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管内爆燃初期郁金香火焰的特性研究

管内爆燃初期郁金香火焰的特性研究

作者：尧志峰河南理工大学

学位级别：硕士

随着传统能源的逐渐消耗和环境污染的日益严重,清洁能源的需求在经济发展的过程中迅速增长。合成气作为一种可再生、绿色、高效的能源,被认为是一种清洁能源,在一定程度上可以有效替代其他燃料。然而,由于合成气中含有少量的甲烷、二氧... 详细信息

随着传统能源的逐渐消耗和环境污染的日益严重,清洁能源的需求在经济发展的过程中迅速增长。合成气作为一种可再生、绿色、高效的能源,被认为是一种清洁能源,在一定程度上可以有效替代其他燃料。然而,由于合成气中含有少量的甲烷、二氧化碳、氮气和水,通常富含氢气和一氧化碳,一旦发生泄漏就有发生严重爆炸的高风险。本文通过实验分析研究了管内初期爆燃郁金香火焰发生的规律和特点,对丰富和完善可燃气爆炸理论也将起到积极的促进作用。本文首先以φ=10%、φ=20%、φ=30%和φ=40%四种氢气体积分数以及在不同点火位置IP、IP、P和IP点火,来进行预混合成气(H/CO/O/N)燃烧特性的研究。在IP位置点火,氢气体积分数为10%、20%、30%和40%时,所测得的最高超压值分别为0.11 bar、0.34 bar、0.38 bar和0.43bar,并没有超过它们对应的绝热压力,而最大超压对应的时间分别为72 ms、58 ms、35 ms和28ms,对比这四种实验工况下发现随着氢气浓度的逐渐增大,燃烧反应越迅速,反应产生的压力峰值越大,到达压力峰值的时间逐渐缩短,且管道内火焰的传播速度逐渐变大。且发现点火位置对半封闭管道内可燃气火焰结构、预混爆炸火焰振荡及超压有重要影响。随着点火位置接近开口端,郁金香火焰和扭曲郁金香火焰达到IP、IP和IP,超压和火焰振荡更加明显。点火位置越靠近开口端,压力振荡周期越大,且超压振荡还与火焰振荡密切相关。随着点火位置接近开放端,右侧火焰速度也将被加速。对比这四种实验工况下发现随着氢气浓度的逐渐增大,燃烧反应越迅速,反应产生的压力峰值越大,到达压力峰值的时间逐渐缩短,且管道内火焰的传播速度逐渐变大。且发现点火位置对半封闭管道内可燃气火焰结构、预混爆炸火焰振荡及超压有重要影响。随着点火位置接近开口端,郁金香火焰和扭曲郁金香火焰达到IP、IP和IP,超压和火焰振荡更加明显。点火位置越靠近开口端,压力振荡周期越大,且超压振荡还与火焰振荡密切相关。随着点火位置接近开放端,右侧火焰速度也将被加速。

关键词：郁金香火焰氢气体积分数开口比率点火位置火焰振荡倾斜角度

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泄压口面积对氢⁃空气爆燃特性的影响

大连海事大学学报 2024年第3期50卷 157-166页

作者：汪瑞齐张彬夏远辰王博乔大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

为探究不同泄压口面积对氢⁃空气火焰形态演化的影响,采用自建实验平台进行氢⁃空气爆炸实验,并利用OpenFOAM开源软件进行数值模拟,分析不同泄压口面积(0、25%、50%、75%、100%)下的爆燃特性和火焰形态。结果表明:泄压口面积对火焰形态影... 详细信息

为探究不同泄压口面积对氢⁃空气火焰形态演化的影响,采用自建实验平台进行氢⁃空气爆炸实验,并利用OpenFOAM开源软件进行数值模拟,分析不同泄压口面积(0、25%、50%、75%、100%)下的爆燃特性和火焰形态。结果表明:泄压口面积对火焰形态影响较小,但影响火焰形成时刻。随着泄压口面积增大,郁金香火焰传播速度增大,爆燃压力降低,且峰值出现时刻延迟。泄压口面积的变化通过影响未燃气体的流场结构进而影响火焰形态,较小的泄压口面积有利于未燃气体形成漩涡结构,促进平板火焰和郁金香火焰的形成。泄压口面积是影响氢气火焰形态和爆燃特性的重要因素,通过优化泄压口结构参数,可以有效控制氢气火焰的传播速度和爆燃压力,降低爆炸风险,对氢能安全使用具有重要意义。

