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《河南理工大学》 2017年
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气液两相介质抑制管道瓦斯爆炸协同规律及机理研究

裴蓓  
【摘要】:可燃气体爆炸防治是我国当前工业安全和公共安全研究的热点。本文基于自行搭建的惰性气体-超细水雾惰化抑制管道瓦斯爆炸试验系统,通过对比单一抑爆剂和气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸在超压、火焰形态与结构、火焰传播速度和最大火焰温度等爆炸动态参数的变化,分析了惰性气体种类、稀释体积分数和超细水雾通入量影响气液两相介质抑制瓦斯爆炸的协同作用规律,获得了抑爆关键控制参数;并结合理论分析和数值模拟,对惰性气体和超细水雾协同抑制瓦斯爆炸的相间耦合作用机制进行了探讨,揭示了气液两相介质抑制瓦斯爆炸的协同机理,为清洁、高效惰化细水雾抑爆技术的发展提供了科学支撑。获得了惰性气体、超细水雾等单一抑爆剂对瓦斯爆炸的抑制效果。结果表明:惰性气体在抑制火焰传播速度、爆炸超压方面效果较好,超细水雾对火焰温度的抑制作用要大于惰性气体,但二者要实现对9.5%甲烷/空气预混气的完全惰化都需要相当高的浓度。获得了气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气爆炸的衰减特性,在此基础上,得到了惰性气体稀释体积分数、种类和细水雾通入量影响气液两相介质抑制甲烷/空气爆炸协同作用的变化规律,以及气液两相介质抑制瓦斯爆炸的关键控制参数。研究结果表明:气液两相介质抑制9.5%的甲烷/空气爆炸表现出了明显的协同增效作用。在少量惰性气体与超细水雾共同作用下,最大火焰传播速度及其峰值来临时间、最大超压及其峰值来临时间均出现了显著下降与延迟;最大火焰温度较单一抑爆剂作用时也有明显下降。从火焰形状特征上看,与纯细水雾工况相比,在较低的气液两相介质控制参数下,初期火焰结构中的胞格数量有明显减少,甚至当其控制参数大于一定程度后,已燃区胞格消失。同时,火焰形状产生了“斜面型”,甚至“蛇型”等不对称结构。然而,气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气爆炸的协同抑制效果并不是随着惰性气体体积分数与超细水雾通入量的增加而线性增长的。当惰性气体体积分数和超细水雾通入量增至一定程度后,协同抑爆增效作用会有显著提高;然而,惰性气体体积分数和超细水雾通入量继续增加,抑爆增效作用的增长幅度逐渐缩小。因此,为了达到一个经济、合理的控爆效果,气液两相介质的控制参数应有个合理值。根据本文的研究,当CO_2、N_2、He和Ar四种惰性气体稀释体积分数达到14%、细水雾通入量8.4mL(质量浓度694.4g/m~3)后,均能对9.5%的甲烷/空气爆炸产生良好的抑制效果,且协同抑爆效果远远优于单一抑爆剂。其中CO_2与超细水雾的协同抑爆效果最好,而N_2、He和Ar等与超细水雾的协同抑爆水平相差不大。18%-CO_2-12.6mL超细水雾(质量浓度1041.7g/m~3)时,能实现对管道内9.5%甲烷/空气的完全惰化。这些说明气液两相介质在提高抑爆效果同时,能明显减少惰性气体和细水雾的用量,降低了对惰性气体种类的限制,便于在可燃气抑爆工程中应用推广。结合数值模拟,获得了气液两相抑制剂作用下反应区的液相温度分布、水雾蒸发速率及气相反应速率的变化规律,阐明了惰性气体与细水雾协同抑制瓦斯爆炸的相间耦合作用机制。对瓦斯爆炸火焰锋面进行了传质和传热分析,揭示了气液两相介质抑制瓦斯爆炸的协同机理。即在惰性气体的优先扩散作用下,瓦斯爆炸火焰锋面的气相反应速率下降,降低了初始火焰传播速度,增强了火焰自身的稳定性,这是协同抑爆增效作用的先导机制;当火焰锋面以较低的速度遇到细水雾液滴群时,雾滴蒸发速率减缓,允许更大粒径的液滴和更长的停留时间使雾滴在火焰区蒸发,增强了对火焰阵面和已燃区的冷却作用,又如此循环,最终导致了瓦斯爆炸火焰传播和压力的衰减,惰性气体与超细水雾协同抑爆时发挥了良好的相间耦合作用,其本质是实现了对瓦斯爆炸火焰传质与传热进程的协同抑制。同时,在细水雾的拥塞和吸热作用下,加剧了火焰上浮,使火焰出现不对称结构,诱发不对称的压力波(反射波),进而降低了对未燃气体的压缩作用,最终削弱了火焰波和压力波之间相互促进的加速机制。
【学位授予单位】:河南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TD712.7

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