（安全技术及工程专业论文）管内气体爆炸数值模拟与惰性气体的淬熄研究.pdf

管内气体爆炸数值模拟与惰性气体的淬熄研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp r e m i x e dc o m b u s t i a b l eg a se x p l o s i o ni nd u e t a n d s t u d y o nq u e n c h i n ge f f e c t so fi n e r tg a s i nr e c 蛐ty e a r s , t h ep e o p l ew h om e n g a g e di nt h ew o r ko fe x p l o s i o no ge x p l o s i o n 蛐即怫s s i o n 玳p u z z l e dw i t ht h er g ：a i i t yo fg a se x p l o s i o nw h i c hh a p p e nf 豫 u e n t l y a n d 鹤 d u c t sa r eg r a d u a l l yu s e di nb i ga m o u n ti ni n d u s t r y , t h ep h c n o m e n o uo ff l a l n cp r o p a g a t i n gi n d u c ti sp a i dm o r ea t t e n t i o nt h a nb e f o r e ；t h c w c f o l e ，t h es t u d i e sa b o u ti ta 聘i n c r e a s i n gd a yb y d a y u n d o u b t e d l y , t os t u d yt h em c c h a l l i s mo ff l a m cp r o p a g a t i n gi nd u c t 弱w e l la st os e e k a f t e rt h en c ww a y so r 嗍m e t h o d so fe x p l o s i o n 蛐鲫孵s 咖w i l lb e n e f i tf o rb o t ho f e x p l o s i o np r e v e n t i o na n dt h es e c u r i t yo f p r o d u c t i o na n dp e o p l e b a s e do nt h er e a s l i z a t i o na b o v c ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u e s 玳a d o p t e dt os t u d y t h ep r c m i x c d 日锄cp r o p a g a t i n gi nd u c ta n d a c t i v i t yo f f i r ee x a n g u i s h i n gi ni n e r tg a s e si nt h i s a r t i c l e 1 1 圮m a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n s 瓣i nt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h em o d e lo fat w o - d i m e n s i o n a lc l o s e d - o p e np i p e , a sw e l la sag r o u po fg o v e r n i n g e q 啦l 峙o n so fn u i da n dc o m b u s t i o na 糟s e t u pt os t u d yt h ep r e m i x e da c e t y l e n e a i rf l a m e p r o p a g a t i n gi nd u c t t h ec q 啦嘣棚蝎玳d i s c r e t i z a t e db yf i n i t ev o l u mm e t h o d , a n ds p e c i f i c h e a to fg a s e si ss c tt ob et h ef u n c t i o no ft e m p e r a t u r e t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tf l a m e p r o p a g a t e sa r m m d l y8 sas e m i - s p h e r e t h ep r e m i x e dg a s e sa 聆i n g i t e d a f t e rs o m et i m e , w h e nt h ef l a m ca p