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锆粉云火焰传播特性的实验研究

作　者: 丁以斌
导　师: 孙金华；徐耀
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 锆粉云湍流燃烧速度火焰温度火焰结构传播机理
分类号: X932
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 111次
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内容摘要

建立了一套适合于研究粉尘云火焰传播特性的实验系统,利用该实验系统,结合粒子图像测速(PIV)技术、高速显微和高速纹影技术等,研究了锆粉云中传播火焰的特性、火焰的微观结构及其传播机理,以及粒径、浓度等因素对火焰传播的影响规律。利用PIV技术测量了喷粉结束后管道中扬尘湍流强度随时间的变化过程,得到湍流强度随时间的衰减规律。应用管法测量了粉尘云的湍流燃烧速度,同时使用微细热电偶测量了火焰传播过程中温度变化特征,得到了初始湍流强度、粉尘云浓度和粉尘粒径对湍流燃烧速度和火焰温度的影响规律。研究结果表明,火焰湍流燃烧速度和火焰温度之间成线性关系,锆粉云火焰传播过程中,燃烧区主要是通过热传导的方式向预热区传递热量,而热辐射在热量传递过程中占次要地位。分别实验研究了点火端开口和封闭时火焰的传播特性,得到了不同粒径和粉尘云浓度下的火焰形态、火焰温度和火焰传播速度等表征火焰传播特性的参数,分析了粉尘粒径和浓度对锆粉云中传播火焰的影响规律。研究结果表明,火焰温度和传播速度均先随粉尘云浓度的增加而增加,在某个浓度时达到最大值,而后均随粉尘云浓度的增加缓慢减小；对于不同平均粒径的锆粉,其最大火焰传播速度和最高火焰温度所对应的粉尘云浓度却不同；获得了四种平均粒径下锆粉云的最低爆炸浓度,得到了随锆粉平均粒径的增加其最低爆炸浓度升高的规律,并在理论上进行了论证。利用高速纹影、高速显微摄像技术,研究了锆粉云火焰传播的精细结构,以及火焰阵面前粒子的运动速度,构建了火焰的结构模型,分析了火焰的传播机理。研究结果表明,根据锆粉粒径和浓度的不同,火焰前面的预热区厚度也不同,最大厚度可达2cm左右,预热区后为燃烧区,其厚度为数毫米量级,在燃烧区最前沿约1mm范围内主要是小的锆粒子在燃烧,其后的1-4mm范围内为大的锆粒子在燃烧；锆粒子和氧气在粒子的表面发生化学反应,形成气-固表面燃烧体系。根据实验结果和理论分析推测锆粒子的燃烧过程为：锆粒子在预热区内不断升温,当其温度达到某一值时,由于热应力的作用导致锆粒子表面的金属氧化膜破裂,空气中氧气可以和纯锆接触,从而发生燃烧反应。火焰在锆粉云中传播时,相对于大粒径锆粉,小粒径锆粉对火焰传播具有更重要的作用。

