瓦斯爆炸火焰精细结构及动力学特性的实验-矿业114网 
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瓦斯爆炸火焰精细结构及动力学特性的实验
2011-08-04
为揭示约束条件下瓦斯爆炸火焰结构的动力学演化过程,通过实验研究了管道内瓦斯爆炸 火焰的动力学行为及其对火焰阵面结构的影响规律。实验过程中采用高速纹影摄像技术清晰捕捉 到了瓦斯火焰传播过程中的细微结构特性,分析了火焰速度与压力波对火焰结构的干涉作用; 研究 发现火焰局部速度变化是火焰结构变化的直接因素,而流动与火焰面相互作用是火焰结构变化的 内在原因; 压力波直接影响火焰表观速度,而其内在作用是对流动的干涉过程导致湍流强度增大, 进而使火焰阵面结构发生失稳变形。
第 卷 第 期 月 煤 炭 学 报 年 文 章 编号 � � � 瓦 斯 爆 炸 火焰 精 细结 构 及 动 力 学 特 性 的 实 验 , 陈 先 锋 ,陈 明 ,张 庆 明 ,张 建 华 ,易 长 平 � 武 汉 理 工 大学 资源 与 环 境 工 程 学 院 ,湖 北 武 汉 � 北京理 工 大学 爆炸 科 学 与 技 术 国家 重 点 实 验 室 ,北京 � 摘 要 �为 揭 示 约 束 条 件 下 瓦 斯 爆 炸 火 焰 结 构 的 动 力 学 演化 过 程,通 过 实 验 研 究 了 管 道 内 瓦 斯 爆 炸 火 焰 的 动 力 学 行为 及 其 对 火 焰 阵 面 结 构 的 影 响 规律 实 验 过 程中 采 用 高 速 纹 影 摄 像 技 术 清 晰 捕 捉 到 了 瓦 斯 火 焰 传 播 过 程中 的 细微 结 构 特 性 ,分 析 了 火 焰 速 度 与 压 力 波 对 火 焰 结 构 的 干 涉 作 用 �研 究 发 现 火 焰 局 部 速 度 变 化 是 火 焰 结 构 变 化 的 直 接 因 素 ,而流 动 与 火 焰 面 相 互 作 用 是 火 焰 结 构 变 化 的 内 在 原 因 �压 力 波 直 接 影 响 火 焰 表 观 速 度 ,而其 内 在 作 用 是 对 流 动 的 干 涉 过 程导 致 湍 流 强 度 增 大 , 进 而使火 焰 阵 面 结 构 发 生 失 稳 变 形 关 键 词�瓦 斯 爆 炸 �火 焰 结 构 �高 速 纹 影 �压 力 波 中 图 分 类 号 � 文 献 标志 码 � , , , , , � , , , � , , , � � , , , , , , � � � � [ ] ,而火 焰结 构 及 其 不 稳 定 性 与 火 焰加 速 传 播 特 因 此 本文 将从预 混 火 焰加 速 传 播 在 瓦 斯 爆炸 火 焰传 播 过程 中 ,通 常存 在 着火 焰加 速 过程 ,从而导 致 压 力 骤 升 ,造 成 爆炸 灾 害 火 焰加 速 传 播 过程 中 ,通 常伴 随着流 动 过程 ,而流 动 直 接 影 响 燃 烧 过程 中 的 传 热传 质 过程 火 焰与 流 动 的 相 互 作用 ,涉 及 到 火 焰结 构 火 焰传 播 火 焰不 稳 定 性 等 基 少 性 有 着密 切 关 系 过程 的 动 力 学 过程 及 其 对 火 焰阵 面 结 构 影 响 规 律 等 方 面 进 行 深 入 研 究 ,揭 示 瓦 斯 爆炸 火 焰传 播 过程 中 的 内 在 机 理 ,从而为更 好 地 预 防 和 抑 制 气 体 爆炸 灾 害 提 供 指 导 [ ] 本环 节 目 前 ,不 少 学 者 对 约束 条 件 下 气 体 爆炸 [ ] 火 焰传 播 的 动 力 学 过程 进 行 了 系 统 研 究 ,且 重 点 本研 究 通 过建 立 预 混 火 焰加 速 传 播 实 验 台 ,采 用 高 速 纹 影 系 统 与 动 态 测 试 技 术 ,分 析 管 道 中 预 混 火 焰 传 播 过程 中 的 动 态 特 性 �火 焰速 度 压 力 � 