初始温度和初始压力对瓦斯爆炸特性的影响研究

摘要

瓦斯爆炸具有瞬时性、复杂性和破坏性的特点，是多种因素共同作用的结果，其中初始温度、初始压力、瓦斯浓度、氧含量等均对其产生较大的影响。为了探索初始温度和初始压力对瓦斯爆炸特性的影响，本文在理论分析的基础上，对不同初始温度和初始压力条件下的瓦斯爆炸特性进行实验研究，并从化学动力学和流体动力学两个方面对爆炸过程进行数值模拟研究。
　　基于热爆炸理论和链式反应理论，描述了瓦斯爆炸过程，着重分析了点火初始阶段的发展过程，给出了瓦斯爆炸的点火条件。在此基础上，分析了初始温度和初始压力对瓦斯爆炸反应速率、爆炸特性表征参数、爆炸极限等的影响。
　　通过不同瓦斯浓度下的爆炸实验，确定了实验条件下的最佳浓度为10.1％。运用特殊环境20L爆炸特性测试系统对不同初始温度条件下处于最佳浓度的瓦斯的爆炸特性进行实验研究。实验结果表明:在实验温度范围(25℃～200℃)内，随着初始温度的升高，最大爆炸压力呈指数降低，最大压力上升速率略有增大，点火延迟时间缩短。通过对不同初始温度和初始压力条件下瓦斯爆炸极限的研究表明:在实验温度(25℃～200℃)和压力(0.1Ma～1.0MPa)范围内，随着初始温度或/和初始压力的升高，爆炸上限升高，爆炸下限降低，极限范围扩大;爆炸上限随初始温度或初始压力的升高呈指数上升，爆炸下限随初始温度的升高呈指数下降，随初始压力的升高呈直线下降;初始温度和初始压力两者对爆炸极限的耦合影响比单因素影响要显著得多，且高于两者影响作用的加和。最大爆炸压力和爆炸极限的实验值与理论值一致性良好，且随初始温度或压力的变化趋势基本吻合。借鉴危险度的概念及模糊评价的方法，提出了一种初步评估瓦斯爆炸危险性的方法。
　　借助CHEMKIN及FLUENT软件包对瓦斯爆炸过程进行了数值模拟研究，通过温度及主要自由基浓度敏感性分析，确定了影响爆炸反应的主要基元反应;通过对爆炸流场的分析，再现了密闭空间中瓦斯爆炸的发展过程。在模拟温度范围(298K～1173K)内，爆炸温度随初始温度的升高而升高，但较之初始温度的温度升高均在2400K左右;最大爆炸压力随初始温度的升高而降低，模拟值与实验值吻合良好，最大爆炸压力的模拟值略高于实验值，但随着温度的升高，模拟值与实验值逐渐接近;反应时间随初始温度的升高而缩短。当初始压力增大时，反应初期的火焰速度变化不明显，而反应后期的火焰速度则随之加快，在整个反应过程中，平均火焰速度加快，反应时间缩短。当初始压力升高相同值时，较高的初始温度使爆炸温度升高的幅度较大;当初始温度升高相同值时，较高的初始压力使最大爆炸压力降低的幅度较小。因此，当初始温度和初始压力同时升高时，瓦斯爆炸的危险性将增大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 瓦斯爆炸特性理论研究现状

1．2．2 瓦斯爆炸特性实验研究现状

1．2．3 瓦斯爆炸数值模拟研究现状

1．2．4 现阶段研究存在的问题

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 瓦斯爆炸理论研究

2．1 引言

2．2 瓦斯爆炸过程

2．2．1 热爆炸理论

2．2．2 链式反应理论

2．3 初始温度和初始压力对瓦斯爆炸的影响

2．3．1 初始温度和初始压力对反应速率的影响

2．3．2 初始温度和初始压力对爆炸极限的影响

2．3．3 初始温度和初始压力对爆炸压力的影响

2．3．4 初始温度和初始压力对点火能量和点火温度的影响

2．3．5 初始温度和初始压力对火焰温度的影响

2．3．6 初始温度和初始压力对火焰燃烧速度的影响

2．4 本章小结

3 初始温度对瓦斯爆炸特性影响的实验研究

3．1 研究的主要内容

3．2 实验系统简介

3．2．1 实验系统概况

3．2．2 实验系统组成部分简介

3．2．3 实验系统主要优点

3．3 实验方法

3．3．1 实验条件

3．3．2 配气方法

3．3．3 实验操作步骤

3．4 最佳浓度的确定

3．5 初始温度对瓦斯爆炸压力的影响

3．6 初始温度对瓦斯爆炸压力上升速率的影响

3．7 初始温度对瓦斯爆炸极限的影响

3．7．1 爆炸极限判据

3．7．2 初始温度对瓦斯爆炸上限的影响

3．7．3 初始温度对瓦斯爆炸下限的影响

3．7．4 实验值与理论值对比分析

3．8 初始温度对瓦斯爆炸点火延迟时间的影响

3．9 本章小结

4 初始温度和初始压力对瓦斯爆炸极限的耦合影响

4．1 研究的主要内容

4．2 初始压力对瓦斯爆炸极限的影响

4．2．1 初始压力对瓦斯爆炸上限的影响

4．2．2 初始压力对瓦斯爆炸下限的影响

4．2．3 实验值与理论值对比分析

4．3 初始温度和初始压力对瓦斯爆炸极限的耦合影响

4．3．1 初始温度和初始压力对瓦斯爆炸上限的耦合影响

4．3．2 初始温度和初始压力对瓦斯爆炸下限的耦合影响

4．4 瓦斯爆炸危险度的表征

4．5 本章小结

5 瓦斯爆炸的化学动力学数值模拟研究

5．1 引言

5．2 模型的建立

5．2．1 控制方程

5．2．2 敏感性分析数学模型

5．2．3 反应机理

5．3 瓦斯爆炸化学动力学过程分析

5．3．1 初始计算条件

5．3．2 瓦斯爆炸过程分析

5．3．3 敏感性分析

5．4 本章小结

6 瓦斯爆炸的流体动力学数值模拟研究

6．1 理论模型的建立

6．1．1 物理模型的建立

6．1．2 湍流模型的建立

6．1．3 燃烧模型的建立

6．2 边界条件和初始条件

6．3 常温常压下瓦斯爆炸过程分析

6．3．1 爆炸温度的变化情况

6．3．2 反应组分的变化情况

6．3．3 爆炸压力

6．4 初始温度对瓦斯爆炸的影响分析

6．4．1 初始温度对瓦斯爆炸过程的影响

6．4．2 初始温度对瓦斯爆炸温度的影响

6．4．3 初始温度对瓦斯爆炸压力的影响

6．5 初始温度和初始压力对瓦斯爆炸的影响分析

6．5．1 初始压力对爆炸温度的影响

6．5．2 初始温度和初始压力对爆炸温度和压力的影响

6．6 本章小结

7 主要结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 问题及展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文