不同位置多孔障碍物对预混火焰传播的影响
发布时间：2021-07-27 09:31
为进一步明确预混火焰的传播机制,试验研究半封闭管道不同位置处多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响;利用高速摄像机拍摄火焰传播过程,分析火焰穿过障碍物前后的形状及动力学变化;同时利用边缘算子检测火焰边缘,并计算火焰边缘长度,衡量火焰的褶皱程度。结果表明:火焰在顶端封闭的管道内传播时会出现回流现象。相比无障碍物工况,管内设置的多孔障碍物会诱导火焰锋面褶皱加剧,从而增大火焰边缘长度,缩短火焰在管道内的传播时间。此外,障碍物距点火位置越远,对火焰的影响越显著;与无障碍工况相比,当障碍物在100 mm处,火焰最大传播速度被提高54%,管道内传播时间被缩短76.2%,火焰边缘长度被增大52.7%。
【文章来源】：中国安全科学学报. 2020,30(11)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
试验系统及障碍物位置
图2是无障碍物以及不同位置多孔障碍物4种工况下甲烷/空气预混气体火焰传播的高速摄影，可以看出4种工况下火焰传播都经历了上升、下降和二次上升3个阶段。图2a是无障碍时火焰的传播序列图，当时间t=0～8 ms时，火焰受到管壁影响小，前锋光滑且以类球形向四周发展。t=8～21 ms时，火焰裙边接触管道内壁，受拉伸显著，火焰呈现出指尖状并迅速发展。t=21～35 ms时，火焰前锋受生成物和管顶阻碍，加之底端泄爆口使回流显著，火焰出现回流，高度降低且锋面开始变形。之后因燃料继续反应，火焰再次上升，前锋面开始褶皱，在t=80 ms时火焰前锋出现“郁金香”火焰，而后因管顶及涡流影响，郁金香形火焰逐渐转变为蜂窝状斜切面，并在174 ms时到达管道顶端。当障碍物距点火源35 mm和70 mm时，火焰在前期基本相似，但穿过障碍物孔洞时，障碍物在35 mm工况的火焰出现向下卷吸的现象。障碍物在70 mm的工况中，火焰穿过孔洞后呈柱状向上传播，主要原因是障碍物在70 mm的工况中，火焰在穿孔前起始速度较大而导致的，从而表明穿孔前火焰速度会影响穿孔后的火焰形状。同时还看出障碍物在70 mm的时，火焰出现回流时的高度更高，燃烧强度更加剧烈，从而导致火焰的燃烧时间更短，亮度更亮。当障碍物距点火位置100 mm时，初期(t<20 ms)因为受到障碍物影响小，火焰传播与无障碍物时基本相似。接近障碍物时，火焰出现回流现象，回流的细致分析在之前研究[6]中可见。而与障碍物在35、70 mm的工况相比发现，火焰面在未穿过障碍物前便出现回流，而且火焰的燃烧强度更强，导致火焰亮度在整个传播过程均明亮。
从火焰传播速度可以看出，火焰整体上均呈现出初次加速→减速→二次加速→波动减速4个过程。对于无障碍物，火焰在前期加速是层流快速膨胀导致，之后已燃区的低压吸力与未燃区的高压阻碍，迫使火焰回流，速度降低。而燃料的继续反应使火焰二次加速。随着火焰接近管顶，火焰前锋与管顶的反射压力相互作用使火焰速度脉动减小。障碍物在35和70 mm的结果中，火焰的初次加速是由层流快速膨胀和障碍物诱导共同导致的，其中速度骤增阶段主要由障碍物诱导所致，最大速度分别达到了14.4和24.2 m/s。之后火焰回流使速度降低。而障碍物在100 mm的结果中，火焰初次加速只是层流火焰快速膨胀导致，而火焰速度骤增阶段发生在火焰回流后，该过程与障碍物在35和70 mm的工况不同，结合图2分析其原因主要是火焰传播中，管道内某一高度是火焰前进推力与阻碍火焰前进阻力动态平衡的点，此时如果障碍高于该点，火焰几乎不受障碍影响，便会回流，如图2a和图2 d所示;而当障碍物低于该点时，障碍物会增加扰动，破坏平衡，火焰继续向上传播，如图2a—图2c所示。2.3 火焰褶皱图像分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔障碍物对预混火焰传播的影响[J]. 程方明,常助川,史合,高彤彤,罗振敏,葛天姣. 爆炸与冲击. 2020(08)
[2]障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播的影响研究[J]. 徐阿猛,陈学习,贾进章. 中国安全科学学报. 2019(09)