对 火 焰阵 研 究 了 爆炸 火 焰传 播 速 度 压 力 变 化 等 宏 观 参 数 ,但 对 火 焰阵 面 结 构 特 性 及 其 影 响 因 素 方 面 的 研 究 较 收 稿 日 期 � 基 金 项 目 �国家 自然 科 学 基 金 资助 项 目 � 基 金 资助 项 目 � 作者 简 介 �陈 先 锋 � 责 任 编辑 �毕永 华 ��教 育 部 博 士 点 专 项 基 金 资助 项 目 � ��爆炸 科 学 与 技 术 国家 重 点 实 验 室 开 放 � �,男 ,湖 北应 城 人 ,副 教 授 ,博 士 � 第 期 陈 先 锋 等 �瓦 斯 爆炸 火 焰精 细结 构 及 动 力 学 特 性 的 实 验 面 结 构 的 影 响 规 律 实 验 系 统 由 于 温 度 浓 度 压 力 对 火 焰结 构 的 影 响 直 观 上 都 反 映 为密 度变 化 ,因 此 通 过纹 影 图 像 可 清 晰 再现 火 焰内 [ ] 部 流 场 结 构 的 变 化 结 合 高 速 摄 像 技 术 能 记 录 火 实 验 装置 焰与 压 力 波 传 播 过程 中 流 场 结 构 的 瞬 时 动 态 演 化 过 程 实 验 系 统 结 构 如 图 所 示 ,由 实 验 管 道 数 据 采 集 系 统 高 速 摄 像 仪 纹 影 摄 像 系 统 和 同 步 控 制 系 统 图 为通 过高 速 纹 影 图 片 解 析 得 到 的 瞬 时 火 焰 速 度与 其 对 应 的 火 焰阵 面 结 构 ,它 清 晰 展 示 了 当 量 比 条 件 下 甲 烷 空 气 预 混 火 焰传 播 中 火 焰阵 面 结 构 变 化 的 细微 动 态 过程 等 组成 距 为 纹 影 系 统 由 一 个 碘 钨 灯 光 源 两 个 焦 的 凹面 镜 聚 焦 透 镜 及 控 制 刀 口 等 组成 实 验 管 道 断 面 为正 方 形 ,其 内 部 尺 寸为 , 为便于 观 测 燃 烧 管 道 内 火 焰的 传 播 特 性 及 火 焰的 加 速 成 长 等 过程 ,管 道 侧 壁 由 高 强 度光 学 玻 璃 材 料 制 成 另 外 在 管 道 内 壁 布 置 高 频 动 态 压 力 传 感 器 ,并 结 合 纹 影 摄 像 来 测 试 该 处 的 火 焰结 构 与 动 力 学 特 性 统 光 路 中 央 实 验 过程 中 实 验 管 道 置 于 纹 影 系 图 火 焰阵 面 结 构 与 火 焰传 播 速 度的 关 系 从纹 影 图 片 可 以 清 晰 看 到 ,在 预 混 火 焰发 展 初 期 ,基 本处 于 层 流 状态 �火 焰阵 面 以 规 则 的 球 面 波 形 状向 前 传 播 ,已 燃 气 和 未 燃 气 被 这 层 很 薄的 火 焰阵 面 隔 开 时 刻达 到 最大值 �随后 火 焰阵 面 结 构 开 始 发 生 变 化 , 即 火 焰面 曲 率 先 变 小 ,到 前 后 形 成 平 面 结 此 阶 段火 焰速 度逐 渐 增 大,到 左右 图 实 验 系 统 结 构 构 ,表明 火 焰表面 积 达 到 最小 值 ,根 据 表面 燃 烧 理 论 可 知 ,此 时 化 学 反 应 放 热速 率 也 随之 降 低 ,结 果 使 得 实 验 过 程 首 先 按图 所 示 调 整 好 实 验 系 统 的 各 仪 器 设 备 对 实 验 管 道 进 行 抽 真 空 ,然 后 充 入 按一 定 化 学 计 量 比配 制 并 已 混 合 均 匀 的 甲 烷 空 气 预 混 火 焰传 播 速 度迅 速 减 小 ,到 时 达 到 最小 值 � 并 进 行 调 试 同 时 ,火 焰阵 面 开 始 在 轴 向 上 被 拉 伸 ,火 焰厚 度逐 渐 变 大 结 合 纹 影 图 片 结 果 可 知 ,在 火 焰速 度达 到 最小 值 时 ,火 焰阵 面 结 构 发 生 反 转,逐 渐 形 成 中 部 向 内 凹 气 ,使 其 