液态碳氢燃料云雾爆轰及其抑制与泄放研究

论文摘要

本文以几种常见液态碳氢燃料云雾为重点，从实验测试、理论分析和数值计算三个方面对燃料云雾爆轰性能、云雾爆炸的抑制与泄放过程进行了系统深入的研究，基本揭示了云雾多相爆轰结构特征和作用机理，获得了有关云雾爆炸抑制及泄放的相关特征参数和变化规律，为控制或减缓工业爆炸灾害的作用程度和范围提供了重要的技术思路和途径。主要工作和研究成果如下： 采用升降法和烟迹技术在立式激波管内测定了燃料云雾爆轰直接起爆的临界起爆能和爆轰胞格尺寸。燃料云雾的临界起爆能和爆轰胞格尺寸均与当量比成一“U”形曲线关系，并且云雾爆轰最敏感点并不是对应于等化学当量的混合物而是偏向于富燃料；燃料云雾爆轰的胞格尺寸随着起爆能的增加而减小，达到一定的数值之后再增加起爆能，胞格尺寸几乎不发生变化，但起爆能量足够大时，由于爆轰波阵面的驱动部分能量过大，在三波系交汇之前有次三波点形成，出现微细结构。 利用自行设计加工水雾或粉尘抑爆装置，在立式激波管中对水雾以及惰性粉尘抑制燃料云雾爆炸的现象和规律进行了实验研究。水雾抑制云雾爆炸的实验结果表明，水雾抑爆存在一临界水雾密度，低于此临界点，爆炸波穿过水雾区后会对燃料云雾再次点火，重新成长并增强，爆炸不能被完全抑制；随着水雾密度增大、雾滴直径减小，爆炸波衰减作用越明显；10％碳酸氢钠水雾的抑制效果比纯水雾高7～15％。惰性粉尘抑制云雾爆炸同样也存在临界抑爆剂浓度，只有抑爆剂浓度大于此临界值，爆炸才可能被完全抑制；具有化学活性的碳酸氢钠抑爆剂，因其对爆炸化学反应的抑制作用，具有较强的抑爆能力；抑爆剂抑制燃料云雾爆炸的作用机理在于抑爆剂对燃料云雾的稀释和钝化，制止链式反应的发展，吸收反应区的能量，使得前沿冲击波与化学反应区分离，爆炸波不能自持传播，从而爆炸得到抑制。 在柱形泄爆容器中，对泄爆过程中内外压力流场进行测定，并对泄爆发生二次爆炸的影响因素进行分析。在其它泄爆条件不变时，当量比小于1时二次爆炸的概率小于当量比等于或大于1。同样，只改变泄爆膜强度，而其它条件不变时，脆性低强度泄爆膜发生二次爆炸的概率较小。 根据对水雾爆炸抛撒实验结果的分析，将水滴群看成为与气体相互渗透的拟流体，运用双流体两相流模型对水爆炸成雾的多相流动过程进行数值研究。计算所得水雾边界运动轨迹和水雾运动规律与试验结果相吻合，符合水爆炸抛撒形成水雾的物理现象和规律，此模型可以用来描述水雾区内物理量的分布与变化情况。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 气云爆轰性能研究概述
• 1.2.2 气云爆炸防治研究进展
• 1.3 本文的主要工作和研究内容
• 1.3.1 本文的主要工作
• 1.3.2 本文实现的技术途径与路线
• 2 燃料云雾爆轰特性
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备与方法
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 测试系统
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 燃料云雾直接起爆的临界起爆能
• 2.3.1 不同当量比燃料云雾的临界起爆能
• 2.3.2 不同燃料云雾的临界起爆能
• 2.3.3 激波管实验与无约束试验临界起爆能的关系
• 2.4 燃料云雾爆轰波胞格尺寸
• 2.4.1 爆轰波胞格结构的形成
• 2.4.2 不同当量比燃料云雾的胞格尺寸
• 2.4.3 不同燃料云雾的胞格尺寸
• 2.4.4 起爆能对燃料云雾胞格结构的影响
• 2.5 燃料气云爆炸火球温度场分析
• 2.6 燃料云雾爆轰作用机理分析
• 2.6.1 烃类燃料化学反应动力学过程
• 2.6.2 雾滴与爆炸波的作用
• 2.6.3 爆轰波的传播
• 2.7 小结
• 3 激波在水雾中衰减
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 激波在水雾中的衰减
• 3.3.1 激波与雾滴的相互作用
• 3.3.2 水雾密度对激波衰减的影响
• 3.3.3 雾滴直径对激波衰减的影响
• 3.3.4 不同强度激波在水雾中的衰减特性
• 3.4 小结
• 4 燃料云雾爆炸的抑制
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 燃料云雾爆炸的水雾抑制
• 4.3.1 抑爆方式对抑爆效果的影响
• 4.3.2 水雾密度对抑爆效果的影响
• 4.3.3 雾滴直径对抑爆效果的影响
• 4.3.4 盐添加剂对抑爆效果的影响
• 4.3.5 水雾抑爆作用过程分析
• 4.4 燃料云雾爆炸的惰性粉尘抑制
• 4.4.1 被动粉尘对抑爆效果的影响
• 4.4.2 粉尘浓度对抑爆效果的影响
• 4.4.3 抑爆剂种类对抑爆效果的影响
• 4.4.4 惰性粉尘抑爆作用过程分析
• 4.5 小结
• 5 水爆炸抛撒成雾过程的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 水爆炸抛撒成雾过程的物理分析
• 5.4 数学模型
• 5.4.1 基本假设
• 5.4.2 基本方程
• 5.4.3 初始条件和边界条件
• 5.4.4 计算方法
• 5.4.5 计算结果与分析
• 5.5 小结
• 6 燃料云雾爆炸的泄放研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 燃料云雾爆炸泄放流场分析
• 6.3.1 不同可燃介质的泄放
• 6.3.2 当量比对泄放流场的影响
• 6.3.3 不同泄爆膜片对泄放流场的影响
• 6.4 二次爆炸现象分析
• 6.4.1 泄爆过程中二次爆炸现象观测
• 6.4.2 二次爆炸的影响因素分析
• 6.5 小结
• 7 结束语
• 7.1 本文的主要内容与结论
• 7.2 本文的主要特色与创新
• 7.3 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间参与科研项目和发表的学术论文