p r o a c h e st h ew a l l t h ef l a m ei sr e b o u n d e d t h e nt h ea a m cr e b o u n d e d i n t e r a c t sw i t ht h eg a s e sw h i c ha p ：o d u c e d 矗姗c o m b u s t i o n s oi nt h i sw a y , t h ef l a m ei s s t r e t c h e d , a n df i n a l l ya “t u l i p ”f l a m ei sf o r m e d 1 n h ef l a m es t r e t c hp r o d u c e st u r b u l e n ta n d m a k e st h e 删r a t ei n c r e a s e t h e naf e e d - b a c km e c h a n i s mi sf o r m e d , w h i c hm a k e s et h e f l a m ea c c e l e r a t ei nd u c t n cc o m p a r i s o nb f t w e g - ns i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ti sm a d e a n dt h e m a x i m u mc r g o gi sf o u n dt ob el e s st h a n2 8 ，i ；oi n t h i sw a yt h es i m u l a t i o ni sp r o v e dt ob e v e r a c i o u sa n dr a t i o n a l ( 2 ) o p e n - o p e ac h a n n e l so ft u b ea n dp a r a l l e lp l a t e sa r ce s t a b l i s h e d , a n df l a m ee x t i n g u i s h i n g i nc h a n n e l si nt h ee f f e c t so fi n e r tg a s e s 埘s t u d i e d i ti sf o u n dt h a tf l a m ew i l le x t i n g u i s h e a s i e ra st h ec o n c e n t r a t i o no fi n e r tg a s e si n c r e a s i n g o n c et h ec o n c e n t r a t i o n si n c r e a s et os o m e e x t e n t , t h eq 眦州i h i n gl e n g t h so ff l a m ei nt u b ea n dp l a t e sw i l ln o tc h a n g e t h er e a s o nf o r f l a m ce x t i n g u i s h i n ge a s i e ri ni n e r tg a s e s 啪b ee x p l a i n e dt h a tp r e m i x e dm i x t u r e s 玳d i l u t e d w i t ht h ec o m p l e m e n to f i n e r tg a s e s , w h i c h e v e n t u a l l yl e a d st ot h er e d u c t i o no f r e a c t i o nr a t e ( 3 ) t h cm l e so ff l a m ee x t i n g u i s h i n gi nt u b ea n dp a r a l l e lp l a t e sa 砖s u m m e r i z e d s o m ： 大连理工大学硕士学位论文 f a c t o r sw h i c ha f f e c tf i r ee x t i n g u i s h m e n ts u c ha sp r e m i x e dg a sr e a c t i v i t y , s i z e so ft u b ea n d p l a t e s ，f l a m ev e l o c i t ye t a la r et a k e ni n t oa c c o u n t i ti sf o u n dt h a tt h ef l a m eq u e n c h i n g l e n g t b e sf o r 碑q 瑚孵a n de t h y l e n ea g oi nc o n i cr e l a t i o nw i t hd i a m e t e r so ft h et u b eo