（安全技术及工程专业论文）管道式可燃气体粉尘爆炸试验装置设计.pdf

t h e d e s i g no fp i p e l i n ee x p e r i m e n t a l d e v i c eo fg a sa n dd u s te x p l o d i n g a b s t r a c t t h ee x p l o s i o no ff u e lg a sa n dd u s ti so n eo ft h em a i na c c i d e n t st h a tt h r e a t e np e o p l e s p r o d u c t i o na n dl i v i n g t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt op r e v e n tt h eh a z a r do fe x p l o s i o nt h a t e x a c t l ym a s t e rt h ee x p l o s i o np r i n c i p l e ，e s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lf a c i l i t ya n d s t u d yt h ee x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c i n t h i sp a p e r , t h ed o m e s t i ca n de x t e r n a ld e v e l o p m e n to ft h eg a sa n dd u s te x p l o s i o nw a s s u m m a r i z e d i nt h i sb a s e ，i n q u i r i n gi n t ot h ee x p l o s i o np r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ef u e i g a sa n dd u s t ，a n dp u t t i n gf o r w a r dt h et h e o r yo fe s t a b l i s h i n gp i p e l i n ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t yo f f u e lg a sa n dd u s t i nt h ec i r c l ep i p e l i n e ，o n l yw h i l ed - x n ，d e t o n a t i o nw a v ec a nb ep r o d u c e d a n ds p r e a d a c c o r d i n gt oa b o v ec o n d i t i o n i ti sa ne s s e n t i a lc o n d i t i o nt h a tt h ed i a m e t e ro f c i r c l ep i p e l i n ed “7 【= 1 0 8 r a m t h em i x t u r eo fm e t h a n ea n da i rc a ng e n e r a t ed e t o n a t i o na n d s p r e a d i nt h i sb a s e ，t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eo f3 2 6 8 ml e n g t h 13 9 m mc i r c l ep i p e l i n e si n n e r d i a n l e t e l6 4 m p ac o m p r e s s i o ni sd e s i g n e da n dp r o d u c e d i ti n c l u d et h r e ep a r t s ：m a i nb o d y p a n ，s e c o n d a r yp a r ta n dc o n t r o lp a r t t h ew a t e rp r e s s u r et e s tf o rs t r e n g t ha n dt i g h t n e s so ft h e d e v i c ei sc h e c k e du p ，a n dt h e ni ti si n s t a l l e da n da d j u s t e d t h r o u g hs o m ep r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t so ft h ee x p l o s i o nl i m i to fm e t h a n e t h ed a t af r o me x p e r i m e n ti sc o n s i s t e n tw i t h t h a tf r o ml i t e r a t u r ea n di n