管道端部无约束条件下油气爆燃的数值模拟

基于具有多种控制机理的油气爆燃理论,建立了RNG k-ε湍流模型和有限速率/涡耗散化学反应速率模型直接耦合的油气爆燃二步反应模型,模拟了管道端部无约束条件下体积分数为1.4%的油气爆燃,通过对比实验研究了油气超压-时间特性以及火焰传播特性。结果表明:在一端开口的管道中油气超压-时间变化规律呈现出典型的Helmholtz振荡,超压出现多峰值现象,原因可能是Helmholtz振荡、Ray-leith-Taylor不稳定性和斜压效应共同作用的结果。对实验和数值模拟的超压-时间曲线和火焰形态进行对比,验证了本文数值模拟模型具有较高的精确度。     

非均匀容积式受限空间油气爆炸超压与火焰特征

设计了20 L非均匀容积式受限空间油气爆炸实验系统,完成了油气在其中的爆炸参数测试实验,获得了超压和火焰参数的变化规律。研究结果表明,超压随时间的变化可分为6个阶段,最大超压为791 k Pa;与20 L标准球形容器相比,非均匀受限空间油气爆炸过程中出现强压力振荡,振荡波峰值随时间的变化可用指数函数描述。火焰强度随时间的变化可分为4个阶段,各阶段火焰形态的变化为:球状蓝色层流火焰→亮黄色火焰→暗红色火焰→火焰熄灭。随着油气初始体积分数的增大,最大超压和平均升压速率呈现出先增大后减小的趋势,最大超压峰值(791 k Pa)和最大平均升压速率(7.4 MPa/s)对应的油气初始体积分数均为1.74%,且最大超压和平均升压速率随油气初始体积分数的变化可分别用二次多项式和三次多项式描述。随着油气初始体积分数的增大,火焰强度也呈现出先增大后减小再增大的变化规律,最大火焰强度为7 300 lux,火焰持续时间呈现出先减小后增大的变化规律,最短持续时间为0.317 s,最大火焰强度和最短持续时间对应的油气初始体积分数均为1.74%。     

半封闭空间钨丝点燃油气特性研究

为研究钨丝点燃油气着火爆炸特性,建立了半封闭容器着火爆炸实验平台。通过高速摄影仪拍摄的火焰传播过程,研究不同油气体积分数下的着火模式。根据高频动态压力传感器采集的容器内压力变化情况,分析不同油气体积分数下的着火规律。结果表明,着火模式有燃烧、爆炸和爆燃后持续燃烧3种;爆炸和爆燃后持续燃烧都会形成"压力双峰"现象,而燃烧只产生1个压力峰值;不同着火模式的反应总时间、最大压力上升速率和下降速率均存在突变现象;油气着火爆炸过程中,火焰和压力波之间形成了强烈的耦合作用。     

狭长受限空间油气爆炸实验研究

为研究狭长受限空间中油气爆炸超压和火焰传播规律,搭建了狭长受限空间油气爆炸实验系统,并在狭长受限密闭管道中进行了油气爆炸实验。通过采集爆炸超压值、火焰强度值以及对燃烧产物成分进行分析,得到以下结论:距离点火端越远,最大爆炸超压值越大,但由于管壁的耗散效应以及油气体积分数的减小,导致靠近管道末端的压力有所下降;随着初始油气体积分数的增大,最大爆炸超压值和火焰传播速度先增大再减小;管道末端发生二次爆炸,在前驱冲击波过后,由于未燃气体压缩以及一次爆炸产物活性高等原因压力出现第2个峰值;在前驱冲击波的反射波以及水的不断冷凝、蒸发作用下,压力出现往复振荡现象;高油气体积分数下,燃烧反应不完全,产物更多以低碳烃类和CO为主。     

T型分支坑道对油气爆炸传播特性的影响

为研究T型分支坑道对油气爆炸传播特性的影响,通过对比实验,测定了相同初始条件下T型分支坑道和直坑道中油气混合物爆炸的火焰传播速度和爆炸波超压值。利用高速摄影仪,记录了火焰传播至T型分支坑道时的火焰阵面变化情况,并对T型分支坑道中油气混合物爆炸的传播情况进行了理论分析。结果表明：T型分支坑道对油气混合物爆炸的影响可以视为面积突扩和障碍物扰动双重作用的影响;火焰经过支坑道时,火焰阵面发生扭曲并产生皱褶,表面积增大导致火焰传播速度增大;T型分支坑道处,大量反射波和绕射波进入波后反应区,加强了气流湍流强度,并推动已燃气体回传,迅速提高了燃烧反应速度和能量释放率,起到了增大火焰传播速度和爆炸波超压值的作用。     

