泄爆外流場的動力學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、泄爆是工業(yè)上廣泛采用的爆炸防治手段之一,它是指通過泄爆口,將內(nèi)部空間的高壓已燃和未燃?xì)怏w或粉塵導(dǎo)出到外部空間中,使內(nèi)部壓力迅速降低,以防止爆炸災(zāi)害.因泄爆過程的復(fù)雜性和某些不確定性,在一定的條件下,內(nèi)壓力雖降低了,而外流場可能出現(xiàn)很高的壓力峰值,甚至產(chǎn)生所謂的二次爆炸,這對毗鄰的建筑物、設(shè)備及人員的安全構(gòu)成威脅.因此,研究泄爆外流場的動力學(xué)特征以及二次爆炸的產(chǎn)生機(jī)理,具有重要的意義.本文利用自行設(shè)計的帶導(dǎo)管的柱形泄爆裝置,對不同泄爆條件

2、(即泄爆壓力、點火位置、泄爆面積和初始甲烷-空氣預(yù)混氣當(dāng)量比)下向空氣中泄爆的情形進(jìn)行了實驗,獲得了內(nèi)外流場的壓力歷史.并用YA-16高速陰影系統(tǒng)拍攝到了泄爆外流場清晰的時序陰影照片.而且,采用基于k-ε湍流模型和漩渦耗散湍流燃燒模型("Eddy dissipation model")的同位網(wǎng)格SIMPLE算法,對典型泄爆條件下的泄爆過程進(jìn)行了數(shù)值模擬.根據(jù)計算結(jié)果和相關(guān)的計算流動技術(shù)(CFI),繪制了計算陰影圖.基于實驗結(jié)果、數(shù)值計算

3、結(jié)果以及計算陰影圖,本文對一般高壓泄爆條件下,泄爆外流場的動力學(xué)特征(如射流火焰、湍流、漩渦以及可燃云團(tuán)、波系特征等)進(jìn)行了詳細(xì)的系統(tǒng)的闡述,揭示了二次爆炸的產(chǎn)生機(jī)理.即在本文的泄爆條件下,泄爆后,首先產(chǎn)生的是引導(dǎo)激波,它由內(nèi)外壓差這個初始間斷決定,因其傳播速度較氣流速度快,隨波陣面的擴(kuò)大而逐漸衰減為聲波.隨后,未燃?xì)怏w從泄爆口泄出,并在外流場與空氣混合形成可燃云團(tuán).由于高壓(相對環(huán)境壓力)氣流在管口膨脹,形成欠膨脹射流.管口附近形成P

4、randtl-Meyer流稀釋波低壓區(qū),而稀釋波又在射流邊界上反射并在軸線附近匯聚,形成壓力相對較高的高壓區(qū),即懸吊激波高壓區(qū).這樣,在火焰泄出前,外流場存在可燃云團(tuán)、稀釋波低壓區(qū)和懸吊激波高壓區(qū),這些特征構(gòu)成外流場的基本特征.當(dāng)火焰從容器(低密度)進(jìn)入導(dǎo)管(高密度),受導(dǎo)管壁面剪切層等的作用,火焰失穩(wěn),在湍流的作用下加速向?qū)Ч芸谕七M(jìn),于管口附近達(dá)到極大值,以射流形式泄出.當(dāng)射流火焰進(jìn)入高壓區(qū)時,且外流場處于合適的條件,如高壓區(qū)的超壓強(qiáng)

5、度、可燃?xì)怏w的密度及其覆蓋的區(qū)域等足夠大時,引起外部可燃?xì)怏w的劇烈燃燒,從而使得外部壓力迅速上升,以致產(chǎn)生二次爆炸.實驗獲得的陰影圖和計算陰影圖,形象的說明了泄爆后火焰、漩渦、引導(dǎo)激波以及隨后產(chǎn)生的二次爆炸波的特征和變化發(fā)展過程.文中還根據(jù)實驗獲得的不同泄爆條件下的外壓力歷史,分析了外部二次爆炸的影響因素,詳細(xì)討論了二次爆炸強(qiáng)度隨泄爆條件的變化規(guī)律.即在其它泄爆條件不變時,而改變泄爆壓力時,泄爆壓力愈大,二次爆炸強(qiáng)度也愈大.同樣,僅改變