密闭管道内预混火焰传播动力学及抑制方法实验研究

发布时间：2020-05-16 02:31

【摘要】：随着经济发展和社会进步,化石能源日益枯竭,环境污染问题日益严重,全球对清洁可替代能源的需求与日俱增。可燃气体由于其清洁高效、来源广泛等优势而受到广泛的关注和青睐。然而,可燃气体通常具有易燃、易爆、易泄漏、点火能低等危险特性,一旦控制或使用不当,容易引发火灾爆炸等灾难事故。可燃气体在实际工业应用中主要通过管道进行输送。由于可燃气体控制难度较大,重大火灾和爆炸事故在全球范围内每年都有发生。因此,为了可燃气体的安全和工程应用需要,开展密闭管道内预混火焰传播动力学及抑制方法研究具有十分重要的战略意义。本文旨在研究密闭管道内预混火焰传播动力学特性,进而探索有效的预混火焰抑制方法。首先,通过预混火焰传播实验系统,对密闭管道内典型可燃气体-空气预混火焰传播动力学特性进行了对比研究。选用具有不同化学反应活性的四种可燃气体,包括甲烷、天然气、乙炔和氢气。采用高速纹影摄像系统捕捉火焰形状变化并确定火焰前锋速度,采用压力传感器记录压力随时间的变化过程。研究结果表明,可燃气体特性直接影响火焰行为。经典tulip火焰形成的当量比范围为:甲烷0.79≤Φ≤1.30,天然气0.72≤Φ≤.44,乙炔0.40≤Φ≤1.70,氢气0.60≤Φ≤5.56。变形tulip火焰形成的当量比范围为:乙炔Φ=1.00,氢气1.00≤Φ≤2.38,甲烷和天然气均没有形成变形tulip火焰。与纯甲烷相比,天然气中存在的少量乙烷和丙烷加速了火焰传播并增大了压力。同时,与天然气和甲烷相比,乙炔具有更快的火焰前锋速度和更高的压力。氢气由于具有最高的化学反应活性而产生了最快的火焰前锋速度和最大压力。当量比接近Φ=1.00时,Bychkov等人提出的火焰裙边运动理论预测结果与实验值吻合较好,该理论更适用于预测乙炔和氢气等高化学反应活性气体的火焰裙边运动特性。随后,分别选择甲烷和氢气作为低化学反应活性和高化学反应活性气体的代表,通过预混火焰抑制实验系统揭示了单层金属丝网和多层金属丝网对预混火焰传播特性的影响。研究结果表明,与无金属丝网的情况相比,金属丝网使得tulip火焰的形成时间提前,并且火焰前锋反转程度减弱。这主要归因于金属丝网能够提前火焰前锋与压力波的相互作用时间并削弱二者的相互作用强度。此外,金属丝网还增强了未燃区气体的气流扰动,并在火焰通过抑制段后产生更剧烈的燃烧。对于单层金属丝网,随着目数增加,火焰淬熄性能不会持续增强,因为其抗破坏性能在实际应用中也非常重要。由于未燃区气体流速的降低被可燃气体混合物燃烧速度的增大抵消,单层金属丝网对上游管道的火焰前锋速度没有明显抑制效果。多层金属丝网可以有效地衰减最大火焰前锋速度、最大压力和最大声音分贝值,并且抑制效果随着层数和目数的增加而增强。然后,系统地分析了多层金属丝网作用下火焰淬熄的影响因素,包括:可燃气体特性、温度和压力、可燃气体中的掺杂物、当量比、金属丝网体积、布置方式和点火位置等。研究发现,可燃气体特性、温度和压力、可燃气体中的掺杂物、当量比等通过影响层流燃烧速度进而影响火焰淬熄结果。明确了临界淬熄参数与金属丝网体积之间的关系。研究表明,随着金属丝网体积的增加,临界淬熄速度几乎呈线性增加。然而,最大临界淬熄压力保持在约0.115MPa的恒定值。与贫燃情况相比,金属丝网对富燃情况具有更好的抑制效果。此外,研究发现,通过改变金属丝网之间的间距可以改变其火焰淬熄性能。火焰是否发生淬熄其实只是火焰加速效应和壁面淬熄效应之间竞争的结果。点火位置显著影响火焰淬熄情况。对比了三个不同的点火位置,以确保火焰以三个不同的阶段传播到抑制段内。点火位置1时tulip火焰完全形成;点火位置2时火焰前锋曲率增大,tulip火焰尚未形成;点火位置3时为指尖形火焰。研究发现,点火位置越靠近金属丝网,火焰越容易发生淬熄。当火焰从管道封闭端开始时,tulip火焰本质上是由压力波和火焰前锋之间相互作用产生的涡旋导致的。然而,当火焰从管道中心开始时,具有较长尖端的tulip火焰主要是向上下游管道传播的火焰燃烧强度的巨大差异加剧已燃区气流逆向流动的结果。同时,研究表明,火焰从管道中心开始的情况下,向上游管道和下游管道传播的火焰前锋速度共同决定了管内压力动力学过程。最后,讨论了惰性气体和金属丝网对预混火焰传播的耦合抑制作用。研究发现,C02对氢-空气预混火焰的抑制效果比N2更好。富燃时,C02-5%对火焰前锋速度和压力几乎没有抑制作用,因为它对火焰表面积几乎没有影响。然而,在贫燃时,在CO2-5%的作用下,火焰前锋速度和压力都明显降低。随着浓度增加,抑制效果在25%之前持续增强,但随着浓度从25%增大到30%变得几乎恒定。C02浓度的增大能够抑制水力学不稳定性并减少火焰扰动。至于热扩散不稳定性,贫燃情况下CO2浓度的增大使得刘易斯数接近于1并减少火焰扰动。然而,富燃时热扩散不稳定性本身对水力学不稳定性具有一定抑制作用,CO2只是增强了这一效果并进一步减弱火焰扰动。CO2稀释和金属丝网对氢-空气预混火焰的耦合抑制作用比单独使用两种抑制剂中的任一种更有效。CO2稀释促进了金属丝网对贫燃氢-空气预混火焰的抑制作用,而金属丝网增强了CO2对富燃工况的抑制效果。此外,通过添加金属丝网,可以持续提高较高浓度CO2稀释对氢-空气预混火焰的抑制作用。
【图文】：