关键词：预混氢⁃空气爆燃泄压口面积郁金香火焰大涡模拟 OpenFOAM

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氢气对预混甲烷/空气燃爆过程的影响

安全与环境学报 2017年第6期17卷 2240-2245页

作者：路长于子凯刘洋潘荣锟河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地河南理工大学煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454003

为研究氢气的加入对不同体积分数甲烷/空气预混爆炸过程影响的规律,在尺寸为150 mm×150 mm×1 000 mm的管道中通入体积分数为8%、9.5%和11.5%的甲烷/空气预混气体,然后加入一定体积分数的氢气。氢气所占体积分数分别为0、0.74%、1.48%... 详细信息

为研究氢气的加入对不同体积分数甲烷/空气预混爆炸过程影响的规律,在尺寸为150 mm×150 mm×1 000 mm的管道中通入体积分数为8%、9.5%和11.5%的甲烷/空气预混气体,然后加入一定体积分数的氢气。氢气所占体积分数分别为0、0.74%、1.48%、2.95%、4.40%。分别对加入不同体积分数的甲烷爆炸过程中爆炸压力、火焰图像和爆炸温度进行测量、分析。结果表明:只有在8%纯甲烷爆炸时能够形成完整的郁金香火焰。8%和9.5%甲烷体积分数试验中,氢气的加入使火焰面由上下对称变得不对称,火焰阵面上移,火焰速度加快;爆炸中的最大超压增大并且最大超压时刻点提前。在11.5%的甲烷加氢试验中,随加氢量增加,爆炸压力、温度、火焰速度分别略微降低。这表明氢气的加入在体积分数为8%的爆炸反应中较大地促进了反应,而体积分数为11.5%时加氢后爆炸反应减弱。通过理论分析计算了半封闭管道中体积分数为9.5%甲烷爆炸温度和实测温度之间的差异。爆炸压力和温度的变化能很好地反映加入氢气对甲烷爆炸的影响。

关键词：安全工程氢气甲烷爆炸温度郁金香火焰

管道截面对氢气/空气预混爆炸影响的实验研究

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火灾科学 2015年第2期24卷 68-74页

作者：路长李毅潘荣锟河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地焦作454003 河南理工大学煤炭安全生产河南省协同创新中心焦作454003

为研究管道截面对氢气/空气预混火焰形状与传播速度的影响,选用三个长度都为1m而截面尺寸不同的方形管道进行实验。实验结果表明,在截面为80mm×80mm的管道中,四种氢气浓度下预混火焰都发展形成了郁金香火焰。火焰传播速度呈现上升,下降... 详细信息

为研究管道截面对氢气/空气预混火焰形状与传播速度的影响,选用三个长度都为1m而截面尺寸不同的方形管道进行实验。实验结果表明,在截面为80mm×80mm的管道中,四种氢气浓度下预混火焰都发展形成了郁金香火焰。火焰传播速度呈现上升,下降,再上升的波动。在截面为100mm×100mm和150mm×150mm的管道中,只有在氢气浓度20%下形成郁金香火焰,并且传播速度也出现上述的波动。而在氢气浓度25%,30%,40%下,预混火焰都呈指尖形传至管口,未出现郁金香火焰,传播速度都是不断上升。三个管道对比中,截面为100mm×100mm的管道内火焰平均传播速度最快,且压力波第一峰值最大。

关键词：氢气预混爆炸截面郁金香火焰传播速度

丙烷添加和氧气富集对生物气爆炸特性影响研究

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丙烷添加和氧气富集对生物气爆炸特性影响研究

作者：王玺河南理工大学

学位级别：硕士

生物气是一种易获得的绿色能源,目前受到了越来越多的关注。生物气由于存在着热值低、燃烧速度低以及火焰稳定性差等缺点,所以将丙烷和氧气添加到生物气中以改善其燃烧特性,但是这样势必会增加混合燃料的危险性,加重安全隐患。所以,从... 详细信息

