管道中甲烷—空气预混气爆炸火焰传播的研究

【摘要】：针对矿井瓦斯及其它工业可燃气体爆炸灾害的现状,本文开展了管道内甲烷.空气预混气爆炸火焰传播的研究,采用实验分析和理论研究相结合的方法,较为系统的描绘了管内火焰传播的现象。 本文在长1.5m的方形透明实验管道上,采用光电传感器、压力传感器以及高速摄像等器件,建立了管内爆炸火焰传播的光信号和压力信号测试系统。实验结果表明: (1) 点火端封闭另一端弱封闭的小尺寸管道中,甲烷-空气预混气体在有无障碍片时火焰传播压力分布规律基本一致:先逐渐增大至约管子中段处出现峰值压力,而后压力逐渐下降,管口处压力下降迅速。 (2) 障碍片存在对火焰传播有激励作用,能显著增加火焰速度,D型障碍片下可将火焰传播速度提高一个数量级以上,最大速度可达250m·s~(-1);爆炸峰值压力也显著增加,D型障碍片下可达0.5Mpa。在激励作用的因素中,障碍片的阻塞比占主要,而障碍片的间距居次。 (3) 当甲烷浓度在最佳浓度(约10%)附近时,火焰速度和爆炸压力最大。 (4) 在实验条件下,各测点的光信号到达时刻与压力信号起跳时刻基本同步,且光强时刻表现为压力值大,即燃烧剧烈时火焰传播产生的压力大,而压力的持续时间较火焰光信号持续时间长。 (5) 本文管道的长径比为15,长为1.5m,此小尺寸管道中甲烷.空气混合气体,在有无障碍片下均不会导致爆轰现象。 本文通过简化处理得出了管内火焰的速度和压力的计算式,并作了相关处理实现,与实验结果吻合较好,方便了管内爆炸火焰参数的估算。同时借助于PHOENICS软件,对简单情形的爆炸火焰传播过程进行了数值计算,计算结果基本上反映了流场参数的变化趋势。 本文的研究工作对预防和控制矿井瓦斯和其它可燃气体爆炸灾害,有一定的借鉴作用,同时也加深对爆炸理论中燃烧和爆炸问题的理解,以及燃烧理论中传播火焰的认识。 【关键词】：爆炸火焰 管道 甲烷-空气预混气 高速摄影 数值计算
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：X928.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 受限区域气体爆炸火焰的研究现状13-18
• 1.2.1 国外现状13-16
• 1.2.2 国内现状16-18
• 1.3 本课题研究意义18-19
• 1.4 本文的主要研究内容及创新点19-21
• 1.4.1 主要内容19
• 1.4.2 创新点19-21
• 2 管内可燃气体爆炸火焰的相关理论21-34
• 2.1 预混气体火焰21-22
• 2.2 缓燃、爆燃和爆轰22-25
• 2.3 影响管内火焰传播的因素25-26
• 2.4 管内火焰加速26-28
• 2.4.1 火焰加速机理26-27
• 2.4.2 障碍物的激励加速作用27-28
• 2.5 火焰结构28-30
• 2.6 层流火焰与湍流火焰30-31
• 2.6.1 层流火焰30
• 2.6.2 湍流火焰30-31
• 2.7 对甲烷燃烧机理的认识31-33
• 2.7.1 燃烧的化学反应31-32
• 2.7.2 甲烷的燃烧机理32-33
• 2.8 本章小结33-34
• 3 管道内甲烷-空气预混气爆炸火焰传播的实验研究34-54
• 3.1 实验装置与条件34-38
• 3.1.1 配气35
• 3.1.2 点火装置35
• 3.1.3 火焰传播光信号采集35-37
• 3.1.4 压力测试系统37-38
• 3.2 火焰传播过程的测试与分析38-47
• 3.2.1 火焰传播的高速摄像观测38-40
• 3.2.2 火焰传播的光电信号40-42
• 3.2.3 火焰传播的压力信号42-46
• 3.2.4 火焰传播光信号、压力信号对应关系46-47
• 3.3 管内甲烷-空气预混气爆炸火焰传播的影响因素47-50
• 3.3.1 甲烷浓度对爆炸火焰传播的影响47-48
• 3.3.2 障碍片对爆炸火焰传播的影响48-50
• 3.3.3 其它条件对爆炸火焰传播的影响50
• 3.4 爆炸火焰速度的拟合方程50-51
• 3.4.1 光滑管道内不同浓度下甲烷火焰速度50-51
• 3.4.2 不同障碍片下计量浓度附近甲烷火焰速度51
• 3.5 问题探讨51-52
• 3.5.1 燃烧转爆轰的可能性分析51
• 3.5.2 最佳浓度的确定51-52
• 3.5.3 压力波形分析52
• 3.6 本章小结52-54
• 4 管内火焰速度及压力的简化计算54-67
• 4.1 模型的建立与假定54-55
• 4.2 计算式的推导过程55-60
• 4.3 参数的近似确定与简化计算的实现60-63
• 4.3.1 参数的近似确定60-62
• 4.3.2 简化计算的实现62-63
• 4.3.3 简化计算结果与实验结果的对比分析63
• 4.4 密闭管内火焰速度和压力的估算63-66
• 4.5 本章小结66-67
• 5 PHOENICS软件介绍及在管内爆炸火焰传播中的应用67-77
• 5.1 PHOENICS软件介绍67-74
• 5.1.1 PHOENICS简介67-68
• 5.1.2 PHOENICS特点68-72
• 5.1.3 PHOENICS软件使用说明72-74
• 5.2 PHOENICS软件在管内爆炸火焰传播中的应用74-76
• 5.2.1 火焰传播的模型74
• 5.2.3 参数选择74
• 5.2.4 模拟结果与分析74-76
• 5.3 结论与建议76-77
• 6 结束语77-80
• 6.1 论文主要工作和结论77-78
• 6.2 存在问题及解决措施78-79
• 6.3 对今后工作的展望79-80
• 7 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 作者简介及读研期间主要科研成果85

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