【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步,化石能源日益枯竭,環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,全球?qū)η鍧嵖商娲茉吹男枨笈c日俱增�？扇�?xì)怏w由于其清潔高效、來(lái)源廣泛等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛的關(guān)注和青睞。然而,可燃?xì)怏w通常具有易燃、易爆、易泄漏、點(diǎn)火能低等危險(xiǎn)特性,一旦控制或使用不當(dāng),容易引發(fā)火災(zāi)爆炸等災(zāi)難事故�？扇�?xì)怏w在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中主要通過(guò)管道進(jìn)行輸送。由于可燃?xì)怏w控制難度較大,重大火災(zāi)和爆炸事故在全球范圍內(nèi)每年都有發(fā)生。因此,為了可燃?xì)怏w的安全和工程應(yīng)用需要,開(kāi)展密閉管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑?dòng)力學(xué)及抑制方法研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義。本文旨在研究密閉管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑?dòng)力學(xué)特性,進(jìn)而探索有效的預(yù)混火焰抑制方法。首先,通過(guò)預(yù)混火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)密閉管道內(nèi)典型可燃?xì)怏w-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑?dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比研究。選用具有不同化學(xué)反應(yīng)活性的四種可燃?xì)怏w,包括甲烷、天然氣、乙炔和氫氣。采用高速紋影攝像系統(tǒng)捕捉火焰形狀變化并確定火焰前鋒速度,采用壓力傳感器記錄壓力隨時(shí)間的變化過(guò)程。研究結(jié)果表明,可燃?xì)怏w特性直接影響火焰行為。經(jīng)典tulip火焰形成的當(dāng)量比范圍為:甲烷0.79≤Φ≤1.30,天然氣0.72≤Φ≤.44,乙炔0.40≤Φ≤1.70,氫氣0.60≤Φ≤5.56。變形tulip火焰形成的當(dāng)量比范圍為:乙炔Φ=1.00,氫氣1.00≤Φ≤2.38,甲烷和天然氣均沒(méi)有形成變形tulip火焰。與純甲烷相比,天然氣中存在的少量乙烷和丙烷加速了火焰?zhèn)鞑ゲ⒃龃罅藟毫ΑＭ瑫r(shí),與天然氣和甲烷相比,乙炔具有更快的火焰前鋒速度和更高的壓力。氫氣由于具有最高的化學(xué)反應(yīng)活性而產(chǎn)生了最快的火焰前鋒速度和最大壓力。當(dāng)量比接近Φ=1.00時(shí),Bychkov等人提出的火焰裙邊運(yùn)動(dòng)理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,該理論更適用于預(yù)測(cè)乙炔和氫氣等高化學(xué)反應(yīng)活性氣體的火焰裙邊運(yùn)動(dòng)特性。隨后,分別選擇甲烷和氫氣作為低化學(xué)反應(yīng)活性和高化學(xué)反應(yīng)活性氣體的代表,通過(guò)預(yù)混火焰抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)揭示了單層金屬絲網(wǎng)和多層金屬絲網(wǎng)對(duì)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊�。研究結(jié)果表明,與無(wú)金屬絲網(wǎng)的情況相比,金屬絲網(wǎng)使得tulip火焰的形成時(shí)間提前,并且火焰前鋒反轉(zhuǎn)程度減弱。這主要?dú)w因于金屬絲網(wǎng)能夠提前火焰前鋒與壓力波的相互作用時(shí)間并削弱二者的相互作用強(qiáng)度。此外,金屬絲網(wǎng)還增強(qiáng)了未燃區(qū)氣體的氣流擾動(dòng),并在火焰通過(guò)抑制段后產(chǎn)生更劇烈的燃燒。對(duì)于單層金屬絲網(wǎng),隨著目數(shù)增加,火焰淬熄性能不會(huì)持續(xù)增強(qiáng),因?yàn)槠淇蛊茐男阅茉趯?shí)際應(yīng)用中也非常重要。由于未燃區(qū)氣體流速的降低被可燃?xì)怏w混合物燃燒速度的增大抵消,單層金屬絲網(wǎng)對(duì)上游管道的火焰前鋒速度沒(méi)有明顯抑制效果。多層金屬絲網(wǎng)可以有效地衰減最大火焰前鋒速度、最大壓力和最大聲音分貝值,并且抑制效果隨著層數(shù)和目數(shù)的增加而增強(qiáng)。然后,系統(tǒng)地分析了多層金屬絲網(wǎng)作用下火焰淬熄的影響因素,包括:可燃?xì)怏w特性、溫度和壓力、可燃?xì)怏w中的摻雜物、當(dāng)量比、金屬絲網(wǎng)體積、布置方式和點(diǎn)火位置等。研究發(fā)現(xiàn),可燃?xì)怏w特性、溫度和壓力、可燃?xì)怏w中的摻雜物、當(dāng)量比等通過(guò)影響層流燃燒速度進(jìn)而影響火焰淬熄結(jié)果。明確了臨界淬熄參數(shù)與金屬絲網(wǎng)體積之間的關(guān)系。研究表明,隨著金屬絲網(wǎng)體積的增加,臨界淬熄速度幾乎呈線性增加。然而,最大臨界淬熄壓力保持在約0.115MPa的恒定值。與貧燃情況相比,金屬絲網(wǎng)對(duì)富燃情況具有更好的抑制效果。此外,研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)改變金屬絲網(wǎng)之間的間距可以改變其火焰淬熄性能�；鹧媸欠癜l(fā)生淬熄其實(shí)只是火焰加速效應(yīng)和壁面淬熄效應(yīng)之間競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。點(diǎn)火位置顯著影響火焰淬熄情況。對(duì)比了三個(gè)不同的點(diǎn)火位置,以確保火焰以三個(gè)不同的階段傳播到抑制段內(nèi)。點(diǎn)火位置1時(shí)tulip火焰完全形成;點(diǎn)火位置2時(shí)火焰前鋒曲率增大,tulip火焰尚未形成;點(diǎn)火位置3時(shí)為指尖形火焰。研究發(fā)現(xiàn),點(diǎn)火位置越靠近金屬絲網(wǎng),火焰越容易發(fā)生淬熄。當(dāng)火焰從管道封閉端開(kāi)始時(shí),tulip火焰本質(zhì)上是由壓力波和火焰前鋒之間相互作用產(chǎn)生的渦旋導(dǎo)致的。然而,當(dāng)火焰從管道中心開(kāi)始時(shí),具有較長(zhǎng)尖端的tulip火焰主要是向上下游管道傳播的火焰燃燒強(qiáng)度的巨大差異加劇已燃區(qū)氣流逆向流動(dòng)的結(jié)果。同時(shí),研究表明,火焰從管道中心開(kāi)始的情況下,向上游管道和下游管道傳播的火焰前鋒速度共同決定了管內(nèi)壓力動(dòng)力學(xué)過(guò)程。最后,討論了惰性氣體和金屬絲網(wǎng)對(duì)預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ鸟詈弦种谱饔谩Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn),C02對(duì)氫-空氣預(yù)混火焰的抑制效果比N2更好。富燃時(shí),C02-5%對(duì)火焰前鋒速度和壓力幾乎沒(méi)有抑制作用,因?yàn)樗鼘?duì)火焰表面積幾乎沒(méi)有影響。然而,在貧燃時(shí),在CO2-5%的作用下,火焰前鋒速度和壓力都明顯降低。隨著濃度增加,抑制效果在25%之前持續(xù)增強(qiáng),但隨著濃度從25%增大到30%變得幾乎恒定。C02濃度的增大能夠抑制水力學(xué)不穩(wěn)定性并減少火焰擾動(dòng)。至于熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性,貧燃情況下CO2濃度的增大使得劉易斯數(shù)接近于1并減少火焰擾動(dòng)。然而,富燃時(shí)熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性本身對(duì)水力學(xué)不穩(wěn)定性具有一定抑制作用,CO2只是增強(qiáng)了這一效果并進(jìn)一步減弱火焰擾動(dòng)。CO2稀釋和金屬絲網(wǎng)對(duì)氫-空氣預(yù)混火焰的耦合抑制作用比單獨(dú)使用兩種抑制劑中的任一種更有效。CO2稀釋促進(jìn)了金屬絲網(wǎng)對(duì)貧燃?xì)?空氣預(yù)混火焰的抑制作用,而金屬絲網(wǎng)增強(qiáng)了CO2對(duì)富燃工況的抑制效果。此外,通過(guò)添加金屬絲網(wǎng),可以持續(xù)提高較高濃度CO2稀釋對(duì)氫-空氣預(yù)混火焰的抑制作用。
【圖文】：