rw i d t h so f t h ep a r a l l e lp l a t e s h o w e v e r , a st oa c e t y l e n ef l a m e , t h er u l e si nt u b ea r ed i f f e r e n tw i t ht h a ti n p a r a l l e lp l a t e s i nt u b e , t h eq u e n c h i n gl e n g t h e sa r ei ne x p o n a t i a lr e l a t i o nw i t hf l a m ev e l o c i t y , b u ti np a r a l l e lp l a t e s , t h er e l a t i o ni sl i n e a r i t y t h ec o m p a r i s o no ff l a m ee x t i n g u i s h i n gi nt u b e a n dp l a t e sa m a d e a n di ts ip r o v e dt h a tt u b eh a sb e t t e rq u e n c h i n ge f f e c tt h a n p l a t e s ( 4 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l a m ee x t i n g u i s h i n gi nt u b ei s 嘲u p , a n daf o r m u l a t i o ni s g o t t e n f r o mt h ef o r m u l a t i o n , i ti s 啪b es c 缸t h a tt h eq u e n c h i n gd i s t a n c eo ft u b ei sp o s i t i v e p r o p o r t i o n a lt oo n e - t h i r dp o w e ro fh e a tc o n d u c t i v i t ya n dm o l e c u l a rw e i g h t , b u tn e g a t i v e p r o p o r t i o n a lt oo n e - t h i r dp o w e ro fr e a c t i o nr a t eo ff l a m e k e yw o r d ：p r e m i x e df l a m e ；i n e r tg a s e s ；q u e n c h i n g ；t u b e ；p a r a l l e lp l a t e s m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：盘呦日期：兰掣 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：卫筵墅堕： 新躲蝉 墟年月上如 | 大连理工大学顸 学位论文 刖看 自1 8 1 5 年h u m p h r y d a v y 发明了在煤矿中使用的安全灯以来，人们对气体爆炸现象 已进行了近2 0 0 年的探索，并取得了大量的研究成果。这些成果在气体爆炸的抑制和预 防、保障人员生命安全和生产安全等方面取得了良好的经济效益和社会效益。然而在进 入新世纪后，随着工业化水平的不断提高，尤其是石油化工、食品等行业的迅速发展， 一系列惨重的气体爆炸事故相继发生，使气体爆炸抑制研究又面临着新的严峻挑战。据 不完全统计，我国2 0 0 6 年仅1 1 1 2 月问就发生各种安全事故2 8 4 起，其中爆炸事故占 1 0 2 1 ，仅次子交通事故( 4 9 6 5 哟和矿业事故( 2 2 8 9 哆科u 因此，研究可燃气体爆炸的 传播规律、提高气体爆炸的抑爆效率，将对当前的安全生产和社会安定具有重要的现实 意义。 根据经典的气体爆炸理论，气体爆炸可分为两种形式：爆燃与爆轰田。所谓爆燃就 是以两波三区结构慢速传播的火焰，它既可以因约束的减弱而逐渐消散，也可以因约束 的加强而产生加速。爆燃火焰加速到一定的程度就会产生爆轰。爆轰是气体爆炸的最高 形式，其实质就是以超音速传播的火焰。爆轰的特点是高速、高温、高压，气体爆炸一 旦发展为爆轰就会产生巨大的破坏力，因此，研究爆燃火焰的加速机理，开发抑制爆轰 的技术成为了当前气体爆炸研究领域的一个重要方向。 近年来，随着管道在工业上的广泛应用，气体爆炸在管道内的传播也越来越得到人 们的重视，相关的研究也逐渐增多。如m a r k s t e i n ，s t r e h l o w 等人研究了火焰在管道内传 播的状态变化过程 3 , 4 1 ；s h e k l i n 则对火焰在管道内的加速机制进行了解释1 5 1 ； a k o p p e n h e i m ，n n s m i m o v 对爆燃转爆轰的机理进行了论述1 6 , 7 1 ；a r m a s r i ，s a l a h s i b r a h 2 i $ , 9 ，以及国内的周凯元等人对障碍物诱导湍流引起的火焰加速现象进行了研究 i o l ：郭长铭、王昌建、夏昌敬等人则对火焰在不同形状管道内的传播进行了探讨l l l 。 