建立了超細(xì)水霧作用下甲烷-空氣爆炸過程的三維數(shù)值模型,采用大渦模擬模型計(jì)算爆炸流場瞬態(tài)流動(dòng)過程;考慮了水霧的蒸發(fā)、汽化過程以及氣液兩相間的質(zhì)量、動(dòng)量和熱量交換,通過歐拉-拉格朗日模型分別對連續(xù)相與離散相進(jìn)行計(jì)算,交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程實(shí)現(xiàn)氣液兩相間的耦合求解;分析了水霧粒徑對爆炸火焰反應(yīng)區(qū)作用程度以及熱量交換速率的影響;獲得了最佳抑爆粒徑并解釋了粒徑導(dǎo)致抑爆效果差異的原因;水霧粒徑通過與火焰反應(yīng)區(qū)的作用程度和蒸發(fā)速率影響氣液兩相間的熱量交換速率,進(jìn)而影響火焰?zhèn)鞑ニ俾屎捅◤?qiáng)度;為實(shí)現(xiàn)爆炸強(qiáng)度的有效抑制,水霧粒徑選取的條件應(yīng)保證水霧在反應(yīng)區(qū)完全汽化。 

【文章來源】：煤炭學(xué)報(bào). 2017,42(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

物理模型Fig.1Physicalmodel

中已介紹［11］;采用超聲波霧化方式生成超細(xì)水霧，借助相位多普勒粒子分析儀測定水霧粒徑(d32=10.03μm)［12］，通過精密電子天平測定超聲波霧化系統(tǒng)的霧化速率為1.146g/s，粒徑和水霧量的測定為數(shù)值模型的建立提供依據(jù)。密閉容器內(nèi)部微米級(jí)超細(xì)水霧受自身重力和曳力的作用懸浮于容器內(nèi)部，在火焰發(fā)展過程中與水霧接觸并發(fā)生熱量交換。前期通過爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣群完嚸娼Y(jié)構(gòu)已驗(yàn)證了數(shù)值模型和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性［13］，為本文超細(xì)水霧作用下氣液兩相間傳熱傳質(zhì)的研究提供依據(jù)。2.2爆炸壓力圖2為水霧濃度為224g/m3密閉容器內(nèi)部水霧粒徑對最大爆炸超壓(ΔPmax)、最大壓力上升速率((dP/dt)max)和壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻的影響曲線;由圖2可知，隨水霧粒徑的提高，ΔPmax和(dP/dt)max呈現(xiàn)先減小后增大，達(dá)到一定水霧粒徑后趨于平緩的變化趨勢;其峰值出現(xiàn)的時(shí)刻呈現(xiàn)先增大后減小的變化過程。當(dāng)d=15μm時(shí)ΔPmax呈現(xiàn)最小值，表明此粒徑下水霧抑爆效果最佳，這與Lentati和Chelliah［14］得出粒徑為15μm的水霧對火焰抑制效果最佳的結(jié)論相同。同時(shí)，壓力上升速率也是反應(yīng)爆炸強(qiáng)度的重要參數(shù);當(dāng)d=10μm時(shí)(dP/dt)max為最低值，這表明水霧對爆炸抑制的最優(yōu)粒徑存在一個(gè)區(qū)間(10～15μm)。水霧粒徑對火焰陣面擾動(dòng)程度和水霧蒸發(fā)速率將產(chǎn)生明顯影響［2］，進(jìn)而影響火焰陣面燃燒速率和壓力上升速率;隨水霧粒徑的增大，火焰陣面湍流化程度不斷提高，甲烷燃燒速率明顯加快，因此容器內(nèi)部(dP/dt)max增大且壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻提前，此結(jié)論與前期實(shí)驗(yàn)中水霧粒徑增大導(dǎo)致爆炸增強(qiáng)的結(jié)果一致［15］。水霧與火焰陣面的作用程度與水霧粒徑有直接關(guān)系，因此對水霧粒徑影響氣液兩相間作用過?

水霧蒸發(fā)速率將產(chǎn)生明顯影響［2］，進(jìn)而影響火焰陣面燃燒速率和壓力上升速率;隨水霧粒徑的增大，火焰陣面湍流化程度不斷提高，甲烷燃燒速率明顯加快，因此容器內(nèi)部(dP/dt)max增大且壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻提前，此結(jié)論與前期實(shí)驗(yàn)中水霧粒徑增大導(dǎo)致爆炸增強(qiáng)的結(jié)果一致［15］。水霧與火焰陣面的作用程度與水霧粒徑有直接關(guān)系，因此對水霧粒徑影響氣液兩相間作用過程進(jìn)行研究能夠保證水霧更好的實(shí)現(xiàn)熱量吸收。圖2水霧粒徑對爆炸強(qiáng)度的影響Fig.2Effectofdropletdiameteronexplosionintensity2.3火焰?zhèn)鞑ニ俣葓D3為水霧粒徑對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀蓤D3可知，隨水霧粒徑的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，峰值出現(xiàn)的時(shí)刻也明顯提前;當(dāng)達(dá)到100μm后火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙潭葴p校水霧粒徑對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懪c水霧對火焰陣面的吸熱冷卻程度和水霧導(dǎo)致火焰陣面湍流化的程度有關(guān)［13］。水霧通過吸熱冷卻作用削弱爆炸反應(yīng)速率;同時(shí)，水霧粒徑將促使火焰陣面發(fā)生湍流脈動(dòng)并導(dǎo)致層流火焰面發(fā)生褶皺與變形［16］，顯著的增大了已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w的接觸面積，雖然在單位表面積上所燃燒氣體的量不變，但單位時(shí)間內(nèi)燃燒總氣體的量卻隨火焰表面積的增大而成比例的增大;因此，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@提高，火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c火焰湍流化的增長程度一致［17］。圖3水霧粒徑對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.3Effectofdropletdimmeronflamepropagationvelocity3水霧影響機(jī)理分析預(yù)混氣體爆炸火焰結(jié)構(gòu)分為兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)［18］，如圖4所示，即已燃區(qū)、未燃區(qū)和火焰陣面區(qū)(反應(yīng)區(qū)和預(yù)熱區(qū))以及前驅(qū)沖擊波和爆燃波。圖5為超細(xì)水霧作用下火焰陣面爆炸參數(shù)值的變化曲線。火焰從左至右傳播，在3個(gè)區(qū)域中爆炸流場參數(shù)存在較大差

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]超細(xì)水霧增強(qiáng)與抑制甲烷/空氣爆炸的機(jī)理分析[J]. 曹興巖,任婧杰,周一卉,王秋菊,李一鳴,畢明樹.  煤炭學(xué)報(bào). 2016(07)
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