丙烷-空气预混火焰微观结构及加速传播过程中的动力学研究

摘要

随着国家能源战略的变化，对目前的能源结构作了重大调整，即今后逐渐以发展石油液化气和天然气为主的工业、生活能源供给结构。在可燃气体的输送、贮存、加工和使用过程中，如果由于泄漏而形成的可燃气体与空气混合物被意外地点燃，就会发生气云爆炸。可燃气云爆炸属于非理想爆炸，是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一，它常造成巨大的人员伤亡和财产损失。在气体火焰传播过程中，通常存在着火焰加速过程，从而导致压力骤升，造成爆炸灾害。而爆炸灾害一旦发生，是难以控制的，因此研究早期火焰加速传播特性和及其内在机理，有助于更好地预防和抑制气体爆炸灾害的发生。 火焰加速传播过程中，通常伴随着流动过程，而流动直接影响燃烧过程中的传热传质过程。火焰与流动的相互作用，涉及到火焰结构、火焰传播、火焰不稳定性等基本环节。因此本文将从预混火焰加速传播过程的内在动力学机理、火焰传播过程的不稳定性特征、火焰微观结构等方面进行深入研究。 本研究中建立了预混火焰精细结构实验台，可以用来研究管道中预混火焰传播过程中的动态特性、火焰阵面结构的变化规律以及火焰结构的不稳定性等特征。 对预混火焰传播特征进行了理论分析与数值模拟，以揭示管道中预混火焰传播的基本规律。 实验过程中，首先利用预混火焰精细实验台对丙烷一空气预混火焰的传播特性进行了实验研究： (1)重点研究了不同泄压条件下的压力波对丙烷一空气预混火焰传播特性的影响。 通过高速纹影摄像方法，清晰记录火焰传播的动态过程，包括其准确的火焰阵面位置、火焰阵面结构等。火焰加速传播过程中会产生压力波，而压力波也会反过来作用于火焰的传播过程，研究发现正是初始压力波及其反射压力波的作用，使得火焰传播速度出现先加速后减小的变化过程。另外，管道中压力波的作用是Tulip火焰结构形成的重要原因。 (2)研究了稀疏波对丙烷一空气预混火焰传播特性的影响。 实验过程中，通过不同的点火方案诱导出不同传播方向的稀疏波与火焰发生干涉作用。研究发现稀疏波对火焰结构和火焰传播过程产生重要影响。当稀疏波与火焰相遇时，火焰阵面和稀疏波会发生相互叠加，结果导致火焰迅速由层流向湍流转变。随着火焰的传播，湍流燃烧不断加强。同向稀疏波对火焰的干涉作用，整体降低了火焰传播速度，并一度出现反向传播；当湍流得到充分发展时，火焰速度又由迅速增大。而逆向稀疏波则整体加速火焰传播过程，同时随着强烈的震荡。稀疏波在促进层流向湍流转变过程中，还使燃烧室的压力产生明显的波动，进一步加快了湍流的形成。 (3)研究了当量比等初始条件对丙烷一空气预混气体火焰传播特性影响。 通过不同当量比条件下火焰流场特征分析，发现当量比条件下，火焰阵面以对称结构向前传播。贫燃条件下，火焰阵面很快变成不对称结构，然后开始形成Tulip火焰结构。富燃条件下首先形成对称的Tulip火焰结构，然后火焰阵面结构逐渐变成不对称状。影响火焰结构不对称的主要原因是浮力的作用。当量比条件下，火焰阵面对称性较好，主要是该条件下燃烧较为完全，火焰速度最大，浮力影响相对越小；而在贫燃或富燃条件下，火焰整体速度较小，浮力的作用更明显，结果导致火焰结构的不对称。 另外，通过高速纹影系统、离子探针、微细热电偶等技术及丙烷一空气预混火焰传播过程中的细微结构特性进行了深入研究，揭示了火焰结构失稳的基本原因。 (1)丙烷-空气预混火焰在管道中传播，会发生火焰结构的变化，即形成了一种典型的不稳定火焰结构。压力波产生的斜压效应与马赫杆效应导致涡量产生，是火焰阵面变形与失稳，并形成Tulip火焰结构的重要因素。 (2)研究发现，在火焰结构的变化过程中，伴随着层流向湍流的转变。在预混火焰传播初期，小尺度涡流增大反应强度，但不影响火焰阵面结构；当大尺度涡流出现后，导致火焰阵面厚度变大，同时伴随着反应区的震荡。 本文通过小尺寸精细结构实验台，对管道中丙烷一空气预混火焰的传播特性及其精细火焰结构进行了研究分析，揭示了其内在的动力学过程，为预防和抑制气体爆炸灾害的发生提供指导。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1预混火焰加速传播特性方面的研究