油气爆炸抑制实验装置的抑爆特性

为研究气态抑爆介质对洞库管路系统油气爆炸的抑制作用,研制了主动式油气爆炸抑制实验装置,搭建了洞库管路系统油气爆炸抑制实验系统。以CO2为抑爆介质,进行了油气爆炸抑制实验,与无抑爆介质条件进行了对比,并分析了火焰强度、爆炸超压值、火焰传播速度和爆炸产物等特性参数变化情况。结果表明:抑爆器通过喷射CO2,对爆炸火焰强度、持续时间有明显的抑制作用;在CO2作用下,最大爆炸超压值和最大火焰传播速度分别下降了34.21%和54.48%;通过分析油气爆炸燃烧产物,可知在CO2作用下,有较多油气并没有参与燃烧反应或者反应不完全。     

坑道截面形状对爆炸冲击波传播规律的影响

为研究坑道截面形状对爆炸冲击波传播规律的影响,设计了 4种截面积相等但形状不同的坑道结构,利用有限元仿真软件对5 kg TNT球形裸装药在坑道内爆炸产生的冲击波传播过程进行了数值模拟,得到了圆形坑道内冲击波的传播规律以及不同截面形状对冲击波参数的影响规律.圆形坑道内冲击波超压峰值和比冲量的初始值最大,衰减最快;随着传播...     

含弱约束结构受限空间油气爆炸外部火焰特性

构建了含弱约束结构受限空间油气爆炸实验系统,基于模拟实验对外部火焰特性进行了研究。结果表明:火焰形态变化主要受Rayleigh-Taylor不稳定、Helmholtz不稳定、斜压效应、热流推举作用的影响;火焰发展模式受初始油气体积分数影响,在低和中油气体积分数条件下,火焰发展模式为强爆燃;在高油气体积分数条件下,火焰发展模式为泄流后的定压燃烧;初始油气体积分数为1.79%时,火焰发展范围达到最大,高度为0.8 m,直径为0.6 m。     

油料洞库油气爆炸抑制数值模拟

根据受限空间油气爆炸及抑爆过程的发展规律和机理以及爆炸燃烧和抑爆的特点,建立了基于分步反应控制机理的爆炸燃烧及抑爆模型,解决了爆炸及抑爆发展过程中火焰和压力波相互耦合机制,克服了化学反应与多相流动耦合时计算和存储方面的困难,缓解了控制方程求解时的"刚性",数值仿真结果与实验吻合较好。研究显示,火焰在传播过程中,由于受到湍流和气体流动影响,形状不断发生变化,不是一直加速传播的,而是呈一定波动范围加速传播的;在狭长受限空间内,油气混合物的爆炸压力和火焰速度会大幅升高,不加以抑制将导致严重的破坏后果;在抑爆区由于抑爆剂强烈的物理、化学抑制作用以及两相间进行的能量和动量交换,充满抑爆区的抑爆剂云(雾)能很好地阻断爆炸燃烧火焰的持续传播,从而使爆炸压力失去油气持续燃烧所提供能量的补充而迅速衰减,爆炸传播迅速得到抑制。     

油料火灾爆炸模拟实验系统与测试技术

针对受限空间油料火灾爆炸发生、发展、控制、抑制实验的需要,研制了一系列模拟实验台架及关键参数测试系统。所研制的一系列模拟实验台架为各种工况的油料火灾爆炸模拟实验研究提供了完备的科研条件和支撑;研制的超动态数据采集与分析系统能对冲击波压力、瞬时温度、火焰识别、爆燃向爆轰演化(DDT)过程等进行连续捕捉、测试、分析;研制的基于紫外火焰探测、数字信号处理和网络化智能探测技术的油气爆炸火焰传播速度测试系统较传统的火焰传感器具有高灵敏度、零误报、探测距离远的特点。     

瓦斯爆炸波自激励效应的实验研究

基于爆炸波的发展机理在气体爆炸防护技术研究中的重要性,通过实验对密闭通道中瓦斯爆炸波的传播特征及规律进行了研究。结果表明,瓦斯爆炸传播过程中,压力波对火焰波既有促进作用又有抑制作用,不同阶段的主导作用不同;而火焰波对压力波也会产生影响,不但会加强压力波的超压和振幅,而且会使压力波上升段压缩、下降段拉伸,最终可能发展为爆震波,对巷道内的建筑、设备造成极大的破坏。     

柱状炸药自由空气爆炸的网格划分方法研究

网格划分方法对自由空气爆炸冲击波传播过程的数值模拟精度有较大影响,且不同当量下网格划分方法亦有较大区别.通过使用LS-DYNA软件对柱状炸药的爆炸冲击波传播过程进行数值模拟,以Henrych经验公式为验证依据,分析了网格划分方法在不同比例距离处对超压峰值的误差影响;以"网格尺寸与炸药半径之比"作为网格尺寸划分依据,以比...     