逡逑高達(dá)２２５０萬(wàn)美元。圖１．１給出了當(dāng)時(shí)爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)的照片。逡逑圖１．１邋１９８４年墨西哥國(guó)家石油公司ＬＰＧ儲(chǔ)運(yùn)站爆炸事故（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）逡逑１９８９年，距離前蘇聯(lián)城市－烏法５０公里處的古比雪夫鐵路發(fā)生了一起嚴(yán)重逡逑的爆炸事故。導(dǎo)致這起事故的原因是兩列列車交匯時(shí)產(chǎn)生的靜電火花引燃了逡逑ＬＮＧ管道泄漏出來(lái)形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)。據(jù)估計(jì)當(dāng)時(shí)的爆炸威力相當(dāng)于１０００噸逡逑ＴＮＴ炸藥，事故直接導(dǎo)致５７５人死亡，８００多人受傷［４］。１９９７年，位于挪威Ｂｏｓｇｒｅｎ逡逑城市的Ｈｙｄｒｏ邋Ａｇｒｉ氨廠的一個(gè)直徑為８米的Ｃ０２管內(nèi)發(fā)生了氫氣爆炸事故［５］，逡逑事故導(dǎo)致８５０ｍ長(zhǎng)的管道嚴(yán)重受損，大量周邊建筑不同程度破壞，造成嚴(yán)重的財(cái)逡逑產(chǎn)損失。２０００年２月１９日，山東三力有限公司沈陽(yáng)分公司一根廢棄的天然氣地逡逑下管道發(fā)生爆炸。調(diào)查結(jié)果顯示，廢棄管道內(nèi)本身有少量的天然氣殘留，在處理逡逑廢棄管線的過(guò)程中，空氣進(jìn)入管道并在點(diǎn)火源的作用下發(fā)生了爆炸。事故造成１５逡逑人死亡

