（安全技术及工程专业论文）丙烷空气预混火焰微观结构及加速传播过程中的动力学研究.pdf

博士掌位论文丙蟪一空气曩舅u 焰u 呢结相a 口口，【传爿h t 覆中的动力孽田 电 涉作用。研究发现稀疏波对火焰结构和火焰传播过程产生重要影响。当稀疏波与火 焰相遇时，火焰阵面和稀疏波会发生相互叠加，结果导致火焰迅速由层流向湍流转 变。随着火焰的传播，湍流燃烧不断加强。 同向稀疏波对火焰的干涉作用，整体降低了火焰传播速度，并一度出现反向传 播；当湍流得到充分发展时，火焰速度又由迅速增大。而逆向稀疏波则整体加速火 焰传播过程，同时随着强烈的震荡。稀疏波在促进层流向湍流转变过程中，还使燃 烧室的压力产生明显的波动，进一步加快了湍流的形成。 ( 3 ) 研究了当量比等初始条件对丙烷一空气预混气体火焰传播特性影响。 通过不同当量比条件下火焰流场特征分析，发现当量比条件下，火焰阵面以对 称结构向前传播。贫燃条件下，火焰阵面很快变成不对称结构，然后开始形成t u l i p 火焰结构。富燃条件下首先形成对称的t u l i p 火焰结构，然后火焰阵面结构逐渐变 成不对称状。影响火焰结构不对称的主要原因是浮力的作用。当量比条件下，火焰 阵面对称性较好，主要是该条件下燃烧较为完全，火焰速度最大，浮力影响相对越 小；而在贫燃或富燃条件下，火焰整体速度较小，浮力的作用更明显，结果导致火 焰结构的不对称。 另外，通过高速纹影系统、离子探针、微细热电偶等技术及丙烷一空气预混火焰 传播过程中的细微结构特性进行了深入研究，揭示了火焰结构失稳的基本原因。 ( 1 ) 丙烷一空气预混火焰在管道中传播，会发生火焰结构的变化，即形成了一种 典型的不稳定火焰结构。压力波产生的斜压效应与马赫杆效应导致涡量产生，是火 焰阵面变形与失稳，并形成t u l i p 火焰结构的重要因素。 ( 2 ) 研究发现，在火焰结构的变化过程中，伴随着层流向湍流的转变。在预混火 焰传播初期，小尺度涡流增大反应强度，但不影响火焰阵面结构；当大尺度涡流出 现后，导致火焰阵面厚度变大，同时伴随着反应区的震荡。 本文通过小尺寸精细结构实验台，对管道中丙烷一空气预混火焰的传播特性及其 精细火焰结构进行了研究分析。揭示了其内在的动力学过程，为预防和抑制气体爆 炸灾害的发生提供指导。 关键词：气体爆炸预混火焰火焰传播火焰加速传播火焰精细结构t u l i p 火焰 v l 士掌位诧- 文 j t i l l l g 一空气曩萄i 火墙敢胡l 堵相a 加曩l 量搪- 过，匿中的动力茸厨兜 a b s t r a c t w i t ht h ea d j u s t m e n to fc h i n e s ee n e r g ys t r a t e g y , m o r ea n dm o r ea l t e r n a t i v ee n e r g y , s u c ha st h el p ga n dl n gw o u l db eu s e di n s t e a do fc o a lr e s o n r c e i nt h et r a n s p o r t a t i o n a n d u s a g eo ff l a m m a b l eg a sr e s o u r c e ，t h eg a se x p l o s i o no f t e no c c u r sd u et ot h ea c c i d e n t a l i g n i t i o n t h eg a se x p l o s i o ni so n eo f t b em o s td e s t r u c t i v ed i s a s t e r si no u rl i f ea n di n d u s t r y m a n u f a c t u r e ，w h i c ha l w a y sl e a dt ob i gl o s s e sa n dd a m a g e s d u r i n gt h eg a sf l a m e p r o p a g a t i o n ，t h ef l a m ea c c e l e r a t i n gi n c r e a s e st h ep r e s s u r eq u i c k l ya n df i n a l l yl e a d st o e x p l o s i o nd i s a s t e r i t sd i 伍c u l tf o ru st oc o n t r o lt h ed i s a s t e rc a s ew h e nt h ee x p l o s i o n t a k e sp l a c e , t h e r e f o r ei t sn e c e s s a r yt os t u d yt h ei n n e rm e c h a n i s mo ff l a m ea c c e l e r a t i n g a n df u r t h e rt op r e v e n tt h eg a se x p l o s i o na c c i d e n t d