l e tg a sa to n e e n di sb e t t e ra tt w o e n d t h ed e n s i t yo fm e t h a n ei s n e a r e rn o r m a lc o n c e n t r a t i o n t h ef l a m ei sf a s t e r i ti s p r o v e dt h a tt h ed e s i g no ft h i s e x p e r i m e n t a ld e v i c ei ss c i e n t i f i c a p p r o p r i a t ea n du t i l i t y i tc a nf u l l ym e e tt h er e l a t e d e x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：f u e lg a sa n dd u s t ，d e s i g na n dp r o d u c e ，e x p e r i m e n t a l d e v i c e ，e x p l o s i o nl i m i t 愿创陡声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成粜。除文中已经注明弓i 用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科磷或象。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任壶奉入承接。 论文作者签名：壁：必 日期： 趔12 ，基 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解巾北大学蠢关保管、使用学位论文的规定，蕻中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件： 学校可以采用影印、缩印或其它复剃手段整露l l 并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 裁赠送和交换学位论文； 攀校可以公布学位论文的垒部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名垒丝澎e 1 1 t l l l 一趟。塾翌 导师签名： ，i 曩丝蜒 f t l 摹1 ： 牛 中j 大学学位论文 1 1 选题豹目的及意义 1 绪论 爆炸事故是危害人类生产和生活的一类主要饔故，而可燃气体和粉尘爆炸灾害是当 前各类工业爆炸事故的主要形式，尤其是随着工业技术的不断发展，新材料新工艺的不 断涌现，可燃气体( 蒸汽) 、粉尘与空气混合遇点火源发生瀑炸翡事故不断增多，造成 大量的人员伤亡和财产损失，也引起人稍高度萋撬，加强对这方面觞礤究。 可燃气体爆炸是煤炭、石油化工、油气储运及城镇燃气等行业经常遇到的问题，煤 矿井下巷邋内发生的瓦斯爆炸、管道或容器内发生的气体爆炸等都属于典型的气体爆炸 事故。 髫蔚，输送可燃气体翡管遥随她可见。以我国鲍天然气输送管邋为翻，9 0 年代我蹬 建成投产了陕京、靖西和靖银三条输气干线，目前正在建设西气东输管道、陕京二线、 广东与福建输气干线等项目，未来几年之内我国天然气干线总长度将接近1 0 0 0 0 k m 。城 市煤气管道和工厂里的可燃气体管道数量更多。在特定条件下，这些可燃气体管道确可 麓发生气体燃浇、瀑炸事故，造成财产损失窝入受伤亡。例如，1 9 9 5 年我国山东省济南 市的地f 煤气管道发生泄漏爆炸事故，导致1 3 人死亡，4 8 人受伤，囊接经济损失数百万 元。今年太原市下元由于施工不当引起煤气管道泄漏爆炸，当场炸死两人，直接经济损 失数百万元。 在_ - l q k 实践中，储存、处理可燃气体的两个或多个容器经常是遽过餐道互相连接的。 在这种 骞嚣下，一旦芸一容嚣内发生气蒋瀑炸，爆炸藏会通过管道囱另一容器传播。这 时，由于高速湍流燃烧和压力积聚( p r e s s u r ep i jjn g ) 的作用，整个连通容器系统内将 会出现相当剧烈的压力振荡，县有异常的破坏能力。 粉尘爆炸也是一个危害相当严重的工业事故，其危险性几乎涉及到所有的工业部 门，豢觅露瀑炸粉尘材料色旗：农林( 穰食、饲籽、食品、农药、鼹辫、木材、糖、嘲 啡等) 、矿冶( 煤碳、钢铁、金属、硫磺等) 、纺织( 塑料、纸张、橡胶、染料、药物等) 、 化工( 多种化合物粉体) “】。 中北大学学位论文 近年来，我国粉尘爆炸事故屡有发生。1 9 8 1 年1 2 月i o 目，黄埔港粮食篙仓发生大 爆炸，7 人受伤，并造成藿大的经济损失。1 9 8 7 年3 月1 5 日，哈尔滨亚麻厂粉尘犬爆 炸，死伤2 3 0 多人，直接经济损失上千万元。粮食系统粉尘溪炸事故裙当频繁，仅撼托 京市粮食局统计，从1 9 7 3 年至t 9 8 7 年共发生粉尘爆炸事故7 起，死1 人，伤5 人。尤 其是随着经济的辫跃式发展，对源静需求越来越大，特剐是对原煤韵需求量增大，恧 井下巷道瓦斯爆炸引起煤尘参与的二次爆炸事故也越来越多，造成的损失越来越大。