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管道中甲烷空气预混气体火焰加速实验研究与数值模拟

张雷

   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。……   
[关键词]:障碍物;预混火焰;火焰加速;数值模拟;可燃气;高速摄像
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:安徽理工大学2008年