预混火焰在微小通道中传播和淬熄的研究

论文摘要

研究预混爆燃火焰在微小通道内的传播与淬熄过程，对管道内或开敞空间可燃气体的防燃抑爆均具有重要的意义。本文主要针对爆燃火焰在微小通道中的传播机理与淬熄条件进行了实验和理论研究，旨在为可燃气体燃烧爆炸的防治以及阻火器的设计应用提供理论和实验依据。本文主要工作和结论如下（1）建立了管内可燃气体爆炸与爆炸抑制试验装置，实现了计算机程控点火和同步采集测点的压力和火焰速度。通过结构设计，避免了非测点火焰信号的干扰，保证了采集系统获得的火焰信号与测点火焰信号相对应，为确定管内火焰的平均传播速度提供可行的方法，从而能够研究火焰和压力的传播与发展过程。对预混火焰在圆管内的爆炸传播进行了实验研究，获得了圆管内火焰传播的规律，总结了关系式。（2）对管内预混爆燃火焰在多层丝网结构中的传播与淬熄进行了实验研究，得到了淬熄压力和淬熄速度与丝网几何参数如丝网层数、丝网目数等之间的关系。引入熄爆参数来反映丝网结构抑制火焰和爆炸压力的效果，熄爆参数可解释为被淬熄的预混火焰进入丝网结构前的能量。实验研究发现，用熄爆参数能够更全面反映丝网抑制火焰和爆炸压力的效果。熄爆参数越大，丝网结构的熄爆能力越强，对相同预混火焰，丝网结构能够淬熄的火焰压力和传播速度越大，而对不同预混火焰，丝网结构能够淬熄活性更大的预混火焰。该研究思路为确定其他微通道阻火抑爆结构的抑爆性能提供了可行的方法。（3）建立了预混火焰在狭窄通道的淬熄计算模型，计算结果与实验结果的最大误差为16．1％。对预混爆燃火焰在平行板狭缝结构中的传播和淬熄进行了数值模拟，分析了火焰在狭缝中传播的4种不同状态。获得了火焰传播速度V、狭缝淬熄间距G、狭缝壁面温升△Tw与淬熄长度Lq之间的关系在固定狭缝间距G时，相同预混火焰的淬熄时间Lq/V是定值。狭缝间距G增加，参数C减小，淬熄困难。对CH4/Air对C3H3/Air对C2H2/Air狭缝壁面温度上升导致f2（△Tw）减小，淬熄性能下降。对CH4/Air和C3H8/Air预混火焰同等条件下，反应活性高的气体，参数C越小，相应淬熄长度也越长，淬熄越困难。利用上述关系，可确定平行狭缝阻火装置的几何参数。该方法可推广应用到淬熄不同C-H预混火焰的阻火装置设计。（4）对预混爆燃火焰在微小圆管内的淬熄进行了数值模拟。得到了火焰速度V、圆管管径D、预混气初始温升△T与淬熄长度Lq之间的关系同等条件下，反应活性高的气体，C越小，淬熄越困难。在固定圆管直径D的条件下，火焰速度V对参数C有影响，火焰速度V提高，会使淬熄时间Lq/V减小，参数C增加。对CH4/Air、C3H8/Air和C2H2/Air预混火焰管内预混气体初始温度上升导致圆管的淬熄性能下降。随着温度升高，C2H2/Air温度系数f3（△T）下降显著，淬熄更困难。对CH4/Air和C3H8/Air对C2H2/Air（5）在混有惰性气体条件下，对预混爆燃火焰分别在微小圆管和平行板狭缝中的淬熄进行了数值模拟，得出了惰性气体的最佳淬熄浓度，总结了在该浓度下气体淬熄的规律。在狭缝中，C3H8／O2／Inert Gas的淬熄特性与C3H8/Air的淬熄特性相似。狭缝间距G和参数C可表示为：在相同条件下，He、Ar、N2惰性气体对应的C值依次减小，说明He淬熄能力最强，Ar次之，N2的淬熄能力最弱。在圆管中，C3H8／O2／He与C3H8/Air的淬熄特性相似。惰性气体He的加入，使参数C值变大，改善了淬熄效果。上述研究结果对设计微小复杂通道阻火抑爆结构具有指导意义。特别为研究阻火抑爆结构长期阻火性能，考察阻火元件温度升高后阻火抑爆效果的变化提供了研究基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 易燃易爆介质扩散规律
• 1.3 可燃气体燃烧爆炸过程
• 1.4 火焰淬熄研究概述
• 1.4.1 淬熄理论
• 1.4.2 火焰在狭窄通道内的淬熄研究
• 1.4.3 展望
• 1.5 爆炸波的抑制研究
• 1.5.1 抑制剂抑制爆炸波
• 1.5.2 多孔材料抑制爆炸波
• 1.6 阻火器
• 1.6.1 阻火器原理与计算
• 1.6.2 阻火器的结构与材料
• 1.7 本论文研究内容和技术路线
• 1.7.1 研究内容
• 1.7.2 技术路线
• 2 装置的可行性与爆炸传播实验
• 2.1 管路系统
• 2.1.1 燃烧爆炸传播管路系统
