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。

圆柱形障碍物对2H_(2)+O_(2)+nAr预混气体的再起爆实验研究

开展了不同反应活性的2H_(2)+O_(2)+nAr气相爆轰波与圆柱形障碍物相互作用的实验研究。通过在管道顶部布置压电式压力传感器记录压力到达时间,并以此计算爆轰波传播速度。采用纹影技术和烟迹法记录爆轰破坏到再起爆全过程的波系及胞格结构。结果表明:爆轰波在障碍物上游接触障碍物时会发生反射;越过障碍物后,在障碍物下游会发生衍射。爆轰波越过障碍物时,受障碍物尾部膨胀波的影响,爆轰波衰减解耦,但随着从圆柱形障碍物两侧绕过的衍射激波在障碍物后轴线和管道中心轴线处碰撞,继而发生马赫反射以及入射激波与下游管道壁面碰撞发生马赫反射,完成再起爆过程。直径较小的障碍物造成的爆轰波能量损失较少,其胞格爆轰波的再起爆距离随障碍物直径的减小而缩短。针对不同直径障碍物的实验结果均表明,随着初始压力升高,预混气体反应活性增加,爆轰的自持稳定性增强,从而削弱了障碍物几何尺寸的影响,有利于减弱爆轰的衰减并缩短再起爆距离。在所研究的障碍物几何尺寸下,通过测量爆轰再起爆距离,建立了不同比例Ar稀释下的2H_(2)+O_(2)在圆柱形障碍物后的再起爆距离与圆柱垂直间距及胞格尺寸的关系。

方形容器内掺氢天然气爆炸抑制实验研究

为探究掺氢天然气在方形受限空间中的爆炸特性及七氟丙烷/二氧化碳对其爆炸抑制作用,在0.5 m×0.5 m×0.5 m的方形爆炸容器中进行掺氢天然气抑爆实验研究。首先进行掺氢体积分数0%~50%的掺氢天然气爆炸特性研究,结果表明:随着掺氢比例增大,最大爆炸超压和火焰传播速度都呈现上升趋势。随后在甲烷中掺入50%体积分数氢气开展二氧化碳或七氟丙烷抑爆实验,分析了最大爆炸超压、达到最大爆炸超压延迟时间、火焰传播速度等关键爆炸参数在不同抑爆剂体积分数下的演变规律。结果表明:随着抑爆剂体积分数增加,最大爆炸超压快速衰减,达到最大爆炸超压延迟时间延长。高速图像采集结果表明:火焰面拉伸明显,球形火焰传播速度显著减小。选取两种抑爆剂的不同体积分数下抑爆参数值进行对比,发现在二氧化碳体积分数是七氟丙烷2倍情况下,二者对最大爆炸超压的抑制效果相当;在10%体积分数七氟丙烷和20%体积分数二氧化碳作用下均可达到完全抑制,最大爆炸超压分别下降了98.0%和94.4%。两种抑爆剂都具有物理和化学抑爆作用,但七氟丙烷的抑爆效果明显优于二氧化碳。

变坡度条件下正丁醇定常流淌火非稳态燃烧行为研究

为探究流淌火在变坡度地面的蔓延特性,丰富火灾研究理论,推进流淌火预防和风险评估的发展,采用1套自制矩形小尺度油槽系统,研究正丁醇变坡度、变泄漏速率情况下溢油定常流淌火的蔓延特性。结果表明:当泄漏速率相同时,坡度越大,正丁醇的加速过程越明显,当坡度从1°上升到4°,正丁醇扩散速率增大了40.8%;不同坡度下,正丁醇的平均火焰高度随泄漏速率的变化均呈现“上升-下降-稳定”趋势;流淌火蔓延过程中脉动方式分为2种:“跳跃-爬行”和“跳跃-爬行-回缩”;当泄漏速率较小时,流淌火蔓延过程中的脉动频率随油槽坡度的增大而增大,当泄漏速率较大时,脉动频率不再随油槽坡度的改变而发生明显趋势变化。

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。

庚烷池火辐射及其对相邻油池的引燃特性

油库罐区时常发生由着火油罐的强烈热辐射而引燃相邻油罐的火灾事故,扩大燃烧范围.因此,需要对储油罐火焰辐射及其对相邻油池的引燃特性进行研究.本文采用内径分别为74 mm、114mm、150 mm和200 mm的4种圆形石英玻璃油盘,开展不同油盘间距条件下的庚烷池火和点火实验.结果表明,根据圆柱体模型计算得到的辐射热流预测值与实验值吻合较好.当油盘尺寸一定时,随着油盘间距增大,待引燃油盘点接收的辐射热流逐渐减小;而当油盘间距相同时,油盘直径越大,待引燃油盘中心点接收的辐射热流越大.点火过程按照时间顺序划分为3个阶段:加热升温阶段、蒸气积聚阶段和点火阶段.随着油盘尺寸变大,庚烷的临界辐射热流随之变大且作为低闪点燃料,庚烷的临界辐射热流比高闪点燃料小得多.