据 晷家安鉴总恳2 0 0 5 年统计数据表明，仅今年煤矿企业簸发生引起矿难，廷亡】3 5 5 人， 同比增加1 6 起、6 1 7 人，其中以1 1 月2 7 日黑龙江七台河煤矿煤尘爆炸为最，死亡1 3 4 人，1 5 人失踪。加之，近十年来，鼹内外冶金工韭部f 1 普遍采赐赢炉喷煤技术来提离生 铁豹产量和质蹙。为此，高炉喷欧烟煤的安全性及烟煤在高炉炉口最佳燃烧条件的研究 已成为对国民经济发展有重大意义的课题。在军事工她中铝粉被广泛用作固体推进刺、 火炸药与火工药剂中的燃料。因此，对粉尘燃烧、瀑炸及爆轰特性的研究具有重要的经 济和军事价值。 褡前在气体和粉尘爆炸研究方两，基本上局限于肇纯气体残单纯狳尘爆炸，二耆豹 混合爆炸研究还不多见。而二者的混合爆炸，最典型的就是煤矿耱道的瓦斯爆炸，山西 睾夯一个煤炭大省，由瓦额爆炸弓l 发的矿难枣故不断，繇以送行这方蟊静鍪础疆究其有 重要意义，也迫切要求能够准确预测气体和粉尘爆炸的威力和危害，并以此为基础在设 计积建筑安装中提出合疆的方案。本文掇建一套管道式装置，既能磷究气体瀑炸，又能 进行粉尘爆炸研究，还能进行二者的混合爆炸试验。并且我校安全工程实验窒目前只有 单纯傲气体爆炸的柱状试验装置酾誓纯做粉尘爆炸的球形装鼍，丽管道式的试验装鼹可 填补我校在这方面的空白。 1 2 国内外研究现状 气体爆炸跫均相反应，燃辩气体分子与氧气分子混合均匀，任何湃闯气 奉的任一体 积元中反应进程都是近似相同的。而粉尘是非均相反应，反应是在粉尘颗粒表面与网周 氧气发生反瘟，热量与质基传递速率是反应速率的控蒂环节，闲武耱搏所处紊瀛程度和 粉体分散状况影响很大。 2 中北大学学位论文 可燃气体爆炸过程分为爆燃发生发展过程及爆燃转爆轰过程，这两种过程的形成机 理及破坏效应各有其不同特点。可燃气体爆燃的发生、发展主要与可燃气与空气混合的 浓度、体积及空间分布、点火源的类型、强度及位置、障碍物的形状、数量及分布、容 器的密闭情况或泄压情况有关。由于爆炸压力是由气体燃烧和膨胀过程的相互作用形成 的，而约束条件限制了气体的膨胀，从而导致气体燃烧流动的加速，致使爆炸压力增大。 c h a p m a n 和w h e e l e f ”1 ( 1 9 2 6 ，1 9 2 7 ) 进行了早期的管道火焰传播试验。他们发现了连续 的火焰加速现象和管道内有障碍物时的火焰加速和压力增高现象。h j e r t a g e r 。3 等人 ( 1 9 8 3 ) 针对管道内障碍物对甲烷一空气、丙烷一空气混合物爆燃过程中的火焰速度与压 力的影响进行了实验研究，他们在一端开口的大型燃烧管中分别充入甲烷一空气混合物 和丙烷一空气混合物，并依次改变管内障碍物( 环形板孔) 的数量和堵塞面积，并在闭 端点火，观测管内火焰速度和爆炸压力的变化情况。实验表明，障碍物产生的湍流效应， 对火焰产生明显的加速作用，而且通过设置适当数量和大小的障碍物，能够获得最大的 火焰燃烧速度及爆炸压力。此外，通过比较还发现，在同样实验条件下，丙烷一空气混 合物和甲烷一空气混合物的爆炸压力之间存在较大差别。d u n n r a n k ”1 等人( 2 0 0 0 年) 同 样针对可燃气体火焰在局部封闭( 一端封闭，另一端开口) 的含有障碍物的管道内的传 播过程进行研究，并提出了预测管内超压的简化模型。国内周凯元、李宗芬“1 ( 2 0 0 0 年) 针对丙烷一空气爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动及影响因素等进行了初步的实验 研究。研究表明，在内壁光滑或近于光滑的直管道中，闭端点火比开端点火可以获得更 大的爆燃火焰加速度。点火能量的有限改变对初期传播的气体爆燃火焰加速度有较大影 响，当管道内有障碍物时，将明显增大爆燃火焰的加速度，并有可能出现燃烧转爆轰。 爆燃转爆轰是当前气体爆炸研究的热点和难点之一，是造成爆炸灾害的主要原因。 对于长距离输送管道特别容易出现这一现象。管道内爆燃波是一种不稳定状态的燃烧 波，它有可能在爆燃的后边界约束增强或存在障碍物的情况下，使压力波逐渐增强，火 焰不断加速，直至火焰阵面赶上前驱压力波阵面，形成带化学反应区的强冲击波，爆燃 波转为爆轰波。爆燃转爆轰出现的可能性及转变距离取决于火焰的加速速率。m o e n ”。等 人针对爆燃转爆轰及火焰加速机理开展了实验研究。研究表明，对于反应较剧烈的燃料 一空气混合物来说，导致初始层流火焰加速转变成湍流火焰的原因主要有两个：一是当 雷诺数变得足够大时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流；二是压力波与火焰的相互 3 中北大学学位论文 作用。k n y s t a u t a s 、l e e ”等人通过实验观测到了火焰传播的三种状态：( 1 ) 湍流爆燃状 态，典型火焰速度小于l o o m s ；( 2 ) “扼流”状态，火焰速度相当于燃烧产物的声速： ( 3 ) 准爆轰状态，波速为c j 爆速5 0 1 0 0 ，并测得了由湍流爆燃转向扼流和由扼流转 向准爆轰时所对应的计量比浓度值，研究人员还分别在的钢管中采用吲体炸药直接引发 爆轰，并使用烟膜技术对爆轰波的胞格尺寸进行了测量；国内胡栋州等人对圆柱形激波 管中氢氧混合物爆燃转爆轰进行了研究，测得了爆炸极限、爆炸波传播速度和压力等， 并利用烟膜技术测量了气体爆轰形成的胞格结构；徐守彬“”等人在水平激波管内进行了 民用液化石油气燃烧转爆轰的初步实验研究，得出了一些反应爆炸压力随时问和距离变 化规律的数据，并证明了不同点火能量对可燃混合物的燃烧转爆轰有影响，随着点火能 量增大，爆燃转爆轰的转变距离变短，在重复设置障碍物的情况下，转变距离也将大大 缩短：林柏泉“”等人研究了瓦斯爆炸过程中火焰与超压之间的关系、火焰与爆炸波之间 的相互关系、障碍物对火焰、爆炸波传播的影响。