• 2.1.2 爆炸抑制管路系统
• 2.2 点火系统和数据采集系统
• 2.2.1 点火系统
• 2.2.2 数据采集系统
• 2.2.3 压力采集系统
• 2.2.4 火焰采集系统
• 2.3 光敏探头的可行性
• 2.3.1 光敏二极管的原理
• 2.3.2 管路中光敏探头结构
• 2.3.3 火焰信号测量可行性验证
• 2.4 管内预混火焰的传播过程
• 2.5 火焰传播速度
• 2.6 小结
• 3 多层丝网熄爆性能实验研究
• 3.1 影响因素分析
• 3.1.1 丝网几何参数
• 3.1.2 预混火焰的初始条件
• 3.1.3 预混火焰的性质
• 3.2 评价熄爆性能的参数
• 3.2.1 压力参数法
• 3.2.2 速度参数法
• 3.2.3 熄爆参数法
• 3.3 熄爆性能参数的对比
• 3.3.1 压力参数法的实验结果
• 3.3.2 速度参数法的实验结果
• 3.3.3 熄爆参数法的实验结果
• 3.3.4 不同性能参数的对比
• 3.4 熄爆参数的物理意义及应用
• 3.4.1 熄爆参数的物理意义
• 3.4.2 熄爆参数的应用
• 3.4.3 适用范围
• 3.5 本章小结
• 4 预混火焰传播控制方程及数值方法
• 4.1 基本假设及说明
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 均相湍流燃烧的时均方程组
• 4.2.2 湍流模型
• 4.2.3 燃烧模型
• 4.2.4 壁面函数
• 4.3 理想混合气体方程
• 4.4 数值方法
• 4.4.1 二维方程的离散
• 4.4.2 压力一速度耦合
• 4.5 数值计算方法的可行性
• 4.5.1 几何模型
• 4.5.2 网格划分
• 4.5.3 边界条件和初始条件
• 4.5.4 数值结果与实验数据的对比
• 4.6 本章小结
• 5 狭缝火焰传播与淬熄的特性研究
• 5.1 前言
• 5.2 模型与边界条件
• 5.2.1 几何模型
• 5.2.2 边界条件
• 5.3 预混火焰在平行板狭缝中的传播
• 5.3.1 狭缝壁温的影响
• 5.3.2 预混火焰在平行板狭缝中的传播
• 5.4 平行板狭缝的淬熄
• 5.4.1 实验结果
• 5.4.2 数值计算结果
• 5.4.3 淬熄时间Lq/V
• 5.5 平行板狭缝的参数C
• w对参数C影响的独立性分析'>5.5.1 狭缝间距G与狭缝壁面温升ΔT_w对参数C影响的独立性分析
• 1（G）'>5.5.2 狭缝间距对参数C的影响—f₁（G）
• 2（ΔT_w）'>5.5.3 狭缝壁温变化对C的影响—f₂（ΔT_w）
• 5.5.4 参数C与气体活性之间的关系
• 5.6 关于参数C
• 5.6.1 参数C的物理意义
• 5.6.2 参数C的应用
• 5.6.3 参数C适用范围
• 5.7 本章小结
• 6 圆管淬熄特性数值模拟
• 6.1 计算模型
• 6.1.1 几何模型
• 6.1.2 边界条件
• 6.2 预混火焰在圆管内的淬熄
• 6.2.1 圆管淬熄分析
• 0'>6.2.2 常温下预混气体的参数C₀
• 3（ΔT）'>6.2.3 参数C的温度影响系数f₃（ΔT）
• w对参数C的影响'>6.2.4 圆管壁温T_w对参数C的影响
• 6.3 关于圆管参数C
• 6.3.1 参数C物理意义
• 6.3.2 参数C工程应用
• 6.3.3 参数C适用范围
• 6.4 本章小结
• 7 惰性气体对火焰淬熄的数值模拟
• 7.1 数值模拟条件
• 7.1.1 惰性气体的淬熄机理
• 7.1.2 数值计算条件
• 7.2 平行狭缝淬熄计算结果
• 7.2.1 最佳淬熄浓度
• 7.2.2 淬熄性能
• 7.3 圆管淬熄计算结果
• 7.3.1 最佳淬熄浓度
• 7.3.2 淬熄性能
• 7.4 分析与讨论
• 7.4.1 狭缝与圆管淬熄
• 7.4.2 适用范围
• 7.5 本章小结
• 结论与展望
• 1 本文主要结论
• 2 展望
• 参考文献
• 附录A 数值计算的相关内容
• A.1 壁面函数
• A.2 混合理想气体方程
• A.3 网格独立性
• 符号说明
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 专利与承担的课题
• 本论文主要创新点
• 致谢