u r i n gt h ef l a m ea c c e l e r a t i n gp r o p a g a t i o n ，t h ef l o wi n f l u e n c e st h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e ri nc o m b u s t i o nd i r e c t l y t h ef l o w - f l a m ei n t e r a c t i o ni n v o l v e st h ef l a m es t r u c t u r e a n df l a m ep r o p a g a t i o na n df l a m ei n s t a b i l i t y , e r e a c c o r d i n g l y , t h es t u d yi nt h i sp a p e r f o c u s e so nt h ei n n e rd y n a m i cm e c h a n i s mo ff l a m ea c c e l e r a t i n g ，s u c ha st h ef l a m e i n s t a b i l i t ya n dt h ef l a m em i c r o s t r o c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo np r e m i x e df l a m ef i n es t r u c t u r ew a sb u i l tu p ，w h i c hw a s u s e dt oe x p l o r et h ed y n a m i cb e h a v i o ro fp r e m i x e df l a m ep r o p a g a t i o n ，t h ef l a m ef r o n t c h a n g ea n dt h ef l a m ei n s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s f i r s t l y , t h et h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ec a r r i e do u tt 0d e s c r i b et h e b a s i cb e h a v i o ro nf l a m ep r o p a g a t i o n i nt h ee x p e r i m e n t a t i o n , t h ep r e m i x e dp r o p a n e a i r f l a m ep r o p a g a t i o nb e h a v i o rw a ss t u d i e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) s t u d yo np r e s s u r ew a v ei n f l u e n c eo np r e m i x e dp r o p a n e - a i rf l a m ep r o p a g a t i o n b e h a v i o ru n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r er e l i e f c a s e t h eh i g hs p e e ds c h l i e r e np h o t o g r a p hm e t h o dw a su s e dt or e c o r dt h ed y n a m i c p r o c e s so ff l a m ep r o p a g a t i o nc l e a r l y , i n c l u d i n gt h ep r e c i s ef l a m ef r o n tp o s i t i o n ，f l a m e s t r u c t u r e , a n ds oo n t h er e s e a r c hd i s c l o s e dm a tj u s tt h ec o - f l o wp r e s s u r ew a v ea n dt h e r e f l e c tp r e s s u r ew a v ec a u s e dt h ef l a m es p e e df l u c t u a t i o n si nt h ep r o p a g a t i o np r o c e s s i n a d d i t i o n ，t h ep r e s s u r ep l a y e da l li m p o r t a n tr o l eo nt h et u l i pf l a m es t r u c t u r e ( 2 ) s t u d yo nt h ei