变压器油爆炸作用下的消防设备抗爆实验研究

为了研究变压器油爆燃特性和消防设备抗爆性能,开展了不同起爆药量和不同变压器油量下的消防设备抗爆实验,实验采用高速相机拍摄爆炸火球演变图像,利用3只压力传感器测量爆炸超压。实验结果表明,变压器油的爆炸超压时程曲线上可明显观察到4个超压峰值,分别为药包爆炸超压峰值、起爆药包爆炸后气体和油雾过膨胀诱导的负压峰值、反射波经过油雾衰减后的超压峰值及油雾爆炸超压峰值。随着变压器油量增加,变压器油雾爆炸火球的最大扩展半径增加,爆炸火球扩展速率则快速减小,消防水炮、消防水管和CAFS喷淋管位置的冲击波超压明显减小。由于起爆药量和变压器油量的限制,最大爆炸超压仅约30kPa,未导致消防设备明显损伤。

高温熔融铝液柱遇水蒸汽爆炸的压力及固体产物分布实验研究

为揭示高温熔融铝液柱遇水作用后的蒸汽爆炸压力及固体产物分布特性,开展了不同温度和下落高度条件下的熔融铝液柱与水相互作用的实验研究。通过对爆炸后固体产物粒径的统计分析,获得了不同条件下的产物粒径分布图。将熔融铝与水相互作用分为未爆炸、局部爆炸和完全爆炸3种类型。当熔融铝质量为200g时,发生完全爆炸的超压在100kPa~200kPa之间,而局部爆炸的超压在30kPa~60kPa之间。基于Kelvin-Helmholtz不稳定性的临界波长和临界韦伯数理论对维持熔融液滴稳定状态的最小直径进行计算,发现液柱的温度与下落高度对碎化过程有明显的影响作用。通过对熔融铝液柱与水相互作用现象、产物及压力峰值的分析,发现熔融铝温度、铝液柱的下落高度对过程中发生碎化及爆炸的结果有显著影响,当铝液温度大于1500℃或下落高度大于90cm时,熔融铝液柱发生碎化和蒸汽爆炸的概率会显著增加。随着碎化及爆炸程度的加剧,金属产物的直径也呈变小趋势,当温度高于1500℃时,粉末状的产物明显增多。

小尺度乳化柴油池火的沸腾燃烧特性实验研究

使用乳化柴油是实现发动机节油减排的重要方式,而含水率是影响乳化柴油燃烧效率的关键因素。为了预防乳化柴油泄漏火灾并减少人员伤亡和财产损失,该文采用直径为150 mm的不锈钢油盘,实验研究了含水率分为0%、 5%、 10%、 15%和20%的油包水(W/O)型乳化柴油池火的燃烧和沸腾特性。根据燃烧速率和火焰高度的变化情况,将乳化柴油燃烧过程划分为初始增长阶段、沸腾燃烧阶段、脉动阶段、稳定燃烧阶段和熄灭阶段,其中前3个阶段的燃烧有水参与,而后2个阶段的燃烧特性与0#柴油池火的稳定燃烧阶段和熄灭阶段基本一致。随着含水率的增加,沸腾燃烧阶段和脉动阶段的时间呈“增加—稳定—增加”的趋势,而稳定燃烧阶段的时间呈“减少—稳定—减少”的趋势。乳化柴油池火燃烧过程出现了沸腾燃烧并导致火焰高度下降现象。该研究有助于乳化柴油泄漏火灾的风险评估。

不同狭缝尺寸对正丁醇火焰传播及表面流动影响规律研究

本文根据实际火灾场景设计并进行了不同尺寸的大理石狭缝正丁醇火蔓延阻隔实验,测量了火蔓延在狭缝内蔓延时间和温度分布,并定量计算了狭缝内的表面流总热量和狭缝侧壁面热损失。研究发现,火焰在狭缝中表现为“跳跃–回缩–跳跃”脉动方式蔓延;在狭缝的冷壁效应和黏性力的耦合作用下,狭缝抑制甚至阻隔了火焰蔓延;狭缝火蔓延时间与狭缝长度成正比,与狭缝宽度成反比;当狭缝侧壁热损失占表面热流总热流的比例超过43.3%时,火蔓延被完全抑制,火焰无法穿过狭缝。

钢箱梁桥面沥青混合料燃烧温度荷载与效应分析

为研究在火灾作用下钢箱梁与桥面铺装结构热效应,建立了小尺度钢桥面燃烧试验台,获取了油料火灾作用下沥青铺装层的上表面、中部和下表面温度数据;针对上表面温度数据,拟合得到了一条基于燃烧试验数据的升温曲线,与ISO 834标准升温曲线进行对比,并对小尺度试验的温度场进行了数值模拟验证;建立了11.25 m×3.60 m的钢箱梁桥有限元模型,获取了桥梁在跨中、支座附近和全跨火灾工况下的应力和变形特征。研究结果表明:在试验拟合升温曲线的作用下,二维数值模拟试件的中部温度260.70℃和底部温度89.38℃与试验数据248.90℃和82.59℃相近,且升温趋势较一致,说明温度场数值模拟结果可靠;火灾荷载作用区域钢箱梁顶板温度下降最高可达60.91%,表明沥青混合料铺装层能在一定程度上阻挡温度传递;跨中、支座火灾工况下钢箱梁最大Mises应力均出现在火荷载向低温扩散传播的冷热交替区域;跨中火灾工况在火荷载区域出现上挠变形,而支座火灾工况分别在火荷载区域和跨中区域出现上挠和下挠变形;全跨火灾Mises应力分布较均匀,跨中下挠变形严重;3种火灾模式下,基于试验拟合升温曲线的应力和变形数据均滞后且低于ISO 834标准升温曲线。