丙烷-空气预混火焰在90°弯曲管道内传播特性的实验和模拟研究

摘要

随着国家工业现代化的高速发展，碳氢可燃性气体广泛使用，特别是近年来石油化工和天然气工业的迅速发展，这类重大危险源在生产、输运和存储过程中因意外或人为原因泄漏导致的燃烧爆炸事故时有发生，并呈逐年上升趋势，严重威胁着工业生产、交通运输和物资储运的安全，而燃烧爆炸时火焰和冲击波的向外传播又容易造成邻近设备的破坏，导致更严重的灾难事故。管道作为一个使用频繁的流体输运设备，安全保护措施容易受到忽略，因此揭示可燃性气体火焰在管道内的传播发展规律及其内在机理，有助于更好地预防和控制此类事故发生。
　　 气体火焰在管道内的传播过程，是一个快速、流动与化学反应相耦合的非定常流体动力学过程，受到众多物理化学因素的作用与影响，并且涉及到火焰传播、火焰结构变化、化学反应强度以及火焰不稳定性等基本环节，本文将从这几个方面对火焰传播特性开展深入研究。
　　 90°弯曲管道在工业生产和居民生活中普遍存在，其不规则结构对火焰传播过程有重大影响。因此本研究搭建了基于90°弯曲燃烧管道的预混火焰精细结构实验台，通过理论分析、实验模拟和数值计算方法对预混火焰加速传播机理、火焰结构变化特征、火焰传播过程中的不稳定性以及火焰阵面与周围流场的相互作用等进行了全面系统的研究。
　　 利用高速摄像机和纹影光学系统清晰记录了预混火焰在水平管道和弯曲管道内的动态传播过程，由此可以准确计算得到火焰阵面的瞬时传播速度。
　　 研究了燃料组分构成、泄压口设置以及点火源位置等初始条件对封闭管道内预混火焰传播特性的影响，得到了不同实验条件下火焰结构、火焰传播速度以及系统压力等表征预混火焰传播特征的特性参数，分析了燃料组分构成、泄压口设置以及点火源位置变化时预混火焰传播特性的变化规律。
　　 研究了泄压口面积变化时对半封闭管道内预混火焰传播过程的影响。当开口比例λ≤30％时，火焰阵面在水平管段会转化为一个平面或Tulip火焰结构，在弯曲管段有明显的火焰分支出现，随着泄压口面积的增加，火焰阵面在水平管段基本保持为半球形向前传播，进入弯管部分后火焰分支情况减弱直至单一拉伸火焰面通过弯管。同时通过理论分析得到火焰传播速度与泄压口面积以及系统压力的关系表达式，随着泄压口面积的增加，水平和弯曲管道内火焰的最大传播速度均逐渐增大。当λ≤40％时，(Vf,HS)max＞(Vf,bend)max；当λ=50％时，(Vf,HS)max≈(Vf,bend)max；当λ≥60％时，(Vf,HS)max＜(Vf,bend)max。
　　 利用离子探针测量了管道内不同位置处离子电流的变化，根据实验结果分析了不同点火位置时火焰化学反应区结构变化规律以及当量比浓度对离子电流峰值的影响。
　　 利用流体动力学计算软件Fluent分别对水平管道端部和垂直管道底部点火时的火焰传播过程进行了数值模拟。计算结果很好地捕捉到了预混火焰传播过程中的流场特征变化，包括涡旋、反向流动和火焰阵面周围流场等与火焰阵面之间的相互作用情况，以及火焰传播过程中火焰阵面出现的Tulip火焰结构。综合实验数据、计算结果以及理论分析，揭示了不同点火位置时火焰结构变化机理以及火焰传播过程中不稳定性变化的内在原因。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2前人研究工作

1.2.1预混火焰在直管内的传播特性研究

1.2.2预混火焰在弯曲管道内的传播特性研究

1.2.3预混火焰结构分析和不稳定性研究

1.3前人研究不足与本文研究内容

1.3.1前人研究不足

1.3.2本文研究内容

参考文献

第二章 实验系统与实验方法

2.1引言

2.2实验系统

2.2.1实验管道

2.2.2预混配气系统

2.2.3高速摄影系统

2.2.4高压点火系统

2.2.5纹影光学系统

2.2.6同步控制系统

2.3测量装置

2.3.1微细热电偶测量系统

2.3.2离子探针测量系统

2.3.3压力传感器测量系统

2.3.4数据采集仪

2.4实验方法

2.4.1实验方法

2.4.2实验步骤

参考文献

第三章 管道内可燃性气体火焰传播特性的理论分析

3.1可燃性气体火焰在管道内传播过程概述

3.1.1可燃性气体燃烧的反应形式

3.1.2爆燃模型

3.2管道内预混火焰加速分析

3.2.1火焰阵面微分加速

3.2.2火焰阵面湍流加速

3.2.3火焰阵面不稳定加速

3.3封闭容器内气体燃烧模型

3.3.1等温模型

3.3.2绝热模型

3.3.3一般模型

3.4影响预混气体火焰传播的因素

3.4.1燃料特性的影响

3.4.2燃料结构的影响

3.4.3可燃混合气组成的影响

3.4.4可燃混合气压力的影响

3.4.5可燃混合气初始温度的影响

3.4.6可燃混合气中掺杂物的影响

3.4.7点火能的影响

3.5不同开口设置时管道内预混火焰传播特性

3.5.1闭端向闭端传播

3.5.2闭端向开口传播

3.5.3开口向闭端传播

3.5.4开口向开口传播

3.6本章小结

参考文献

第四章 封闭弯管内丙烷-空气预混火焰传播特性分析

4.1引言

4.2实验装置与方法

4.3初始条件对弯曲管道内预混火焰传播特性的影响

4.3.1点火能对火焰传播特性影响

4.3.2不同燃料浓度对预混火焰传播特性的影响

4.3.3泄压口设置对预混火焰传播特性的影响

4.3.4小结

4.4预混火焰传播过程中微观特征变化研究

4.4.1火焰传播速度变化特征

4.4.2流场温度变化特征

4.4.3离子电流变化特征

4.5本章小结

参考文献

第五章 半封闭管道内丙烷-空气预混火焰传播特性分析

5.1引言

5.2实验装置与方法

5.3半封闭管道内火焰传播的理论分析

5.3.1概述

5.3.2无约束泄压容器内的火焰发展过程

5.4不同泄压口面积对预混火焰传播特性影响的实验研究

5.4.1实验结果

5.4.2结果分析

5.5丙烷-空气预混火焰的不稳定性分析

5.6本章小结

参考文献

第六章 数值计算

6.1引言

6.2物理模型

6.3数学模型

6.3.1基本假设

6.3.2数值计算方法

6.3.3初始条件

6.3.4计算算例

6.4结果分析

6.4.1水平点火，垂直泄压时的流场特征

6.4.2垂直点火，水平泄压时的流场特征

6.5 Tulip火焰形成机理分析

6.6本章小结

参考文献

第七 章总结与展望

7.1本研究主要结论

7.2本文创新点

7.3下一步工作展望

致谢

攻读学位论文期间发表的学术论文