n t e r a c t i o nh e t e e 4 ! r a r e f a c t i o nw a v ea n dp r e m i x e dp r o p a n e a i r f l a m e i nt h er e s e a r c h ，t h ec o f l o wa n dc o u n t e r - f l o wr a r e f a c t i o nw a v ew e r ei n d u c e dt o 饲l 士掌位论文 丙缱一葺；气曩翱u k 焰截曩l 结构a 加嗣【传播过糖l 中的动力r 尊呀究 i n t e r v e n ei nt h ef l a m eb yd i f f e r e n ti g n i t i o ns c h e m e 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h er a r e f a c t i o n w a v ei n f l u e n c e st h ep r e m i x e df l a m es t r u c t u r ea n dp r o p a g a t i o ng r e a t l y t h er a r e f a c t i o n w a v ei n t e r v e n e di nf l a m es t r u c t u r ew h e nt h e ye n c o u n t e r e d ，w h i c hh a s t e n e dt h e l a m i n a r - t u r b u l e n tf l a m et r a n s i t i o n t h ec o - f l o wr a r e f a c t i o nw a v ed e c r e a s e dt h ef l a m es p e e do nt h ew h o l e ，e v e nl e dt o r e v e r s ep r o p a g a t i o n w h e nt h et u r b u l e n c eb e c a m es t r o n ge n o u g h ，t h ef l a m ea c c e l e r a t e d a g a i n o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o u n t e r - f l o wr a r e f a c t i o nw a v es p e e d u pt h ef l a m e p r o p a g a t i o no nt h ew h o l e ，a c c o m p a n i e dw i t hg r e a tf l u c t u a t i o n s i naw o r d ，t h er a r e f a c t i o n w a v eh a s t e n e dt h et r a n s i t i o nf r o ml a m i n a rt ot u r b u l e n c eg r e a t l y , s i m u l t a n e o u s l yl e d p r e s s u r ef l u c t u a t i o ni nc o m b u s t i o np i p e ，w h i c hf u r t h e ra c c e l e r a t e dt h el a m i n a r - t u r b u l e n c e t r a n s i t i o n ( 3 ) s t u d yo ne q u i v a l e n c er a t i oi n f l u e n c eo np r e m i x e dp r o p a n e - a i rp r o p a g a t i o n b e h a v i o r i nt h ec a s eo fe q u i v a l e n c er a t i o , t h ef l a m ep r o p a g a t i n gf o r w a r d sw i t hs y m m e t r i c a l f l a m ef r o n ts t r u c t u r e w h i l et h el e a nr u e if l a m ef r o n tb e c a m ea s y m m e t r i c a lf i r s t l y , a f t e r t h e nt h et u l i pf l a m es t r u c t u r ec a m ei n t ob e i n g t h er i c hf u e lf l a m et u m e di n t o s y m m e t r i c a lt u l i pf l a m es t r u c t u r ef i r s t l y , a n ds u b s e