顶部开口条件下油罐油气爆炸数值模拟

根据油罐油气爆炸特性,基于RNG k-ε湍流模型、Finate-Rate/Eddy-Dissipation化学反应模型和相应的控制方程,采用SIMPLE算法对顶部开口条件下油气爆炸发生与发展过程进行了数值模拟。基于数值模拟结果分析了顶部开口条件下油罐油气爆炸罐外超压和火焰特征,与实验结果吻合良好,该模型可以用来预测顶部开口条件下油罐油气爆炸强度。     

狭长受限空间油气爆炸关键现象研究

以汽油油气混合物为研究对象,在狭长密闭管道中进行了油气爆炸实验,通过压阻式传感器测试爆炸过程中的压强信号,得到狭长受限空间中油气爆炸的基本参数。通过对实验结果的对比分析,发现狭长受限空间内的油气爆炸可以分为4个阶段：平滑加速阶段、湍流发展阶段、振荡激化阶段和余波阶段;一定强度的湍流流场可抑制链化学反应速度和火焰传播速度;振荡激化阶段发生在管道末端。为狭长密闭空间内油气爆炸的预防和抑爆技术研究提供了参考。     

爆炸激波管管口稀疏波对试验段的影响

数值模拟了爆炸激波管不同隔离段长度时管口稀疏波对试验段超压的影响。为了准确高效地模拟试验段入口的超压曲线,采用了一种将一维球对称程序和三维程序相结合的计算方法,并在一维计算中利用爆炸相似律,采用小当量爆炸来模拟实际超压波形。计算结果表明,隔离段长度L的变化不影响超压峰值;L小于等于20m时,稀疏波的影响使得试验段超压的作用时间、比冲量减小;L大于等于30m时,稀疏波对试验段超压无影响。     

狭长密闭空间油气爆炸燃烧数值研究

基于不同控制机理制约不同反应步骤的分步反应燃烧机理,建立了RNG k-ε湍流模型和层流有限速率/涡耗散燃烧模型直接耦合的燃烧模型,采用TVD有限体积法,对充满等体积油气预混气的狭长密闭空间油气爆炸燃烧发生与发展过程进行了数值模拟.为了验证模型的正确性,根据计算结果分析了爆炸流场出现的火焰、压力波和化学反应等特征.所得计...     

基于超细冷气溶胶的油气爆炸抑爆剂研究

为了有效抑制油气爆炸传播,根据抑制爆炸的特殊需要,研究了冷气溶胶抑爆剂新配方,解决了超细冷气溶胶易于团聚这一技术难题。首先采用超音速气流粉碎新技术成功研制了超细冷气溶胶抑爆剂,平均粒度小于5μm。其次通过表面复合改性显著提高了超细粉体的稳定性和分散性,表面改性剂用量的临界质量分数为0.5%。参数测试和灭火实验表明新型冷气溶胶对火焰有强抑制、强窒息作用和对热辐射的遮隔、冷却作用,具有较强的油气抑爆灭火效能;中/小型油料火的灭火时间小于1.6s,抑爆剂用量低于60g/m^3。     

原油流淌火燃烧特性的试验研究

利用自行设计的流淌燃烧试验平台对原油流淌火的燃烧特性进行了试验研究,分析了坡度对火焰高度、质量损失速率、火焰温度和热辐射等火灾特性参数的影响。结果表明,原油在稳定流淌燃烧时,在燃烧槽末端出现类似池火的燃烧现象,且火势规模较大;原油流淌火的火焰高度、质量损失速率、火焰温度和热辐射均小于同等规模的油池火,且坡度越大,火灾特性参数越小;坡度引起的油层运动破坏了油品表面稳定的传热结构,导致维持油品稳定燃烧的热平衡状态发生变化是造成原油流淌火与池火在火灾特性参数上不同的主要原因。     

超声速气液两相流液化升压装置研究

基于超声速气液两相流升压原理的水蒸气液化升压装置具有液化迅速、出口压力高的特点,但是两相流升压的物理过程十分复杂,目前分析模型中考虑的参数较少,对细节刻画不够全面.针对这一问题,文章建立了两相流分析模型,考虑了液滴与水蒸气的传热、传质过程,分析了冷却水温度、引射比、混合室收缩比、过冷度和速度滑移比对性能的影响;得到了激波前的压力、干度、空泡份额与引射比的关系,以及凝结激波前后的温度和压力与引射比的关系.计算结果表明:为提高系统性能.需要尽可能地提高液体的雾化程度,降低冷却水的温度,同时将引射比控制在6～8附近;如果设计合理,装置的升压系数可达3倍以上.     

室内火灾轰燃喷出火焰的数值模拟研究

利用FDS软件等对小规模轰燃后火灾的喷出火焰进行了数值模拟,得到了喷出火焰的根部温度、平均温度、辐射热通量等重要参数的模拟结果;将这些模拟结果与同等条件下的实验结果进行了对比分析,发现二者之间比较吻合。研究表明：利用FDS等模拟喷出火焰的可靠性较高,根据模拟结果可以进一步研究喷出火焰的有关问题。