生物气是一种易获得的绿色能源,目前受到了越来越多的关注。生物气由于存在着热值低、燃烧速度低以及火焰稳定性差等缺点,所以将丙烷和氧气添加到生物气中以改善其燃烧特性,但是这样势必会增加混合燃料的危险性,加重安全隐患。所以,从生物气安全利用角度,本文深入研究了丙烷添加和氧气富集对生物气爆炸特性影响,具有较好的现实意义。本文研究了丙烷添加对生物气/空气预混体系的爆炸特性影响和氧气富集对生物气/丙烷/空气预混体系爆炸特性的影响。并结合CHEMKIN化学动力学软件数值模拟,得出混合物基本参数(层流燃烧速度LBV、膨胀比、火焰厚度、自由基浓度等),找出宏观参数(火焰传播速度、最大压力等)与基本参数之间的联系。接着从微观反应层面得出了丙烷添加和氧气富集对生物气爆炸特性影响规律,并揭示其作用机理。实验研究结果表明,在丙烷添加对生物气/空气预混体系火焰结构影响方面,除了亮度和特征时间不同之外,郁金香火焰结构都具有类似演变特征;在火焰反转之后,从火焰图像中能够直接观测出燃烧气体的明显向后运动。富燃料时,丙烷添加对生物气爆炸抑制作用效果更好。随着丙烷分数增加,预混气反应性降低,导致了火焰传播速度有降低趋势。在氧气富集对生物气/丙烷/空气预混体系爆炸特性的影响研究中,添加少量氧气可以有效增强混合物反应性,并减少火焰传播时间,增加预混气的最大爆炸压力和最大压升速率,大大提高爆炸强度,并导致更大风险。提高丙烷分数能够延长火焰传播时间,减弱混合燃料反应性,显著降低最大火焰传播速度(尤其是当氧气浓度在0.25和0.29时),对最大爆炸压力的抑制作用先增加后减少。在丙烷添加和氧气富集对生物气爆炸特性影响机理研究中,增大氧气浓度会带来更大的LBV和膨胀比,同时减小火焰厚度,使得火焰不稳定性增强,增加了火焰传播速度。增加丙烷分数能够增大预混气膨胀比和火焰厚度,但LBV却降低得愈发明显。热扩散不稳定性对火焰表面积增加影响不大。此外,拉伸效应对于火焰传播影响不大。LBV可以反映氧气浓度和丙烷分数的联合效应,为估算爆炸危险性提供了一种手段。本文图38幅,表3个,参考文献95篇。

关键词：生物气丙烷添加氧气富集爆炸压力郁金香火焰

变温、非等扩散条件下管内预混气体燃烧特性研究

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变温、非等扩散条件下管内预混气体燃烧特性研究

作者：许壮壮河南理工大学

学位级别：硕士

可燃气的预混燃烧特性研究在清洁高效燃烧方面具有重要的意义,它既为可再生能源的开发、高效利用提供理论依据,又为爆炸事故防治提供经典案例。有限空间内可燃气的火焰动力学研究又可以映射内燃机相关的推动技术研究,如火焰加速过程以... 详细信息

可燃气的预混燃烧特性研究在清洁高效燃烧方面具有重要的意义,它既为可再生能源的开发、高效利用提供理论依据,又为爆炸事故防治提供经典案例。有限空间内可燃气的火焰动力学研究又可以映射内燃机相关的推动技术研究,如火焰加速过程以及爆燃向爆轰的转变过程等。本文通过实验和数值模拟研究了初始温度、分支管道结构和刘易斯数对火焰燃烧特性的影响,这对增强或抑制管道内可燃气爆炸初期的加速过程有重要的意义。本文通过自主设计搭建的可控变温矩形管道实验系统,以氢气体积分数为5%、10%、15%和20%的预混合成气（H2/CO）/空气作为研究对象,研究不同初始气体温度（300 K、400 K和500 K）下可燃气爆炸特性。结果发现:当火焰发生触壁之前,随着初始温度的升高,火焰传播速度不断增大,而火焰发生触壁后则相反。初始温度的升高会导致早期超压上升速率增大,而最大超压随初始温度升高而降低。当氢气体积分数为5%时,初始温度为300 K、400 K和500 K所对应的最大超压分别为0.029 bar、0.024 bar和0.022 bar。在燃烧过程的后期,随着初始温度升高导致管道内热损失增多,火焰传播速度和超压出现大幅度的降低。通过Chemkin模拟发现随着初始温度升高层流燃烧速度、绝热火焰温度和自由基H、O和OH的峰值不断增大。通过实验和大涡模拟研究含双侧45°分支结构管道内不同点火位置（IP0和IP900）对火焰动力学的影响。将实验结果与模拟结果进行比较,验证了模型的正确性。结果表明:当火焰传播到分支结构附近时,会在分支处形成旋转方向相反的对称旋涡结构。当点火位置为IP0和IP900时,实验得到的最大超压分别为0.101 bar和0.107 bar。当点火位置为IP0时,表示火焰传播过程中火焰表面与湍流相互作用强度的Karlovitz数最大值为9.2,最小值为0.04。预混合火焰经历褶皱火焰区、波纹火焰区和薄反应区。最后,为了研究热扩散不稳定性对火焰动力学的研究,通过层流有限速率模型模拟研究了不同刘易斯数和无滑移/自由滑移条件对二维半开口管道内火焰特性的影响。模拟结果表明:当Lewis数为0.5时,由于热扩散不稳定引起的火焰前锋褶皱结构,火焰表面积增大,火焰传播速度最快。当刘易斯数为1.5时,火焰传播速度比等扩散燃烧的火焰速度更慢。当刘易斯数一致时,无滑移条件下比自由滑移条件下具有更高的火焰加速度,使得不同刘易斯数下的火焰特性差异更加明显。图42幅,表3个,参考文献97篇。

