封闭矩形直管内天然气—空气预混火焰传播特性研究

【摘要】：近几年,国家正积极优化能源结构,开展绿色低碳战略,使得天然气这种清洁环保的优质能源,不论在工业还是日常生活中都扮演起越来越重要的角色。如何有效地应用科学的研究依据预防和控制天然气在管道运输过程中造成的火灾爆炸事故,减少人们生命和财产损失具有重要的现实意义。因此,研究管道内天然气-空气预混火焰的传播,揭示其火焰传播的机理,将有助于高效预防天然气的火灾爆炸事故,推动天然气的进一步广泛应用。基于对国内外文献的深入分析,并借助高速-纹影摄像和压力测试技术,本研究从火焰形状、传播速度以及封闭管道内的压力特性等方面对不同当量比下的天然气-空气预混火焰传播特性进行了实验的研究和分析。同时通过比较相同实验条件下封闭管道内甲烷-空气、乙炔-空气预混火焰传播特征,分析预混火焰传播过程及Tulip火焰形成的动力学机理。研究发现,不同当量比下,管道内天然气-空气预混火焰传播结构呈现明显不同的表观特征。在极端贫燃或富燃的实验条件下浮力对火焰形态的作用比较突出,并导致火焰呈现不对称的形状；而当量比接近1时,火焰形成明显的经典Tulip结构且火焰传播速度最快,火焰传播过程所需时间也最短。实验结果还表明Tulip火焰的形成伴随着火焰传播速度的骤降,同时火焰前锋诱导流动、压力波及热-扩散不稳定性对于Tulip火焰的形成起到了重要作用。对比甲烷-空气预混气体的实验结果,发现少量不同活性的可燃气体的加入会影响混合气体火焰的结构、火焰传播速度以及管道内压力特性。而与乙炔-空气预混火焰传播过程的比较,则说明了气体本身的性质对于火焰传播特征有着显著的影响,且乙炔具有较高的层流火焰燃烧速度。实验结果同时表明了变形Tulip火焰通常形成于管道壁面附近,因此壁面和边界效应起到了重要的作用,而水力学不稳定性、楔形挤压流、火焰诱导流动等因素的综合作用也加速了火焰的变形。在对火焰裙边运动位置预测方面,Bychkov模型对当量比在1附近的工况预测较准确,尤其对于乙炔-空气这一具有较宽膨胀比、较大层流火焰速度的预测较为理想。 【关键词】：天然气 预混火焰 传播特性 压力波 Tulip火焰 变形 Tulip火焰
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE88
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 实验研究进展13-14
• 1.2.2 理论分析与数值模拟研究进展14-16
• 1.3 本文研究内容与章节安排16-19
• 第二章 实验系统及基本理论19-33
• 2.1 实验系统与方法19-26
• 2.1.1 预混气体燃烧管道20
• 2.1.2 纹影光学系统20-21
• 2.1.3 高速摄像系统21-22
• 2.1.4 计算机自动配气系统22-24
• 2.1.5 压力测试系统24-25
• 2.1.6 数据采集仪25
• 2.1.7 同步控制系统25-26
• 2.1.8 高压点火系统26
• 2.2 实验设计26-29
• 2.2.1 实验目的26-27
• 2.2.2 实验方法27-28
• 2.2.3 实验条件28
• 2.2.4 实验流程28-29
• 2.3 预混火焰传播的基本理论知识简介29-31
• 2.3.1 火焰传播速度与燃烧速度29
• 2.3.2 火焰加速传播机理29-30
• 2.3.3 火焰不稳定性30
• 2.3.4 火焰传播的主要影响因素30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 管道中天然气-空气预混火焰传播特点实验研究33-47
• 3.1 天然气的基本知识33-35
• 3.1.1 天然气的定义33
• 3.1.2 天然气的分类及组成33-34
• 3.1.3 天然气的特点34-35
• 3.2 封闭管道中天然气-空气预混火焰传播特点35-41
• 3.2.1 不同当量比天然气-空气预混火焰形状变化35-38
• 3.2.2 不同当量比对预混气体火焰前沿速度变化的影响38-40
• 3.2.3 不同当量比对预混气体火焰压力分布特征的影响40-41
• 3.3 天然气-空气预混火焰结构的形成机理浅析41-45
• 3.3.1 天然气-空气预混火焰的速度特征及Tulip火焰的形成42-44
• 3.3.2 天然气-空气预混火焰的压力特征及Tulip火焰的形成44-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 管道中可燃气-空气预混火焰传播特点比较分析47-65
• 4.1 封闭管道中可燃气-空气预混火焰传播特点47-58
• 4.1.1 火焰形状变化47-52
• 4.1.2 火焰前沿最大传播速度52-53
• 4.1.3 压力变化特征及其对火焰传播动力学影响53-58
• 4.2 预混火焰传播动力学58-63
• 4.2.1 火焰裙边运动58-61
• 4.2.2 预混火焰诱导流动、压力波与火焰阵面的相互耦合61-63
• 4.3 本章小结63-65
• 第五章 结论与展望65-67
• 5.1 本论文主要结论65-66
• 5.2 不足之处及展望66-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-73
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果73

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