q u e n t l yb e c a m ea s y m m e t r i c a l g r a d u a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb u o y a n c yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nf l a m ef r o n t s y m m e t r y i nt h ec a s eo fe q u i v a l e n c er a t i o ，t h eb u o y a n c ye f f e c tw a sn o tb i ge n o u g h r e l a t i v et ot h eg r e a tf l a m es p e e d ，b u tw h i c hi n f l u e n c e dt h el e a nf u e la n dr i c hf u e lf l a m e g r e a t l yf o rt h e i rs m a l lf l a m es p e e d ，a n df i n a l l yi n d u c e dt h ea s y m m e t r i c a lf l a m es t r u c t u r e i na d d i t i o n ，t h eh i g hs p e e ds c h l i e r e np h o t o g r a p hs y s t e m ，t h ei o nc u r r e n tp r o b e t e c h n o l o g ya n ds u p e rt h i nt h e r m o c o u p l es y s t e mw e r eu s e dt oe x p l o r et h ef i n ef l a m e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ep r o p a g a t i o np r o c e s s , w h i c hh e l p st od i s c l o s et h ei n n e r m e c h a n i s mo f f l a m ei n s t a b i l i t yb e h a v i o r ( 1 ) at y p i c a lf l a m ei n s t a b l es t r u c t u r ec a m ei n t ob e i n gd u r i n gt h ef l a m ep r o p a g a t i o n i nc o m b u s t i o np i p e t h eb a r o c l i n i c i t ye f f e c ta n dm a c he f f e c ti n d u c e db yp r e s s u r ew a v e p r o d u c ee d d i e s ，w h i c hl e a d st ot h ed e f o r m e da n di n s t a b l ef l a m es t r u c t u r e ( 2 ) t h er e s u l t s h o w st h 矾d u r i n gt h ec o u r s eo ff l a m es t r u c t u r ec h a n g e , t h e l a m i n a r - t u r b u l a n c et r a n s i t i o na p p e a r e d i ne a r l y s t a g eo ff l a m ep r o p a g a t i o n ，t h es m a l l s c a l ev o r t e xi n c r e a s e dt h ec o m b u s t i o nr e a c t i o ni n t e n s i t y , b u td i dl i t t l ei n f l u e n c eo at h e i 博士掌位论文丙蟪一空气舅e 曩火焰硼t 曩l 结构a 加重传，过覆中的动力掌研究 f l a m ef r o n ts t r u c t u r e w h i l et h el a r g es c a l ev o r t e xa tt h el a t e rs t a g et h i c k e n e dt h ef l a m e 矗o n ls i m u l t a n e o u s l ya c c o m p a n i e dw i t hf l u c t u a t i o n si nr e a c t i o nz o n e i n c o n c l u s i o n ，t h r o u 【g h t h es m a l ls c a l e e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h