本文關(guān)鍵詞：約束空間內(nèi)多元氣體爆炸及其轉(zhuǎn)燃燒規(guī)律，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：可燃氣體爆炸是工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域爆炸災(zāi)害的主要形式之一,特別是涉及多種氣體混合而成的多元可燃氣體的爆炸事故,其過程更為復(fù)雜,有效地預(yù)防和控制此類工業(yè)災(zāi)害性事故是安全生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的重大課題,受限空間內(nèi)多元氣體的爆炸機制是此類事故預(yù)防的基礎(chǔ)。另一方面,為解決過度使用傳統(tǒng)化石燃料引起的環(huán)境污染問題及能源危機,氫氣或高含氫燃料作為一種新的清潔可替代能源引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,而氫能源使用中的安全性問題是氫氣技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵,也是氫能源發(fā)展和推廣所面臨的重大挑戰(zhàn)。本文以甲烷-氫氣-空氣混合氣體為研究對象,通過實驗研究和數(shù)值仿真技術(shù)對其在受限空間內(nèi)的爆炸物理過程和物理機制及爆炸災(zāi)害效應(yīng)進行研究,揭示了混合氣體濃度、混合氣體組分比例和其他約束條件對爆炸效應(yīng)的影響規(guī)律,主要工作和創(chuàng)新性成果如下:一、氫氣對甲烷氣體爆炸特性的影響規(guī)律涉及多種氣體混合而成的多元可燃氣體的爆炸事故過程十分復(fù)雜,國內(nèi)外對于氣體爆炸的研究工作大多是針對單一可燃氣體展開,極少關(guān)注如礦井氣體、城市燃氣、石油化工氣體及新能源氣體等多元氣體的爆炸特性及災(zāi)害后果,同時高含氫燃料在使用中的安全性問題是氫能源發(fā)展和推廣中所面臨的重大挑戰(zhàn),而目前對此類多元爆炸性氣體的爆炸性質(zhì)缺乏系統(tǒng)的研究,本文以典型多元可燃氣體(CH4-H2-Air)為研究對象,通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對其爆炸特性進行系統(tǒng)研究,得到氫氣的存在對于甲烷爆炸壓力、爆炸強度指數(shù)、爆炸溫度和點火延遲期等特性的定量影響關(guān)系,并得到氣體濃度(當(dāng)量比)及約束條件對CH4-H2混合氣體的爆炸特性及災(zāi)害效應(yīng)的影響規(guī)律,給出CH4-H2混合氣體最小點火能的普適性計算方法,可根據(jù)特定當(dāng)量比條件下甲烷和氫氣的最小點火能計算得到此當(dāng)量比時任何組分比例混合物的最小點火能。二、三維密閉空間和泄爆條件下氣體燃爆的體積效應(yīng)迄今為止,有關(guān)實驗研究的報道主要是一些在特定工況下獲得的實驗結(jié)果,這種結(jié)果是否具有普適性,特定條件下獲得的氣體爆炸特性參數(shù)及規(guī)律能否真實地反映實際工況中氣體爆炸災(zāi)害過程關(guān)乎實驗方法的有效性。本文對幾何相似三維密閉和半開敞空間內(nèi)的氣體爆炸過程進行研究,證實了三維空間內(nèi)氣體爆炸存在“體積效應(yīng)”,并指出密閉容器內(nèi)氣體爆炸壓力的體積效應(yīng)不明顯,而爆炸壓力上升速率和火焰速度的體積效應(yīng)顯著,并且氫氣比例越高,體積效應(yīng)越明顯;而泄爆條件下的氣體爆炸壓力存在一定的體積效應(yīng),火焰速度的體積效應(yīng)并不明顯。同時研究表明泄爆口在泄放爆炸壓力、降低爆炸強度、減少災(zāi)害效應(yīng)方面起到很大作用,但是泄爆口的存在又會擴大火焰?zhèn)Ψ秶?