本文選題：湍流爆燃 + 火焰特性�。� 參考：《大連理工大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：近年來,我國煤礦瓦斯爆炸事故仍然頻繁發(fā)生,造成大量的人身傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。本文通過實驗測量、數(shù)值模擬及理論分析對瓦斯湍流爆燃火焰特性及多孔介質(zhì)淬熄抑爆過程展開深入研究,主要目的是揭示瓦斯爆燃火焰、湍流及壓力波之間的多場耦合效應(yīng)及多孔介質(zhì)淬熄抑爆的內(nèi)在機(jī)理,更全面地理解復(fù)雜條件下瓦斯湍流爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律,推動新型抑爆技術(shù)的發(fā)展。 首先,自行搭建了瓦斯湍流爆燃實驗臺,實驗研究了瓦斯湍流爆燃過程中的火焰結(jié)構(gòu)、火焰鋒面位置和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊葎討B(tài)特性,證實了障礙物的湍流激勵作用是火焰加速的根本原因。進(jìn)一步,定量分析了各種湍流激勵下的瓦斯爆燃特性,結(jié)果表明連續(xù)障礙物、中間障礙物及交錯障礙物均容易誘發(fā)較高的湍流強(qiáng)度,從而造成更高火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅汲瑝�。分析了不同湍流激勵作用下的火焰形狀瞬態(tài)演變與超壓的耦合關(guān)系,并從理論上初步闡明了火焰與湍流之間的耦合機(jī)理以及火焰結(jié)構(gòu)和壓力之間的相互作用。 其次,運(yùn)用大渦模擬數(shù)值研究了復(fù)雜湍流條件下的瓦斯爆燃過程,結(jié)果表明Charlette燃燒模型可滿意地預(yù)測爆燃的火焰結(jié)構(gòu)、火焰鋒面位置、火焰?zhèn)鞑ニ俣燃俺瑝旱葎討B(tài)特性。針對瓦斯爆燃火焰面積與超壓的相關(guān)性進(jìn)行了理論推導(dǎo),結(jié)果表明火焰面積變化將造成湍流火焰速度變化,從而影響超壓變化。當(dāng)火焰連續(xù)經(jīng)過障礙物時,馬赫數(shù)不斷增大,在障礙物下游形成強(qiáng)度逐漸增大的大尺度旋渦,火焰不斷發(fā)生褶皺和變形,導(dǎo)致火焰面上的渦量增大,而更大的湍流強(qiáng)度反過來又使湍流火焰速度升高。利用Karlovitz數(shù)定量描述了多個障礙物條件下瓦斯爆燃與湍流之間的相互作用,并對不同時刻的火焰模態(tài)進(jìn)行了判別分析,結(jié)果表明中間連續(xù)障礙物條件下瓦斯湍流爆燃火焰先后經(jīng)歷了波紋小火焰和薄反應(yīng)區(qū)兩種模態(tài),當(dāng)火焰-湍流-超壓多場耦合時火焰主要處于薄反應(yīng)區(qū)。 再次,實驗研究了瓦斯爆燃火焰遇到多孔介質(zhì)時的傳播、淬熄及超壓特性。結(jié)果表明多孔介質(zhì)對下游超壓具有抑制效果,障礙物越多,多場耦合效應(yīng)越明顯,火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)越不容易被淬熄,淬熄失效機(jī)理與火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝荷哂嘘P(guān)。上游障礙物數(shù)量、多孔介質(zhì)孔密度、厚度對淬熄抑爆性能也有較大影響,即多孔介質(zhì)孔密度或厚度越大,淬熄性能越好,但會造成通過多孔介質(zhì)的壓降越大。進(jìn)一步,利用微細(xì)熱電偶和離子探針實驗測試了不同條件下多孔介質(zhì)上游、內(nèi)部及下游的氣相溫度和離子電流,與無障礙物工況相比,兩側(cè)連續(xù)障礙物工況的氣體溫度和離子電流降低幅度較小,致使已燃?xì)怏w離開多孔介質(zhì)時溫度仍高于著火溫度,此時下游的未燃?xì)怏w可能被二次點燃。 最后,基于RANS/LES分區(qū)組合模型對多孔介質(zhì)淬熄抑爆過程進(jìn)行數(shù)值模擬,推導(dǎo)出了基于熱平衡理論的瓦斯爆燃淬熄準(zhǔn)則,并修正了非多孔介質(zhì)區(qū)和多孔介質(zhì)區(qū)的燃燒模型及湍流模型。計算結(jié)果表明,瓦斯爆燃火焰經(jīng)過多孔介質(zhì)時的氣相溫度有顯著下降,且反應(yīng)進(jìn)程變量高梯度區(qū)與氣相溫度高梯度區(qū)出現(xiàn)分離,使得反應(yīng)進(jìn)程變量高梯度區(qū)附近未燃?xì)怏w不能與高溫已燃?xì)怏w相接觸,最終導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率大幅降低。當(dāng)上游存在多場耦合時,爆燃火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)傳播速度更快,即火焰停留時間更短,由此造成氣相溫度和反應(yīng)速率的下降幅度更小,火焰越不容易在多孔介質(zhì)內(nèi)發(fā)生淬熄。較大的孔密度會使多孔介質(zhì)內(nèi)的氣相溫度和反應(yīng)速率下降較快,這時火焰越容易被淬熄；而更大的多孔介質(zhì)厚度會使火焰在多孔介質(zhì)內(nèi)傳播時間更長,氣固兩相之間對流換熱量更多,導(dǎo)致多孔介質(zhì)出口截面的氣相溫度和化學(xué)反應(yīng)速率更低,火焰也越容易被淬熄。當(dāng)孔密度或厚度越大時,多孔介質(zhì)內(nèi)的壓降越大,這時下游超壓的抑制效果就越顯著。
[Abstract]:In recent years , China ' s coal mine gas explosion accidents still occur frequently , resulting in a large number of personal casualties and huge property losses . In this paper , the characteristics of gas turbulence and the process of quenching and explosion suppression of porous media are studied by means of experimental measurement , numerical simulation and theoretical analysis . The main purpose of this paper is to reveal the multi - field coupling effect between gas burst flame , turbulent flow and pressure wave and the internal mechanism of quenching and explosion suppression of porous media .

In this paper , the dynamic characteristics of flame structure , flame front position and flame propagation velocity in gas turbulent combustion are experimentally studied . It is proved that the turbulent excitation of obstacles is the root cause of flame acceleration .

The combustion process of gas under complex turbulent conditions is studied by using large eddy simulation . The results show that the Charlette combustion model can predict the dynamic characteristics of flame structure , flame front position , flame propagation velocity and overpressure .

The results show that the higher the density or thickness of the porous medium , the better the quenching performance , the better the gas phase temperature and the ionic current in the upstream , the inner and the downstream of the porous medium .

In the end , based on RANS / LES partition combination model to simulate the quenching and explosion suppression process of porous medium , a gas burst quenching criterion based on heat balance theory is derived , and the combustion model and turbulence model of non - porous medium and porous media are proposed .
When the density or thickness of the porous medium is larger , the greater the pressure drop in the porous medium , the more significant the suppression effect of the downstream overpressure .
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TD712

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1944065