1.2.2预混火焰传播过程中的不稳定性的研究

1.2.3预混火焰精细结构方面的研究

1.3前人研究不足与本文研究目的

1.4本文主要研究内容及章节安排

参考文献

第二章实验系统与研究方法

2.1引言

2.2实验系统介绍

2.2.1实验管道

2.2.2实验配气系统

2.2.3高压点火系统

2.2.4纹影光学系统

2.2.5高速摄像系统

2.2.6温度与离子电流测试系统

2.2.7压力传感器

2.2.8数据采集仪

2.2.9同步控制系统

2.3实验方法与步骤

2.3.1实验方法

2.3.2实验过程与步骤

参考文献

第三章受限空间预混可燃气体燃烧爆炸特性的理论分析

3.1可燃气体爆炸过程概述

3.1.1可燃气体燃烧爆炸的基本形式

3.1.2可燃气体爆燃特性与基本理论

3.2管道内可燃气体爆炸的影响因素

3.2.1可燃气体性质

3.2.2混气化学当量比

3.2.3点火能量

3.2.4初始条件的影响

3.3管道内可燃气体火焰加速传播特性及机理

3.4管道内预混气体爆燃火焰阵面的化学反应特性

3.5管道内预混火焰传播特性的数值模拟分析

3.5.1气体爆炸的基本方程

3.5.2管道内气体爆炸数值模拟过程与结果分析

3.6本章小结

参考文献

第四章密闭管道中丙烷-空气预混火焰传播特性的实验研究

4.1概述

4.2实验系统与方法

4.3不同泄压强度对丙烷-空气预混火焰传播特性的影响

4.3.1点火端的火焰成长与发展过程

4.3.2泄压端的火焰传播特性

4.3.3本节小结

4.4稀疏波对丙烷-空气预混火焰传播特性的影响

4.4.1实验方案与实验过程

4.4.2同向稀疏波对火焰的干涉作用的实验结果分析

4.4.3逆向稀疏波对火焰的干涉作用的实验研究

4.4.4本节小结

4.5初始条件对丙烷-空气预混气体火焰传播特性影响

4.5.1概述

4.5.2当量比对预混火焰传播特性影响的实验研究

4.5.3浮力对火焰传播影响的综合分析

4.5.4本节小结

4.6本章小结

参考文献

第五章封闭管道内丙烷-空气预混火焰传播过程中精细结构特性实验研究

5.1概述

5.1.1预混火焰结构的研究

5.1.2预混火焰不稳定性

5.2预混火焰传播过程中精细结构特性的实验研究

5.2.1丙烷空气预混火焰流场特征

5.2.2火焰阵面附近离子电流分布特征

5.2.3火焰阵面附近温度分布特征

5.2.4丙烷-空气预混火焰传播过程中管道内压力变化特性

5.3丙烷-空气预混火焰的不稳定性

5.3.1压力波对火焰作用分析

5.3.2不稳定火焰的典型特征及成因分析

5.4本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1本文主要结论

6.2论文创新点

6.3下一步工作展望

在学科研和学术论文