细水雾与二维对冲扩散火焰作用规律研究

发布时间：2017-11-01 08:02

  本文关键词：细水雾与二维对冲扩散火焰作用规律研究

  更多相关文章： 细水雾 对冲扩散火焰 添加剂 微重力 数值模拟

【摘要】：航天飞行器的防火安全是其安全设计过程中的重要方面,而清洁、高效的灭火技术是航天飞行器防火安全的重要组成部分。在现有的备选灭火剂中,细水雾具有高效、环保、水渍损失小的特点,是航天飞行器优先选用的灭火剂之一。航天飞行器中电气线路复杂,为了提高细水雾灭火效率,可在细水雾中加入添加剂以降低细水雾对于电气设备的水渍损失。而细水雾灭火机理及其与火焰作用的规律受重力和添加剂的影响,因此有必要从这两个方面进行研究。二维对冲扩散火焰(指燃烧腔对称平面上火焰的准二维性)是对冲火焰的一种形式,其结构简单、易于表征且与强制对流下的导线或电缆火等燃烧现象涉及的火焰构型较为相似。本文首先基于二维对冲扩散火焰构型,设计了细水雾与二维对冲扩散火焰作用平台。在设计过程中,采用了k-￡湍流模型模拟了收缩段对于空气的整流效应,验证了收缩段出口风速的均一性。该实验平台主要包括氧化剂定量供给和输运系统,可燃气体定量供给和输运系统,表征系统,数据采集和计算机远程控制系统四部分。利用该实验装置可以对细水雾粒径、浓度、添加剂种类和火焰应变率进行控制,同时能够测量火焰的温度、细水雾的粒径分布和速度场信息。其次,采用数值模拟的方法研究常重与微重条件下不同粒径的均一超细水雾与甲烷二维对冲扩散火焰作用的基本规律,重点考虑超细水雾对于滞止点处火焰的影响。模拟结果表明,在不同重力下浮力是影响火焰温度和位置的主要因素。对于包裹火焰,滞止点附近的火焰是火焰由包裹火转变为尾流火的关键。施加超细水雾后,滞止点附近火焰面温度大幅降低,但是大部分水滴随载气偏离滞止线,水雾灭火效能降低。随着粒径的增大,重力和浮力对于粒子运动的影响增大,常重与微重下水滴存留时间以及滞止线上最高温度的差别逐渐增大。但是这种差别对于20微米以下的液滴可以控制在10%以内。为了保证常重力下实验平台的实验结果对于微重下的适用性,可以在低风速下使用较高浓度的小粒径水雾进行实验。最后,本文选取了9种环境友好、低毒且经济可行的化学物质作为细水雾添加剂,以火焰临界应变率作为评判标准,对9种添加剂的灭火效率进行了评定。同时,通过采集火焰温度、含添加剂细水雾与火焰作用后残余颗粒的形貌信息,定性分析了影响含添加剂细水雾灭火效率的因素。实验结果表明,对于含钾细水雾,灭火效率C2O4K2C2H3O2KClKHCO3K3PO4。对于含磷细水雾,在较低的浓度下灭火效率为K3PO4NH4H2PO4H3PO4,而在较高浓度下H3P04的灭火效率超过了NH4H2PO4。对于含铁添加剂,FeCl2可以抑制火焰而FeSO4可以促进火焰。化学添加剂对于抑制高应变率扩散火焰的效率依赖于如下几个因素：1)添加剂本身的化学属性；2)由流动条件控制的停留时间；3)颗粒物的形成。本文提供了细水雾与二维对冲扩散火焰作用平台的设计方案,并为航天飞行器内细水雾的应用和常重力下高效添加剂的筛选及机理研究奠定基础。
【关键词】：细水雾 对冲扩散火焰 添加剂 微重力 数值模拟
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V445.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外的研究现状12-15
• 1.3 研究内容及技术路线15-16
• 1.4 本文章节安排16-17
• 第2章 细水雾与二维对冲扩散火焰作用实验装置17-27
• 2.1 引言17-18
• 2.2 实验装置的组成18-26
• 2.2.1 小型风洞的设计19-22
• 2.2.2 燃烧器、燃烧腔及温度测控系统22-24
• 2.2.3 液滴引入及表征24-25
• 2.2.4 实验方法25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第3章 不同重力下二维对冲扩散火焰与水雾作用规律27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 计算模型27-33
• 3.2.1 甲烷简化模型的选定及Chemkin计算传播速度28-30
• 3.2.2 燃烧模型及颗粒相模型的选择30-32
• 3.2.3 物理模型的建立及网格划分32-33
• 3.2.4 计算方法33
• 3.3 二维对冲扩散火焰结构及其与水雾作用规律33-40
• 3.3.1 数值模型的验证34-35
• 3.3.2 二维对冲扩散火焰结构与重力、水雾浓度及风速关系35-38
• 3.3.3 不同重力下液滴对风速的动力学响应及其对火焰的影响38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 含添加剂细水雾灭火效能及其灭火机理41-55
• 4.1 引言41-42
• 4.2 二维对冲扩散火焰应变率及无量纲量的推导42-44
• 4.3 残余颗粒收集及表征44-45
• 4.4 实验试剂的选择45-46
• 4.5 含添加剂细水雾与火焰作用46-52
• 4.5.1 水雾与火焰作用图像46-47
• 4.5.2 不同添加剂的灭火效率的比较47-49
• 4.5.3 不同添加剂灭火机理初探49-52
• 4.6 本章小结52-55
• 第5章 结论与展望55-59
• 5.1 结论55-56
• 5.2 本文的创新点56
• 5.3 下一步工作展望56-59
• 参考文献59-63
• 附录1 装置设计图63-75
• 致谢75-77
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果77

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本文编号：1125917