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%。     

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。     

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。     

氧气体积分数对油气爆炸特性的影响

作为燃烧和爆炸三要素之一,氧气体积分数的控制对于爆炸事故的防治具有重要意义。实验研究了氧气体积分数对汽油蒸气-空气混合物（简称油气）爆炸极限和爆炸压力的影响。结果表明：随着氧气体积分数的降低,油气爆炸下限呈一阶指数规律缓慢增大,油气爆炸上限呈线性规律迅速减小;爆炸极限范围由0.92%~3.76%缩小为1点,该爆炸极限临界点为1.22%,对应的临界氧气体积分数为11.4%;油气的最大爆炸压力和最大压力上升速率随着氧气体积分数的降低而减小,油气体积分数越大,氧气体积分数影响越显著。     

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。     

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...     

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。     

油料洞库支坑道对爆炸传播影响的数值模拟研究

油料洞库是典型的狭长受限空间,湍流强度是这种复杂受限空间中爆炸燃烧波发展的主要影响因素之一,爆炸波在主坑道的传播过程中,经分支坑道扰动后会发生跃升。针对这种复杂的跃变过程建立了基于多控机理的油气爆炸燃烧模型,对该过程中涉及的湍流强度经旁接分支通道扰动后的变化以及爆炸压力波的发展进行了数值模拟研究,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比和综合理论分析。得到了一些与洞库安全相关的重要结论,对洞库受限空间爆炸发展的进一步研究以及爆炸灾害的防治具有重要的参考价值。     

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。     

受限空间内局部油气爆燃超压与火焰传播特性

对不同体积分数油气爆燃超压特性进行研究,发现爆燃超压-时间变化规律可归纳为3种形式;对火焰传播过程进行可视化研究,发现传播过程可分为5个阶段,且出现了tulip火焰;对火焰行为进行研究,得出爆燃升压速率振荡是由火焰与压力波相互作用引起的;对油气爆燃的超压峰值、爆燃时间、平均升压速率和爆燃孕育期进行研究,得到实验工况下由于局部积聚油气爆燃后,未燃气体得到氧气补充发生化学反应,导致最大爆燃超压峰值出现在当量比1.2处,而爆燃时间、爆燃孕育期的最小值和平均升压速率的最大值出现在化学当量比附近。     

模拟油罐油气混合物爆炸实验与数值仿真研究

对模拟油罐内油气混合物爆炸冲击波特性进行了研究.在直径为1 m的模拟油罐中进行了油气混合物爆炸模拟实验,建立了模拟油罐油气混合物爆炸的数值仿真模型,并借助大型商业软件Fluent6.2完成了数值仿真研究.数值仿真结果与实验值较为吻合.模拟实验和数值仿真研究的结果表明:油气体积分数、罐内初始温度等决定模拟油罐油气混合物爆炸压力的大小.油罐内爆炸压力波的振荡特性对金属油罐结构来说是有害的.     

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。     

特种防护舱抗爆性能试验研究

为探讨特种防护舱抗爆性能,进行了舱内爆炸原型试验,研究不同装药量下开闭盖状态防护舱内爆炸时的空气冲击波超压和舱体位移过程。结果表明:同药量下闭盖状态的空气冲击波超压明显高于开盖状态,即封闭舱内偶然爆炸时空气冲击波超压更高;随装药量的增大,舱壁的空气冲击波超压也在增大;舱体侧壁经过多次正反射作用均未发生碎片反应,顶盖泄爆措施对降低底板的空气冲击波超压十分有利;距爆心较近处的位移均比距爆心较远处的位移大。原型试验舱体完全破坏,但结构未发生崩溃式破坏,并无碎片及内爆的二次破片飞出,舱体具有一定的抗爆性能和较好的防破片能力。     

受限空间油气抑爆模拟实验

针对受限空间的特点,建立了油气爆炸及其抑爆模拟实验系统,研制了新型高效超细粉体抑爆剂,对受限空间油气爆炸及其抑爆过程进行系统的实验研究,分析了抑爆机理.研究表明抑爆剂的喷射方式、喷射压力、喷射用量以及布置方式等因素对抑爆效果有着重要的影响,得到了抑爆装置的关键设计参数,为进一步研制抑爆装置奠定了实验和理论基础.     

热壁条件下油气热着火关键因素探究

设计了受限空间内高温热壁条件下的油气热着火的实验系统.基于系统的实验和分析,探究了受限空间环境温度、湿度、压力、热壁温度对油气热着火发生的影响.实验发现:油气热着火概率随着热壁温度和环境温度的升高、湿度的减小而增加;油气混合物在汽油自燃点附近开始快速化学反应,油气热着火的最低临界温度为783 K;油气热着火存在三角形的着火压力半岛,且着火压力下限随热壁温度升高而降低,着火压力上限随温度升高而提高.     

受限空间可燃气体爆炸抑爆实验系统研究

针对狭长受限空间可燃气体爆炸抑制模拟实验研究的需要,采用超细冷气溶胶抑爆技术设计了一套操作方便、组装灵活、结构合理的复合式气体爆炸抑制系统.完成气体爆炸和抑爆实验.实验表明该抑爆实验系统能满足受限空间不同工况气体爆炸抑爆实验研究的需要;同时也表明可燃气体浓度、抑爆剂性能、信号采集及控制系统响应速度等是影响抑爆效果的主要因素.文中的研究为进一步研制抑爆装置奠定了实验和理论基础.     

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...     

温升热源条件油气热着火关键因素探究

通过对影响油气受热着火的关键因素进行研究,为发展主动防护技术提供理论依据。基于系统的实验和分析,探究了快速氧化现象、热源加热速度、热源面积与爆燃空间比例对热着火发生时临界浓度、着火概率和着火延迟期的影响,提出了温升热源条件受限空间能否发生热着火的综合判据。该判据认为：如果油气体积分数低于2.4％,受限空间体积与热源面积比值小于0．64m,那么即使温度达到873K,湿度降低到18％～21％,着火也不会发生。