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可燃系统中爆炸抑制过程的实验与理论研究

谢波

  本文从实验、理论和数值模拟三个方面对可燃系统中的抑爆过程进行了系统深入的研究。以惰性粉尘颗粒抑爆机理为研究重点,搞清了抑爆流场的结构特征及相关特征参数的变化规律,基本揭示了惰性粉尘颗粒抑爆机理,为控制和减弱工业爆炸灾害的作用程度和范围提供重要的技术思路和途径。同时在具有实际规模的大型抑爆管系统中对几种常用的抑爆方法进行了实验研究。主要工作和研究成果如下:利用自行设计加工的两套实验室粉尘抑爆管系统与具有实际规模的大型抑爆管系统以及几种常见的抑爆装置,成功地实验再现了惰性粉尘抑爆、水雾抑爆等现象,并获得了抑爆流场的结构与相关特征参数的变化规律。实验研究表明:粉尘抑爆剂种类、浓度和粒径对抑爆效果具有明显的影响,几种常用抑爆剂中,由于ABC粉本身具有“物理”和“化学”两方面的抑制作用,因而比其他惰性粉尘具有较强的抑爆能力;对惰性颗粒抑爆剂,存在一临界抑爆剂浓度,当抑爆剂浓度低于此值,尽管具有一定的抑爆作用但爆炸穿过抑爆区后又重新增强,加大抑爆区长度,则反应激波以较低的速度稳定传播而不能被彻底抑制。同时,实验给出了水雾抑爆临界曲线,从而初步确定了其适用条件和范围。以双流体模型为基本模型,考虑基元化学反应、激波问题以及气相和颗粒相间的动量和能量输运效应,建立了惰性颗粒爆炸抑制过程的理论模型。以二维问题为例,重新推导了Riemann不变量的表达形式,采用时间分裂格式处理刚性问题,并采用二阶精度的全耦合TVD格式和或MacCormack格式分别求解气相和颗粒相方程,采用基于Gear算法的隐式求解方法求解化学反应及其对流场的贡献,从而建立起了惰性颗粒爆炸抑制过程模拟的数值方法。对由高温火团点火诱导的H_2-O_2-N_2、CH_4-O_2-N_2燃烧加速及其爆炸抑制过程进行的一维或二维数值模拟结果表明:由于两相间发生动量交换和能量传递,导致火焰减速并与激波的距离逐渐增大,使激波失去火焰的能量支持,同时粉尘颗粒对激波能量的部分吸收使激波迅速衰减,两者相互反馈发生抑爆;对同种抑爆剂而言,在浓度相同条件下,抑爆剂颗粒直径越小抑爆效果越明显;在抑爆剂颗粒直径相同条件下,抑爆剂浓度越大,抑爆效果越明显,这与实验结果定性或定量相符。OH,H,O等自由基浓度对抑爆效果具有至关重要的影响。……   
[关键词]:实验研究;数值模拟;爆炸抑制;两相反应流;基元化学反应
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:南京理工大学2003年
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