内 部 压 力 达 到 薄膜 约束 后 ,火 焰便会 在 管 道 中 向 右 传 播 ,并 在 管 道 开 口 端 当 电火 花 点 燃 预 混 气 火 焰阵 面 的 变 化 过 用 厚 [ ] 陷 的 火 焰结 构 ,即 典 型 的 此 后 , 随着 火 焰的 发 展 ,火 焰阵 面 逐 渐 出 现 卷 曲 皱 ,火 焰整 体 厚 度和 表面 积 也 不 断 加 大,表明 不 断 强 化 的 涡 流 开 始 影 响 火 焰阵 面 形 状和 结 构 此 后 ,随着 火 焰结 构 褶 程 将由 高 速 纹 影 摄 像 系 统 和 压 力 传 感 器 等 进 行 记 录 和 测 量 高 速 摄 像 仪 � 据 采 集 仪 � , � 和 高 速 数 � 的 启 动 时 湍 流 强度的 增 大,反 应 强度和 热释放 速 率 得 到 加 强, 从而导 致 火 焰速 度震 荡 上 升 , 间 ,以 及 高 压 点 火 器 的 点 火 开 始 时 间 均 由 同 步 控 制 装 置 来 实 现 具 体 的 实 验 条 件 �甲 烷 空 气 混 合 当 量 比 �高 速 摄 根 据 � � 关 于 火 焰传 播 的 褶 皱 表 面 燃 烧 理 论 ,在 火 焰阵 面 结 构 的 变 化 过程 中 ,伴 随着 明 显的 湍 流 作用 该 理 论 还 认 为,湍 流 火 焰的 结 构 和 � 点 火 电压 �点 火 时 间 像 仪 拍 摄 频 率 � 数 据 采 样 频 率 火 焰传 播 速 度 燃 烧 与 流 动 过程 中 的 传 热与 传 质 以 及 能 量 的 耗 散 等 密 切 相 关 ,湍 流 火 焰内 部 的 大尺 度涡 结 构 通 过对 流 扭 曲 ,加 剧 了 火 焰锋 面 的 褶 皱 状,使 锋 面 实 验 结 果 与 分 析 基 于 高 速 纹 影 的 火焰 结 构 与 火焰 传 播 速 度 特 性 到 面 积 增 大,从而影 响 了 火 焰的 传 播 时 , 纹 影 摄 像 是 利 用 流 场 对 光 折 射 的 原 理 产 生 图 像 , 大尺 寸湍 流 已 经 出 现 并 开 始 对 火 焰形 状和 结 构 产 生 煤 炭 学 报 年 第 卷 影 响 ,诱 发 火 焰褶 皱 和 分 离 ,结 果 大大增 加 了 火 焰表 面 积 ,强化 燃 烧 过程 并 最终 导 致 层 流 火 焰向 湍 流 的 迅 [ ] 速 转变 影 响 火 焰阵 面 结 构 的 因 素 较 多 , 一 般认 为 在 数 � 表示 多 组分 气 体 中 热扩 散 和 质 量 扩 散 之 比�不 等 于 的 情 况 下 ,火 焰阵 面 会 发 生 弯 曲 使 化 学 [ 反 应 放 热和 扩 散 不 平 衡 ,从而改变 火 焰传 播 速 度 ] � 另 外 如 果 预 混 气 体 中 某 组分 的 扩 散 速 度高 于 其 他 组 分 ,反 应 区 中 浓 度梯 度方 向 与 该 处 流 线 不 一 致 ,则 会 图 火 焰阵 面 结 构 与 爆炸 压 力 的 关 系 导 致 火 焰速 度的 变 化 ,即 提 出 的 扩 散 效 逐 渐 形 成 了 明 显的 图 片 可 以 看 到 ,在 火 焰结 构 ,结 合 此 时 的 纹 影 火 焰结 构 的 上 下 侧 出 现 了 小 [ ] 应 ,它 是 火 焰阵 面 形 状和 局 部 火 焰速 度共 同 作用 的 结 果 根 据 的 模 型 ,皱 褶 锋 面 火 焰的 局 的 涡 流 和 褶 皱 ,并 逐 渐 向 整 个 火 焰阵 面 发 展 ,导 致 火 焰阵 面 撕 裂 和 卷 曲 由 于 火 焰传 播 速 度较 小 � 最大 �, 数 并 不 足 够 大,因 此 不 会 自发 产 生 湍 流 �由 此 可 见 ,在 火 焰结 构 变 化 过程 中 产 生 的 湍 流 主 要 是 压 力 波 及 其 反 射 压 力 波 共 同 作用 的 结 果 压 