含弱约束端面短管道油气爆炸特性实验研究
杜扬, 王世茂, 袁广强, 齐圣, 王波, 李国庆, 李阳超
2018, 38(2): 465-472. doi: 10.11883/bzycj-2015-0242
构建了长径比为4的含弱约束端面的短管道实验系统,对短管道油气爆炸特性进行了实验研究,得到油气爆炸压力和火焰的变化规律。实验结果表明:(1)受破膜、泄流、外部爆炸等因素的影响,含弱约束端面短管道油气爆炸具有多个超压峰值,并产生Helmholtz振荡;(2)弱约束端面对管道内外爆炸超压均具有增强作用,内部最大超压为24.23 kPa,外部最大超压为5.45 kPa,分别为无约束条件下的4.9和2.7倍;(3)火焰变化过程可划分为“层流燃烧-突变加速-外部爆炸-衰弱熄灭”4个阶段;由于湍流、界面不稳定、斜压效应等因素的影响,火焰在突变加速和外部爆炸两个阶段会发生剧烈的拉伸褶皱和卷曲变形,形成Tulip火焰和蘑菇云状火焰。(4)在层流燃烧阶段,弱约束端面对火焰速度有减弱作用,此阶段最大火焰速度为3.5 m/s,相比于无约束时减弱了41.3%;而在突变加速和外部爆炸阶段,弱约束端面破坏产生的强泄流对火焰传播速度有增强作用,此阶段最大火焰速度为80.2 m/s,相比于无约束时增强了106.2%。(5)不同初始油气浓度条件下火焰发展模式具有显著差异,在低浓度和中浓度条件下火焰能够冲出弱约束端面形成外部火球,而在高浓度条件下,火焰无法冲出管道。
关键词: 油气, 短管道, 弱约束, 超压, 火焰传播速度
T型分支管道对油气爆炸强度的影响
杜扬, 李国庆, 吴松林, 张培理, 周毅, 齐圣, 王世茂
2015, 35(5): 729-734. doi: 10.11883/1001-1455(2015)05-0729-06
为了研究T型分支结构对管道内油气混合物爆炸强度的影响规律,测试了不同初始体积分数条件下直管和具有T型分支管中爆炸波超压值,并利用有机玻璃透明管道对火焰传播规律进行了可视化研究。得到以下结论:(1)T型分支管道对油气爆炸有强化作用,在油气体积分数为1.2%至1.6%范围内表现最明显;(2)T型分支管道对油气爆炸的强化作用受管道横截面突扩和障碍物扰动以及波的反射、绕射三方面的影响;(3)火焰经过分支管道时,火焰阵面发生极大的扭曲,火焰表面积显著增大,燃烧速率增大,增强了热量和活性物质的输运速率,提高了爆炸波的强度;(4)在T型分支管道附近,油气爆炸的压力突变增强,是由压力波反射、绕射引起的温升效应和压力波引起湍流强度增强共同导致。
关键词: 爆炸力学, 爆炸强度, T型分支管道, 油气混合物, 爆炸波, 火焰
一个端部开口短管气体爆燃外场火焰传播模型
杜扬, 齐圣, 李国庆, 王世茂, 李阳超
2018, 38(5): 1057-1063. doi: 10.11883/bzycj-2017-0060
针对端部开口短管气体爆燃火焰传播问题,通过借鉴Clanet等和Bychkov等提出的火焰传播模型,在假设绝热、不可压缩的条件下,得到了可燃气体分布与火焰锋面传播的数学模型。以汽油蒸气为实验工质,在全透明实验管道上进行了爆燃实验。通过高速摄影及纹影图像,对所提出的模型进行了验证。结果表明,该模型能够较准确地预测长径比4:1至10:1的端部开口短管气体爆燃外场可燃气体界面与火焰锋面位置。上述成果在可燃气防爆安全领域具有一定应用价值。
关键词: 汽油蒸气, 爆燃, 火焰锋面, 开口管道
油气在顶部含弱约束结构受限空间内的爆炸特性
杜扬, 王世茂, 齐圣, 王波, 李阳超, 李国庆
2017, 37(1): 53-60. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0053-08
建立了顶部含有弱约束结构的受限空间油气爆炸实验系统,并对含有弱约束的受限空间中油气爆炸特性进行实验研究,获得超压变化规律及火焰发展特征。结果表明:(1)容器内部超压受泄流、外部爆炸、火焰扩张等因素的影响,出现多个峰值,并伴以强烈的振荡;容器外部超压随着距离的增大而减小,且竖直方向超压大于水平方向超压。(2)与无约束爆炸相比,弱约束结构对爆炸的影响主要体现在对爆炸超压的增强效应和对爆炸发展速率的滞后效应。(3)爆炸超压随着油气体积分数的增加先增大后减小,最大超压所对应的初始油气体积分数为1.79%。(4)容器外火焰发展过程分为初级燃烧阶段、过渡燃烧阶段、次级燃烧阶段,由于受Rayleigh-Talor不稳定、Helmholtz不稳定、斜压效应的影响,火焰出现褶皱和卷曲,最大火焰高度和直径分别为0.8和0.55 m。
关键词: 爆炸力学, 油气爆炸, 受限空间, 弱约束, 超压, 火焰
受限空间油气爆燃火焰形态
齐圣, 杜扬, 梁建军, 张培理
2016, 36(6): 832-838. doi: 10.11883/1001-1455(2016)06-0832-07
通过受限空间油气爆燃可视化实验发现,在不同初始油气体积分数下,爆燃火焰呈现出不同的表观特征,据此提出了受限空间油气爆燃的3种火焰形态,即光滑球形火焰、褶皱球形火焰和卷曲絮状火焰。分析了3种火焰形态的形成机理,并通过实验观测与理论分析,给出了区分3种火焰形态的临界条件。结合实验中采集到的关键参数,总结了不同的火焰形态下受限空间油气爆燃的反应产物、最大压力、升压速率、反应时间、火焰强度等关键参数的特征与变化规律。
关键词: 爆炸力学, 火焰形态, 爆燃, 油气, 受限空间
汽油蒸气/空气预混火焰的无拉伸层流燃烧速率
李阳超, 杜扬, 齐圣, 李国庆, 王世茂
2017, 37(5): 863-870. doi: 10.11883/1001-1455(2017)05-0863-08
为了研究汽油蒸气/空气的爆炸特性,介绍了汽油蒸气/空气预混火焰的无拉伸层流燃烧速率。通过实验研究了无拉伸层流燃烧速率,与汽油的主要组分异辛烷和正庚烷与空气的预混火焰层流燃烧速率做了对比,发现汽油蒸气/空气的无拉伸层流燃烧速率小于异辛烷和正庚烷与空气的预混火焰无拉伸层流燃烧速率,但无拉伸层流燃烧速率随当量比的变化规律相同,随着当量比增大,无拉伸层流燃烧速率呈先增大、再减小的变化趋势,最大值在当量比为1处取得。
关键词: 汽油蒸气, 爆燃, 预混火焰, 超压, 无拉伸层流, 燃烧速率
连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟
李国庆, 杜扬, 齐圣, 王世茂, 李蒙, 李润
2018, 38(6): 1286-1394. doi: 10.11883/bzycj-2017-0215
采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性。结果表明:(1)大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;(2)障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;(3)爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性。
关键词: 油气泄压爆炸, 大涡模拟, 障碍物, 火焰特性