【碩士論文】丙烷空氣預(yù)混火焰微觀結(jié)構(gòu)及加速傳播過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

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1、博士掌位論文■r垃一空氣，■翻執(zhí)焰敢薯L培構(gòu)a加重【傳攝-璉覆中的動(dòng)力掣u開(kāi)兜摘要隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的變化，對(duì)目前的能源結(jié)構(gòu)作了重大調(diào)整，即今后逐漸以發(fā)展石油液化氣和天然氣為主的工業(yè)、生活能源供給結(jié)構(gòu)。在可燃?xì)怏w的輸送、貯存、加工和使用過(guò)程中，如果由于泄漏而形成的可燃?xì)怏w與空氣混合物被意外地點(diǎn)燃，就會(huì)發(fā)生氣云爆炸?？扇?xì)庠票▽儆诜抢硐氡?，是工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域爆炸災(zāi)害的主要形式之一，它常造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在氣體火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，通常存在著火焰加速過(guò)程，從而導(dǎo)致壓力驟升，造成爆炸災(zāi)害。而爆炸災(zāi)害一旦發(fā)生，是難以控制的，因此研究早期火焰加速傳播特性和及其內(nèi)在機(jī)理，有助于

2、更好地預(yù)防和抑制氣體爆炸災(zāi)害的發(fā)生。火焰加速傳播過(guò)程中，通常伴隨著流動(dòng)過(guò)程，而流動(dòng)直接影響燃燒過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。火焰與流動(dòng)的相互作用，涉及到火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑?、火焰不穩(wěn)定性等基本環(huán)節(jié)。因此本文將從預(yù)混火焰加速傳播過(guò)程的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)杌理、火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的不穩(wěn)定性特征、火焰微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行深入研究。本研究中建立了預(yù)混火焰精細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以用來(lái)研究管道中預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性、火焰陣面結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律以及火焰結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性等特征。對(duì)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ卣鬟M(jìn)行了理論分析與數(shù)值模擬，以揭示管道中預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ幕疽?guī)律。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先利用預(yù)混火焰精細(xì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)丙烷一空氣預(yù)混火焰的傳播特

3、性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：(1)重點(diǎn)研究了不同泄壓條件下的壓力波對(duì)丙烷一空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?。通過(guò)高速紋影攝像方法，清晰記錄火焰?zhèn)鞑サ膭?dòng)態(tài)過(guò)程，包括其準(zhǔn)確的火焰陣面位置、火焰陣面結(jié)構(gòu)等?；鹧婕铀賯鞑ミ^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓力波，而壓力波也會(huì)反過(guò)來(lái)作用于火焰的傳播過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)正是初始?jí)毫Σ捌浞瓷鋲毫Σǖ淖饔?，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)先加速后減小的變化過(guò)程。另外，管道中壓力波的作用是Tulip火焰結(jié)構(gòu)形成的重要原因。(2)研究了稀疏波對(duì)丙烷一空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊憽?shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)不同的點(diǎn)火方案誘導(dǎo)出不同傳播方向的稀疏波與火焰發(fā)生干博士掌位論文丙蟪一空氣曩舅U≮焰—U呢結(jié)相a口口，【傳爿

4、Ht覆中的動(dòng)力孽田"電涉作用。研究發(fā)現(xiàn)稀疏波對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程產(chǎn)生重要影響。當(dāng)稀疏波與火焰相遇時(shí)，火焰陣面和稀疏波會(huì)發(fā)生相互疊加，結(jié)果導(dǎo)致火焰迅速由層流向湍流轉(zhuǎn)變。隨著火焰的傳播，湍流燃燒不斷加強(qiáng)。同向稀疏波對(duì)火焰的干涉作用，整體降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⒁欢瘸霈F(xiàn)反向傳播；當(dāng)湍流得到充分發(fā)展時(shí)，火焰速度又由迅速增大。而逆向稀疏波則整體加速火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，同時(shí)隨著強(qiáng)烈的震蕩。稀疏波在促進(jìn)層流向湍流轉(zhuǎn)變過(guò)程中，還使燃燒室的壓力產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，進(jìn)一步加快了湍流的形成。(3)研究了當(dāng)量比等初始條件對(duì)丙烷一空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊?。通過(guò)不同當(dāng)量比條件下火焰流場(chǎng)特征分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比條

5、件下，火焰陣面以對(duì)稱結(jié)構(gòu)向前傳播。貧燃條件下，火焰陣面很快變成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，然后開(kāi)始形成Tulip火焰結(jié)構(gòu)。富燃條件下首先形成對(duì)稱的Tulip火焰結(jié)構(gòu)，然后火焰陣面結(jié)構(gòu)逐漸變成不對(duì)稱狀。影響火焰結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的主要原因是浮力的作用。當(dāng)量比條件下，火焰陣面對(duì)稱性較好，主要是該條件下燃燒較為完全，火焰速度最大，浮力影響相對(duì)越??；而在貧燃或富燃條件下，火焰整體速度較小，浮力的作用更明顯，結(jié)果導(dǎo)致火焰結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱。另外，通過(guò)高速紋影系統(tǒng)、離子探針、微細(xì)熱電偶等技術(shù)及丙烷一空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的細(xì)微結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了深入研究，揭示了火焰結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的基本原因。(1)丙烷一空氣預(yù)混火焰在管道中傳播，

6、會(huì)發(fā)生火焰結(jié)構(gòu)的變化，即形成了一種典型的不穩(wěn)定火焰結(jié)構(gòu)。壓力波產(chǎn)生的斜壓效應(yīng)與馬赫桿效應(yīng)導(dǎo)致渦量產(chǎn)生，是火焰陣面變形與失穩(wěn)，并形成Tulip火焰結(jié)構(gòu)的重要因素。(2)研究發(fā)現(xiàn)，在火焰結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程中，伴隨著層流向湍流的轉(zhuǎn)變。在預(yù)混火焰?zhèn)鞑コ跗?，小尺度渦流增大反應(yīng)強(qiáng)度，但不影響火焰陣面結(jié)構(gòu)；當(dāng)大尺度渦流出現(xiàn)后，導(dǎo)致火焰陣面厚度變大，同時(shí)伴隨著反應(yīng)區(qū)的震蕩。本文通過(guò)小尺寸精細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)管道中丙烷一空氣預(yù)混火焰的傳播特性及其精細(xì)火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析。揭示了其內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為預(yù)防和抑制氣體爆炸災(zāi)害的發(fā)生提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：氣體爆炸預(yù)混火焰火焰?zhèn)鞑セ鹧婕铀賯鞑セ鹧婢?xì)結(jié)構(gòu)Tul

7、ip火焰V—l士掌位詫-文"JtIlllg一空氣’曩萄I火墻敢胡L堵相a加曩L’量搪-過(guò)，匿中的動(dòng)力茸廚兜A(chǔ)bstractWiththeadjustmentofChineseenergystrategy,moreandmorealternativeenergy,suchastheLPGandLNGwouldbeusedinsteadofcoalresonrce．Inthetransportationandusageofflammablegasresource，thegasexplosionoftenOc