氢气浓度对泄爆特性影响的实验研究

摘要

氢气(H2)是世界上目前已经知道的密度最小的气体，也是相对分子质量最小的物质，氢气的质量只有空气的1/14。在常温常压条件下，氢气是一种非常容易燃烧、爆炸的气体，并且无臭无味、无色透明。氢气燃烧后生成水，所以氢气作为燃料具有清洁环保、对环境无任何污染的优点，而且其反应后的转换利用效率很高，生成的水还可以用来作为制备氢气的原料，在未来很有可能成为与电能同样重要的人类不可或缺的二次能源。在常温下，氢气的化学性质非常稳定，很难与其它物质发生化学反应。但是在外界条件发生改变时（如加热、点燃、使用催化剂等），情况就不同了。氢气是爆炸极限范围相当宽的一种气体，当空气中氢气气体的体积分数在4％-75％范围内时，遇到火源，即可立刻引起燃烧或爆炸。因此，在日常生活中，一旦对氢气使用或者储存不当，极易导致火灾和爆炸事故的发生，而一旦发生事故，其后果不堪设想。所以研究氢气的泄爆特性及规律对氢气的安全储存和运输意义重大。
　　本实验使用单泄爆口泄爆容器作为泄爆容器，利用高速相机、纹影系统、压力传感器对氢气-空气预混气体的单口泄爆进行研究，分析了氢气-空气当量比的不同对泄爆过程泄爆容器内部压力、泄爆口处压力变化规律、破膜时间及破膜后外部火焰进行了研究，得到如下结论:
　　(1)氢气-空气预混气体在各个当量比下，当量比对泄爆容器的内部压力及其峰值的变化具有很大程度的影响，且存在一个临界当量比1.6。在临界当量比下，泄爆容器内部压力峰值达到最大值。当量比小于1.6时，随当量比的增大，内部峰值压力逐渐增大，到当量比为1.6时达到最大值;当量比大于1.6时，随当量比的进一步增大，峰值压力开始变小。
　　(2)当量比对破膜时间也有很大影响。同样存在一个临界当量比1.6，在此当量比下，破膜时间最短Tmin=7.4ms。当量比小于1.6时，随当量比变大，破膜时间逐渐缩短;当量比大于1.6时，破膜时间逐渐变长。
　　(3)当量比对氢气-空气预混气体泄爆口处的压力变化有显著的影响，在当量比为1.6时泄爆口处的压力上升速率最快，处于1.6两边的当量比下速率都有所减小。
　　(4)当量比对泄爆口破膜后外部火焰的发展会产生很大的影响。随当量比增大，外部火焰最大长度逐渐变长，直至当量比增大到4.0时，外部火焰最大长度达到最大值为dmax=1.64m，随当量比的进一步增加，最大火焰长度逐渐缩短。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 国内研究现状及发展动态分析

1．2．2 国外研究现状及发展动态分析

1．3 本文主要研究内容

2 实验原理与实验方法

2．1 实验系统装置布置

2．1．1 单泄爆口泄爆容器

2．2 气体循环系统

2．2．1 气体循环管路

2．2．2 配气罐和配气柱

2．2．3 U型水银管

2．2．4 预混气体的配置及泄爆实验初始条件

2．3 点火系统

2．4 压力采集系统

2．4．1 示波器

2．4．2 压力传感器

2．4．3 单泄爆口封口的膜片

2．4．4 压力传感器的位置分布及压力信号的处理方法

2．5 火焰图像采集系统

2．5．1 高速摄影系统

2．5．2 纹影技术原理

2．5．3 纹影装置系统

2．6 实验方法和各项数据的获取方法

2．7 本章小结

3 氢气-空气预混气体燃烧泄爆特性的研究

3．1 预混气体燃烧爆炸火焰的传播特性

3．1．1 同一当量比下预混气体火焰传播特性的研究

3．1．2 不同当量比下预混气体火焰传播特性的研究

3．2 破膜时间的确定及其与当量比的变化关系

3．2．1 破膜时间的确定

3．2．2 破膜时间随当量比的变化关系

3．3 当量比对预混气体燃烧爆炸压力的影响

3．3．1 当量比对泄爆容器内部压力的影响

3．3．2 当量比对泄爆口处压力变化状态的影响

3．3．3 当量比对泄爆容器内部压力峰值的影响

3．3．4 当量比对压力峰值对应时间变化关系的影响

3．3．5 破膜后泄爆口处压力变化状态的研究

3．4 预混气体单口泄爆压力、破膜时间综合分析

3．5 本章小结

4 泄爆口外部火焰特性的研究

4．1 不同当量比下外部火焰最大长度的变化

4．2 当量比对外部火焰传播平均速度的影响研究

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果

攻读硕士学位期间主要科研成果