[3]苯蒸气爆炸/燃烧火焰传播特性研究[J]. 高建村,周尚勇,胡守涛,王乐,孙谞. 中国安全科学学报. 2019(03)
[4]方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟[J]. 陈鹏,李艳超,黄福军,张玉涛. 爆炸与冲击. 2017(01)
本文编号：3305524
【文章来源】：中国安全科学学报. 2020,30(11)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
试验系统及障碍物位置
图2是无障碍物以及不同位置多孔障碍物4种工况下甲烷/空气预混气体火焰传播的高速摄影，可以看出4种工况下火焰传播都经历了上升、下降和二次上升3个阶段。图2a是无障碍时火焰的传播序列图，当时间t=0～8 ms时，火焰受到管壁影响小，前锋光滑且以类球形向四周发展。t=8～21 ms时，火焰裙边接触管道内壁，受拉伸显著，火焰呈现出指尖状并迅速发展。t=21～35 ms时，火焰前锋受生成物和管顶阻碍，加之底端泄爆口使回流显著，火焰出现回流，高度降低且锋面开始变形。之后因燃料继续反应，火焰再次上升，前锋面开始褶皱，在t=80 ms时火焰前锋出现“郁金香”火焰，而后因管顶及涡流影响，郁金香形火焰逐渐转变为蜂窝状斜切面，并在174 ms时到达管道顶端。当障碍物距点火源35 mm和70 mm时，火焰在前期基本相似，但穿过障碍物孔洞时，障碍物在35 mm工况的火焰出现向下卷吸的现象。障碍物在70 mm的工况中，火焰穿过孔洞后呈柱状向上传播，主要原因是障碍物在70 mm的工况中，火焰在穿孔前起始速度较大而导致的，从而表明穿孔前火焰速度会影响穿孔后的火焰形状。同时还看出障碍物在70 mm的时，火焰出现回流时的高度更高，燃烧强度更加剧烈，从而导致火焰的燃烧时间更短，亮度更亮。当障碍物距点火位置100 mm时，初期(t<20 ms)因为受到障碍物影响小，火焰传播与无障碍物时基本相似。接近障碍物时，火焰出现回流现象，回流的细致分析在之前研究[6]中可见。而与障碍物在35、70 mm的工况相比发现，火焰面在未穿过障碍物前便出现回流，而且火焰的燃烧强度更强，导致火焰亮度在整个传播过程均明亮。
从火焰传播速度可以看出，火焰整体上均呈现出初次加速→减速→二次加速→波动减速4个过程。对于无障碍物，火焰在前期加速是层流快速膨胀导致，之后已燃区的低压吸力与未燃区的高压阻碍，迫使火焰回流，速度降低。而燃料的继续反应使火焰二次加速。随着火焰接近管顶，火焰前锋与管顶的反射压力相互作用使火焰速度脉动减小。障碍物在35和70 mm的结果中，火焰的初次加速是由层流快速膨胀和障碍物诱导共同导致的，其中速度骤增阶段主要由障碍物诱导所致，最大速度分别达到了14.4和24.2 m/s。之后火焰回流使速度降低。而障碍物在100 mm的结果中，火焰初次加速只是层流火焰快速膨胀导致，而火焰速度骤增阶段发生在火焰回流后，该过程与障碍物在35和70 mm的工况不同，结合图2分析其原因主要是火焰传播中，管道内某一高度是火焰前进推力与阻碍火焰前进阻力动态平衡的点，此时如果障碍高于该点，火焰几乎不受障碍影响，便会回流，如图2a和图2 d所示;而当障碍物低于该点时，障碍物会增加扰动，破坏平衡，火焰继续向上传播，如图2a—图2c所示。2.3 火焰褶皱图像分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔障碍物对预混火焰传播的影响[J]. 程方明,常助川,史合,高彤彤,罗振敏,葛天姣. 爆炸与冲击. 2020(08)
[2]障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播的影响研究[J]. 徐阿猛,陈学习,贾进章. 中国安全科学学报. 2019(09)
[3]苯蒸气爆炸/燃烧火焰传播特性研究[J]. 高建村,周尚勇,胡守涛,王乐,孙谞. 中国安全科学学报. 2019(03)
[4]方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟[J]. 陈鹏,李艳超,黄福军,张玉涛. 爆炸与冲击. 2017(01)
本文编号：3305524
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