小尺度管道中甲烷—氧气爆炸特性实验研究

【摘要】：伴随着经济发展国家进步人民生活水平不断提高的进程,可燃气体能源的利用幅度也在不断增大,特别是清洁能源开始逐渐走进人们的生产生活中。随之而来的是可燃气体泄露可能引发的爆炸事故,将给人民生命财产安全造成极大的危害。而可燃气体爆炸事故发生过程十分复杂,其中初始环境条件对其影响尤为明显,因此研究初始条件对可燃气体的爆炸特性的影响具有较为重要的实际意义。本文通过自制的含有完全透明视窗的小尺度管道系统,研究了小尺度管道中不同初始条件下甲烷和氧气混合气体的爆炸特性,包括爆炸火焰传播特性和爆炸超压两个方面,研究成果如下:(1)独立设计了一面为完全透明的小尺度方形管道及其配套的实验系统,包括小尺度管道、高速摄影系统、点火系统、外触发系统、压力数据采集系统等。本实验系统能对小尺度管道中火焰加速和爆燃转爆轰机理,以及不同初始条件对预混气体爆炸特性的影响机制进行实验研究。(2)利用高速摄影系统采集甲烷与氧气爆炸火焰在小尺度管道中的完整传播图像。并将所采集到的图像利用MATLAB程序进行处理,分别采用火焰轨迹算法和最大相似系数法两种方法来对其进行分析,都获得了爆炸火焰的传播速度随时间变化的曲线。(3)通过对实验结果的处理,得到小尺度管道中不同初始条件下甲烷与氧气混合气体爆炸火焰传播速度随时间的变化曲线,对其进行分析后发现,在同一当量比条件下,随着初始压力的增加,爆炸火焰在管道中最大传播速度随之增大,并且管道中爆炸火焰最大传播速度与初始压力的倒数在数值上呈近似的线性关系;对于不同当量比条件下的混合气体,初始压力存在一个阈值能够使火焰出现加速传播的现象,当初始压力低于阈值时,爆炸火焰在管道的前端就会熄灭,当初始压力高于阈值时,爆炸火焰能在有限长度的管道内加速,部分情况甚至达到爆轰状态。(4)通过压力数据采集系统采集到的甲烷与氧气混合气体在小尺度管道中的爆炸压力数据,同时结合爆炸火焰的图像,分析了初始条件对爆炸超压的影响,结果显示,在一定当量比条件下,如果初始压力低于能够使得预混火焰出现加速现象的压力阈值时,爆炸波在管道中的最大超压相对较低,一般为初始压力的10~14倍左右;若初始压力大于压力阈值时,爆炸火焰将会达到爆轰状态,此时管道中能够达到的最大超压一般为初始压力的32~44倍左右。此外,小尺度管道中甲烷与氧气混合气体在初始压力P0确定的条件下,预混火焰在管道中的爆炸超压随当量比的增大而增大,且呈近似的线性关系。 【关键词】：小尺度管道 图像处理 初始压力 当量比 火焰速度 爆炸超压
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.221
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究进展12-20
• 1.2.1 管道条件对可燃气体爆炸特性的影响13-16
• 1.2.2 初始条件对可燃气体爆炸特性的影响16-18
• 1.2.3 可燃气体爆炸特性研究相关技术18-20
• 1.3 本文主要研究工作20-21
• 第2章 实验装置和实验方法21-37
• 2.1 实验系统21-32
• 2.1.0 小尺度管道21-23
• 2.1.1 配气系统23-26
• 2.1.2 数据采集系统26-30
• 2.1.3 高速摄影系统30
• 2.1.4 点火系统30-32
• 2.2 实验方案32-34
• 2.3 实验步骤34-37
• 2.3.1 气密性检查34
• 2.3.2 混合气体的配制34-35
• 2.3.3 实验前的准备35-36
• 2.3.4 点火操作36-37
• 第3章 爆炸火焰传播图像研究37-49
• 3.1 高速摄影采集的爆炸火焰传播图像37-39
• 3.2 通过火焰轨迹计算爆炸火焰的传播速度39-43
• 3.2.1 爆炸火焰图像的简单处理39-41
• 3.2.2 火焰前锋速度的计算41-43
• 3.3 通过最大相似系数法计算爆炸火焰的传播速度43-48
• 3.3.1 最大相似系数法计算原理44-46
• 3.3.2 爆炸火焰传播速度计算结果46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 初始条件对爆炸火焰传播速度的影响49-75
• 4.1 实验重复性检验49-51
• 4.2 实验结果与分析51-73
• 4.2.1 当量比Φ=0.4~2.0 时爆炸火焰传播速度51-65
• 4.2.2 当量比Φ=0.2 与Φ=2.2 时爆炸火焰传播速度65-71
• 4.2.3 临近火焰加速最小初始压力时的预混火焰传播速度71-73
• 4.3 本章小结73-75
• 第5章 初始条件对爆炸超压的影响75-87
• 5.1 管道中爆炸超压曲线分析75-79
• 5.2 初始条件对小尺度管道中预混气体爆炸超压的影响79-86
• 5.2.1 初始压力对爆炸最大超压的影响84-85
• 5.2.2 当量比Φ对爆炸最大超压的影响85-86
• 5.3 本章小结86-87
• 第6章 结论与展望87-90
• 6.1 本文主要研究工作及结论87-88
• 6.2 展望88-90
• 参考文献90-97
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单97-98
• 致谢98

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