结果表明，超压与火焰的速度有关， 障碍物对火焰的传播具有加速作用；余立新“等人通过实验研究了氢一空气混合物的预 混火焰在半开口管道中的火焰传播加速现象。结果表明，火焰传播状态随着氢气当量比 的变化而发生改变。 粉尘燃烧与爆炸机理的研究已有近百年历史。特别是在过去五十多年中，英、美、 德国、加拿大等工业发达国家都曾投入过大量的人力、财力致力于解决粉体工业巾的安 全生产和防护问题。人们从大量的实验数据中获得过一些有效的经验公式，众多粉尘的 爆炸危险性被分为强、中、弱三级；实验中也观察到一些粉尘爆轰现象。但人们对粉尘 火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转变的机理这个十分复杂而重要的科学问题至今未能 形弄清，基本上还处于定性的探索阶段。 为t x , t 粉尘火焰的传播机理，特别是对复杂的粉尘爆轰现象进行研究，首要的条件 是建立实验装置，即在管道内实现粉尘火焰从发生到加速至爆轰的全过程。在实验室条 件下，要实现粉尘火焰在水平长管中的传播与加速，在技术上难度较大。困难主要在于， 因地心引力作用很难保持粉尘云在燃烧过程中仍能均匀地悬浮在l d i o 水平管内。对 于一般实验管道，与管长相比，管径是个很小的尺度( 比如0 1 米的量级) 。在弱点火 条件下，粉尘火焰的传播速度约为l m s 的量级。对于较长水平管道，处于后半段的管 道横截面上其初始处于悬浮状态的粉尘云在火焰传播到来之前早已沉积在管底，粉尘火 4 中北大学学位论文 焰无法在这种情况下获得正常的传播。因此，大部分已有实验都采用了将粉尘层预先铺 设在管底，用强点火形成的激波将粉尘层卷扬起来支持火焰的传播。 由于在垂真管道内形成粉尘云的悬浮比在水平管道内要容易得多，不少粉尘火焰的 研究工作是在垂直管道内进行的。为了获得均匀的粉尘云初始悬浮状态，曾对在垂直管 内采用的扬尘技术进行过不少改进，取得了较好的效果，流化床就是一例。由于地心 引力的作用，粉尘云沿垂直管道轴线下落过程中产生较严重的粉尘颗粒结团和粉尘粒度 沿轴向呈梯度分布的现象。加之，垂直试验管的长度毕竟受建筑物和可运行性的限制， 一般不超过5 米。波兰华沙热工学院十年前建立了一根1 0 米长的垂直管，始终没有得 到充分的运行。美国伊利诺埃大学于1 9 8 2 年曾发表文章给出在5 米垂直实验管内研究 片状铝粉爆轰特性的结果，该实验也是用烈性炸药来点火的。国外目前运行成功的粉尘 爆轰管有德国琛大学和美国密执安大学。前者采用了将粉尘预先铺设在管底并在粉尘 层上旋转一根与管轴同方向的小管，管壁上开有小孔，气流通过小孔将粉尘在点火前吹 离管底来获得粉尘云在管内悬浮状态；后者则只将粉尘铺设在管底。由于这两种扬尘技 术在管内形成的粉尘云悬浮状态不论从空间均匀性或悬浮时间长短来讲都不够完善，所 以在实验中前者采用了超声速射流点火，后者则采用激波点火。这时因重力作用而沉积 或预铺在管底的粉尘会被点火产生的马赫波或激波卷扬而参加到火焰的传播过程中。以 上两根管子分别对玉米粉一氧气与玉米粉一空气火焰加速到爆轰的物理过程进行研究，在 国际上取得了引人注目的成果。 1 21 理论研究现状 在气体、粉尘爆炸的理论研究中，首先出现的是经验方法。研究者们在大量气体、 粉尘爆炸事故的基础上对数据进行分析和处理之后，得到了一些有用的经验公式。代表 性的有t n t 当量法、t n o 法、多能法、改进的多能法、b r i t i s hg a s 法和s h e l l 法。这 些方法有各自的使用条件。 理论研究的另一个重要方面是探索可燃气体爆炸场的解析解。k u h l ，0 p p e n h e i m “ 用自相似方法研究了稳定火焰在可燃气云中传播产生的压力波。为了满足流场的自相似 条件，仅考虑火焰达到稳定传播的情况。由于假设火焰阵面后的流场为静止的，因此该 5 中北大学学位论文 自相似解只适用于燃速低于c j 燃速的火焰传播问题。用自相似方法求解非理想爆源的 冲击波生成规律的还有d a b o r a “”等人。k u h l “2 3 的结果通常用来校工f 其它方法得到的结 果，但需要进行数值积分。b a c h 与t e e “4 1 等人在k u h l 分析解的基础上进一步简化得到 近似解，不需要数值积分( 只要求解代数方程) ，由于误差较大，使用范围受到限制， 实际应用的不多。 随着流体力学和计算机技术的飞速发展，用数值模拟的方法来研究气体爆炸问题 逐渐提到日程上来，从开始时模拟无反应无粘性流体的一维流动，到今天的一些详细模 拟带化学反应的多维流动问题都相应地取得了一定成果。目前用于气体爆炸的数值模拟 方法大体可分为两类：拉格朗r 法和欧拉法。 1 2 2 实验研究现状 在气体及粉尘爆炸的实验研究领域，北美及欧洲起步较早。