ep r e m i x e d p r o p a n e - a i rf l a m ep r o p a g a t i o nb e h a v i o ra n dt h ef i n ef l a m es t r u c t u r ew e r es t u d i e di nd e t a i l ， a l lw h i c hh e l pt od i s c l o s et h ei n n e rd y n a m i cm e c h a n i s mo ff l a m es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ， a n df u r t h e rt op r e v e n tt h eg a se x p l o s i o nd i s a s t e r s k e yw o r d s ：g a se x p l o s i o n ，p r e m i x e df l a m e ，f l a m ep r o p a g a t i o n ，f l a m es p e e d u p , t u l i pf l a m e ，f i n e f l a m es t r u c t u r e , 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 形哆年多 月? 日 博士掌位诧，文丙蟪一空气舞【粤l 火焰截霸l 结构夏加趣t 爿 过程中的动力掌习 屯 致谢 本论文是在我的导师孙金华教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。从论文选题 到实验方案的确定直至最终完成了文的撰写，孙老师都始终给予我细心的指导和不 懈的支持。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我：导师渊博的科学知识、敏锐的洞察力及敬业精神使我受益匪浅，是 我终身学习的榜样。在导师的指导下，我在科研动手能力、研究思想和方法等方面 都有了很大提高。三年多来，导师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、 生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向孙老师致以诚挚的谢意和岽高的敬意! 在论文的研究与实验过程中，得到了实验室许多老师的帮助。在此要特别感谢 沈兆武教授、陆守香教授在提供实验条件和实验过程中给与的支持和帮助! 感谢陈 义良教授在数值模拟方面给与的无私帮助! 另外。向范维澄院士、廖光煊教授、霍 然教授、秦俊教授、汪箭教授、杨立中教授、张和平教授、王青松博士等各位老师 表示衷心的感谢! 本文的顺利完成，还得益于实验室各位师兄弟的大力协助。感谢刘义博士对本 实验系统作出的大量铺垫性的工作f 感谢姚礼殷、万维、何学超、尹艺等师弟在实 验过程中给予的大力支持! 感谢实验室的褚冠全、陈思凝、陈东梁、郭耸、徐吴、 陈国庆、汪金辉等同学在日常生活中给予的帮助和鼓励! 另外感谢王昌建博士、刘暄亚博士在理论和实验过程中提供的指导和帮助! 感谢所有在学习、生活中给与我关心和帮助的老师、同学和朋友! 借此机会感谢含辛茹苦地培养我成长的父母! 正是他们朴实无华和默默奉献激 励着我不断成长和上进，他们的养育之恩和谆谆教诲令我终身难报! 感谢妹妹对我 的关心和支持! 感谢岳父母全家对我的关心和帮助l 感谢爱人刘洋给予的理解和支 持! 本研究得到了国际自然科学基金( 5 0 5 7 6 0 9 ) 、国家自然科学基金重点项目 ( 5 0 5 3 6 0 3 0 ) 的资助，在此表示感谢! 年月日 啊哇掌位忱丈丙蟪一空气曩翊伙焰截观墙构a 加遗传播过疆l 中的动力掣u 开，巴 第一章绪论 袋轾袋磺袋袋旅张强派袋糍强强璇巍袋残 研究背景 国内外研究现状 前人研究不足与本文研究目的 本文主要研究内容及章节安排 参考文献 糍袋强维瘫糍璇璇臻壤旅壤旅强蕞 5 壤糍墩袋糍糍糍袋残磁搬巍壤强强张羟袋袋壤 1 1 研究背景 在工业生产和生活中，可燃性气体得到了广泛应用。随着国家能源战略的变化， 对目前的能源结构作了重大调整，主要目标是加大油气比重，即今后进一步发展以 石油液化气和天然气为主的工业、生活能源供给结构。然而在可燃气体的输送、贮 存、加工和使用过程中，经常发生可燃气体爆炸事故，并造成重大的财产损失和人 员伤亡。 近年来，国内外重、特大可燃气体的爆炸事故层出不穷，如： 1 9 7 3 年1 0 月，日本千叶县石油化工厂大量液化丙烯泄露着火，引起大爆炸。 工厂设备被烧毁，4 人死亡；1 9 8 4 年1 1 月墨西哥城由于管线泄漏导致的液化气容器 爆炸使得工厂成为废墟，6 5 0 人遇难，40 0 0 多人受伤；1 9 8 9 年8 月1 2 日上，山东 省黄岛油库雷击引起火灾，火灾中发生喷溅、爆炸，造成死亡1 9 人，伤7 8 人，直 接经济损失3 5 4 0 万元：1 9 9 3 年1 0 月下旬，南京金陵石油化工公司炼油厂，汽油贮 罐汽油外溢，导致油气大爆炸，死亡2 人。