發(fā)布時間：2020-05-16 02:31

【摘要】：隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步,化石能源日益枯竭,環(huán)境污染問題日益嚴重,全球?qū)η鍧嵖商娲茉吹男枨笈c日俱增。可燃氣體由于其清潔高效、來源廣泛等優(yōu)勢而受到廣泛的關(guān)注和青睞。然而,可燃氣體通常具有易燃、易爆、易泄漏、點火能低等危險特性,一旦控制或使用不當(dāng),容易引發(fā)火災(zāi)爆炸等災(zāi)難事故。可燃氣體在實際工業(yè)應(yīng)用中主要通過管道進行輸送。由于可燃氣體控制難度較大,重大火災(zāi)和爆炸事故在全球范圍內(nèi)每年都有發(fā)生。因此,為了可燃氣體的安全和工程應(yīng)用需要,開展密閉管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)及抑制方法研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義。本文旨在研究密閉管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)特性,進而探索有效的預(yù)混火焰抑制方法。首先,通過預(yù)混火焰?zhèn)鞑嶒炏到y(tǒng),對密閉管道內(nèi)典型可燃氣體-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)特性進行了對比研究。選用具有不同化學(xué)反應(yīng)活性的四種可燃氣體,包括甲烷、天然氣、乙炔和氫氣。采用高速紋影攝像系統(tǒng)捕捉火焰形狀變化并確定火焰前鋒速度,采用壓力傳感器記錄壓力隨時間的變化過程。研究結(jié)果表明,可燃氣體特性直接影響火焰行為。經(jīng)典tulip火焰形成的當(dāng)量比范圍為:甲烷0.79≤Φ≤1.30,天然氣0.72≤Φ≤.44,乙炔0.40≤Φ≤1.70,氫氣0.60≤Φ≤5.56。變形tulip火焰形成的當(dāng)量比范圍為:乙炔Φ=1.00,氫氣1.00≤Φ≤2.38,甲烷和天然氣均沒有形成變形tulip火焰。與純甲烷相比,天然氣中存在的少量乙烷和丙烷加速了火焰?zhèn)鞑ゲ⒃龃罅藟毫�。同時,與天然氣和甲烷相比,乙炔具有更快的火焰前鋒速度和更高的壓力。氫氣由于具有最高的化學(xué)反應(yīng)活性而產(chǎn)生了最快的火焰前鋒速度和最大壓力。當(dāng)量比接近Φ=1.00時,Bychkov等人提出的火焰裙邊運動理論預(yù)測結(jié)果與實驗值吻合較好,該理論更適用于預(yù)測乙炔和氫氣等高化學(xué)反應(yīng)活性氣體的火焰裙邊運動特性。隨后,分別選擇甲烷和氫氣作為低化學(xué)反應(yīng)活性和高化學(xué)反應(yīng)活性氣體的代表,通過預(yù)混火焰抑制實驗系統(tǒng)揭示了單層金屬絲網(wǎng)和多層金屬絲網(wǎng)對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊�。研究結(jié)果表明,與無金屬絲網(wǎng)的情況相比,金屬絲網(wǎng)使得tulip火焰的形成時間提前,并且火焰前鋒反轉(zhuǎn)程度減弱。這主要歸因于金屬絲網(wǎng)能夠提前火焰前鋒與壓力波的相互作用時間并削弱二者的相互作用強度。