如n a g y t ”j 、h a r t m a n 【“1 、 i s n h 锄a | l ”和张帆等对了二包括煤尘在内的许多可燃性粉尘的点火特性和爆炸压力进行了 大量的研究，前三者的实验是在密闭容器中进行的，而后者则是利用氢、氧爆轰管产生 的激波来卷扬和点燃粉尘。 目前，对可燃气体爆炸的研究，主要集中在爆燃转爆轰( d d t ) 和障碍物对可燃气 体爆炸的影响上。d d t 是爆炸学科的一个重要课题，其基本物理现象仍是一个突出问 题。管道内爆燃转爆轰与火焰加速是紧密联系在一起的，要使爆燃转爆轰，就要使开始 很慢的燃烧速度逐渐加速，达到一个临界速度，在此速度下，化学反应传播机理突然从 扩散、输运模式转变为冲击加热自着火模式。这种转变的可能性和转变距离决定于火焰 和加速速率。 障碍物对可燃气体爆炸的影响很早就引起人们注意。c h a o i ”1 等人在一个7 m 长 3 0 c m x 3 0 c m 的方形管中，设置了较为密集的圆形障碍物，管内充满甲烷一空气混合物， 实验结果表明，大约在6 倍管径处，火焰迅速达到一个稳定状态，约1 0 0 0 州s ，管道内 发生了准爆轰，而且高速爆燃和准爆轰似乎取决于障碍物的密度。 对粉尘爆炸的研究焦点集中在粉尘的扬尘技术上，目前的扬尘方式主要有预先铺 设，激波诱导和均匀喷洒，电极点火的方式，实验设备主要是水平激波管。 6 中北大学学位论文 七十年代前后，国内外相继把火焰加速管引入这一研究领域。w l o a n s k i i 伸i 、p u 2 0 l 等人研究了粉尘火焰的加速机理。m o e n 2 1 1b a b k i n 2 2 1 等人研究了甲烷火焰的加速特征， 尤其是障碍物对火焰的加速作用。m o e n l 2 1 l 等人在实验中发现，火焰在螺旋通道中的传 播速率比没有旋转障碍物时将近增加了2 4 倍，并且火焰在经过所有障碍物后速度下降。 至此，粉尘爆炸研究仍处于实验经验性阶段，还缺乏理论依据和指导，小型实验数据还 不能直接应用于实际。日本的田中达夫在实验的基础上提出了一系列粉尘爆炸模型，它 是粉尘研究从实验经验性阶段转入理论研究阶段的过渡标志，田中达夫将传热和反应动 力学理论引入了粉尘爆炸的研究。 八十年代邓煦帆”等人用硅钙粉与亚麻粉进行了实验和理论汁算。八十年代后期， b r a d l e y ”4 1 等人用风机搅拌产生湍流的高压窗口研究了甲烷火花点火与湍流火焰传播的 初始阶段，并用高速摄影拍得点火及火焰成长过程。 九十年代以后，研究人员极为关注障碍物对气体、粉尘火焰的加速作用。如 p h y l a k t o u 、a n d r e w s l 2 ”、b a 玎1 2 6 1 等人分别在管道内、短柱容器和半径为3 0 5 c m 的圆柱形 容器内研究了不同的障碍物对甲烷火焰的加速作用。国内刘晓利 2 7 1 林柏泉旺8 1 等人分 别研究了障碍物对铝粉火焰和甲烷火焰的加速作用。中国科学力学研究所的浦以康旺9 1 等在长3 0 米，内径为0 1 4 m 水平管中对激波诱导铝粉进行了研究。王陈0 1 等在长9 米、截面为0 1 5 m 0 1 5 m 激波管中研究了甲烷对煤尘爆炸传播的影响，其研究主要是利 用甲烷激波点燃管道内支架上的煤尘颗粒。研究结果表明：气体湍流流动或爆炸激波都 会使粉尘上扬，从而形成粉尘云，爆炸波使沉积粉尘上扬的同时，也可以点燃上扬的粉 尘颗粒。煤科总院重庆分院的费国云”在一条长8 9 6 m ，断面7 2 m z 的试验巷道中进行 实验，巷道的一端用防爆门密封，另一端开口，在封闭端可密封3 0 m ，、5 0 m 3 、1 0 0 m ，、 2 0 0 m 3 体积的空间在封闭空间内充入一定量的瓦斯，通过搅拌形成能爆炸的瓦斯、空气 混合气，作为诱发沉积煤尘爆炸的引爆源，研究了沉积煤尘在爆炸作用下飞扬和爆炸的 物理模型。 针对激波扬尘，诱导粉尘爆炸的研究，国内一些学者进行了大量实验。刘晓利口“ 等人在高压室为1 3 m ，低压段为3 5 m 长，试验段为o 8 m 长的实验设备中对粒径为5 p m 的玉米粉进行了激波对管内堆积粉尘作用的实验研究，研究表明： 7 中北大学学位论文 ( j ) 激波抛撒管内堆积粉尘时，有一定的时间滞后，在粉尘前缘有反射波，后缘 有羽烟现象。 ( 2 ) 粉尘云的速度松驰效应在实验范围内仍末结束，因此粉尘边界速度小于波后 气流速度。( 3 ) 实验范围内，粉尘云上升高度有限，量级上小于初始高度的1 0 倍。 范宝春引等人在长1 9 m ，截面为2 0 m m * 2 0 m m 的实验管道中对激波诱导粉尘进行 了研究，表明当有足够强的激波扫过铺有可燃粉尘的界面时，波后形成燃烧的粉尘云边 界层，并指出燃烧粉尘云边界层可分为三个区域：诱导区、反应区和扩散区，诱导区的 粉尘浓度最高。 浦以康f 2 9 ) 等人在长5 m ，内径o 1 4 m ，壁厚1 0 m m 的水平管中，对悬浮粉尘云的燃 烧进行了研究，表明( 1 ) 扬尘技术对粉尘火焰的传播有较大的影响，( 2 ) 粉尘浓度在 渐增到当量浓度的过程中，火焰传播速度、压力峰值呈上升趋势，达到当量浓度时，火 焰速度、压力峰值最大，大于当量浓度时，粉尘颗粒趋于饱和，对火焰的传播影响不大。 同时粒径对火焰的传播也有一定影响：粒径越大，火焰传播速度越低，产生的最大压力 峰值越小。( 3 ) 初始湍流强度越大，火焰传播速度越快，但达到一定值时，对火焰传播 的影响就不再明显。 