密闭管道内低浓度甲烷着火及火焰传播特性实验研究

【摘要】：低浓度甲烷广泛存在于煤层气、矿井通风气及工业废气中，其在矿井巷道、输气管道及储气设备中常因泄露引发灾害。研究低浓度甲烷着火及火焰传播特性有助于分析火焰形成机理、减少灾害发生、控制灾害破坏程度等；另外，对于低浓度甲烷在密闭管道中的燃烧特性研究，其着火特性、火焰阵面、压力峰值及熄火条件等内容都有待于进一步深入探讨，本文对以上内容展开研究，具有重要的学术意义及工业指导价值。 根据低浓度甲烷的特点，设计并搭建了一套低热值气体着火及火焰传播实验测试系统，可实现通过离子电流探针、微细热电偶及高频压力传感器记录、分析低热值气体在密闭管道中的燃烧过程。利用该实验测试系统研究了低浓度甲烷在管道中的火焰传播特性，分析讨论了气体初始参数、点火位置及泄压孔封闭强度对火焰传播过程及管内压力变化的影响。 利用该实验系统研究了气体初始参数对低浓度甲烷着火及火焰传播过程包括火焰温度、火焰传播速度、火焰厚度、离子电流、管内压力等火焰传播特性的影响。结果表明：压力波的传播速度要高于火焰传播速度，火焰阵面位于压力冲击波之后；由于压力波对未燃气体的扰动，致使火焰传播有一个明显的加速过程，沿火焰传播方向火焰传播速度、锋面厚度及火焰峰值温度都有一定程度的增加；甲烷初始浓度对火焰传播过程的影响较大，随着甲烷浓度增加，平均火焰传播速度、锋面厚度、火焰峰值温度及管道内峰值压力先上升后下降，在甲烷与空气浓度为9.85vol.%左右上述参数都有最大值。不同初始压力下低浓度着火及火焰传播实验表明，平均火焰传播速度、锋面厚度、火焰峰值温度及管道内峰值压力都随气体初始压力增加而增加。 近泄压孔端点火及远泄压孔端点火下实验表明：火焰的加速作用并不是存在于整个管道中，在管道后部由于壁面反射回来压力波的影响，火焰传播出现一定程度的减速，而火焰峰值温度与锋面厚度沿火焰传播方向有一定地增加；由于泄压孔柱形空间的影响，近泄压孔端点火的压力波传播速度要慢于远泄压孔端点火，但前一点火位置产生压力波的峰值要高于后者。 研究了三种泄压孔封闭强度对管内压力及火焰传播的影响，实验结果表明：火焰传播过程产生的压力能够致使单层薄膜破裂；薄膜厚度增加至四层时，薄膜破裂是高温火焰灼烧所致；将泄压孔封闭材料更换为纸片时，整个过程未发生破裂。泄压孔封闭材料的强度对管道内燃烧过程影响十分明显，强度更高的封闭材料对管道内火焰传播有更好的加速效果，封闭薄膜破裂后不利于火焰在管道内的加速过程，使得火焰在管道后部传播的平均火焰传播速度较低；管内峰值压力受到泄压孔封闭材料强度的影响，封闭材料破口后不利于压力在管道内的集聚，薄膜封闭泄压孔时管道内峰值压力要远低于纸片封闭。 【关键词】：低浓度甲烷 着火 火焰传播 离子电流 压力
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-24
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-19
• 1.2.1 管道内低浓度甲烷着火及火焰传播过程实验研究12-17
• 1.2.2 管道内低浓度甲烷着火及火焰传播过程数值计算研究17-19
• 1.3 可燃气体火焰传播过程理论分析19-22
• 1.3.1 基本参数19-21
• 1.3.2 火焰传播过程作用机理21-22
• 1.4 前人研究的不足及本文研究内容22-24
• 2 实验系统设计及测试方法24-35
• 2.1 实验系统设计24-27
• 2.1.1 实验管道系统25-27
• 2.1.2 点火及控制系统27
• 2.2 实验过程27-29
• 2.2.1 甲烷/空气预混气体的配置27-29
• 2.2.2 实验过程29
• 2.3 测试及数据采集29-34
• 2.3.1 压力传感器29-30
• 2.3.2 温度测试系统30-32
• 2.3.3 离子电流探测系统32-33
• 2.3.4 数据记录仪33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3 密闭管道内低浓度甲烷着火及火焰传播特性35-51
• 3.1 混合气体初始浓度对着火及火焰传播过程过程的影响35-46
• 3.1.1 低浓度甲烷火焰传播过程温度特性35-38
• 3.1.2 低浓度甲烷火焰传播过程离子电流特性38-41
• 3.1.3 低浓度甲烷燃烧火焰传播速度41-43
• 3.1.4 初始甲烷浓度对火焰锋面厚度的影响43-44
• 3.1.5 低浓度甲烷燃烧过程压力特性44-46
• 3.2 混合气体初始压力对火焰传播过程的影响46-50
• 3.2.1 初始压力对火焰传播过程火焰温度的影响46-47
• 3.2.2 初始压力对火焰离子电流的影响47-48
• 3.2.3 初始压力对火焰传播速度的影响48
• 3.2.4 初始压力对火焰锋面厚度的影响48-49
• 3.2.5 初始压力对火焰传播过程压力的影响49-50
• 3.3 本章小结50-51
• 4 点火及封闭条件对低浓度甲烷火焰传播过程的影响51-58
• 4.1 点火位置对火焰传播过程的影响51-55
• 4.1.1 点火位置对管道后部火焰传播的影响51-53
• 4.1.2 点火位置对管内压力的影响53-55
• 4.2 封闭强度对火焰传播过程的影响55-57
• 4.2.1 封闭强度对火焰传播的影响55-56
• 4.2.2 封闭强度对管内压力的影响56-57
• 4.3 本章小结57-58
• 5 结论与展望58-60
• 5.1 结论58-59
• 5.2 下一步工作建议59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-65
• 附录65
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文65
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目65

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