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《中国科学技术大学》 2010年
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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

何学超  
【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X=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。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK16

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 任少峰;可燃性气体泄爆动力学机理研究[D];武汉理工大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
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7 栾卫涛;李永安;;空气-空气能量回收装置阻力性能的数值模拟研究[A];2011年全国冷冻冷藏行业与山东制冷空调行业年会暨绿色低碳新技术研讨会论文集[C];2011年
8 蔡明庆;刘学来;李永安;;直埋供热管道固定墩热桥能耗分析及节能措施[A];2011年全国冷冻冷藏行业与山东制冷空调行业年会暨绿色低碳新技术研讨会论文集[C];2011年
9 王沣浩;颜亮;冯琛琛;王新轲;;地源热泵岩土热响应测试影响因素分析[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年
10 陈爱强;杨昭;尹海蛟;张娜;;长圆柱形果蔬冷激处理过程传热特性分析[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨书召;受限空间煤尘爆炸传播及伤害模型研究[D];河南理工大学;2010年
2 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年
3 李润之;点火能量与初始压力对瓦斯爆炸特性的影响研究[D];山东科技大学;2010年
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5 王革;有壁面质量注入通道流体动力学典型问题分析[D];哈尔滨工程大学;2009年
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7 徐涛;电场作用下液体乙醇微细尺度层流扩散燃烧的实验与数值模拟[D];华南理工大学;2010年
8 付强;1000MW核电站离心式上充泵水力设计与结构可靠性研究[D];江苏大学;2010年
9 左远志;熔融盐高温斜温层混合蓄热的热过程特性[D];华南理工大学;2010年
10 杨建国;电站锅炉煤粉空气富氧直接点火技术的理论及应用研究[D];浙江大学;2010年
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1 孟凡茂;煤矿主通风巷道中抑制瓦斯爆炸的细水雾两相流场数值分析[D];河南理工大学;2010年
2 左前明;煤尘爆炸特性及抑爆技术实验研究[D];山东科技大学;2010年
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4 罗富强;扁管管壳式换热器数值模拟研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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8 吴曙亮;横向来流对等离子点火器点火区域的影响[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 杨青松;中小型LNG船C型独立液货舱支座设计研究[D];大连理工大学;2010年
10 王宗鹏;基于有限体积法的液滴撞击固体平壁数值模拟[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【二级参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王岳;重力对稀燃弱湍流预混V形火焰的影响[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2002年
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1 张薇;火焰CVD法制备纳米TiO_2/炭黑的实验与理论研究[D];大连理工大学;2004年
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6 彭丽;塑料阻燃剂业呼吁国家统一标准[N];中国化工报;2003年
7 蔡世斌;预分解窑应用高灰分劣质煤煅烧熟料的技术措施[N];中国建材报;2005年
8 北京振利高新技术公司;外墙保温防火试验及建筑应用的研究(九)[N];中国建设报;2007年
9 本报记者编写;2008 HAN 六大新闻[N];中国安全生产报;2008年
10 高亚兰;电器实验测试设备再出新标准[N];国际商报;2009年
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9 李玉阳;芳烃燃料低压预混火焰的实验和动力学模型研究[D];中国科学技术大学;2010年
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2 闫丽敏;电场与小尺度火焰相互作用的实验研究及模拟分析[D];北京交通大学;2012年
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5 韩学斌;管道内甲烷—空气预混气体火焰传播特性和结构特征的研究[D];北京化工大学;2011年
6 张辉;矿井瓦斯爆炸控制材料的实验研究[D];西安科技大学;2005年
7 李江波;密闭管内甲烷—煤粉复合爆炸实验研究[D];大连理工大学;2010年
8 莫胜钧;小型航空点燃式重油活塞发动机点火及火焰传播特性的模拟研究[D];北京交通大学;2012年
9 童宇;井下巷道内瓦斯爆炸阻爆技术研究[D];中北大学;2009年
10 汪晓伟;基于KIVA-3V软件的柴油机火焰浮起长度的数值模拟研究[D];天津大学;2010年
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