噴射出來的火焰會成為次生災(zāi)害的誘因。以上研究成果為多元可燃氣體爆炸實驗研究方法的選取及實驗結(jié)果判研提供了重要依據(jù)。三、氣體爆炸轉(zhuǎn)燃燒的物理機制巷道瓦斯爆炸火焰的傳播區(qū)域范圍可以達到初始預(yù)混區(qū)范圍的數(shù)倍以上,初始預(yù)混區(qū)之外的燃燒、爆炸及其他連鎖災(zāi)害效應(yīng)的災(zāi)害范圍更廣,但是對于初始預(yù)混區(qū)瞬態(tài)擴展的物理過程及初始預(yù)混區(qū)外爆炸轉(zhuǎn)為燃燒的條件和規(guī)律研究還處于起步階段,相關(guān)成果極少。本文針對管道內(nèi)部分預(yù)混的氣體爆炸過程進行實驗研究,得到初始預(yù)混區(qū)外瞬態(tài)化學(xué)反應(yīng)流動的溫度場和壓力場的分布規(guī)律及災(zāi)害效應(yīng),揭示了預(yù)混區(qū)濃度、混合氣體組分比例、障礙物等因素對爆炸瞬態(tài)流場的影響規(guī)律,解釋了預(yù)混區(qū)外瞬態(tài)流動的物理過程及爆炸轉(zhuǎn)燃燒的物理機制。研究成果對井下防火防爆優(yōu)化設(shè)計與事故調(diào)查分析具有實際指導(dǎo)意義。四、預(yù)混區(qū)邊界爆轟狀態(tài)衰減規(guī)律初始預(yù)混區(qū)外爆轟狀態(tài)衰減規(guī)律的研究具有十分重要的意義,爆轟火焰區(qū)范圍是初始預(yù)混區(qū)外災(zāi)害范圍確定的重要依據(jù),預(yù)混區(qū)邊界處的爆轟波破壞效應(yīng)和影響范圍與爆轟程度的強弱有直接的聯(lián)系。本文研究了管道內(nèi)的氫氣爆轟過程的發(fā)展和衰減規(guī)律,研究成果不僅得到火焰區(qū)范圍與爆轟程度的關(guān)系,而且解釋了燃料混合區(qū)瞬態(tài)擴展的物理機制和影響因素,這在國內(nèi)外現(xiàn)有文獻報道中尚未見到類似的研究成果。
【關(guān)鍵詞】：多元氣體 約束空間 災(zāi)害效應(yīng) 體積效應(yīng) 初始預(yù)混區(qū) 爆炸轉(zhuǎn)燃燒
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O643.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-18
• 第1章 緒論18-27
• 1.1 本論文研究的背景和意義18-19
• 1.2 可燃氣體爆炸研究現(xiàn)狀19-25
• 1.2.1 約束空間內(nèi)氣體爆炸研究現(xiàn)狀19-22
• 1.2.2 多元氣體爆炸特性研究現(xiàn)狀22-23
• 1.2.3 氣體爆炸數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀23-24
• 1.2.4 氣體爆炸轉(zhuǎn)燃燒規(guī)律研究現(xiàn)狀24-25
• 1.3 本文的研究方法及研究內(nèi)容25-27
• 第2章 氫氣對甲烷燃爆特征的影響27-49
• 2.1 引言27-28
• 2.2 實驗系統(tǒng)及裝置28-31
• 2.2.1 20L球形爆炸裝置28-29
• 2.2.2 點火系統(tǒng)29
• 2.2.3 基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)29-31
• 2.3 實驗設(shè)置及過程31-32
• 2.3.1 實驗條件及設(shè)置31
• 2.3.2 實驗方法及過程31-32
• 2.4 CFD軟件ANSYS/AutoReaGas32-36
• 2.4.1 控制方程32-33
• 2.4.2 湍流模型33-34
• 2.4.3 燃燒模型34-35
• 2.4.4 數(shù)值方法35-36
• 2.5 氫氣對甲烷爆炸壓力的影響36-39