损失几千万元人民币：1 9 9 3 年1 0 月下 旬，北京燕山石化公司化工一厂高压聚乙烯装置，因乙烯气体泄漏造成大范围的爆 炸，死亡3 人，损失达两亿元人民币；1 9 9 8 年3 月5 日发生在西安市液化石油气站 的爆炸火灾事故，造成1 2 人死亡，3 2 人受伤，直接经济损失4 0 0 多万元：2 0 0 0 年抚顺 石化公司空分车间发生可燃气体爆炸，造成多人死伤和精馏塔报废；2 0 0 6 年1 1 月 1 7 日，大连一居民区发生液化管线泄露导致重大爆燃事故，造成9 入遇难，1 人重 伤；2 0 0 6 年1 2 月2 6 日，尼日利亚经济中心拉各斯发生输油管道爆炸事故，近5 0 0 人丧命于爆炸及随后的大火中：2 0 0 7 年2 月2 日，菲律宾南部一液化气运输车发生 爆炸，造成3 0 多人死亡，3 0 多入受伤 博士掌恤舱文丙舞t 一置 矗键火焰u 昵矗m a 加嗣【传播过蒜l 中的t 力爿i 研竞 据1 9 8 9 年m & m p c ( m e l e m a np r o t e c t i o nc o n s u l a t i o n s ) 对当时发生的1 5 0 起重大 工业灾害事故的统计分析表明火灾占3 8 ，工业爆炸灾害占6 0 ，其它灾害占2 。而在 石油、化工、天然气等行业的统计数据表明，可燃性气体爆燃在事故总数中的比例 分别高达4 6 、4 2 和6 0 ，而其造成的人员伤亡和财产损失也远大于其它事故【l l 。可 见，可燃气体爆炸灾害在整个灾害事故中占有很大比重。预计随着世界范围的经济 发展，及人类对能源的大规模应用，此类爆炸事故的发生频度还会增加。目前，可 燃性气体爆炸灾害已逐渐成为安全工程领域关注的重点，是少数还未完全解决的问 题之m 2 , 3 4 】。 可燃气云爆炸属于非理想爆炸，是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之 一【5 】。为防止可燃气云爆炸事故的发生，必须有效控制气体火焰的爆炸燃烧过程。 可燃气云爆炸是一种快速的、非定常的、带化学反应的流体动力学过程，受众 多物理因素影响，它比稳定燃烧和爆轰更复杂。几乎所有燃烧过程都伴随有流动过 程，流动直接影响燃烧过程中的传热传质过程。火焰与流动的相互作用，涉及到火 焰结构、火焰传播、火焰不稳定性等基本环节，因此一直是燃烧科学与技术研究中 的重点课题之一【6 。燃烧中火焰与流动的相互作用，主要体现为燃烧中的湍流现象， 湍流流动和化学反应过程有强烈的相互关联；流场和火焰的相互作用，使一些不稳 定性引起的火焰阵面震动被放大，加速火焰传播，导致燃烧失控，造成火灾和爆炸。 人们对可燃气体火焰传播、以及火焰与流动的相互作用进行了大量的研究并取得很 多重要结果，但对其物理实质、尤其是火焰内部微观结构方面，无论在理论上还是 实验技术上仍然有待进一步的深入研究。 1 2 国内外研究现状 目前对可燃气体的火灾与爆炸灾害的防治已成为社会公共安全保障的重要组成 部分f s l 。为了有效预防和控制可燃气体爆炸事故的发生，国内外学者都对管道内预 混火焰的传播特性及其内在机理方面进行了大量研究。 管道内的预混火焰传播过程实际上就是可燃气体的爆燃过程。在可燃气体的燃 烧和爆炸过程中，都伴随着压力和温度的骤增，所有的爆炸灾害都与燃烧波和压力 波有关。爆炸实际上是可燃气体的高速燃烧，燃烧波及其加速传播过程中产生的冲 2 博士掌矗晴鲁文丙蟪一空气童l 混火焰敢囊l 结构a 加重传翔- 越覆中的动力肆哥宪 击波是爆炸破坏作用的主要方式。绝大部分可燃气体爆炸灾害都是在受限空间或管 道中流动时产生的，因此关于管道中预混气体火焰的传播特性一直受国内外研究者 的重视。 1 2 1 预混火焰加速传播特性方面的研究 ( 1 ) 火焰在有障碍物的管道中的传播特性 f a i r w e a t h e r 掣9 1 采用甲烷一空气混合物，在半封闭爆炸管内进行的爆炸实验表 明，早期火焰沿爆炸管的传播基本上属于层流，只有在爆炸的最后阶段才形成快速 的湍流燃烧，并产生显著的超压。他们对圆管内壁上设有障碍环的气体爆炸流场的 研究表明，在主要的火焰波阵面离开管道导致超压之后，障碍环后残留的未反应的混 合气体将发生剧烈反应，进一步增进了火焰的加速作用。i b r a h i m t o l 、m a s r i t l l l 、 k - h o h 等1 2 噜的实验综合研究了障碍物尺寸、阻塞率和泄放压力对预混火焰爆燃 过程超压的影响。实验表明，在管道中无障碍物的情况下，l p g 的火焰速度随着点火 距离的增加而增大。而后，他们对有障碍物条件下进行了研究，结果表明：由于障碍物 产生了旋涡，致使障碍物正后方的火焰速度有所下降。随着旋涡的破碎和火焰阵面的 拉伸，火焰的湍流和热扩散导致障碍物后面的火焰传播加速。同时，还指出开口管道 内障碍物的阻塞率是一个非常重要的参数，它对火焰的加速传播和爆炸压力有很大 的影响。周凯元等1 1 3 】设置加速环对爆燃火焰在直管中加速运动的规律及影响因素进 行了实验研究。包括爆燃火焰在光滑内壁管道中的传播状况、管道直径和点火能量的 变化及障碍物对火焰加速的影响分析，得出以下结论：封闭端点火比开端点火火焰加 速增大5 倍以上，且管径较大加速也较大；点火能量的影响仅限于火焰的传播初期， 而障碍物对爆燃火焰的加速影响很大。 ( 2 ) 可燃气体爆燃向爆轰转变( d d t ) 过程研究 c h r i s t o p h 1 4 1 在其实验中定量分析了化学计量组成的丙烷空气预混气体由爆燃 向爆轰得转变过程。实验在透明的半封闭p c 管道中( 内径6 9 r a m ，壁厚1 0 m ，长2 5 m ) 进行，运用高速摄像仪拍摄到了封闭端点火时爆燃转爆轰的过程。n e t t l e t o n 0 5 在其 管道内可燃气体爆炸的实验中得出一个基本结论：在爆燃转爆轰的过程中，压力和火 焰阵面的速度都达到最大值。 博士掌位蚀文，r 蟪空气曩曩火焰：现鳍槽a 加趣传舅 过程中的动力善坷”乞 ( 3 ) 管道中声波对火焰的作用研究 k r i s t o f f e r s e n 等人 1 6 1 对丙烷一空气混合气体在圆形管道内的火焰传播进行了研究 结果表明火焰的传播非常强烈地依赖于管道中声波的扰动，特别是从出口反射回来 的稀疏波的扰动。t h o m a s 等人【1 7 】就入射激波及反射激波对火焰的干涉作用进行了实 验研究，实验结果表明在很多情况下入射激波及反射激波能明显地加速火焰传播， 其实验结果得到了g a m e z o 等人的理论验证营从光、林柏泉口卵等对湍流的诱导 及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用进行了实验研究，表明管道面积的突变 会产生附加湍流，使下游火焰的湍流度增加，从而提高火焰速度，并导致激波的产 生。 卢捷【2 0 1 等对管道内煤气预混气在封闭管道内的火焰加速现象进行了研究，认为 火焰加速是由于火焰前未燃气体被前驱压缩波加热和产生的湍流的正反馈造成的； 另外火焰传播特性随可燃气体浓度变化而改变。喻健良等对可燃气体爆炸火焰和 压力波传播特性进行了实验研究，根据实验结果将超压的变化过程分为4 个阶段， 将气体燃烧的变化过程分为3 个阶段。实验还发现，随着火焰传播速度不断加快， 测点距点火处越远，燃烧时间就越短。另外，观察到爆燃转爆轰过程( d d t ) 中前驱冲 击波阵面仍然行进在火焰面的前方，但二者的间距在减小。火焰面紧跟在激波前缘的 后面，二者同速传播，且超压峰值的位置与火焰面重合。 ( 4 ) 初始条件对火焰传播特性的影响 夏昌敬，周凯元，沈兆武等【2 2 1 对预混气体的初始浓度和初始压力对非稳定爆轰 波经过弯管前后传播特性的影响进行了实验研究。实验发现，可燃气体非稳定爆轰波 经过9 0 。圆弯管后传播速度和压力与直管中相比有了显著的提高。余立新、吴承康 2 1 1 等对半开口有障碍管道中的加速传播特性的研究表明，火焰传播状态随当量比的 变化而变化。在氢气当量比在0 3 4 附近时，火焰速度发生跃变；当其当量比足够大 时，火焰会由爆燃向爆轰转变。 ( 5 ) 受限空间尺度对气体爆炸火焰的影响 沈伟等【2 4 】研究了受限空间尺度对可燃气体爆燃波发展过程的影响。结果表明， 大尺度空间爆燃速度比小尺度火焰速度小，但最大压力值相近；并指出爆燃波发展 过程中湍流、压力波以及火焰存在复杂的相互作用，以及压力波和火焰耦合作用强 4 博士掌位嗣演，r 蟪一量汽奢【毫火嗣铡t 再l 矗r 相a 加翻l 传舅 过覆中的动力葺巴】开究 弱决定了气体爆燃波在不同尺度空间中的发展过程。 ( 6 ) 泄爆条件对火焰传播特性的影响 胡俊、浦以康等【2 5 】研究了柱状容器开口泄爆过程的火焰传播特性，发现不同泄 爆条件下压力与火焰的发展传播具有明显特点。泄爆诱导流动通过加速火焰传播、 加剧火焰变形、增大火焰面积对容器内燃烧产生增强作用。 1 2 2 预混火焰传播过程中的不稳定性的研究 预混火焰的不稳定是指理想的平面火焰在微小的扰动下出现幅度随时间增大的 变形和褶皱。在预混火焰传播过程中，经常会发生不稳定传播，且大多数情况并不 是平面火焰，即存在火焰失稳的现象。火焰的不稳定性，会直接导致火焰速度和压 力的突变和转捩。虽然燃烧的过程非常复杂，但产生燃烧不稳定性的最基本原理却 非常简单阴。如果燃烧过程是发生在自由开放的空间，声音就会简单的辐射耗散。 但是，如果燃烧过程发生在受限空间( 如管道内) ，产生的声波就会受到边界的反射， 进而与燃烧过程相互作用。火焰不稳定的根源就是化学反应和流动处于不稳定的平 衡状态，这种平衡即使在小的扰动下也会发生破坏；燃烧过程对流场的变化非常敏 感。因而燃烧的不稳定就可能产生。 产生燃烧不稳定的反馈机理如图1 1 所示。流动与分子热运动的扰动会导致热 释放速率的波动，而热释放速率的波动会产生燃烧管道内的声波震荡，管道内震荡 会使流动和混合过程的波动，形成一个反馈循环嘲。 图1 1 燃烧过程的不稳定反馈示意图 产生燃烧过程不稳定的机理可按顺序表述如下： 流动及热力学参数的扰动导致热释放速率的波动； 博士掌位论文 i r i i 兜一童：气，曩遐火焰翻t 曩l 绮构a 加重传，垃矗l 中的动力掌习f 兜 热释放率的波动产生声波振动，并且在燃烧管道内发生传递与反射； 声压的振动引起流动或者流体热力学参数的改变。 h i g g i n s 于1 8 世纪后期提出热- 声不稳定性理论，l o r dr a y l e i g h 随后对其进行了 科学描述。