1 3 本文的主要工作 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 在对管道内可燃气体、粉尘的爆炸特性进行理论分析的基础上，设计建立了 管道式可燃气体一粉尘爆炸实验系统。 ( 2 ) 针对两种不同进气方式对甲烷爆炸极限的影响，进行了对比研究。 ( 3 ) 利用建立的系统实验测定了甲烷气体的爆炸极限，所得数据与文献具有较好 的可比性，证明本套实验装置设计的科学合理，可进一步用于对粉尘爆炸、气体粉尘混 合爆炸的研究。 8 中北大学学位论文 2 管道内气体、粉尘爆炸特- 陛 21 管道内可燃气体爆炸过程概述 可燃气体爆炸大致划分为两种模式：爆燃与爆轰。爆燃与爆轰都是带有化学反应的 燃烧波，但二者有很大的区别，本质区别在于：爆燃是由化学反应支持的亚音速波( 相 对于波前状态) ，而爆轰则是由化学反应支持的超音速冲击波 13 0 但这两种模式在一定 条件下可发生转换，即从爆燃转为爆轰( d d t ) ，或者从爆轰衰减为爆燃甚至熄灭。 在长径比l d 较大( 1 0 0 ) 的密闭管道内，可燃气体的爆炸过程通常是这样的： ( 1 ) 在管道的一端点火，爆炸将从点火源向未燃混合气体传播，火焰阵面以球形 方式连续生长，直到达到管道壁面。同时，( 前驱) 压力波也将生成，并以混合物的音 速传播，其阵面比火焰阵面传播的要快。 ( 2 ) 火焰阵面到达管壁后，将由球形阵面转为平面阵面。由于继续向前传播，平 面阵面受到拉伸变形，表面积增大，燃烧速度加快，火焰传播速度也相应加快。伴随着 将产生新的压力波，比原来的压力波更快，这些压力波聚集在一起最终形成冲击波。 ( 3 ) 当压力波聚集足够的能量足以引起管内燃烧时，爆燃就发展为爆轰，在开始 阶段，爆轰波将传播到预压缩的可燃气体混合物中，产生过激爆轰，过激爆轰将赶上最 前而的压力波，形成稳定的爆轰波( c j 爆轰) 3 4 1 。图2 1 简单描述了上述的发展过程 慢速爆燃 快速爆燃+ 过激爆轰卜稳定爆轰 卜) 点火源火焰阵面( 前驱) 压力波 火焰阵面与压力波 图21 管道内气体爆炸发展过程 简单地讲，密闭管道内气体爆炸过程大致可分为三个阶段：爆燃阶段( 双波三区结 构) 、爆燃转过激爆轰阶段、过激爆轰发展为稳定爆轰( c j 爆轰) 。 9 中北大学学位论文 2 2 管道内可燃气体爆燃特性 爆燃是一种带有压力的燃烧波，在约束不强或无约束条件下，用弱点火就很容易实 现气体爆燃。密闭管道中气体的燃烧，在初始阶段都是以爆燃形式传播的，当后边界条 件增强时，燃烧波阵面两侧就建立起一个压力差( 压力扰动) 形成一个比火焰速度快的 压缩波，此压缩波阵面称为前驱冲击波阵面。这样，一个爆燃波在行进过程中就形成三 个流场区域( 双波三区结构) 如下图2 2 2 区 p 2 ，p 2 ，p 2 ，1 1 c 2 ，咒，y2 爆燃波阵面 1 区 q ，pj ，p ，“ q ，正，n 前驱冲击波阵面 0 区 8 0 ，p 。，p o ，“。= 0 吒，瓦， 图2 t 2 爆燃波的三个流场区域 已- l t n f l ；p - - 抓力：p 密度； “一粒子速度；c - - 音速；t - 温度：7 一等熵指数：注脚0 ，1 ，2 分别表 示0 区、i 区和2 区；0 区一_ j 燃混合气体的初始状态：1 区一前驱冲击波通过后的状志；2 区一爆燃波陴面( 火焰 面) 通过后的状态 管道内气体点燃后，在初始阶段，都是以爆燃形式出现的。爆燃是- - o o 不稳定燃烧 波，如果边界约束减弱，压力波减弱直到消失，就成为定压燃烧：反之，后边界约束加 强，如在密闭管道内，压力波进一步增强，火焰加速，火焰阵面追赶上前驱波阵面，两 个阵面合二为一，爆燃就转换为爆轰。 爆燃的发生、发展和结果主要与下列因素有关： ( 1 ) 燃料类型与混合物的浓度： ( 2 ) 管道的直径、长度与形状； ( 3 ) 点火源类型、强度与位置： ( 4 ) 管道的粗糙度、障碍物的形状、数量及分布： ( 5 ) 管道的密闭或泄压情况3 。 c h a t r a t h i 对密闭管道内气体爆燃和爆轰现象进行了对比，如表2 1 所示。 1 0 中北大学学位论文 表21密闭管道内气体爆燃与爆轰现象对比【” 爆燃爆轰 最大压力( 密闭情况) 1 0 b a r2 0 4 0 b a r 时间量度t s 火焰阵面速度 】o o m s- 2 0 0 0 m s 2 3 管道内可燃气体爆轰特性 2 31 可燃气体爆轰速度与压力 爆轰是由于足够强烈的冲击波在爆炸物中传播引起的，冲击波使爆炸物逐层受到冲 击压缩，使其温度和压力上升，激起高速的化学反应，反应释放的能量又支持冲击波稳 定传播。这种带有化学反应稳定传播的冲击波称为爆轰波。爆轰波中化学反应阵面( 反 应区) 和冲击波阵面合在一起，以同一速度行进。 爆轰是气体爆炸的最高形式，其特征是超音速传播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；爆燃波则相反，它是一个膨胀波，跨过波阵面，压力 和密度都是下降的。 在大气压力下，燃料一空气混合物中的爆轰波速通常为1 5 0 0 - - 2 0 0 0 m s ，峰值爆炸 压力通常为1 5 2 0 m p a 。对于甲烷一空气混合物来说，在浓度为9 5 ( 体积) 时，c _ j 爆轰 速度为1 8 0 2 m s ，c j 爆轰压力为1 7 4 m p a ，温度为2 7 8 i k 。