管道中氢气甲烷混合燃料爆燃预混火焰传播特征研究.doc

管道中氢气/甲烷混合燃料爆燃预混火焰传播特征研究瓦斯爆炸是我国煤矿井下最严重的灾害事故之一,往往造成重大人员伤亡和财产损失。为了更好地预防瓦斯事故的发生,国家大力推广煤层瓦斯抽采,并对抽采出来的瓦斯进行综合利用。然而对抽采瓦斯的工业综合应用受到了其本身燃烧特性的限制,如较高的点火温度,较低的层流火焰速度以及较窄的燃烧极限等,因此向甲烷中添加氢气作为一种可行的解决问题方式近年来受到了学者们大量关注。但加氢后改变了甲烷的燃烧特性,会显著降低混合燃料的点火能量,提高燃烧速率以及拓宽燃烧极限,进而显著增加氢气/甲烷混合燃料火灾爆炸事故的危险性,因此需相应开展氢气/甲烷混合燃料爆炸预混火焰传播过程研究。本文以预混火焰结构、火焰传播速度以及超压等特征参数为研究对象,通过实验与数值模拟研究了氢气/甲烷/空气混合燃料爆燃预混火焰传播特征。通过研究获得的主要成果如下:(1)通过开口管道实验研究了添加氢气与管道尺寸变化对火焰传播特征影响,发现添加氢气能够明显缩短火焰传播到管道出口所需时间,同时爆炸压力峰值随着氢气体积分数增大而增大。开口管道中“郁金香”火焰现象随着管道截面与氢气体积分数的增大而逐渐消失,而随着管道长度的增大而变得更加明显。此外,不管有无“郁金香”火焰形成,最大火焰传播速度出现在长径比为10的管道中。爆炸超压峰值均随着管道截面面积增大而下降且随着管道长度增大而增大。反之到达超压峰值所需时间随着管道截面与长度增大均出现上升。(2)通过闭口管道氢气/甲烷预混火焰传播实验,分析了长径比对火焰传播特征影响。所有工况下均能观测到明显的“郁金香”火焰现象,但当管道长径比最小时,只观察到了经典的“郁金香”火焰形成。随着氢气体积分数与管道长径比的变化“郁金香”火焰形成之后会分别以准平面结构、“郁金香”结构以及扭曲的“郁金香”结构火焰传播。火焰传播速度变化与超压密切相关,二者均随氢气体积分数增大而增大,且随着氢气体积分数与管道长径比的增大出现震荡并逐渐增强。(3)通过障碍物管道中火焰传播特征研究,分析了障碍物数量、位置与阻塞率等因素对氢气/甲烷火焰传播过程影响。当管道中存在障碍物时,同一工况下不同当量比与氢气体积分数的混合气体预混火焰传播结构基本一致。当障碍物位于管道中间时,数量超过2后其对预混火焰传播过程影响区别不大,并且在管道中障碍物较少时,超压峰值呈现出与层流火焰传播速度变化相似变化规律。当障碍物阻塞率与位置发生改变时,爆炸超压与火焰传播速度均随着障碍物阻塞率的增大而增大。(4)通过大涡模拟数值研究了无障碍物闭口管道中氢气/甲烷空气预混火焰传播过程,结果表明采用Charlette与Zimont模型预测预混火焰结构与实验结果均较为吻合,特别是在早期火焰阶段大涡模拟能够较好的预测火焰传播过程。预混火焰传播过程中火焰前锋和已燃、未燃气体区域的形成的逆向流动与涡旋间相互作用是火焰前锋结构变化直接原因。当燃料中氢气体积分数φ=0.5时模型预测结果与实验值误差最小,而相反的结果却出现在φ=0和1时,但总体上φ=1时两种模型预测结果与实验值之间的差别要远大于φ=0、0.5时的结果。以上研究成果对预防与控制氢气/甲烷爆炸事故发生具有重大的理论意义和工程应用价值。