关键词：郁金香火焰初始温度氢气体积分数点火位置刘易斯数

管道中氢—空和甲烷—空预混火焰传播与压力震荡研究

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管道中氢—空和甲烷—空预混火焰传播与压力震荡研究

作者：李毅河南理工大学

学位级别：硕士

氢气作为一种有着广阔前景的新能源,开展氢气与空气预混燃烧爆炸特性的研究势在必行。瓦斯爆炸是矿井生产的重大灾害之一,近些年国内外学者对其研究并取得了一定的进展。本文对不同管道中氢气/空气预混爆炸和甲烷/空气预混爆炸进行实验... 详细信息

氢气作为一种有着广阔前景的新能源,开展氢气与空气预混燃烧爆炸特性的研究势在必行。瓦斯爆炸是矿井生产的重大灾害之一,近些年国内外学者对其研究并取得了一定的进展。本文对不同管道中氢气/空气预混爆炸和甲烷/空气预混爆炸进行实验研究,皆在为掌握可燃气火焰传播规律、爆炸压力变化规律和控制减小爆炸带来的危害提供理论指导。本文使用自主搭建的小型可燃气体爆炸实验平台,在长度相同截面不同的三个小型管道中进行爆炸实验,从火焰前锋形状、火焰传播速度、爆炸压力三方面研究了管道截面对爆炸特征的影响、郁金香形成机理及爆炸压力震荡原因。首先进行了氢气体积分数为20%、25%、30%、40%的氢气/空气预混爆炸实验研究。结果表明,在相同管道中不同氢气体积分数下,预混爆炸特征有着很大差别。出现郁金香火焰的工况其火焰传播速度会有下降,爆炸压力出现不同程度的正负压震荡阶段。相同氢气含量的预混气体在不同截面的管道中,预混火焰传播形状不同、传播速度变化趋势及速度值不同,管道越细越易形成郁金香火焰,且郁金香火焰出现位置越靠前。不论氢气体积分数的大小或管道的粗细,管道中的火焰传播速度与火焰传播过程的火焰形态密切相关。横截面面积适中的管道,即长径比居中的管道内平均火焰传播速度最快、爆炸压力的波峰值最大。其次进行了甲烷体积分数为8%,9%,9.5%,10%的甲烷/空气预混爆炸实验研究。相同甲烷体积分数的预混气体在不同截面管道中的爆炸火焰传播特征不同。在出现郁金香火焰的工况其火焰速度都有再次上升阶段。预混气体爆炸压力与火焰特征密切相关,管道截面尺寸对爆炸压力值有很大的影响,在管道截面适中的管道中出现了最大的火焰传播速度、最大爆炸压力。再次,将管道截面对氢气/空气预混爆炸影响和对甲烷/空气预混爆炸影响进行比较分析,表明管道截面的粗细对氢气爆炸和对甲烷爆炸的影响规律基本一致。管道截面的不同使得爆炸火焰传播过程的形状、传播速度以及爆炸压力值不同,与最细和最粗的两个管道相比,在截面适中的管道中出现火焰传播速度及压力的最大值。最后详细地研究了形成郁金香的工况下的火焰传播及压力变化规律,分析了郁金香火焰的形成规律及原因,产生负压的原因以及压力震荡的原因。本文以可燃气体/空气预混爆炸火焰动力学及压力变化的理论为基础,研究了管道截面尺寸对氢气/空气预混爆炸以及对甲烷/空气预混爆炸的影响规律,分析了郁金香火焰形成原因和压力震荡原因,对于氢能源的安全利用及对预防瓦斯爆炸理论的完善有一定的帮助。

