可燃气体火焰传播与爆轰直接起爆特性研究
随着工业化的快速发展,可燃气体燃烧成为主要的热量供给和动力输出来源。燃烧为人类生产生活提供能量的同时,也引发火灾和爆炸事故,造成重大人员伤亡和财产损失。
可燃气体层流燃烧和爆轰过程是燃料低速燃烧和高速燃烧的两种稳定状态,其燃烧特征参数反映了燃料的本质特征。本文以实验为主要手段,利用自行开发的点火系统和爆炸测试系统对可燃气体的层流火焰传播和爆轰直接起爆特性开展研究,为火焰传播和爆轰直接起爆理论及应用提供基础数据,并通过理论分析、规律总结对火焰失稳和爆轰形成机理进行探讨,为气体燃料安全高效开发利用和火灾、爆炸事故预防提供理论支持。
根据点火实际需求设计了千焦级静电点火装置,利用放电特性测试平台对点火装置电火花放电特性和能量释放规律进行了研究。提出了以火花电阻和回路电流为主要参数的火花能量积分计算方法,得到了不同档位火花能量及其在放电装置释放能量中的构成比例,为气体火焰传播和爆轰直接起爆研究提供技术支持。
研究了火花放电对气体混合物点火过程的影响,分析了小能量热点火过程中点火能量对火焰传播的影响范围和压力变化过程,确定了层流燃烧速度研究中有效实验数据取值范围。利用爆炸测试平台和近场压力实验系统,研究了电火花诱导爆炸波的形成与传播过程,给出了爆炸波能量的计算方法,实现了点火装置大能量点火档位有效爆炸波能的准确计算,解决了大能量电火花爆轰直接起爆过程中有效起爆能的确定问题。
基于可燃气体点火和火焰传播特性,建立了可燃气体燃烧爆炸测试系统,得到了预混气体层流燃烧速度和马克斯坦长度。实验研究了丙烷、氢气、氨气单一
燃料/空气混合物小能量点火条件下的火焰传播特性,并首次开展氢气/氨气复合燃料燃烧特性研究,获得了多组分预混气体的层流燃烧速度。
利用纹影系统观测到的预混火焰表面特性和实测获得的马克斯坦长度,分析了球形扩展火焰稳定性,探讨了层流预混火焰的失稳机理。利用大能量点火系统和可燃气体燃烧爆炸实验系统,在国内首次实现了几种典型预混气体电驱动球形爆轰直接起爆,得到了不同当量比和初始压力条件下的氢气、丙烷和乙炔燃料/氧气混合物爆轰直接起爆临界能量。
分析了可燃气体临界起爆能量与初始状态的关系,并通过理论模型对燃料临界起爆能进行了预测和分析。利用直接起爆的纹影图片,对直接起爆中的爆轰速度和火焰结构演化过程开展研究,提出了解释爆轰直接起爆过程的临界起爆模型,确定了直接起爆临界爆速条件。
研究了直接起爆过程中的爆轰胞格形成过程与起爆机制,给出了实现球形爆轰直接起爆基本准则。本文对可燃气体层流火焰传播和爆轰直接起爆过程进行了深入的研究,取得的研究成果对气体燃烧与爆轰理论的发展,具有重要的学术价值,同时对气体火灾爆炸事故的预防具有重要的实际意义。
可燃气体火焰传播与爆轰直接起爆特性研究