此外,金屬絲網(wǎng)還增強了未燃區(qū)氣體的氣流擾動,并在火焰通過抑制段后產(chǎn)生更劇烈的燃燒。對于單層金屬絲網(wǎng),隨著目數(shù)增加,火焰淬熄性能不會持續(xù)增強,因為其抗破壞性能在實際應(yīng)用中也非常重要。由于未燃區(qū)氣體流速的降低被可燃氣體混合物燃燒速度的增大抵消,單層金屬絲網(wǎng)對上游管道的火焰前鋒速度沒有明顯抑制效果。多層金屬絲網(wǎng)可以有效地衰減最大火焰前鋒速度、最大壓力和最大聲音分貝值,并且抑制效果隨著層數(shù)和目數(shù)的增加而增強。然后,系統(tǒng)地分析了多層金屬絲網(wǎng)作用下火焰淬熄的影響因素,包括:可燃氣體特性、溫度和壓力、可燃氣體中的摻雜物、當(dāng)量比、金屬絲網(wǎng)體積、布置方式和點火位置等。研究發(fā)現(xiàn),可燃氣體特性、溫度和壓力、可燃氣體中的摻雜物、當(dāng)量比等通過影響層流燃燒速度進而影響火焰淬熄結(jié)果。明確了臨界淬熄參數(shù)與金屬絲網(wǎng)體積之間的關(guān)系。研究表明,隨著金屬絲網(wǎng)體積的增加,臨界淬熄速度幾乎呈線性增加。然而,最大臨界淬熄壓力保持在約0.115MPa的恒定值。與貧燃情況相比,金屬絲網(wǎng)對富燃情況具有更好的抑制效果。此外,研究發(fā)現(xiàn),通過改變金屬絲網(wǎng)之間的間距可以改變其火焰淬熄性能。火焰是否發(fā)生淬熄其實只是火焰加速效應(yīng)和壁面淬熄效應(yīng)之間競爭的結(jié)果。點火位置顯著影響火焰淬熄情況。對比了三個不同的點火位置,以確�；鹧嬉匀齻�不同的階段傳播到抑制段內(nèi)。點火位置1時tulip火焰完全形成;點火位置2時火焰前鋒曲率增大,tulip火焰尚未形成;點火位置3時為指尖形火焰。研究發(fā)現(xiàn),點火位置越靠近金屬絲網(wǎng),火焰越容易發(fā)生淬熄。當(dāng)火焰從管道封閉端開始時,tulip火焰本質(zhì)上是由壓力波和火焰前鋒之間相互作用產(chǎn)生的渦旋導(dǎo)致的。然而,當(dāng)火焰從管道中心開始時,具有較長尖端的tulip火焰主要是向上下游管道傳播的火焰燃燒強度的巨大差異加劇已燃區(qū)氣流逆向流動的結(jié)果。同時,研究表明,火焰從管道中心開始的情況下,向上游管道和下游管道傳播的火焰前鋒速度共同決定了管內(nèi)壓力動力學(xué)過程。最后,討論了惰性氣體和金屬絲網(wǎng)對預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ鸟詈弦种谱饔谩Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn),C02對氫-空氣預(yù)混火焰的抑制效果比N2更好。富燃時,C02-5%對火焰前鋒速度和壓力幾乎沒有抑制作用,因為它對火焰表面積幾乎沒有影響。然而,在貧燃時,在CO2-5%的作用下,火焰前鋒速度和壓力都明顯降低。隨著濃度增加,抑制效果在25%之前持續(xù)增強,但隨著濃度從25%增大到30%變得幾乎恒定。C02濃度的增大能夠抑制水力學(xué)不穩(wěn)定性并減少火焰擾動。至于熱擴散不穩(wěn)定性,貧燃情況下CO2濃度的增大使得劉易斯數(shù)接近于1并減少火焰擾動。然而,富燃時熱擴散不穩(wěn)定性本身對水力學(xué)不穩(wěn)定性具有一定抑制作用,CO2只是增強了這一效果并進一步減弱火焰擾動。CO2稀釋和金屬絲網(wǎng)對氫-空氣預(yù)混火焰的耦合抑制作用比單獨使用兩種抑制劑中的任一種更有效。CO2稀釋促進了金屬絲網(wǎng)對貧燃氫-空氣預(yù)混火焰的抑制作用,而金屬絲網(wǎng)增強了CO2對富燃工況的抑制效果。此外,通過添加金屬絲網(wǎng),可以持續(xù)提高較高濃度CO2稀釋對氫-空氣預(yù)混火焰的抑制作用。