力 部 传 播 速 度 与 层 流 火 焰传 播 速 度 之 间 的 关 系 可 以 表示 为 值 [ ( ) ] 式 中 , 为与 火 焰厚 度同 一 量 级 的 特 征 长 度� 为 波 对 火 焰作用 的 表观 特 征 是 影 响 火 焰传 播 速 度,而其 内 在 作用 是 导 致 层 流 向 湍 流 转变 ,并 最终 影 响 火 焰阵 面 结 构 的 变 化 火 焰阵 面 在 该 处 的 曲 率 半径 � 为流 场 的 曲 率 半 径 从高 速 纹 影 图 片 看 , 火 焰形 成 的 直 接 原 因 是 火 焰阵 面 局 部 速 度变 化 ,即 火 焰传 播 速 度从火 焰轴 线 向 两 侧 逐 渐 增 大 从 的 模 型 可 以 看 出 , 结 论 � �管 道 内 爆炸 火 焰传 播 过程 中 ,火 焰阵 面 结 构 影 响 局 部 火 焰速 度变 化 的 基 本过程 ,即 当 流 场 与 火 焰 阵 面 曲 率 半径 相 同 时 ,火 焰以 整 体 层 流 火 焰速 度传 播 �反 之 ,局 部 火 焰速 度会 发 生 变 化 ,从而导 致 火 焰面 与 形 状会 发 生 明 显变 化 ,通 过高 速 纹 影 技 术 清 晰 记 录 了 火 焰阵 面 结 构 的 细微 变 化 过程 �在 火 焰速 度达 到 最 小 值 时 形 成 了 典 型 的 火 焰结 构 �火 焰结 构 的 变 结 构 的 变 化 因 此 可 以 看 出 ,流 动 与 火 焰面 相 互作用 [ ] 化 过程 中 伴 随着湍 流 强度不 断 增 大,流 动 与 火 焰面 相 互作用 是 火 焰结 构 变 化 的 内 在 原 因 是 火 焰结 构 变 化 的 内 在 原 因 爆 炸 压 力 对 火焰 阵 面结 构 的 影 响 规 律 � �火 焰结 构 演 化 过程 中 伴 随着流 场 压 力 的 变 图 为实 验 过程 中 捕 捉 到 的 爆炸 压 力 与 其 对 应 化 ,压 力 波 及 其 反 射 波 直 接 影 响 火 焰表观 速 度,而其 内 在 作用 是 对 流 动 的 干 涉 过程 导 致 湍 流 强度增 大,进 而使 火 焰阵 面 结 构 发 生 失 稳 变 形 的 火 焰阵 面 结 构 期 为等 压 燃 烧 ,当 压 力 曲 线 显示 ,在 层 流 火 焰传 播 初 后 ,压 力 开 始 上 升 �结 合 图 可 知 ,此 阶 段火 焰速 度也 随压 力 值 的 增 大而增 加 ,但 火 焰阵 面 并 没 有 发 生 显著 变 化 ,仍 为球 面 波 形 状向 前 传 播 而到 左右 时 ,火 焰速 度达 到 最大值 ,此 后 火 焰速 度随压 力 增 大而减 小 ,根 据 本课 参 考 文 献 � [ ] , , , [ ] , , � �� [ ] 题 组前 期 的 研 究 成 果 ,此 过程 正 是 火 焰加 速 传 播 [ ] 范 宝春,江 强,董 刚 ,等 激 波 与 火 焰的 相 互作用 过程 [ ] 过程 中 产 生 的 压 力 波 与 反 射 压 力 波 共 同 作用 的 结 果 在 火 焰传 播 初 期 ,反 射 压 力 波 较 小 ,并 不 足 以 影 响 火 焰传 播 和 火 焰结 构 爆炸 与 冲 击 , , � �� , , , [ ] , , � 谢 �� 波 ,范 宝春,王 克 全 ,等 挡 板 障碍 物 加 速 火 焰传 播 及 其 超 � �� 反 射 压 缩 波 随压 力 波 的 增 大而增 大,在 [ [ ] ] 后 ,在 反 射 压 力 波 的 作用 下 ,产 生 逆 向 流 动 ,火 焰传 播 受 到 抑 制 ,而管 道 内 压 力 在 反 射 压 力 波 叠 加 下 继续 增 大�结 合 纹 影 图 片 分 析 ,此 时 的 火 焰阵 面 形 状也 开 始 压 变 化 的 实 验 研 究 [ ] 煤 炭 学 报, , , , , [ ] 发 生 变 化 ,到 时 ,几 乎 形 成 了 平 面 状的 火 焰 , , � �� 何 学 秋 ,杨 艺 ,王 恩元 ,等 障碍 物 对 瓦 斯 爆炸 火 焰结 构 及 火 结 构 ,此 后 火 焰传 播 速 度开 始 减 小 �随着火 焰的 传 播 , 第 期 旻先 旻等 旻瓦 斯 爆炸 火 焰精 旻旻构 及 旻力 学 特 性 的 旻旻 焰旻播 影 响 的 研 究 [ ] 煤 炭 学 旻, , 旻旻旻 , , , [ ] , , 旻 [ ] , , 旻 旻旻 [ [ ] ] , , [ ] [ [ [ [ [ ] ] ] ] ] 林 柏泉 瓦 斯 爆炸 旻力 学 特 征 参 数 的 旻定 及 其 分 析 [ ] 煤 炭 学 , , 旻旻旻 旻, , 旻旻旻 原 旻,旻孝 旻 湍 流 和 旻混 火 焰相 互作用 的 旻旻研 究 [ ] 工 程 旻物 理 学 旻, , , 旻旻旻 [ ] , , 旻旻旻 [ ] 曲 志 明 ,周 心 旻,王 海 燕 ,等 瓦 斯 爆炸 冲 旻波 超 旻的 衰 减 旻律 , , 旻旻旻 , [ ] 煤 炭 学 旻, , , 旻旻旻 , [ ] , , [ ] [ ] , , 旻 , , , 旻旻旻 [ [ ] ] , [ ] 旻 旻健 良 ,周 崇 ,刘 旻杰 管 道 内 旻混 气 体 爆燃 旻程 的 旻旻研 究 , 旻 [ ] 石 油 与 天 然 气 化 工 , , 旻旻旻 , , , , [ ] [ ] , , 旻 旻旻 , , 旻旻旻 旻 勇 ,旻旻民 ,旻宏 旻,等 湍 流 旻散 火 焰旻微 旻构 特 性 分 析 [ ] 旻先 旻 丙旻 空 气 旻混 火 焰微 旻旻构 及 加 速 旻播 旻程 中 的 旻 力 学 研 究 [ ] 合 肥 旻中 国科 学 技 旻大学 , [ ] 燃 旻科 学 与 技 旻, , 旻旻旻 , , , [ ] [ ] 旻 , , , 旻旻旻 , , , 年 � � � 煤 炭 学 报 英 文 版�征 订启 事 � � 是 由 中 国 煤 炭 学 会 主 办 的 向 国 内 外 公 开 发 行的 英 文 版 煤 炭 科 学 技 术 方 面 的 综 合 性 学 术 刊 物 主 要刊 载 煤 田 地 质 与 勘 探 煤 矿 开 采 矿 山 测 量 矿 井 建 设 煤 矿 安全 煤 矿 机 械 工 程 煤 矿 电 气 工 程 煤 炭 加 工 利 用 煤 矿 环 境 保 护 等 方 面 的 科 学 研 究 成 果 论 著 和 学 术 论 文 ,以 及 煤 矿 生 产 建 设 企 业 管 理 经 验 的 理 论 总 结 ,也 刊 载 重 要学 术 问 题 的 讨 论 及 国 内 外 煤 炭 科 学 技 术 方 面 的 学 术 活 动 简 讯 煤 炭 学 报 英 文 版 � � 是 向 世 界 传 播 我 国 煤 炭 科 学 技 术 的 重 要媒 体 ,对 加 强 中 外 科 学 技 术 交 流 ,宣 传 我 国 煤 炭 科 学 成 就 ,提 高 我 国 煤 炭 科 学 技 术 的 国 际 地 位 将 起 到 重 要的 作 用 炭 学 报 英 文 版 和 中 文 版 具 有 不 同 的 刊 登 内 容 和 各 自 的 特 点 煤 炭 学 报 英 文 版 为 季 刊 ,每 期 页 ,每 册 国 内 订价 及 时报道 我 国 煤 炭 科 技 新 理 论 新 技 术 新 经 验 也 是 煤 炭 学 报 英 文 版 的 主 要任 务 煤 元 ,全 年 共 收 费 元 订阅 者 可 直 接 和 本 编 辑 部 联 系 ,订单 函 索 即 寄 ,编 辑部 随 时办 理 订阅 手续 本刊 地 址 �北京市 和 平 里 煤 炭 科 学 研 究 总 院 内 煤 炭 学 报 编 辑部 邮 政 编码 � 联 系 电 话 �旻 旻 , 旻 ,
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