泄爆外流場的動力學機理研究.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,將內部空間的高壓已燃和未燃氣體或粉塵導出到外部空間中,使內部壓力迅速降低,以防止爆炸災害.因泄爆過程的復雜性和某些不確定性,在一定的條件下,內壓力雖降低了,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、設備及人員的安全構成威脅.因此,研究泄爆外流場的動力學特征以及二次爆炸的產(chǎn)生機理,具有重要的意義.本文利用自行設計的帶導管的柱形泄爆裝置,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-空氣預混氣當量比)下向空氣中泄爆的情形進行了實驗,獲得了內外流場的壓力歷史.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行了數(shù)值模擬.根據(jù)計算結果和相關的計算流動技術(CFI),繪制了計算陰影圖.基于實驗結果、數(shù)值計算

3、結果以及計算陰影圖,本文對一般高壓泄爆條件下,泄爆外流場的動力學特征(如射流火焰、湍流、漩渦以及可燃云團、波系特征等)進行了詳細的系統(tǒng)的闡述,揭示了二次爆炸的產(chǎn)生機理.即在本文的泄爆條件下,泄爆后,首先產(chǎn)生的是引導激波,它由內外壓差這個初始間斷決定,因其傳播速度較氣流速度快,隨波陣面的擴大而逐漸衰減為聲波.隨后,未燃氣體從泄爆口泄出,并在外流場與空氣混合形成可燃云團.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、稀釋波低壓區(qū)和懸吊激波高壓區(qū),這些特征構成外流場的基本特征.當火焰從容器(低密度)進入導管(高密度),受導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導管口推進,于管口附近達到極大值,以射流形式泄出.當射流火焰進入高壓區(qū)時,且外流場處于合適的條件,如高壓區(qū)的超壓強

5、度、可燃氣體的密度及其覆蓋的區(qū)域等足夠大時,引起外部可燃氣體的劇烈燃燒,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,詳細討論了二次爆炸強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,二次爆炸強度也愈大.同樣,僅改變