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金属丝网对甲烷空气预混火焰传播影响的研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-03-10  来源:中国丝网  作者:[db:作者]  浏览次数:1455

  金属丝网对甲烷/空气预混火焰传播影响的研究陈鹏12副教授杨永波1郭实龙1李艳超1纪婧1(1中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083 2中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点试验室,北京100083)学科分类与代码:6203020(爆炸安全工程)X932标志码A基金项目国家自然科学基金资助(51274205);中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点试验室开放课题(SKLCRSM10KFB13);教育部博士点基金新教师项目(20070290022)。

  金属网孔结构因对爆炸产生的火焰和压力波具有较好的抑制作用而逐渐被人们所重视。yang等通过试验发现网孔结构的位置和尺寸对火焰2试验结果及分析的发展有不同的影响,当网孔靠近点火位置时对火焰发展有激励作用。喻健良等研究了多层丝网结构对管道内气体爆炸的抑爆过程,提出临界淬熄速度、临界淬熄超压和熄爆参数等概念,并用火焰传播速度和压力来描述抑爆效果,用淬熄参数来衡量抑爆结构抑制燃烧爆炸的能力。吴征艳等在多层金属丝网结构对瓦斯爆炸传播的抑制作用机理上建立多层丝网结构抑燃抑爆的数学模型,表述了火焰传播参数、爆炸反应波参数与丝网结构参数之间的关系。nie使用泡沫陶瓷研究多孔材料对火焰传播的影响发现多孔材料可明显地吸收能量,减弱爆炸冲击波。zhang研究了泡沫陶瓷的内部结构,认为这种多孔材料的结构会使火焰发生淬熄可以有效地抑制爆炸。Radulescu在含有多孔区域的管道内用纹影照相技术和压变传感器进行试验并提出爆轰失稳是处于多孔区域的横波和三波点竟相作用的结果。Ciccarelli在管道内用直径为1.27cm的球珠组成不同厚度的多孔区域刹用离子探针、压力变送器测量多孔区域前后的火焰传播速度、火焰前锋反应区厚度,分析多孔区域厚度和孔隙对火焰传播的影响。但迄今为止,关于金属丝网结构对管道内预混燃烧压力波的影响的研究还较少。因此笔者将选用4种不同目数的金属丝网,并对其中一种改变层数进行试验研究探究金属丝网对压力波的作用机理,以期为减轻可燃性气体爆炸危害提供理论依据和数据支持,为设置安全和有效的抑爆设计提供依据。1试验系统及方法2.1金属丝网层数对压力的影响11试验系统试验系统如所示主要包括:试验管道系统、预混配气系统、点火系统、摄像系统、同步控制系统、数据采集系统等。管道由2段各长为0.5m的短管用法兰连接组成,连接处放置金属丝网,管道截面为80mmX80mm两侧面为高强透明有机玻璃板,以便试验图像的拍摄。为保证试验安全,在距管道底部60mm的上壁面设有安全阀。选用体积分数为9.5%的甲烷/空气预混气体作为研究气体,点火能为5,试验初始温度和初始压力分别为300K和101 325Pa.试验在距金属丝网65mm处对称布置2个压力测点。

  试验操作主要步骤如下:①按连接并调试各仪器设音,确保正常运行。②将金属丝网放置于管道中间,然后将试验管道抽至真空并充入预混气丝网2(1层〉中火焰传播过程自发光图像如所示,图中黑色方框为丝网位置。点火时刻,时间t=0,可以看出预混气体被点燃之后先以半球形状向前传播之后受到壁面的影响形成凸形的火焰前端在火焰传播至丝网之前火焰以层流燃烧平稳发展发展过程中火焰前端会由凸形演变成凹形。当火焰接触丝网后,火焰前端被激励为较弱的湍流燃烧火焰传播速度加快。