但对前人的这些研究成果进行总结仍可发现气体爆炸研究存在着一些不足。如对管道气 体爆炸主要是从定量上来考察，缺乏定性的理论分析，这主要与研究者侧重于为生产生 活中防爆、抑爆提供参考数据的研究目的有关此外，传统的以实验为主的研究方式也 限制了气体爆炸研究的发展。由于气体爆炸的发生具有突然性和随机性，采用常规实验 手段很难捕捉到气体爆炸的变化过程，即使采用高速摄像系统可以达到这一点，其高昂 的代价也足以使一般人望而却步近年来随着计算机水平的提高和数值计算理论的发 展，人们开始采用计算机模拟的方法来研究气体爆炸现象。计算机模拟研究气体爆炸的 优点在于它避免了实验的危险性、繁杂性和高成本，通过建立模型可对任何空问结构内 的气体爆炸进行模拟，具有高度的灵活性更重要的是，数值模拟能够从微观上分析爆 炸过程中流场的变化，从而有利于对爆炸传播过程作出更为合理的解释。 此外，从抑爆角度来看，当前应用最为广泛的气体爆炸抑制技术可简单地归为两类： 管内气体爆炸数值模拟与惰性气体的淬熄研究 一类是阻爆技术，另一类是淬熄技术。阻爆技术是通过一套自动化装置将抑爆剂喷入管 道，强制阻止火焰的传播，其抑爆性能除了与喷射装置的探测性能、反应性能和自动化 程度有关外，更多的取决于抑爆剂的性质【1 3 1 。近年来，惰性气体抑爆剂以其优良的抑爆 性能和无污染、非热解等特点逐渐得到了广泛的应用，关于惰性气体的抑爆研究也开始 增多。淬熄技术则是采用多孔通道将火焰分割，利用强大的壁面效应吸收火焰热量使其 熄灭，从而到达阻止火焰传播的目的，因此其抑爆效果主要取决于多孔通道的结构和材 料性质i 1 4 1 然而，尽管人们在气体爆炸抑制研究上取得了巨大的进步，但由于气体爆炸 的复杂性，无论是阻爆技术还是淬熄技术，都只能针对速度并不高的爆燃火焰，对高速 爆轰火焰的抑制暂时还没有更好的办法，因此，提高现有的抑爆技术的抑爆效率便成为 了当前抑爆工作的一个重要方向 基于上述认识，本文拟采用数值模拟的方法，对预混可燃气体在管道内的爆炸传播 和惰性气体淬熄火焰进行研究具体工作如下t ( 1 ) 对管道气体爆炸进行二维模拟，通过考察主要爆炸参数的分布来分析爆炸发展 的过程，研究火焰结构的变化，探讨火焰在管道内的加速机理 ( 2 ) 模拟火焰在圆管和平行板狭缝内的淬熄过程，考察惰性气体对淬熄效果的影响， 分析惰性气体淬熄火焰的机理，总结可燃气体火焰在惰性气体中的淬熄规律。 g 在前人的研究基础上，建立圆管结构淬熄高速爆燃火焰的数学模型，对影响圆 管结构淬熄火焰的因素进行定性分析 本文研究工作期望能够对气体爆炸理论的完善有所帮助，并为设计与开发新的抑爆 技术、方法提供一定的参考和依据， 2 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 可燃气体爆炸 1 1 1 气体爆炸的基本形式 可燃气体火焰可分成两种类型，一种是反应前反应物已充分混合，称为预混火焰； 另一种是在反应中反应物相互扩散，称为扩散火焰。本文主要研究的是预混火焰 依据燃烧波的存在及其在反应混合物中的传播速度，预混气体的反应一般又可分为 两种形式嗍，即爆燃和爆轰 爆燃又称为慢速火焰，它是一种带有压力波的燃烧1 2 】。可燃气体被点燃后，气体体 积迅速膨胀，燃烧产物建立起一定的压力。波阵面两侧就出现了一个压力差。当边界约 束较强时，这个压力差( 或称为压力扰动) 以当地音速向前传播，这就是压力波。由于 这个压力波的传播速度比燃烧阵面要快，行进在燃烧阵面的前方，因此也叫做前驱压力 波。爆燃火焰就是由前驱压力波和后面的燃烧阵面构成的，如图1 1 所示。爆燃是一种 不稳定状态的燃烧波。它可以因约束的减弱、捧气及时而使压力波减弱，直至压力波消 失，爆燃就沦为定压燃烧。相反，如果爆燃的后边界约束增强，火焰加速，直至火焰阵 面追赶上前驱压力波阵面，火焰阵面和压力阵面就会合二为一，成为一个带化学反应区 的冲击波，这就是爆轰刚 ii 2 区 l d ， l 区 id l0 区 e 2 ，忍，戊，球2 卜_ 呻 ，异，局，地卜呻，昂，岛，o c 2 ，瓦，乃 ic z ，瓦，扎i c 2 ，五，7 2 爆燃波阵面前驱冲击波阵面 e 比内能u 粒子速度c 音速t 等熵指数 0 区可燃混合气体初始状态； 1 区一前驱冲击波通过后的状态l 2 区- 爆燃波阵面( 火焰面) 通过后的状态 图1 1 爆燃火焰的两波三区结构 f i g 1 1 t w o - w a v ea n dt h r e e - z o n eo f d e f l a g r m i o nf l a m e 爆轰是气体燃烧爆炸的最高形式，其特征是以超音速传播( 相对于波前未反应混合 物) 的带化学反应的冲击波。跨过波阵面，压力和密度是突跃增加的。对大多数碳氢化 物和空气化学计量浓度混合物，典型的爆轰压力约为l 。5 m p a ，而同样燃料在纯氧中爆 轰时爆轰压力可提高一倍左右。