当热释放率的波动与燃烧室内声压波相位不一致时，就会产生不稳定， 并导致声压波动的增大；而压力波动的增大会相应地加大反应的质量流率波动，最 终增加热释放率的波动，形成一个闭环系统。实际上，声压波动与热释放率的波动 相位差在0 - 9 0 0 时，熟释放率的波动会加大压力的振动：当声压振动与热释放率波 动相差9 0 1 8 0 0 时，热释放率的波动会减小压力振动。z i n n 认为当周期性热释放过 程释放能量的速度大于声波衰减和耗散速度时，燃烧过程才变得不稳定，可以用如 下公式来描述【2 7 】： 肛。( x ，t ) 口( x ，t ) d t d v 胚，( x , t ) d t d v ( 1 ) v v 式中，p 7 ( x ，t ) 为压力波动，g ( ，) 为熟释放波动，( 石，t ) 为声波能量损失。可以看 出，当给声波场提供的能量大于声波衰减和扩散的能量时，燃烧将变得不稳定 影响火焰传播及其不稳定的因素很多，其中压力波和燃烧火焰的相互干涉作用 就是最典型的诱发湍流燃烧发生及成长的因素之一【2 8 j 。在工业灾害中，压力波作用 于火焰会进一步加快燃烧速度，同时火焰会失稳而诱发湍流，甚至可能出现燃烧转 爆轰现象t 2 9 1 。因此，压力波与火焰的相互作用会改变整个燃烧过程和燃烧特性，这 已引起了人们广泛的关注。叶经方等1 3 0 1 进行了楔形障碍物诱导火焰失稳的实验研 究，实验结果表明，火焰阵面穿越光滑表面渐缩通道的状态是层流流动，火焰翻越 障碍物后，由于已燃气和未燃气界面的h e l m h o l t z 不稳定、t a y l o r 不稳定和 r i c h t m y e r m e s h k o v 不稳定火焰阵面失稳变形，燃烧向湍流状态转捩。最后，根 据实验结果详细讨论了火焰阵面不稳定性的起因与发展，以及湍流的形成机制。范 宝春、叶经方等【3 1 】拍摄了激波与球形火焰相互作用的阴影照片，实验结果显示了火 焰在激波地作用下，发生r i e h t m y e r - m e s h k o v 不稳定现象。董刚等人3 3 7 进行了激 波与火焰相互作用的化学动力学模拟，讨论了不同激波m a e h 数及初始组分对火焰 失稳的影响。根据数值模拟结果，讨论了火焰失稳的发展及其特点；结果表明火焰 动力学不稳定及反应放热速率对火焰失稳过程有重要影响。 6 j 掌位簧 文l q 婉一蔓| 气! 簧l 凡焰饿瑰结构a 加囊【传r ，毽覆中的动力掣研究 m a r k s t a i n 3 4 1 对碳氢化合物火焰的实验研究表明，在一定的条件下，平面层流火 焰会变得不稳定，形成独立的网眼状结构单元。 曹红加嘲对燃气轮机燃烧室中的预混火焰的不稳定及其主动控制进行了实验 研究，提出了声波扰动是预混火焰表面温度脉动的简化模型。研究发现，燃烧不稳 定与燃料当量比、压力震动频率有很大关系。 张孝谦等1 3 5 , 3 6 对稳态预混火焰的不稳定性及v 型火焰的动态特性进行了研究。 结果表明，即使层流v 形火焰中也存在强烈的速度脉动，这种速度脉动与预混可燃 气的当量比等化学反应因素密切相关，而受来流速度影响较小。 陈正，琚诒光等【3 7 1 运用线性稳定分析法对圆柱火焰的稳定性进行了稳定性分 析，得出了判断圆柱火焰稳定与否的表达式。 1 2 3 预混火焰精细结构方面的研究 火焰加速传播及其不稳定的特性主要体现在流场压力与火焰速度等宏观动力学 参数上，而其内在的机理需要从其反应过程和微观结构等方面进行研究。由于层流 火焰结构相对简单，而大部分工程燃烧与灾害现象中都是湍流过程，因此更多的研 究集中在湍流火焰结构方面。 蜥m 阳 1l 妒1 0 61 0 j 伯 l ，6 图1 2p e t e r 给出的火焰阵面结构分区图 有研究指出 3 8 】，预混火焰在湍流的扰动下会出现褶皱的层流火焰锋面和离散的 反应区两种结构。在大尺度弱湍流作用下出现褶皱锋面结构。此时火焰阵面在局部 博士掌位论文丙蟪一空气囊角执堵徽曩l 结构a 加l 传囊- 毪覆中曲动力r 尊| 研兜 保持层流火焰阵面结构，湍流只是使火焰阵面出现褶皱，增大单位空间火焰阵面表 面积，从而强化燃烧。而在小尺度强湍流作用下，火焰阵面将受到破坏，预混气与 燃烧产物相互渗透，形成一个反应区。关于预混火焰结构有很多理论，图1 2 就是 p e t e r t 3 9 】给出的火焰阵面结构的分区。图中，靠近左上角区域为小尺寸强湍流，靠近 右下角围大尺度弱湍流。图中r e = l 的直线划分火焰中湍流效应的强弱，右侧r e l 的区域，湍流对火焰结构影响起主导作用；左侧r e l 的区域，湍流较微弱，火焰不 稳定性对火焰结构的影响与湍流的影响具有可比性，这称为小雷诺数效应【删。 y o s h i d a 4 1 1 等在实验研究湍流预混火焰结构时，测量了火焰区域的温度和离子 浓度，发现火焰区中温度的概率密度函数呈典型的双峰形状，分析认为非褶皱的层 流火焰锋面中可能存在湍流火焰结构。 k a r l o v i t z t 4 2 】在上世纪五十年代就首先提出火焰产生湍流的概念，并在试验测量 火焰速度的基础上提出了火焰产生湍流的理论和计算公式。随后e s c h e n r