关键词：可燃气爆炸氢气甲烷郁金香火焰压力

CH_(4)/O_(2)/CO_(2)预混体系爆炸动力学研究

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爆炸与冲击 2022年第1期42卷 1-14页

作者：钟飞翔郑立刚马鸿雁杜德朋王玺潘荣锟河南理工大学安全科学与工程学院瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003

为探究甲烷在富氧条件下的火焰动力学规律,以CH_(4)/O_(2)/CO_(2)预混体系为研究对象,在小尺度方形透明管道中进行了一系列爆炸实验,探讨了初始环境温度波动对爆炸参数的影响,并对预混体系的燃烧机理进行分析。结果表明:在273 K的环境... 详细信息

为探究甲烷在富氧条件下的火焰动力学规律,以CH_(4)/O_(2)/CO_(2)预混体系为研究对象,在小尺度方形透明管道中进行了一系列爆炸实验,探讨了初始环境温度波动对爆炸参数的影响,并对预混体系的燃烧机理进行分析。结果表明:在273 K的环境温度下,化学当量比φ=0.8~1.0且氧气相对比γ郁金香与非郁金香两种火焰类型,并且根据郁金香火焰独特的演变特征,又划分为T形郁金香火焰和不对称郁金香火焰;随着γ的增大,无量纲火焰传播速度v/(S_(L)σ)的变化趋势由“两升两降”转变为“一升一降”。初始环境温度的升高并未对火焰传播速度和爆炸超压的变化趋势产生影响,但是会导致最大爆炸超压p_(max)和最大火焰传播速度降低。值得注意的是,初始环境温度对爆炸强度的影响随化学当量比的减小而增强。另外,与最大爆炸超压相比,最大火焰传播速度与层流燃烧速度之间的关系更紧密。从敏感性分析中可知:层流燃烧速度对自由基链式反应R38(即H+O_(2)=O+OH)表现出最大的正敏感度,对R52(即H+CH_(3)(+M)=CH_(4)(+M))表现出最大的负敏感度,并且对自由基OH的生成速率最敏感,当初始环境温度升高至303 K时,层流燃烧速度对R38(正)和R52(负)的敏感度降低;H、O和OH自由基总摩尔分数的增大会削弱热扩散的不稳定性,增强流体力学的不稳定性。

关键词：富氧甲烷郁金香火焰初始环境温度敏感性分析

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管道内预混合成气爆炸特性

化工学报 2018年第10期69卷 4486-4494页

作者：余明高栾鹏鹏郑凯阳旭峰万少杰段玉龙重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 重庆科技学院安全工程学院重庆401331

通过自主搭建的小尺寸实验平台,对比研究了当量比为1时不同氢气体积分数下,预混合成气在开口和闭口管道中的爆炸特性。研究结果表明:开口和闭口管道中合成气爆炸预混火焰传播结构具有明显差异;在闭口管道中,在所有的氢气体积分数下均观... 详细信息

通过自主搭建的小尺寸实验平台,对比研究了当量比为1时不同氢气体积分数下,预混合成气在开口和闭口管道中的爆炸特性。研究结果表明:开口和闭口管道中合成气爆炸预混火焰传播结构具有明显差异;在闭口管道中,在所有的氢气体积分数下均观测到经典郁金香火焰结构,其中氢气体积分数为70%和90%时,能够观测到扭曲的郁金香火焰结构;在开口管道中,仅在氢气体积分数为10%、30%、50%时形成了经典郁金香火焰,且当氢气体积分数为10%、30%时,出现了扭曲郁金香火焰。开口和闭口管道中的火焰传播速度和爆炸压力峰值均随着氢气体积分数的增加而增大。当氢气体积分数较低(φ火焰传播速度和爆炸压力峰值随着氢气体积分数的增大而迅速增大,而在较高氢气体积分数(φ≥50%)时,随着氢气体积分数的增加,火焰传播速度和爆炸压力峰值增加缓慢。

关键词：合成气爆炸氢郁金香火焰扭曲郁金香火焰