相应的爆轰速度，对燃料，空气，约为1 8 k m s ，对燃料， 氧，约为2 5 k m s 1 2 1 。 管内气体爆炸数值模拟与惰性气体的淬德研究 从本质上讲，爆燃和爆轰是两种根本不同的燃烧模式，爆燃相对于波前未反应物来 说是亚音速传播的，其典型的传播速度为每秒几米量级，；而爆轰相对于波前未反应物 来说是超音速传播的，其典型速度为每秒几千米量级。爆燃波是一个膨胀波，跨过波阵 面，压力和密度都是下降的；而爆轰波与之相反，跨过波阵面压力和密度是增加的吲。 爆炸学界关于爆轰的研究较多，主要体现在建立了一系列的爆轰理论模型，其中比 较主要的有：以c h a p m a n d l 和j o u g u e te 为代表的c - j 模型 2 1 ；由z c l d o v i c h ( 苏联，1 9 4 0 ) ， v o nn c u m a n n ( 美国，1 9 4 2 ) 和o o r i r g ( 德国，1 9 4 3 ) 各自独立地提出的z n d 模型i 叫；多维 爆轰模型瑚 c - j 模型假设爆轰流动是平面一维的，不考虑热传导、热辐射及粘滞摩擦等耗散效 应；视爆轰波为一强间断面；爆轰波通过后化学反应瞬间完成并放出化学反应热，反应 产物处于热化学平衡及热力学平衡态；爆轰波阵面传播过程是定常的 2 1 。 z n d 模型是基于欧拉的无粘性流体动力学方程，不考虑输运效应和能量耗散过程， 只考虑化学反应效应，并把爆轰波看成是由前导冲击波和紧随其后的化学反应区组成的 间断他们把c - j 理论推广到考虑有限的化学反应速率，假设爆轰波阵面具有适当的厚 度，它由非常薄的前导冲击波和具有一定厚度的后继化学反应区组成，化学反应区在这 个区阃内进行并完成。前导冲击波与化学反应区以同一速度沿爆炸物传播i l 卅。 1 9 世纪6 0 年代，人们对爆轰波结构的认识产生了一个飞跃，提出了多维爆轰波结 构概念l 嘲，即气相爆轰波的前导冲击波是一个胞状的冲击波阵面。这个波阵面由多个间 隔捧列的马赫杆和入射冲击波组成，横波( t l m 鸺v o r s cw a v e ) 总是与马赫杆和入射冲击波 形成马赫结构并相交于三波点如图1 2 所示，图中虚线为爆轰波的胞格结构，虚线节 点为入射激波、马赫波与横向激波的交叉点，即三波点。在一个胞格结构中，入射激波 不断的衰减，与相邻的马赫波不断逼近，然后相撞。相撞后，在对撞点出现新的马赫波。 冲击压力突然增加。另一方面，和入射激波相邻的马赫波不断扩张。冲击压力不断衰减 在三波点对撞，产生新的马赫波的同时，这个马赫波衰减为入射冲击波，它与相邻的新 马赫波相互作用形成了横波，三者构成了胞格结构中三波点起点的马赫结构，从而完成 一次马赫波到入射冲击波的交替，并且不断的重复下去i ”l 捌 1 5 - 峨- 俘- _ _ d 一_ 日“d m m p f m 图1 2 爆轰波的三维结构 f 酶1 2 d i m e n s i o n a ls a u c t m eo f d e t o n a t i o nw a v e 4 大连理【大学硕士学位论文 i 1 2 火焰加速机理与爆燃转爆轰( d d t ) 对燃料与空气的混合物，在通常情况下点火后都以爆燃的形式传播的，但在一定的 条件下火焰就会产生加速嗍。 预混的可燃气体混合物被点燃后，火焰以层流的方式开始传播，但在火焰传播的过 程中，由于水力学不稳定性等因素使火焰表面产生褶皱，增加了火焰表面的面积，增大 了火焰的燃烧速率，因此使火焰的传播速度加大l 聊。在活性相对较低的碳氢混合物燃烧 过程中，火焰的不稳定性对火焰传播的作用会受到冲击波的限制火焰传播过程进一步 的加速只有在合适的刚性边界条件下才会发生，因为刚性的边界会诱导膨胀流的内部产 生速度梯度和湍流的动机。当燃烧过程接触到膨胀流的内部时，局部的燃烧速率会在几 个方面有所增加。在速度梯度里火焰会被拉伸，从而增加火焰面积和有效燃烧速度。湍 流不仅会增加热传递过程。而且会增加有效的火焰面积，即增大未燃烧的混合物和燃烧 产物之间时界面面积剐发生湍流时，湍流强度较低，漩涡只会褶皱火焰表面和增加火 焰的有效燃烧速度，当燃烧速度增加后，将会产生一个更强的膨胀流，强的膨胀流又会 导致流速增加，而高的流速又将加大湍流的强度，在高强度的湍流影响下，火焰会逐渐 失去它原来光滑的表面，内部也发生变化。于是湍流的漩涡又倾向于分裂火焰前驱，从 而导致一个更高的燃烧速率，高的燃烧速率将又会产生更强的膨胀流和湍流。这样，就 形成了火焰加速的正反馈机理，如图1 3 所示。 图i - 3 气体爆炸的正反馈机理 f 皓1 3p o s m v ef e e d b a c ko f f l a m ea c c i e l e r a t i o n 当火焰加速到一定程度时，在适当的条件下会发生突发性的转化，即从爆燃模式转 化为爆轰模式，这个转化的过程被称为d d t ( d e f l a g r a i i o nt od e t o n a t i o nt r a n s i t i o n ) 。 