【摘要】：氫氣因其可再生、來源廣泛、燃燒過程對(duì)環(huán)境無污染,且有較高的能源利用效率等優(yōu)點(diǎn),引起世界各國的關(guān)注和重視。由于氫氣密度較低,高壓儲(chǔ)氫已成為氫能發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。然而,氫氣有諸多不利于安全的特性,高壓氫氣一旦泄漏或發(fā)生意外事故,很有可能會(huì)造成火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害。特別是,在無明顯點(diǎn)火源的情況下,高壓氫氣泄漏后自發(fā)著火(自燃)進(jìn)而發(fā)展成為爆炸或噴射火,已成為氫氣高壓存儲(chǔ)的重大安全隱患。因此,在氫能經(jīng)濟(jì)到來之前,迫切需要對(duì)高壓氫氣泄漏自燃這一特殊燃燒現(xiàn)象開展研究。本文主要基于擴(kuò)散點(diǎn)火理論,利用實(shí)驗(yàn)和理論分析方法對(duì)高壓氫氣泄漏激波傳播特性、自發(fā)著火機(jī)理以及自燃火焰發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致的研究。首先,利用動(dòng)態(tài)壓力傳感器和高速紋影技術(shù)對(duì)高壓氫氣泄漏過程中激波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律,以及氫氣射流的微觀動(dòng)力學(xué)發(fā)展過程開展研究,內(nèi)容包括不同結(jié)構(gòu)管道內(nèi)激波傳播特性、氫氣射流流場微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律等。結(jié)果表明,前導(dǎo)激波在管道內(nèi)產(chǎn)生,并向管道下游傳播,與此同時(shí)激波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)并最終趨于穩(wěn)定。在常截面管道內(nèi),激波傳播速度先增大后減小,并最終維持在一個(gè)常數(shù)。較細(xì)管徑的管道有利于穩(wěn)定的前導(dǎo)激波快速形成,且大于同等條件較大管徑管道內(nèi)的激波超壓。而激波在變截面管道內(nèi)傳播時(shí),由于緊縮結(jié)構(gòu)或擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的激波反射、激波-激波相互作用、激波聚焦作用等多維激波結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)激波從管內(nèi)傳播到管外,其傳播速度表現(xiàn)為首先快速減小,之后再逐漸降低為聲速的傳播特點(diǎn)。完整記錄了激波、高壓氫氣射流流場結(jié)構(gòu)發(fā)展變化規(guī)律,先后觀察到半球形激波、馬赫盤、反射激波、激波三相點(diǎn)等經(jīng)典激波結(jié)構(gòu)。其次,借助壓力采集和火焰探測技術(shù)對(duì)管道內(nèi)自燃發(fā)生機(jī)理、自燃火焰成長機(jī)制以及點(diǎn)火發(fā)生臨界條件開展研究,提出了理論點(diǎn)火臨界壓力的概念,給出了等截面管道內(nèi)氫氣自燃發(fā)生的理論點(diǎn)火臨界壓力(為1.63MPa)。同時(shí)建立了判斷釋放管道內(nèi)自燃發(fā)生與否的預(yù)測模型,探討了影響自燃發(fā)生的可能因素。主要分析了泄放壓力、管道長度、直徑、管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變等因素對(duì)自燃發(fā)生的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)泄放壓力越大,自燃發(fā)生的可能性越大,且初始點(diǎn)火越易在靠近管道上游位置發(fā)生。在實(shí)驗(yàn)測量范圍內(nèi)(管長80-360mm,管徑10-20mm),管道長度的增大以及管道內(nèi)徑的減小,均有利于自燃的發(fā)生。另外,還發(fā)現(xiàn)釋放管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變可顯著的促進(jìn)自燃的發(fā)生,直接表現(xiàn)為變截面管道內(nèi)自燃發(fā)生的最小泄放壓力明顯低于常截面管道內(nèi)的點(diǎn)火臨界泄放壓力。特別是,局部緊縮管內(nèi)在泄放壓力僅為1.84MPa的條件下便會(huì)發(fā)生自燃,為目前已知的導(dǎo)致自燃發(fā)生的最低泄放壓力。進(jìn)一步討論了局部擴(kuò)張管內(nèi)點(diǎn)火發(fā)生的三種可能位置。發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火位置不同對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火機(jī)制有明顯的區(qū)別。本文還詳細(xì)分析了管道內(nèi)自燃火焰成長的動(dòng)力學(xué)過程,并提出了隔膜多步破裂行為誘發(fā)自燃發(fā)生、發(fā)展的新機(jī)制。隔膜完全打開前,由于微小泄漏形成大量的氫-空氣混合物。隨著隔膜進(jìn)一步破裂,道激波可在局部預(yù)混氣體中產(chǎn)生并誘發(fā)點(diǎn)火,自燃火焰快速成長并在管外發(fā)展成為噴射火。最后,對(duì)自燃火焰在管外的傳播動(dòng)力學(xué)以及噴射火的形態(tài)演變機(jī)制開展實(shí)驗(yàn)研究,利用圖像分析技術(shù)記錄了自燃火焰?zhèn)鞑ァ⒈及l(fā)展以及噴射火形態(tài)演變的動(dòng)力學(xué)過程,同時(shí)對(duì)爆燃火焰導(dǎo)致局部受限空間的超壓特性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,自燃火焰?zhèn)鞑サ焦芡?首先在管口附近處形成團(tuán)狀火焰。之后,火焰團(tuán)演化為上游燃燒區(qū)和下游燃燒區(qū)兩部分,其中上游燃燒區(qū)繼續(xù)向前方傳播,而下游燃燒區(qū)在噴口附近處穩(wěn)定并逐漸增大。自燃火焰?zhèn)鞑コ跗?膨脹的幾何效應(yīng)抑制了擴(kuò)散層的對(duì)流作用,致使火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低。隨著氫氣射流在開放空間發(fā)生快速的動(dòng)量輸運(yùn),導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)急劇增加。但隨著射流動(dòng)量輸運(yùn)速率的下降,可燃性混合物的產(chǎn)生速度減慢,火焰前鋒傳播速度逐漸下降并最終趨于穩(wěn)定。由于氫氣射流動(dòng)量輸運(yùn)在防護(hù)箱內(nèi)的持續(xù)進(jìn)行,形成局部預(yù)混氫-空氣混合物,從而導(dǎo)致局部受限箱體內(nèi)出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象。爆燃火焰產(chǎn)生大量壓力波致使周邊環(huán)境壓力顯著升高。防護(hù)箱內(nèi)激波超壓均明顯小于爆燃作用超壓。本文建立了激波超壓和爆燃超壓隨初始泄放壓力增加的線性關(guān)系式。發(fā)現(xiàn)激波前沿和爆燃超壓值均隨管徑的增大而增加。爆燃結(jié)束后,自燃火焰轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簹錃鈬娚浠鸬娜紵问�。噴射火燃燒形態(tài)由動(dòng)量控制的水平射流火和浮力驅(qū)動(dòng)控制的垂直方向火羽流兩部分構(gòu)成。發(fā)現(xiàn)噴射火的燃燒形態(tài)演變主要由泄放壓力大小所決定。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ116.2;O643.21

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