１．２．１管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑パ芯垮义希保玻保卞澹裕酰欤椋疱寤鹧驽义项A(yù)混火焰?zhèn)鞑ヒ恢倍际侨紵捅I(lǐng)域研究的重要課題。關(guān)于管道內(nèi)預(yù)混火逡逑焰?zhèn)鞑サ难芯考航?jīng)有１００多年的歷史｜｜２，１３】。早在１８８３年，Ｍａｌｌａｒｄ邋ａｎｄ邋Ｌｅ逡逑Ｃｈａｔｅｌｉｅｉ＾就首次在一個(gè)半開(kāi)口長(zhǎng)管道內(nèi)觀察到了預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)：逡逑當(dāng)火焰從封閉端開(kāi)始傳播時(shí)，火焰前鋒會(huì)呈現(xiàn)出向火焰?zhèn)鞑ハ喾捶较虬枷莘崔D(zhuǎn)的逡逑特殊形狀。ＥｌｌｉｓｔＷ在１９２８年首次報(bào)道了這一特別的火焰反轉(zhuǎn)圖片，如圖１．２所逡逑示。他發(fā)現(xiàn)在管道長(zhǎng)徑比大于２的密閉管道內(nèi)，火焰前鋒會(huì)從一個(gè)向前傳播的指逡逑尖形變?yōu)橄蚣喝紖^(qū)反轉(zhuǎn)的形態(tài)，同時(shí)，隨著火焰繼續(xù)傳播，火焰會(huì)穩(wěn)定保持這樣逡逑的形態(tài)。隨后，Ｓａｌａｍａｎｄｒａ１１６在１９５９年將這一特別的火焰現(xiàn)象命名為“ｔｕｌｉｐ”火焰。逡逑隨著高速紋影攝像技術(shù)的快速發(fā)展，ｔｕｌｉｐ火焰被清晰完整的拍攝下來(lái)，并得到了逡逑廣泛的研宄。關(guān)于ｔｕｌｉｐ火焰的形成過(guò)程和機(jī)理，己有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道，但逡逑到目前為止尚未形成統(tǒng)一定論。逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ038

