管道中甲烷空气预混气体火焰加速实验研究与数值模拟

论文摘要

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-空气预混气火焰传播的研究,采用实验分析和数值模拟相结合的方法,研究管内火焰加速传播的现象。本文在长1440mm的方形（100mm×100mm）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。研究了障碍物不同立体结构、阻塞比、初始条件（浓度）等因素对火焰传播速度和测点处峰值超压的影响,使用高速摄像对火焰传播全过程及火焰与障碍物的相互作用的进行了拍摄。同时对火焰加速现象进行了数值模拟。对于本文实验,结果表明:（1）在相同阻塞比条件下,平板、三棱柱对火焰传播速度和火焰传播引起的超压影响较大,长方体次之,四棱柱、圆柱最小。（2）甲烷浓度对火焰传播速度有很大影响,当甲烷浓度在最佳浓度（9.62%）附近时,火焰速度和超压最大。（3）火焰在越过障碍物时,由于遇到管道壁面和障碍物的摩擦影响作用,将会改变方向,从而在障碍物后面形成旋涡。（4）障碍物对火焰传播有激励作用,这种加速激励作用的机理主要归因于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈机制。最终管道内火焰传播速度和最大超压主要是由障碍物引起的。为了深入研究障碍物和火焰之间的关系,构建了障碍物下火焰加速的数学模型,数值模拟了障碍物和粘性壁面条件下导致火焰加速的现象,在很大程度上反映了火焰传播过程和障碍物对火焰传播的激励作用。模拟结果表明:障碍物和管壁对火焰都有明显的加速作用,且障碍物的加速作用更明显;在障碍物后有漩涡形成,漩涡导致湍流化程度加重;管道中会产生前驱压力波,并超前火焰阵面。本文的研究工作对预防和控制煤矿瓦斯爆炸和其它工业领域中存在的可燃气体爆炸灾害,有借鉴作用。而且加深了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。同时,可为工业安全设计提供依据。

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摘要

Abstract

图表目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文的主要研究内容和创新点

2 管道中预混火焰传播的相关理论

2.1 预混火焰

2.2 气体燃烧爆炸理论

2.2.1 缓燃、爆燃和爆轰

2.2.2 气体热爆炸理论

2.2.3 气体链锁爆炸理论

2.3 可燃预混气体燃烧爆炸的基本参数和影响因素

2.3.1 基本参数

2.3.2 影响因素

2.4 火焰传播机理

2.4.1 管中层流火焰传播及其机理

2.4.2 湍流火焰传播机理

2.5 火焰加速机理

2.5.1 湍流化机理

2.5.2 前驱压力波作用机理

2.5.3 气体流动和燃烧过程的相互作用机理

2.6 障碍物的激励加速作用

2.7 火焰形状

2.8 本章小结

3 实验系统和研究方法

3.1 实验系统介绍

3.1.1 实验管道

3.1.2 实验配气系统

3.1.3 高压点火系统

3.1.4 光信号采集系统

3.1.5 压力采集系统

3.1.6 数据采集存储系统

3.2 实验方法和步骤

3.2.1 实验方法

3.2.2 实验步骤

3.3 本章小结

4 预混火焰加速传播的实验研究

4.1 障碍物

4.2 实验系统

4.3 实验结果和分析

4.3.1 障碍物立体结构对火焰传播速度影响

4.3.2 障碍物立体结构对火焰传播过程中超压的影响

4.3.3 火焰传播速度与超压之间关系

4.3.4 障碍物不同阻塞比对火焰传播的影响

4.4 初始条件对甲烷空气预混气体火焰的影响

4.5 高速摄像在火焰传播研究中的应用

4.5.1 高速光电成象系统的组成和工作原理

4.5.2 高速摄像实验

4.5.3 高速摄像图象分析

4.5.4 使用高速摄像需要注意的问题

4.6 火焰加速机理的探讨

4.7 本章小结

5 预混火焰加速传播的数值模拟研究

5.1 数值模拟的步骤

5.2 火焰加速的模拟

5.2.1 障碍物条件下甲烷预混火焰加速的数值模拟

5.2.2 控制方程

5.2.3 化学反应源项

5.2.4 火焰加速管道结构参数

5.2.5 边界条件和初始条件

5.2.6 数值方法与网格划分

5.2.7 湍流模型

5.3 模拟结果与分析

5.3.1 无障碍物管道内火焰传播模拟

5.3.2 平板障碍物管道内火焰传播模拟

5.3.3 长方体障碍物管道内火焰传播模拟

5.3.4 流线图

5.3.5 火焰传播速度与测点超压模拟与实验结果对比分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录 A ——CHEMKIN机理文件

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果

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