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细水雾作用下欠膨胀氢气喷射火特性研究

细水雾作用下欠膨胀氢气喷射火特性研究

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作者：章智慧合肥工业大学

学位级别：硕士

随着经济的飞速发展和人口的快速增长,世界能源消费不断增加所导致的能源短缺和环境污染这两个重大问题日益凸显。氢能作为一种来源广泛、利用高效、清洁环保的能源,被视为21世纪最具有发展潜力的清洁能源。然而,高压氢气在存储和运输... 详细信息

随着经济的飞速发展和人口的快速增长,世界能源消费不断增加所导致的能源短缺和环境污染这两个重大问题日益凸显。氢能作为一种来源广泛、利用高效、清洁环保的能源,被视为21世纪最具有发展潜力的清洁能源。然而,高压氢气在存储和运输过程中极易发生泄漏,如果遇到明火或者发生激波自点火,极易形成高压欠膨胀氢气喷射火,造成严重的火灾危害。因此,如何有效的抑制高压欠膨胀氢气喷射火是当前氢能源安全利用领域一大重点研究课题。作为火灾事故最常用的消防手段,细水雾技术的应用早在上世纪四十年代就已经开始。细水雾凭借着对环境无污染的潜在优势使得其应用范围在不断地拓展,并且它还兼具除烟、除尘、降温、隔绝辐射等重要功能,可以有效的保护人员和设备的安全。因此,本研究将细水雾技术作为抑制氢气喷射火危害的一种重要手段,开展了一系列有关欠膨胀氢气喷射火与细水雾相互作用的实验研究,深入探究细水雾在抑制氢气喷射火危害方面的合理性以及有效性。自行设计和搭建了高压欠膨胀氢气喷射火与细水雾相互作用的实验研究平台,主要包括氢气喷射火系统、细水雾系统、图像采集系统、压力采集系统、温度以及辐射采集系统等。通过改变细水雾的类型、水平施加距离、竖直施加高度、施加压力以及细水雾中含有kco添加剂的质量分数等,探究细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。研究揭示了扇形细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。通过改变扇形细水雾的展开角度、水平施加位置以及施加压力,探究在细水雾作用下氢气喷射火火焰形态、火焰水平长度、羽流区温度以及辐射的变化规律。实验发现,施加细水雾后,氢气喷射火火焰出现偏折现象,并定义了火焰折角。随着细水雾展开角度的减小、施加压力的增大以及水平施加位置逐渐远离氢气泄漏喷嘴,火焰折角在不断地增大。在高压细水雾的作用下,氢气喷射火的水平长度、羽流区温度以及热辐射强度均明显减小,细水雾对欠膨胀氢气喷射火的热危害起到了明显的抑制作用。实验结果表明,扇形细水雾对欠膨胀氢气喷射火的抑制作用机理主要是由于细水雾的动能冲击作用,使得氢气喷射火的水平长度减小,进而减小了其危害范围。研究揭示了实心锥形细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。实验研究了实心锥形细水雾在不同的竖直施加高度、水平施加位置以及施加压力下,对欠膨胀氢气喷射火火焰形态、火焰水平长度、羽流区温度以及辐射的影响。实验发现,在实心锥形细水雾作用下,氢气喷射火依旧发生偏折现象。在较低的细水雾施加压力下,出现了火焰膨胀现象,使得氢气喷射火的水平长度明显增大。然而随着细水雾压力的增大,这种现象开始消失,火焰水平长度逐渐缩短。通过对比分析扇形和实心锥形细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响,发现施加实心锥形的细水雾对氢气喷射火的抑制效果更为突出,这是由于一方面实心锥形细水雾能够有效的减小氢气喷射火的危害范围,另一方面,细水雾对喷射火火焰的冷却降温以及对火焰热辐射的阻隔削减也同时发挥着重要作用。研究揭示了含kco添加剂的细水雾对欠膨胀氢气喷射火特性的影响。实验采用实心锥形细水雾喷嘴,考察细水雾在不同质量分数kco添加剂、水平施加位置和施加压力下,对欠膨胀氢气喷射火火焰形态、火焰水平长度、羽流区温度以及辐射的影响。研究发现,在含有kco添加剂细水雾的作用下,氢气喷射火焰色极为明亮。细水雾压力较低(0.5 MPa)且施加位置位于火焰抬升位置时,氢气喷射火的膨胀现象最为明显,火焰长度明显增大。通过与纯水细水雾进行对比分析,发现含kco添加剂的细水雾对氢气喷射火羽流区温度以及热辐射的抑制效果最为突出,并且抑制效果随着kco添加剂质量分数的增大而增大。含kco添加剂的细水雾对氢气喷射火的作用机理不仅包括物理作用,例如:动能冲击作用、冷却降温作用、削减热辐射作用等,还包括化学抑制作用机理,即kco添加剂活化分解产生的灭火活性物质以及受热蒸发后析出的微小颗粒会阻断氢气燃烧链式反应,进而达到抑制燃烧的目的。

关键词：氢气喷射火细水雾 k2co3添加剂火焰长度温度辐射

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