对于高活性可燃气体混合物，如乙炔，空气、氢气空气等极易发生d d t 现象，而一 些中度活性的可燃气体混合物在适当条件下也会发生d d t 现象，例如在文献【2 q 的一次 c m r 实验中，在一个长度为l o m 且布置有加速环的管道内预混丙烷，空气混合物，点火 后观察到发生了d d t 现象：丽m o e u 等人口1 捌用射流火焰击发开敞空间的乙炔，空气混 合物( 乙炔体积浓度为5 ) ，则直接引发了d d t 。 管内气体爆炸数值模拟与惰性气体的淬德研究 关于d d t 的机理至今还没有一个完整的解释，因此对d d t 的发生也就无法做出准 确预溯，目前只有“热点”理论得到了较为广泛的认同 a k _ o p p e n h e i m 认为：从微观层面上看，在火焰面的前方存在着所谓的发热中心， 即“热点”，一个或数个。热点”的自点火效应对d d t 过程中的细节具有重要作用 6 1 。 而n n s m i r n o v 通过实验和分析研究表明，在d d t 过程中，爆轰正是起始于加速湍流 燃烧区和前驱冲击波间的这些“热点”i 刀。这些“热点”的出现是流动不一致造成的。 根据它们的结构，这些“热点”可以作为爆燃转爆轰过程的源头一旦爆轰发生，爆轰 波将从源头向各个方向传播，追赶上前驱冲击波并与之发生相互作用。这种作用使以接 近于平面传播的强爆轰在未燃混合物中传播，最后减弱为自持传播的c - j 爆轰。 1 1 3 管道可燃气体的爆炸研究 管道是工业上的常见设备，是天然气、煤气、石油运输和化工介质流通的重要工具 一般管道建设的投资可占工程总投资的3 0 左右。通常情况下，运输可燃气体的管道是 安全的，这是因为在管网所输送的易燃易爆气体中不舍有氧气或其它氧化剂，火焰不可 能在没有氧化剂的纯净燃气中产生和传播。但是在某些特殊的意外条件下。例如因施工 不当、地震、年久失修或其它不可预见的意外事故，就有可能造成管道网某处的破裂 如果管道是采用低压输送燃气的，就有可能在管道破裂处造成局部压力降，引起外界空 气进入管道网。使下游管网内的燃气成为与空气的预混气。当该预混气达到爆炸极限时 就具备了产生回火和导致产生爆炸的必要条件。一旦遇到雷击、明火或各种其它偶然情 况产生的点火因素时，就有可能点燃局部预混气体，并且火焰将沿着未燃预混气的分布 方向传入石油产品及其他可燃气体的储罐内，引发更大的灾难1 2 3 1 。因此，研究气体爆炸 在管道内的传播一直是个很活跃的学术课题 b a r t k n e c h t 在标准大气压下，对甲烷，空气火焰在个长为4 0 m 、直径为1 4 m 的管 道内的传播进行了测量洲。结果发现：点火端封闭、出口端开放时的火焰速度最大；当 管道两端均封闭时初始阶段火焰加速很快，但1 5 m 2 0 m 后火焰开始减速；点火端开放 而另一端封闭时火焰速度很低如图i a 所示 毫 蓉 l 帆d 州州 e 嘶血啪 帆a t 删喇 图1 4 甲烷火焰在直径l a m 管道内的火焰速度 f 喀1 4 f l a m es p e e d i n a l 4 m d i a m e t e r p i p e w i t h m e t h a n e - a i r 6 大连理工大学颈士学位论文 可燃气体从点火到发生爆轰的距离称为转变距离。s t c c n 和s c h a m p e l 对可燃气体在管 道内的转变距离进行了研究，其实验条件如压力、温度、气体混合物等均设定为与工业 上的实际情况相同瞄】图1 5 给出了化学计量比下的乙烯，空气和丙烷空气混合物的转变 距离与管道直径的关系，由图可知转变距离随着管道直径的增加而增大。此外，还证明 了转变距离随着初始压力和管道初始湍流度的增加而减小，随着初始温度减小而减小 开p 口d 皇n 砷酎i 删 图1 5 转变距离与管道直径的关系 f j 骣1 5r m - u pd i s t a n c et od c 幻瑚缸p i p rd i a m e 懈 周凯元等1 1 0 j 对丙烷空气爆燃火焰在直管道中加速运动的规律及其影响因素作了初 步的实验研究，考察了管道直径和点火能对火焰加速的影响，其试验装置和点火位置如 图1 6 所示。其实验结果表明：在内壁光滑的直管道中，闭端点火会比开端点火获得更大 的爆燃火焰加速度；在直径较大的管道中火焰产生的加速度也较大；点火能量的有限改 变仅对初期传播的气体爆燃火焰加速度有较大影响。实验还证明了无论在开端点火还是 在闭端点火条件下，爆燃火焰速度分布曲线在双对数坐标中呈线性特性。 年h i 士丑 ， is p ”_ m t i - t ，v w - p 目自拓 ，憎- _ ： n _ - h 崎_ - - 可 z “。- ，_ u 岫_ 开端点失m 端点失 图1 6 实验装置与点火位置示意图 f i g 1 6 p i c t u r eo f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 鲫di g n i t i o np o s i t i o n 7 管内气体爆炸数值模拟与惰性气体的淬：醣研究 喻健良，周崇等对预混气体火焰在圆形管道内的爆燃过程进行了实验研究嘲，获得 了爆燃火焰波形( 图1 7 ) 和超压波形( 图1 8 ) ，并根据实验结果将超压的变化过程分为了前 驱冲击波、升压、降压、余压等四个阶段，将气体燃烧的变化过程分为了未燃、燃烧、 已燃等三个阶段，得到了前驱冲击波峰值的经验公式、前驱冲击波末端与火焰面的相对 时间及相对位置的经验公式、最大超压值在时间上的变化规律的经验公式、燃烧时间与 火焰传播速度及测点位置关系的经验公式；发现了前驱冲击波阶段超压上升曲线比较规 则，且压力上升速率逐渐增加，离点火处越远匝力上升速率增加的越快；对爆燃转爆轰 过程( d d t ) 进行了初步的研究。