甲烷一空气混合物的最大爆 炸威力出现在浓度为95 1 0 ( 体积) 的情况下e 3 4 。 2 3 2 管道内可燃气体爆轰波结构 爆轰波传播时其强度是以c j 值为平均值而脉动变化的。用烟熏过的平板沿爆轰 传播方向放置，会在平板上留下菱形格子状痕迹，称为爆轰的胞格结构。格子的边界是 马赫反射三波点轨迹。1 9 2 6 年，美国科学家用实验证明爆轰波阵面内有周期性的三维扰 动存在。当气体爆轰波在壁上涂有烟灰的金属圆管内传播时，在管壁留下螺旋线的痕迹， 中北大学学位论文 将这种爆轰现象称为螺旋爆轰。混合气体的浓度接近爆轰极限浓度时，其难常爆轰都要 转变成螺旋爆轰。后来使用高分辨率的照相机，发现正常爆轰波实际上都是头数极多的 螺旋爆轰波。研究结果表明，凡爆轰波都有胞格结构。胞格结构是靠化学反应供应能量 而自持的，它的花纹图样在不断地随时问而变化，典型的气体爆轰波阵面都是有一定的 胞格结构的波阵面。利用烟膜技术测量气体爆轰后所形成的胞格便能直接确定爆轰是否 形成4 们。 爆轰胞格宽度( 尺度) 是重要的爆轰参数之一，它是由爆轰波的马赫效应、纵向的、 横向的冲击波组成的三波点轨迹的宽度。胞格是三波点轨迹的认识，已被高速摄影测量 直接证实。 是可燃气体的固有属性，它与爆轰波的许多微观和宏观属性紧密相关。 是描述混合物的反应性或敏感性的一个特征参数。混合物的反应性越强， 越小。氢、 乙炔等的反应性最强，丙烷、乙烷的反应性次之，甲烷的反应性最小。反应性强的燃料 在发生爆炸事故时，是很有可能发生爆轰的，而反应性小的燃料发生爆轰的可能性较小。 甲烷一空气混合物一般不能形成爆轰，目前关于纯甲烷一空气混合物的爆轰数据还没 有。 与燃料浓度有很大关系，当燃料一空气混合物的浓度处于化学计量浓度f 理想配 比浓度) 时，所对应的胞格宽度 最小口4 1 。在2 5 和1a t m 的条件下，常见燃料一空气混 合物的值 址表2 2 。 表2 2 化学计量浓度的燃料一空气混合物的爆轰胞格宽度3 4 燃料甲烷 氢乙炔丙烷乙烯 乙烷 莱 x ( m m ) 3 4 01 0 5 35 0 1 955 06 6 除与燃料类型、燃料浓度有关外，胞格宽度 还与初始温度、初始压力、摩尔比及 爆轰波的过激程度等因素有关。 是通过实验测量的，在已有的文献中，存在一些偏差。 是一个具有实际意义的重要参数，从爆燃向爆轰的转变、爆轰波的传播与过渡等， 在较大程度上都与五有关。 1 2 中北大学学位沦文 2 3 3 爆轰波在管道内的传播极限 在有边界限制的可燃气体中，并非无限增加起爆能都可以建立爆轰波。实验指出， 爆轰波的建立与传播有极限，且和 有关t 3 5 。在直径为d 的圆管中，爆轰极限是单头螺 旋爆轰情况，这时圆管的周长d 等于 。仅当d n 时，爆轰波刁能在圆管中建立 和传播e 3 5 。该条件可以作为估计管道内能否形成爆轰的根据之一。按照上述条件， 圆 管内甲烷一空气混合物( = 3 4 0 m m ) 自e 够发生爆轰并传播的必要条件之一，是管道直径d = 1 0 8 m m 。而且甲烷的爆轰胞格尺寸相对较大，按照此尺寸设计的实验设备可以 满足绝大部分气体的爆轰特性，所以拟设计的气体粉尘爆炸实验装置中圆管直径为1 3 9 i t i i t i ，满足该项条件。 2 3 4 爆轰波在管道内的建立 对于燃料一空气混合物，d d t 的转换距离通常要有1 0 0 倍直径d 的量级，然而在重 复设置障碍物的情况下，转换距离可缩短一个数量级以上。 要使管道内燃料一空气混合物发生爆轰，即建立爆轰波，可以采用以下方法实现： f 1 ) 以强起爆能( 如高能炸药、强激光、强冲击波等) 直接激发爆轰； ( 2 ) 密闭长管道中使火焰加速，或设置障碍物，人为制造湍流，使火焰加速，实现爆 燃向爆轰转变： f 3 1 射流起爆，由爆炸产物热射流点燃可燃气体，发生爆轰口。 对大多数可燃气体一空气混合物，通常只需要零点几毫焦能量的电火花源就可引起 火焰或爆燃，但直接激发爆轰则需要1 0 3 1 0 6 j 的起爆能量。 最新研究结果表明，最佳爆炸极限的点燃能量e 。1 0 0 0 0 j 左右。 1 3 中北大学学位论文 2 4 管道内可燃气体火焰加速特性及机理 24 1 管道内可燃气体火焰加速特性 在管道内可燃气体爆炸过程中存在火焰加速现象，这种现象在内壁粗糙或有障碍物 的密闭管道内表现得更加明显，有实验表明”“： ( 1 ) 在内壁光滑或近似光滑的直管道中，较大直径的管道所产生的火焰加速度也 较大； ( 2 ) 障碍物对爆燃火焰加速和压力上升速率的影响显著，同无障碍物时相比，火 焰传播速度和爆炸压力上升速率都明显增大，而且管道内的爆炸持续时间缩短： ( 3 ) 管道内障碍物对火焰加速的影响主要取决于障碍物的个数和阻塞比，一般情 况下，随着障碍物数量和阻塞比的增加，火焰加速作用增大，但有一定的限度； ( 4 ) 在管道内通过设置重复性障碍物，可以在较短的时间和距离内，将火焰速度 加速到1 0 0 m s 以上，甚至1 0 0 0 m s 的水平，导致快速爆燃甚至爆轰； ( 5 ) 在两端密闭的管道内，开始阶段火焰加速较快，但在一段距离后，特别是在 接近末端时，由于末端阻碍了火焰前方的气流，火焰开始减速。 火焰加速传播是实现爆燃转爆轰的一个有效途径。 