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王珂;;大分子碳?xì)淙剂蠈恿黝A(yù)混火焰相似性研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2014年02期

2 張大勇;周懷春;;非預(yù)混火焰中溫度與全息干涉測(cè)得的折射率之間的新?tīng)顟B(tài)關(guān)系[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2007年04期

3 于溯源,呂雪峰;鉻在氫/空氣預(yù)混火焰中氧化分析[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2003年06期

4 王勇，，王致均，盧嘯風(fēng);燈泡生產(chǎn)中天然氣預(yù)混火焰的試驗(yàn)研究[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1996年04期

5 謝象春;預(yù)混火焰與均勻各向同性湍流畸變[J];中國(guó)科學(xué)(A輯 數(shù)學(xué) 物理學(xué) 天文學(xué) 技術(shù)科學(xué));1988年01期

6 明海,謝建平,張海濤,周輝,M.S.Z.Chaghtai;預(yù)混火焰溫度場(chǎng)測(cè)試的剪切干涉技術(shù)[J];量子電子學(xué);1989年02期

7 呂兆華,R.Matthews,J.Howell;多孔陶瓷材料中的預(yù)混火焰[J];南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1989年03期

8 郭實(shí)龍;王金華;;密閉燃燒室內(nèi)壓力和預(yù)混火焰表面積的關(guān)系推導(dǎo)及應(yīng)用[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2018年03期

9 楊帆;孔文俊;;氫氣部分預(yù)混火焰瞬態(tài)響應(yīng)及脈沖不穩(wěn)定性研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2014年09期

10 康忠濤;李清廉;張新橋;;V槽穩(wěn)定的空氣/煤油部分預(yù)混火焰吹熄特性分析[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年09期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 范寶春;;預(yù)混火焰的傳播特性及其穩(wěn)定性[A];慶祝中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)成立50周年暨中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)’2007論文摘要集（上）[C];2007年

2 蔣華;董剛;;激波誘導(dǎo)預(yù)混火焰界面失穩(wěn)的時(shí)間尺度研究[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

3 孫金華;陳棟梁;;不同濃度甲烷/空氣預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)特征[A];中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2009年

4 牛芳;劉慶明;宮廣東;何學(xué)秋;白春華;;甲烷-空氣混合物預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)特征研究[A];中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

5 蔣華;董剛;;預(yù)混火焰界面RM不穩(wěn)定的時(shí)間尺度研究[A];第五屆全國(guó)強(qiáng)動(dòng)載效應(yīng)及防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議暨復(fù)雜介質(zhì)/結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為創(chuàng)新研究群體學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2013年

6 盧占斌;;火球的相互作用[A];慶祝中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)成立50周年暨中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)’2007論文摘要集（下）[C];2007年