观察到此过程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，超压峰值的 位置与火焰面重合 幺5 蔓b 1 5 ：l 。0 o 5 0 龟5 5伯 1 5瓣衢 3 0 t 一 图1 7 火焰波形图 f i g 1 7 p i c t t w eo f f l a m ew a v e 芒 吧 t 5伯1 5蕊嚣 屯精 圈1 8 超压波形图 f i g 1 8 p i c t u r eo f o v e r p r e s s t u ew a v e 在输送可燃气体的管道中存在着许多弯曲管道，可燃气体的爆燃和爆轰在弯曲管道 中传播时与其在直管道中相比，运动规律必然会有所不同。因此，气体爆炸在弯管中的 传播也是管道气体爆炸研究的重要方向之一 杨志等通过实验研究了丙烷，氧气，空气稳定爆轰波、非稳定爆轰波及爆燃火焰通过 9 护弯管形成的“f 型管道的传播规律1 2 7 1 实验结果表明：稳定爆轰波通过“z ”型管道时， 传播速度有明显下降，“z * 型管道弯管起到了衰减稳定爆轰波的作用；非稳定爆轰波通 过_ 矿型管道的变化情形比较复杂，其中低速的非稳定爆轰波在z 型管道弯管中比其在 直管道中得到了更大的加速，但“z ，型管道弯管却对高速非稳定爆轰波起到了抑制作用； 爆燃火焰通过“z ”型管道时火焰传播速度变化则不明显。 ， 夏昌敬等则对非稳定爆轰波通过9 0 0 圆弯管的传播特性进行了实验研究 2 s l ，证明了 可燃气体非稳定爆轰波在经过9 0 0 弯管后，其传播速度和压力都有明显增加，其中速度 增加程度超过3 8 ，压力增加程度超过9 2 ，并且9 0 0 弯管前后可燃气体非稳定爆轰波的 0 腑黔。嚣帅雠 犬连理工丈学硬士学位论文 传播速度和压力随着丙烷质量百分比浓度与混合气体初始压力的增加而增加。 管道气体爆炸研究的另一个领域是障碍物对爆炸传播的影响。自从1 9 2 6 年c h a p m a n 和w h e e l e r 率先开创有障碍物管道中火焰传播工作以来，障碍物产生的扰动引起火焰的 加速现象为许多学者所关注，并对此进行了深入的研究。a r m a s d 等人 2 9 1 研究了不同 形状的障碍物对预混火焰传播的影响，发现火焰的初期发展和障碍物的形状没有关系， 二当火焰传播到障碍物并与其相作用后就会产生加速，其中方形障碍物产生的加速最 大，圆形障碍物加速最小：在相同的阻塞比时，方形障碍物的对火焰加速影响要大于圆 形和三角形障碍物余立新等通过实验研究发现，障碍物的扰动不仅使火焰在管道中不 断加速，同时压力也不断地上升，并最终会到达一准稳态传播阶段；管内压力随障碍物 阻塞比的变化并不呈现单调规律，在阻塞比为0 5 时，压力达到最大例。而d d u n n - r a a k i n 和m a m 蛳的研究证明，和障碍物相作用的部分受限火焰即使未达到爆轰也会产生 极大的超压1 。 1 2 抑爆技术概述 1 2 1阻爆技术 阻爆技术是由阻爆系统来实现的阻爆系统可分为主动式和被动式两种。阻爆系统 由传感器、控制器，执行机构组成，其工作原理是：在爆炸发生的早期，通过传感器将 爆炸信号传送给控制器，控制器经过运算判断启动执行机构喷洒抑爆剂，抑制爆炸的进 一步发展进而将其扑灭其工作原理框图如图1 9 所示 图1 9 阻爆系统原理 f i g 1 9 t h ep r i m j p l eo f f 砘s 忡i o n s y s t 口a 阻爆系统的传感器担负着探测爆炸信号、向控制器预警的功能。对爆炸来说，压力 和火焰是其最重要的两个变量，但由于管道内压力波形及其分布受管道直径、管道开口、 障碍物等多种因素的影响。爆炸压力与火焰位置间很难建立起一一对应的关系，因此， 目前阻爆系统大多采用火焰传感器来探测爆炸信号 阻爆系统的控制器则主要是电子技术，目前已发展的非常完备，因而在此不再赘述。 阻爆系统的执行机构则负责储存和喷洒抑爆剂，其设计的关键是抑爆剂的性能及喷 9 管内气体爆炸数值模叛与惰性气体的淬熄研究 洒时问。由于爆炸发生和传播非常迅速，这就要求执行机构必须具有极高的灵敏度，在 尽可能短的时间内把抑爆剂喷洒出去。设为传感器探测爆炸信号到执行结构启动的时 间，为爆炸从传感器传播到执行机构的时问，则关系式为b ( r ， i 2 2 惰性气体的抑爆研究 近年来的理论研究及实验表明：以惰性气体为介质的惰化技术是一种最有效、最有 发展前途的防爆抑爆技术f 3 2 j 。 惰性气体是指化学活性低、燃烧时不参与反应的气体及其混合物，如h e 、i g - o i ( 舡) 、 i g - 1 0 0 ( n 2 ) 、c 伤、i ( 3 - 5 4 1 ( 5 2 n 2 。