2 4 2 火焰加速机理 要使爆燃转变成爆轰，就必须使丌始很慢的火焰连续加速，并达到一个临界速度， 在此速度下，化学反应传播机理突然从扩散、输运模式转变为冲击加热自着火模式。这 种转变的可能性和转变距离决定于火焰和加速速率“”。 初始层流火焰在一定条件下会转变成湍流火焰，使火焰加速。这种转变主要通过以 下两种机制实现： ( 1 ) 当雷诺数足够大时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流； ( 2 ) 压力波与火焰的相互作用形成湍流。 火焰开始转变为湍流时，加速较小，一般要经过一段距离的连续加速，才能转为爆 1 4 中北大学学位论文 轰。在密闭管中，往往要在接近管端时才能转向爆轰。此时，爆燃转爆轰的主要机制是 冲击波和火焰的相互作用。由于这种转变发生在整个混合物几乎完全消耗殆尽的时候， 故剩余混合物受到很大的压缩。此时一旦形成爆轰波，它就在压力增高到7 8 倍初始压 力的混合物中传播。由于具有很高的局部压力，这种转变有极大的破坏性，使火焰发生 毁坏性畸变。基于t a y l o r m a r k s t e i n 界面不稳定性机理，使火焰皱折成漏斗状，形成冲 击波和火焰的相互作用，其结果使燃烧速率增大，最终形成一个极其扭曲的火焰阵面， 这不仅增大了火焰面积，也相应增加了能量释放速率，也使未燃气体获得更高的位移速 率，并导致压力波进一步增强。这种火焰燃烧速率和气体动力学流动结构之间的正反馈 机理，最终达到形成爆轰的i 临界状态。由于在爆燃转爆轰过程中，湍流及冲击波与火焰 相互作用起主导作用，因此可以预料，这种转变距离是一个随机参数，实验上不可能很 好重复，一般也没有很明显的依赖关系。因此，试图用实验参数来校正转变距离，是不 大可能奏效的，想获得一种通用性的关系式也是很困难的。例如，对湍流火焰，目前还 没有找到一个通用性的火焰速度与湍流参数之问的关系式。 火焰加速的另一个可能的机制是火焰前未燃气体因前驱冲击波作用而被加热和压 缩，这也是一种使火焰加速到爆轰的正反馈机制。这种机理对火焰早期加速阶段可以起 作用。与此同时，可以触发形成湍流火焰。一旦湍流火焰形成，则湍流加速机制将起主 导作用。 2 5 管道内可燃气体d d t 特点及机理 管道内可燃气体d d t 过程的特点可以概括如下： ( 1 ) 在加速层流火焰之前产生压缩波，在这一阶段层流火焰阵而发生皱折、变形： ( 2 1 由于压缩波的集聚，形成激波( 冲击波) 阵面； ( 3 ) 激波诱导气体的湍流运动，引起火焰阵面变形，形成湍流火焰加速； ( 4 ) 在湍流火焰区的某一点发生局部爆炸，发生爆轰转换，并在相反的方向中形成两 道强激波，在其中间有横波振动。发生d d t 时爆炸压力往往很大，超过c j 压力。向 前传入未燃气体的激波为过激爆轰波，向后传入已燃气体的激波称为回传爆轰波。 ( 5 ) 发生局部爆炸的点上，形成球面激波，其中心位于边界层附近； 1 5 中北大学学位论文 ( 6 ) 横波与激波阵面、回传爆轰与燃烧区之间发生相互作用； ( 7 ) 通过一连串波的相互作用过程，建立相对稳定的状态：自持c j 爆轰。但实际 情况是，c j 爆轰维持一段时间后，往往衰减为快速爆燃状态【3 6 】。 目前d d t 机理还未完全弄清楚，只是一个定性的认识：d d t 的主要机理是冲击波 和火焰的相互作用。目前只是实验上的数据，理论上还未搞清楚。 26 粉尘爆炸概述 在粉尘爆炸研究中，把粉尘分为可燃粉尘和不可燃粉尘( 或惰性粉尘) 两类。可燃 粉尘是指与空气中氧反应能放热的粉尘。一般有机物都含有c 、h 元素，它们与空气中 的氯气反应都能燃烧，生成c 0 2 、c o 、h 2 0 。还有许多金属粉可与空气中氧反应生成氧 化物，并放出大量的热，这些都是可燃粉尘。 粉尘爆炸所采用的化学计量浓度单位与气体爆炸不同。气体爆炸采用几何百分数表 示，即燃料气体在混合气总体积中所占的体积百分数；而在粉尘爆炸中，粉尘粒子的体 积在总体积中所占的比例极小，几乎可以忽略，所以一般都用单位体积中所含粉尘粒子 的质量来表示，常用单位是g m 3 或m g l 。这样，在计算化学计量浓度时，只要考虑单 位体积空气中的氧能完全燃烧( 氧化) 的粉尘粒子量即可。 对直径为d 的管道，如内壁沉积有h 厚的粉尘层，扬起后的浓度为 一 4 矗 u 2 岛一d 式中成一堆积密度，k g m 3 d 一管道直径，m h 一粉尘层厚，r a i n 若管道直径d = 0 1 5m ，内壁积尘厚h = 0 1m m ，粉尘的堆积密度( 体积密度) p = 5 0 0 k g m 3 ，则 c ：5 0 0 x 塑! ：1 3 3 33 幽3 o 1 5 但从文献 4 6 中得知，最适合的条件下，也只有4 0 的沉积煤尘能飞扬悬浮。 1 6 中北大学学位论文 粉尘爆炸的条件归结起来有以下五个方顽的因素”“： ( ) 登商一定的粉尘浓壤。妻硅浓瘦太低，粉尘粒子阉鼹过太，火焰难以传播。 ( 2 ) 要有一定的氧含爨。( 含能粉尘除夕 一定的氧含量是粉尘褥以燃烧的基础。 ( 3 ) 要有足够的点火源。粉尘爆炸所需的最小点火能鬣比气体爆炸大一二个数量 级，大多数粉尘云最小点火能量在5 5 0 m j 量级范围。 ( 4 ) 粉尘必须处于懋浮状态，即耪尘云状态。这张可以增加气凿接触| 露积，热抉