全文目录

目录  5-9
图例目录  9-11
表例目录  11-12
摘要  12-13
Abstract  13-15
第一章绪论  15-31
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 粉尘爆炸的研究现状  16-25
    1.2.1 粉尘爆炸特性参数的研究  17-20
    1.2.2 火焰传播规律和微观结构及机理的研究  20-23
    1.2.3 粒子的燃烧特征与运动规律  23-25
  1.3 前人研究不足和本文研究内容  25-27
    1.3.1 前人研究不足  25
    1.3.2 本文研究内容  25-27
  参考文献  27-31
第二章实验系统与实验方法  31-45
  2.1 引言  31
  2.2 实验系统  31-41
    2.2.1 实验管道  32
    2.2.2 配气及喷粉系统  32-34
    2.2.3 高压点火系统  34-35
    2.2.4 时间控制系统  35-36
    2.2.5 纹影光学系统  36-38
    2.2.6 高速摄影机  38
    2.2.7 数据采集仪  38-39
    2.2.8 热电偶  39-41
  2.3 锆粉粒径和粉尘云浓度的测量  41-44
  参考文献  44-45
第三章点火端开口时锆粉云火焰传播特性  45-79
  3.1 引言  45
  3.2 实验系统与方法  45-46
  3.3 湍流强度的测量  46-59
    3.3.1 湍流强度的定义方法  49
    3.3.2 PIV速度场测量技术  49-50
    3.3.3 示踪粒子的选择  50-51
    3.3.4 湍流强度的测量装置  51-52
    3.3.5 测量结果及分析  52-59
  3.4 点火端开口时锆粉云火焰传播特性  59-68
    3.4.1 点火端开口时锆粉云火焰传播过程  59-62
    3.4.2 火焰传播过程中湍流燃烧速度  62-63
    3.4.3 湍流强度对火焰湍流燃烧速度的影响  63-67
    3.4.4 粉尘云浓度对火焰湍流燃烧速度的影响  67-68
    3.4.5 粉尘粒径对火焰湍流燃烧速度的影响  68
  3.5 点火端开口时火焰传播过程中温度特征  68-74
    3.5.1 不同湍流强度对火焰温度的影响  69-70
    3.5.2 粉尘云浓度对火焰温度的影响  70-71
    3.5.3 粉尘粒径对火焰温度的影响  71-72
    3.5.4 火焰温度与湍流燃烧速度之间的关系  72-74
  3.6 本章小结  74-76
  参考文献  76-79
第四章点火端封闭时锆粉云火焰传播特性  79-107
  4.1 引言  79
  4.2 锆粉云最低爆炸浓度的测量  79-84
    4.2.1 锆粉云最低爆炸浓度的测量装置  79
    4.2.2 实验步骤及条件  79-80
    4.2.3 实验结果及分析  80-81
    4.2.4 粉尘云最低爆炸浓度的理论分析  81-84
  4.3 点火端封闭时锆粉云火焰传播特性  84-97
    4.3.1 点火端封闭时管道中锆粉云的火焰传播过程  84-91
      4.3.1.1 粉尘云浓度对火焰传播过程的影响  85-89
      4.3.1.2 粉尘粒径对火焰传播过程的影响  89-91
    4.3.2 点火端封闭时锆粉云中火焰传播速度特征  91-97
      4.3.2.1 锆粉云中火焰传播速度的变化过程  91-92
      4.3.2.2 粉尘云浓度对火焰传播速度的影响  92-94
      4.3.2.3 锆粉粒径对火焰传播速度的影响  94-97
  4.4 火焰传播过程中的温度特征  97-101
    4.4.1 火焰传播过程中温度曲线的变化过程  97-98
    4.4.2 粉尘云浓度对火焰温度的影响  98-100
    4.4.3 粉尘粒径对火焰温度的影响  100-101
  4.5 火焰传播速度和粒子运动速度之间的关系  101-104
  4.6 本章小结  104-105
  参考文献  105-107
第五章火焰微观结构及传播机理  107-129
  5.1 引言  107
  5.2 火焰传播过程中预热区结构  107-113
    5.2.1 粉尘云浓度对预热区结构的影响  107-109
    5.2.2 粉尘粒径对预热区结构的影响  109-111
    5.2.3 预热区温度分布  111-113
      5.2.3.1 预热区温度分布的热电偶测量  111-112
      5.2.3.2 预热区内温度分布的简化计算  112-113
  5.3 火焰传播过程中燃烧区结构  113-117
    5.3.1 燃烧区微观结构  113-116
    5.3.2 燃烧区厚度的简化计算  116-117
  5.4 锆粉云中粒子的燃烧特征  117-123
    5.4.1 粒子的燃烧过程  117-119
    5.4.2 粒子燃烧时间与初始粒径之间的关系  119-120
    5.4.3 锆点火的热应力分析  120-123
  5.5 锆粉云火焰传播机理分析  123-124
  5.6 本章小结  124-126
  参考文献  126-129
第六章结论与展望  129-133
  6.1 本研究主要结论  129-130
  6.2 论文的创新之处  130-131
  6.3 下一步工作展望  131-133
致谢  133-135
攻读学位论文期间发表的学术论文  135

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