照片,爆炸事故,国家石油公司,墨西哥

逡逑高达２２５０万美元。图１．１给出了当时爆炸事故现场的照片。逡逑图１．１邋１９８４年墨西哥国家石油公司ＬＰＧ储运站爆炸事故（图片源于网络）逡逑１９８９年，距离前苏联城市－乌法５０公里处的古比雪夫铁路发生了一起严重逡逑的爆炸事故。导致这起事故的原因是两列列车交汇时产生的静电火花引燃了逡逑ＬＮＧ管道泄漏出来形成的可燃气体云团。据估计当时的爆炸威力相当于１０００吨逡逑ＴＮＴ炸药，事故直接导致５７５人死亡，８００多人受伤［４］。１９９７年，位于挪威Ｂｏｓｇｒｅｎ逡逑城市的Ｈｙｄｒｏ邋Ａｇｒｉ氨厂的一个直径为８米的Ｃ０２管内发生了氢气爆炸事故［５］，逡逑事故导致８５０ｍ长的管道严重受损，大量周边建筑不同程度破坏，造成严重的财逡逑产损失。２０００年２月１９日，山东三力有限公司沈阳分公司一根废弃的天然气地逡逑下管道发生爆炸。调查结果显示，废弃管道内本身有少量的天然气残留，在处理逡逑废弃管线的过程中，空气进入管道并在点火源的作用下发生了爆炸。事故造成１５逡逑人死亡

火焰前锋,频闪,火焰,图像

１．２．１管道内预混火焰传播研究逡逑１．２．１．１邋Ｔｕｌｉｐ邋火焰逡逑预混火焰传播一直都是燃烧和爆炸领域研究的重要课题。关于管道内预混火逡逑焰传播的研究己经有１００多年的历史｜｜２，１３】。早在１８８３年，Ｍａｌｌａｒｄ邋ａｎｄ邋Ｌｅ逡逑Ｃｈａｔｅｌｉｅｉ＾就首次在一个半开口长管道内观察到了预混火焰传播过程。研究发现：逡逑当火焰从封闭端开始传播时，火焰前锋会呈现出向火焰传播相反方向凹陷反转的逡逑特殊形状。ＥｌｌｉｓｔＷ在１９２８年首次报道了这一特别的火焰反转图片，如图１．２所逡逑示。他发现在管道长径比大于２的密闭管道内，火焰前锋会从一个向前传播的指逡逑尖形变为向己燃区反转的形态，同时，随着火焰继续传播，火焰会稳定保持这样逡逑的形态。随后，Ｓａｌａｍａｎｄｒａ１１６在１９５９年将这一特别的火焰现象命名为“ｔｕｌｉｐ”火焰。逡逑随着高速纹影摄像技术的快速发展，ｔｕｌｉｐ火焰被清晰完整的拍摄下来，并得到了逡逑广泛的研宄。关于ｔｕｌｉｐ火焰的形成过程和机理，己有大量文献进行了报道，但逡逑到目前为止尚未形成统一定论。逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ038

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