• 2.6 氫氣對甲烷爆炸強度的影響39-42
• 2.7 氫氣對甲烷爆炸溫度的影響42-44
• 2.8 氫氣對甲烷點火延遲期的影響44-45
• 2.9 CH4-H2混合氣體最小點火能預(yù)測方法45-48
• 2.9.1 實驗方法46
• 2.9.2 結(jié)果與分析46-48
• 2.10 本章小結(jié)48-49
• 第3章 三維空間內(nèi)氣體燃爆的體積效應(yīng)49-67
• 3.1 引言49-50
• 3.2 物理模型的建立50-52
• 3.2.1 5 L和 64 m3密閉罐體模型50-51
• 3.2.2 5 L和 64 m3泄爆罐體模型51
• 3.2.3 初始條件和邊界條件設(shè)置51-52
• 3.3 密閉條件下氣體爆炸壓力的體積效應(yīng)52-56
• 3.4 泄爆條件下氣體爆炸壓力的體積效應(yīng)56-59
• 3.4.1 數(shù)值方法的驗證56-57
• 3.4.2 泄爆條件下的氣體爆炸壓力體積效應(yīng)57-59
• 3.5 多元可燃氣體爆炸強度59-62
• 3.6 多元可燃氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊捏w積效應(yīng)62-65
• 3.7 本章小結(jié)65-67
• 第4章 預(yù)混區(qū)外爆炸轉(zhuǎn)燃燒的物理機制與規(guī)律67-102
• 4.1 引言67
• 4.2 實驗管道系統(tǒng)67-70
• 4.2.1 實驗管道68-69
• 4.2.2 電火花點火系統(tǒng)69
• 4.2.3 高速攝影系統(tǒng)69-70
• 4.2.4 煙灰膜技術(shù)70
• 4.3 預(yù)混濃度對管道預(yù)混區(qū)外爆炸轉(zhuǎn)燃燒過程的影響70-77
• 4.3.1 實驗條件及設(shè)置70-71
• 4.3.2 實驗結(jié)果與分析71-77
• 4.4 氫氣的加入對管道預(yù)混區(qū)外甲烷氣體爆炸轉(zhuǎn)燃燒過程的影響77-86
• 4.4.1 實驗條件及設(shè)置77-78
• 4.4.2 實驗結(jié)果與分析78-86
• 4.5 障礙物（預(yù)混區(qū)爆炸狀態(tài)）對管道預(yù)混區(qū)外爆炸轉(zhuǎn)燃燒過程的影響86-94
• 4.5.1 實驗條件及設(shè)置86-87
• 4.5.2 實驗結(jié)果與分析87-94
• 4.6 巷道內(nèi)爆炸狀態(tài)對預(yù)混區(qū)外爆炸轉(zhuǎn)燃燒過程的影響94-100
• 4.6.1 計算模型95
• 4.6.2 計算結(jié)果與分析95-100
• 4.7 本章小結(jié)100-102
• 第5章 預(yù)混區(qū)邊界爆轟狀態(tài)的衰減規(guī)律102-113
• 5.1 引言102-103
• 5.2 計算模型103
• 5.3 爆轟波超壓分布規(guī)律103-106
• 5.4 爆轟狀態(tài)對火焰區(qū)范圍的影響106-109
• 5.5 爆轟波的發(fā)展及衰減規(guī)律109-112
• 5.6 本章小結(jié)112-113
• 第6章 總結(jié)與展望113-117
• 6.1 本文主要研究結(jié)論113-115
• 6.2 本文主要創(chuàng)新點115-116
• 6.3 進一步工作展望116-117
• 參考文獻117-128
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單128-130
• 致謝130

  本文關(guān)鍵詞：約束空間內(nèi)多元氣體爆炸及其轉(zhuǎn)燃燒規(guī)律，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：400677