研究,通过大量实验来研究可燃气体爆炸压力与火焰及其传播变化规律。根据实验结果将超压以及气体燃烧的变化情况,对前驱冲击波与火焰面的相对时间及相对位置关系进行了分析。结果显示,管道中会产生前驱压力波,并超前火焰阵面甲烷气体在管道传播过程中,出现冲击波反压射、波叠加及反冲现象,压力的持续时间较火焰光信号持续时间长。所做的工作为油气受限空间中燃气燃烧爆炸特性与规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术及工艺的实施、系统设计以及关键参数计算提供了理论依据。

方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟

为揭示置障管道内甲烷/空气预混火焰传播特性,运用高速摄影技术对甲烷/空气预混火焰的形状变化和火焰前锋的速度特性进行实验,并利用大涡模拟对管道内的流场结构进行数值分析。结果表明:置障管道内依次出现了球形火焰、指尖形火焰及"蘑菇"状火焰,且"蘑菇"状火焰出现之后,火焰开始反向传播;"蘑菇"状火焰是双涡旋结构与火焰前锋面相互作用的结果,而火焰的反向传播是由流场中出现逆流结构引起的;障碍物对火焰前锋有明显的加速作用;大涡模拟成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明大涡模拟适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究。

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。

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。

CH_4/O_2/N_2预混、层流、稳态火焰反应机理分析

本文采用数值模拟方法确定了一种用于模拟甲烷火焰的详细化学反应机理模式，根据该模式进行了数值计算，得出了层流火焰速度与当量比的关系以及温度、各组分浓度沿ｘ轴线方向的分布曲线。计算结果与相应的实验结果进行了对比，表明在当量比小于１．３时，本文采用的模式不失为一种简单、有效的方法。本文还分析了反应模式中各反应式对火焰传播速度影响的相对重要性，及速率常数改变时给模拟结果带来的影响。

冲击压缩下甲烷-空气混合气体状态参数实验研究

为研究强冲击状态下混入少量空气的甲烷气体的冲击状态参数,利用二级轻气炮加载技术,使加速到5 km/s的钨合金飞片撞击封装有常态下空气混入量依次为零(纯甲烷气体)、1%、5%、10%的甲烷-空气混合气体铝靶。采用六通道瞬态光学高温计记录冲击压缩气体的光辐射历程曲线,得到了相同初始条件下4种不同比例混合气体的冲击状态参数。结果表明,在强冲击压缩下,混合气体的冲击温度随着空气混入比例的增大而增高,冲击波后混合气体存在非平衡辐射过程。采用Saha电离平衡方程,对空气混入量为10%的混合气体的电离度进行了估算。结果表明,常态下空气含量Cair≤10%的甲烷-空气混合气体具有电探针保护能力。

甲烷/空气混合气体爆炸基元反应特征及能量分析

甲烷/空气混合气体爆炸化学反应是由一系列基元的自由基组成的复杂链式反应。基于甲烷燃烧详细机理,研究爆炸过程中主要物质和自由基的生成速率,获得影响甲烷/空气混合气体爆炸的关键基元反应;同时对爆炸过程中基元反应放热量进行分析,研究基元反应放热特性,分析影响爆炸能量释放的主要基元反应。

甲烷/空气预混气体在微通道中催化转化的数值模拟

用详细化学反应机理研究了微型直通道中甲烷/空气预混气体在镀Pt热壁上的催化燃烧问题.联合使用计算流体力学软件FLUENT和可以计算表面催化反应的化学反应动力学软件DETCHEM,对微型直通道中当量比在0.01～10.0范围之间的甲烷/空气预混气体的催化燃烧进行了数值模拟.计算结果表明,在微尺度催化燃烧中当量比和温度对甲烷催化转化率、转化速度有重要的影响.

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。

基于高速摄像的半开口管道内瓦斯预混火焰传播特征的分析

采用高速摄像研究了长1.5m、截面0.1m×0.1m半开口有机玻璃方管内3种典型浓度下瓦斯预混火焰传播特征。结果表明:典型的瓦斯火焰运动过程分为火焰成长期、火焰加速期和火焰消失期3个阶段;甲烷体积分数略高于最佳值时,管内瓦斯火焰传播速度较大;3种典型浓度下光滑管道内瓦斯火焰传播阵面—点火时间满足GaussAmp曲线,其拟合度较高、相关性好;由火焰阵面—时间拟合曲线微分得出的火焰传播速度—时间曲线,更能反映实际瞬时火焰传播速度情况。火焰运动图像分析及瞬时火焰传播速度计算方法,对管内气体火焰或矿井瓦斯火焰特征研究具有一定的借鉴作用。

引燃柴油在甲烷-空气混合气中的着火模型

分析双燃料发动机引燃柴油在甲烷 空气混合气中的着火过程,提出一种新的着火模型.着火模型的基本框架仍然采用Shell模型,但考虑了CH4 对柴油着火过程的影响.柴油的着火过程是退化分支链的反应过程,根据CH4 基元反应的特点,分析CH4 对柴油退化分支链反应机理的影响,提出一种修正的Shell模型,并进行了试验分析.模拟计算选用KIVA 3程序,修正的Shell模型作为KIVA 3的一个独立的着火子程序.试验结果表明,修正的Shell模型能够较好地模拟引燃柴油在甲烷 空气混合气中的着火过程.

基于水合物的混空煤层气分离技术

混合气体的水合物法分离是一项具有广阔应用前景的新技术。在对气体水合物理论、应用技术进行概述的基础上,针对抽采煤层气混掺空气的现状,提出一种新工艺:将原料气引入反应器中,控制温度和压力,在特定条件下生成甲烷水合物,排出非水合气体—空气,实现煤层气的净化提浓。生成的甲烷水合物,或气化后经管道输送,或装罐储存。水合物的快速合成是分离技术的关键。

初始温度对甲烷-空气爆炸压力影响的试验研究

借助特殊环境20 L爆炸特性测试系统,研究了初始温度对甲烷-空气爆炸压力的影响,初始压力为0.1 MPa,初始温度变化范围为298～473 K。结果表明,甲烷-空气爆炸的最大爆炸压力随初始温度的升高而降低,初始温度由298 K升高到473 K,最大爆炸压力由0.7833 MPa下降到0.5012 MPa,下降幅度为35.89％。初始温度的升高加快了反应速率,缩短了最大爆炸压力到达时间,由298 K时的127.1 ms缩短到473 K时的85.0 ms。初始温度升高,甲烷-空气最大爆炸压力的上升速率（ dp/dt） max呈上升趋势。当初始温度由298 K上升至473 K时,（ dp/dt） max升幅并不大,仅为9.16％；爆炸特征值KG 不断增大,其爆炸危险性也随之增大。从反应开始到到达最大爆炸压力这段时间内,爆炸压力上升速率的变化在一定程度上可以反映甲烷-空气爆炸反应速率的变化情况。