  选择金属丝网2,改变其层数进行试验研究,拍摄到不同层数下的火焰传播自发光图像如所示。从图像可以看出,当丝网层数少于5层时,预混火焰穿过丝网后火焰形状受到了不同程度的干扰,其中丝网为2层时,对火焰传播产生了明显的激励作用。而当丝网层数为5层时火焰未能穿过丝网,被有效地抑制。

  5层不同层数金属丝网2前后区域预混火焰传播自发光图像为改变丝网2层数时的管道内压力峰值变化对比图,对应于无金属丝网。随着丝网层数的增加,测点1的压力峰值除了在3层丝网条件下较未放置丝网时出现明显的下降外,其他几种情况均呈现微弱下降;测点2的压力峰值变化较为明显,呈现先增大后减小的趋势,当金属丝网为1层时与无金属丝网条件下的压力峰值相比稍有提高,当丝网为2层时,压力峰值增大的幅度最大,达到89.5%,随后,测点2的压力峰值呈下降趋势当金属丝网为5层时,压力测量值为,即大气压,此时火焰传播被有效抑制。另外,层金属丝网时测点1压力峰值大于比测点2压力其他4种情况下均相反。

  在充满甲烷/空气可燃混合气体的管道内,当管道内没有金属丝网存在时,预混火焰将以燃烧波的形式逐层向外扩展。可燃气体燃爆放出大量的热,使燃烧产物温度急剧上升,并产生膨胀从而导致容器内的压力上升。放置金属丝网后不同层数的金属丝网对压力波传播的干扰作用表现在:一方面不金m丝m培数2测点压力峰值与丝网2层数关系同层数的金属丝网相当于具有一定孔隙率的多孔介质对压力波产生反射、散射、吸收、减震等作用,使压力波减弱,从而使测点i的压力峰值出现不同程度的减小在试验条件下,层丝网最为明显;另一方面在预混火焰传播过程中金属丝网相当于障碍物对压力波有一定的激励效应,预混火焰穿过金属丝网时由层流火焰转变成湍流火焰,使单位时间内燃烧的预混气体增多导致单位时间内释放的能量增大,压力上升速率加快,这使预混火焰在管道内传播与外界的热量交换减少,致使测点2的压力峰值增大。丝网层数为2时,测点2的压力峰值与自发光图像也证实了这一点。最后,当金属丝网厚度达到一定程度时火焰穿过丝网时燃烧放出的热量被金属丝网吸收而不能引燃丝网后边的预混气体,使得火焰发生淬熄起到抑爆的作用。

  2.2金属丝网种类对压力的影响2测点压力峰值与丝网种类关系丝网i的测点i的压力峰值明显的上升相比无金属丝网时的压力峰值增大66.7%,测点2的压力峰值明显的下降,下降幅度达到26.9%;而丝网2、丝网3、丝网4条件下测点1的压力峰值并未出现明显变化,测点2的压力峰值则出现小幅度的上升。另外,丝网1的测点1的压力峰值大于测点2的峰值,但是其他情况下均呈现相反规律。

  分析可知,金属丝网1的目数较多,孔径小,对压力的传播起到了一定的抑制作用,而由于其致密的结构,当压力波传导至金属丝网面时出现一定的反射,所以网前压力峰值明显的上升而网后压力峰值下降。丝网2、丝网3、丝网4的目数较少孔径较大这3种金属丝网的存在相当于上述分析的多孔介质,当火焰经过这些丝网时被激励为弱湍流火焰,使测点2压力出现小幅度的增大。

  3结论金属丝网对压力波有反射作用使网前峰值超压增大;同时金属丝网对压力波有吸收效应,压力波进入丝网时能量发生衰减从而表现出吸波效应使网前峰值超压减小。

  金属丝网一定程度上相当于障碍物能将层流燃烧激励成湍流燃烧,同时使燃烧加剧从而网后峰值超压增大;另一方面,当丝网达到一定层数时,火焰穿过丝网时发生淬熄。

  结构不同的金属丝网对管道内压力波的影响各不相同,甚至会出现截然相反的结果,这为金属丝网抑爆设计提供有效依据。

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