7 張儒征;孫雯禹;陶濤;楊斌;;丙酮-丁醇-乙醇(ABE)層流預(yù)混火焰的組分診斷與模型分析[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集-第四十六分會(huì)：燃燒化學(xué)[C];2016年

8 陶濤;楊斌;羅忠敬;;異丁烯燃燒反應(yīng)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第41分會(huì)：燃料與燃燒化學(xué)[C];2014年

9 王佳星;李爽;楊斌;;低壓實(shí)驗(yàn)對(duì)超燃條件下化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型約束的研究[A];第八屆全國(guó)高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2015年

10 王雙峰;張海;J.Jarosinski;A.Gorczakowski;J.Podfilipski;;近可燃極限氣體預(yù)混火焰特性的實(shí)驗(yàn)研究[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議手冊(cè)及文集[C];2009年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 張巨睿;《科學(xué)世界》解讀科技奧運(yùn)[N];中國(guó)郵政報(bào);2008年

2 本報(bào)記者 宋麗芳 武鎧 黃希 通訊員 李國(guó)寶;熊熊奧運(yùn)火 拳拳航天心[N];中國(guó)航天報(bào);2007年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李權(quán);管道內(nèi)障礙物對(duì)氫—空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑?dòng)力學(xué)影響研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 熊才溢;非預(yù)混火焰聲學(xué)響應(yīng)特性的直接數(shù)值模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

3 金凱強(qiáng);密閉管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑?dòng)力學(xué)及抑制方法實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

4 蔣華;激波誘導(dǎo)預(yù)混火焰界面RM不穩(wěn)定性的數(shù)值研究[D];南京理工大學(xué);2017年

5 曹紅加;預(yù)混火焰燃燒不穩(wěn)定性及其主動(dòng)控制[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2004年

6 徐曉;湍流非預(yù)混火焰中熱輻射影響的數(shù)值研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

7 劉fE亞;水霧作用下甲烷/空氣層流預(yù)混火焰燃燒特性研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

8 陳先鋒;丙烷—空氣預(yù)混火焰微觀結(jié)構(gòu)及加速傳播過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

9 姜婕妤;非預(yù)混火焰中的流動(dòng)及燃燒不穩(wěn)定性的直接數(shù)值模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

10 姚兆普;非預(yù)混火焰熱聲耦合機(jī)理的理論和計(jì)算分析[D];清華大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 孫瀟峰;大渦模擬結(jié)合系統(tǒng)辨識(shí)的部分預(yù)混火焰動(dòng)力學(xué)研究[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所);2019年

2 侯天增;悉尼大學(xué)非均勻入流燃燒器部分預(yù)混火焰的大渦模擬研究[D];江蘇大學(xué);2018年

3 孫楠;CH_4在O_2/CO_2氣氛下預(yù)混火焰特性的數(shù)值模擬[D];東北大學(xué);2015年

4 于菲菲;開(kāi)口管道煤塵—甲烷預(yù)混火焰動(dòng)力學(xué)特性研究[D];武漢理工大學(xué);2015年

5 李曉峰;基于不同光解策略實(shí)現(xiàn)甲烷/空氣預(yù)混火焰中間產(chǎn)物CH_3的高空間分辨成像測(cè)量[D];天津大學(xué);2017年

6 王珂;多孔狹縫燒嘴特性及預(yù)混火焰特征的研究[D];華東理工大學(xué);2013年

7 趙濤;惰性氣體對(duì)管道內(nèi)預(yù)混火焰淬熄的研究[D];大連理工大學(xué);2009年

8 段潤(rùn)澤;預(yù)混火焰熱聲不穩(wěn)定性研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2011年

9 曾穩(wěn)超;頁(yè)巖氣湍流預(yù)混火焰的直接數(shù)值模擬研究[D];重慶大學(xué);2017年

10 樊融;加壓條件下甲烷/空氣層流預(yù)混火焰可燃極限的研究[D];清華大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2666017