4 0 a r ，8 c 0 2 ) 、i g - 5 5 ( 5 0 a t ，5 0 n 2 ) 等 惰性气体的抑爆机理是使燃烧过程中的氧气含量降低，从而达到窒息火焰的目的1 3 3 1 。惰 性气体抑爆剂具有抑爆性能优良、对环境无污染且来源广泛、无毒非热解等特点，因此 日渐受到人们的关注，关于惰性气体抑爆的研究也日益增多例 n a o s h is a o t i 等分别在f l u 玻璃杯燃烧器和管状燃烧器装置上对混有不同惰性气体的 碳氢燃料的火焰淬熄浓度和最大浓度进行了测量，并通过化学平衡计算证明了在淬熄条 件下玻璃杯燃烧器的绝热火焰温度对任何惰性气体均是常数唧j ；j o s e p h a s e n e c a l 则在一 个新型玻璃杯燃烧器上对6 种惰性气体及其混合物的最佳淬熄浓度( 硼巳c ) 进行了测量， 并建立了基于惰性气体最佳淬熄浓度与惰性气体热容和燃料特性相关的火焰淬熄模型 删；a ys u 对混有惰性气体的c h 4 射流碰撞火焰进行了实验观察，燃烧结果和温度测量 表明非反应气体会稀释扩散过程中的燃料分布，因而影响了火焰的形状和颜色印1 陈思维，牡杨等人对惰性气体抑制管道中可燃气体的爆炸进行了研究p 卅。其实验管 道长度为1 0 m ，直径2 5 0 m m ，可燃气体为化学计量比的甲烷空气混合物。实验结果如图 1 1 0 所示图( a ) 为未充入惰性气体时的爆炸波发展曲线，由图可见压力不断增大，表明 火焰加速传播当惰性气体与甲烷体积比为4 ：l 时，抑爆效果如图( b ) ，结果表明惰性气 体对爆炸波有一定的抑制作用，但是爆炸波并不能被彻底的抑制，而是以较低的速度稳 定传播，并可以预见，当其穿过预惰化区，将可能重新加速再次形成爆轰波当加大预 惰化区惰性气体浓度，使惰性气体与甲烷体积比大于6 ：l 时，爆炸波被很快抑制，如图 ( c ) 所示 大连理工大学硬士学位论文 。髯 蟹 誊 哟 图1 1 0 不同时刻压力曲线 f i g 1 1 0 p i 姗c u l v e sa td i f f e r e n tt i m e l 。t = s m s ；2 ，仁1 5 m s ；3 ，仁2 2 m 取4 ，t = 3 1 n m ：5 ，t = 爱n 憾 1 2 3 火焰淬熄机理 当火焰在狭小的通道中传播时，如果通道间距足够小，火焰在传播一段距离后就因 热量的散失而逐渐停止传播，这就是淬熄。关于淬熄原理目前主要有两种观点，一种是 传热理论，另一种是器壁效应理论例。 ( 1 ) 传热理论。传热理论或称冷壁效应。燃烧所需要的必要条件之一就是要达到一 定的温度，即着火点。低于着火点，燃烧就会停止。根据这一原理，只要将燃烧物质的 温度降低到其着火点以下，就可以阻止火焰的蔓延。当火焰通过狭小通道时，通道将火 焰分割使其进入各个孔腔。由于孔腔具有较高的表面效能。火焰燃烧释放的大部分热量 被迅速吸收，从而使火焰温度下降，温度下降到一定程度火焰就会熄灭。根据英国罗卜 尔( m r o p e r ) 雅j 波纹板狭缝进行的试验表明，当把材料的导热性能提高4 6 0 倍时，其熄灭 直径仅改变2 6 。这说明传热作用是火焰熄灭的一种原因，但还不是主要的原因。 ( 2 ) 器壁效应。燃烧与爆炸并不是分子间的直接反应，而是受外来能量的激发，分 子键遭到破坏，产生活化分子，活化分子又分裂为寿命短但却很活泼的自由基，自由基 与其他分子相撞，生成新的产物，同时也产生新的自由基再继续与其他分子发生反应。 当燃烧的可燃气体通过狭小通道时，自由基与通道壁的碰撞几率增大，参加反应的自由 基减少。当通道间距小到一定程度时，自由基与通道壁的碰撞占主导地位。由于自由基 数量急剧减少，反应不能继续进行，亦即燃烧反应不能通过狭小通道继续传播。 这两种理论都有一定的合理性，在实际作用过程中它们应该是相互作用的。一旦火 焰进入狭缝之后，壁面中断开始起作用，壁面热传导也开始起作用，壁面热传导使得火 管内气体爆炸数值模拟与惰性气体的淬熄研究 焰的温度下降，从而使得火焰产生新自由基的能力下降，使得火焰更容易淬熄。多数学 者认为热理论是发生淬熄的主要原因，但也有人认为器壁效应理论较为接近实际【柏l 。 1 2 4 火焰在平行板狭缝和圆管内的传播与淬熄 平行板狭缝和圆管是两种典型的微通道结构，如图1 1 1 所示。近年来国内外学者对 火焰在平行板狭缝和圆管内的传播进行了大量的研究 一鬻 图1 平行板结构与圆臂结构 f i & 1 1 ip a r a l l e lp i 蹴a n ds l a c k e dp r e c i s i o n 幽 1 9 8 5 年n o r i m a s a i i d a l 4 1 捌等研究了高速火焰在狭缝中的传播特性，确定了影响这些 特性的因素。通过研究可燃气的配比浓度、狭缝入口圆角、狭缝间距以及点火位置对火 焰淬熄特性的影响，结果发现：火焰在狭缝中传播时表现为火焰穿过、火焰作稍许停滞 后再穿过、和火焰不能穿过三种状态，影响这三种状态的因素有狭缝间距、可燃气浓度 和点火位置火焰停滞后再穿过的现象是由随火焰一同流入的未燃气体