【圖文】：

逡逑高達２２５０萬美元。圖１．１給出了當(dāng)時爆炸事故現(xiàn)場的照片。逡逑圖１．１邋１９８４年墨西哥國家石油公司ＬＰＧ儲運站爆炸事故（圖片源于網(wǎng)絡(luò)）逡逑１９８９年，距離前蘇聯(lián)城市－烏法５０公里處的古比雪夫鐵路發(fā)生了一起嚴重逡逑的爆炸事故。導(dǎo)致這起事故的原因是兩列列車交匯時產(chǎn)生的靜電火花引燃了逡逑ＬＮＧ管道泄漏出來形成的可燃氣體云團。據(jù)估計當(dāng)時的爆炸威力相當(dāng)于１０００噸逡逑ＴＮＴ炸藥，事故直接導(dǎo)致５７５人死亡，８００多人受傷［４］。１９９７年，位于挪威Ｂｏｓｇｒｅｎ逡逑城市的Ｈｙｄｒｏ邋Ａｇｒｉ氨廠的一個直徑為８米的Ｃ０２管內(nèi)發(fā)生了氫氣爆炸事故［５］，逡逑事故導(dǎo)致８５０ｍ長的管道嚴重受損，大量周邊建筑不同程度破壞，造成嚴重的財逡逑產(chǎn)損失。２０００年２月１９日，山東三力有限公司沈陽分公司一根廢棄的天然氣地逡逑下管道發(fā)生爆炸。調(diào)查結(jié)果顯示，廢棄管道內(nèi)本身有少量的天然氣殘留，在處理逡逑廢棄管線的過程中，空氣進入管道并在點火源的作用下發(fā)生了爆炸。事故造成１５逡逑人死亡

１．２．１管道內(nèi)預(yù)混火焰?zhèn)鞑パ芯垮义希保玻保卞澹裕酰欤椋疱寤鹧驽义项A(yù)混火焰?zhèn)鞑ヒ恢倍际侨紵捅I(lǐng)域研究的重要課題。關(guān)于管道內(nèi)預(yù)混火逡逑焰?zhèn)鞑サ难芯考航?jīng)有１００多年的歷史｜｜２，１３】。早在１８８３年，Ｍａｌｌａｒｄ邋ａｎｄ邋Ｌｅ逡逑Ｃｈａｔｅｌｉｅｉ＾就首次在一個半開口長管道內(nèi)觀察到了預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程。研究發(fā)現(xiàn)：逡逑當(dāng)火焰從封閉端開始傳播時，火焰前鋒會呈現(xiàn)出向火焰?zhèn)鞑ハ喾捶较虬枷莘崔D(zhuǎn)的逡逑特殊形狀。ＥｌｌｉｓｔＷ在１９２８年首次報道了這一特別的火焰反轉(zhuǎn)圖片，如圖１．２所逡逑示。他發(fā)現(xiàn)在管道長徑比大于２的密閉管道內(nèi)，火焰前鋒會從一個向前傳播的指逡逑尖形變?yōu)橄蚣喝紖^(qū)反轉(zhuǎn)的形態(tài)，同時，隨著火焰繼續(xù)傳播，火焰會穩(wěn)定保持這樣逡逑的形態(tài)。隨后，Ｓａｌａｍａｎｄｒａ１１６在１９５９年將這一特別的火焰現(xiàn)象命名為“ｔｕｌｉｐ”火焰。逡逑隨著高速紋影攝像技術(shù)的快速發(fā)展，ｔｕｌｉｐ火焰被清晰完整的拍攝下來，并得到了逡逑廣泛的研宄。關(guān)于ｔｕｌｉｐ火焰的形成過程和機理，己有大量文獻進行了報道，但逡逑到目前為止尚未形成統(tǒng)一定論。逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ038

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本文編號：2666017