管道内甲烷爆炸特性及CO_2抑爆的实验与数值模拟研究

【摘要】：气体在不受控条件下的燃烧与爆炸给人们带来了巨大的生命、财产损失。基于可燃气体爆炸的巨大破坏性，研究其引发破坏模式、燃烧爆炸传播机制以及相应的抑制方法，提出防灾减灾措施显得愈发迫切。 本文结合可燃性气体爆炸、传播相关机理，运用XKWB-S型气体爆炸火焰传播特性测试系统和专业气体爆炸模拟软件FLACS，对小尺寸爆炸管道内不同浓度甲烷爆炸特性及CO2抑爆过程进行了实验和数值模拟研究。 结果表明，内径88mm、长1600mm(L/D=18)的石英玻璃管道内甲烷爆炸极限为4.95%~12.65%；爆炸感应期随着甲烷浓度的增加而缩短，甲烷被引燃后的火焰生成过程显现出球形火焰的生长和内焰的拉伸与前移两个过程，火焰长度随着爆炸传播距离的增大而增加，且甲烷越接近当量浓度，其爆炸传播过程中的火焰长度和火焰传播速度越大。甲烷爆炸传播过程中，爆炸超压经历压力积聚-传播-泄压-负压回流-震荡并恢复常压等阶段；温度在爆炸发生后迅速上升，随着爆炸火焰的传播受到壁面作用的影响而有所下降，泄爆后，敞口端气体在负压回流的作用下向管道封闭端运移导致封闭端温度有所回升。 体积分数9%的CH4在6~18%CO2作用下仍会爆炸，随着CO2添加量的增大爆炸压力减小，火焰的强度、亮度均逐步降低，传播速度逐渐递减。由于受到爆炸传播过程中产生的湍流影响，火焰传播速度出现波动。各组分混合气体爆炸压力和气体运动速度由于压力波、反射压力波和壁面作用的影响均呈现一定的波动，且受到爆炸传播过程中以及泄爆之后管道内部的压力梯度变化的影响，二者没有同时达到最大值。CO2添加量增至18%时，9%CH4爆炸压力峰值降低约77%，压力峰值到达时间延长约3.35倍。21~27%的CO2完全抑制了9%CH4的爆炸。 【关键词】：甲烷爆炸 火焰传播特性 FLACS 数值模拟 流场特征
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.7
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-14
• 1.2.1 甲烷爆炸火焰传播特性研究现状9-11
• 1.2.2 惰性气体抑爆实验与数值模拟现状11-12
• 1.2.3 可燃性气体爆炸的数值模拟现状12-14
• 1.3 研究内容及技术路线14-16
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 技术路线15-16
• 2 气体燃烧爆炸理论分析16-25
• 2.1 可燃性气体爆炸理论16-17
• 2.1.1 热爆炸理论16
• 2.1.2 链式反应理论16-17
• 2.2 甲烷爆炸机理17-20
• 2.3 管道内预混气体火焰传播及其影响因素20-22
• 2.3.1 预混气体火焰传播20
• 2.3.2 预混可燃性混合气体火焰传播的影响因素20-22
• 2.4 管道内预混气体火焰加速传播机理22-23
• 2.5 管道内预混气体火焰传播的不稳定性23
• 2.6 惰性气体抑制爆炸机理23-24
• 2.7 本章小结24-25
• 3 论文采用的实验方法与数值方法25-31
• 3.1 实验方法25-27
• 3.1.1 实验系统25-26
• 3.1.2 实验方案26-27
• 3.2 数值方法27-30
• 3.2.1 可燃性气体爆炸物理模型27-28
• 3.2.2 可燃性气体爆炸数学模型28-29
• 3.2.3 基于 FLACS 的管道数值模型确定29-30
• 3.3 本章小结30-31
• 4 小尺寸管道内甲烷爆炸特性实验与数值模拟31-49
• 4.1 小尺寸管道内甲烷爆炸特性实验31-41
• 4.1.1 甲烷爆炸极限与爆炸感应期31-33
• 4.1.2 甲烷爆炸火焰的生成和传播过程33-39
• 4.1.3 火焰长度的变化39-41
• 4.2 小尺寸管道内甲烷爆炸传播特性数值模拟41-48
• 4.2.1 不同浓度甲烷爆炸特性参数42-45
• 4.2.2 甲烷爆炸传播过程中的流场分布45-48
• 4.3 爆炸传播过程的能量守恒分析48
• 4.4 本章小结48-49
• 5 小尺寸管道内 CO_2抑制甲烷爆炸的实验与数值模拟49-60
• 5.1 小尺寸管道内 CO_2抑制甲烷爆炸效果的实验49-52
• 5.1.1 CO_2对甲烷爆炸火焰传播过程的影响49-51
• 5.1.2 CO_2对甲烷爆炸火焰传播速度的影响51-52
• 5.2 小尺寸管道内 CO_2抑制甲烷爆炸效果的数值模拟52-58
• 5.2.1 CO_2对甲烷爆炸火焰传播特性参数的影响52-55
• 5.2.2 CO_2对甲烷爆炸流场分布特征的影响55-58
• 5.3 CO_2抑爆机理58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 6 结论与展望60-62
• 6.1 主要结论60-61
• 6.2 展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-69
• 附录69

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