学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

泄爆外流场的动力学机理研究

作　者: 姜孝海
导　师: 范宝春；叶经方
学　校: 南京理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 湍流燃烧 泄爆 外流场 射流火焰 二次爆炸
分类号: O381
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
下　载: 186次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


泄爆是工业上广泛采用的爆炸防治手段之一，它是指通过泄爆口，将内部空间的高压已燃和未燃气体或粉尘导出到外部空间中，使内部压力迅速降低，以防止爆炸灾害。因泄爆过程的复杂性和某些不确定性，在一定的条件下，内压力虽降低了，而外流场可能出现很高的压力峰值，甚至产生所谓的二次爆炸，这对毗邻的建筑物、设备及人员的安全构成威胁。因此，研究泄爆外流场的动力学特征以及二次爆炸的产生机理，具有重要的意义。 本文利用自行设计的带导管的柱形泄爆装置，对不同泄爆条件(即泄爆压力、点火位置、泄爆面积和初始甲烷-空气预混气当量比)下向空气中泄爆的情形进行了实验，获得了内外流场的压力历史。并用YA-16高速阴影系统拍摄到了泄爆外流场清晰的时序阴影照片。而且，采用基于k-ε湍流模型和漩涡耗散湍流燃烧模型(“Eddy dissipation model”)的同位网格SIMPLE算法，对典型泄爆条件下的泄爆过程进行了数值模拟。根据计算结果和相关的计算流动技术(CFI)，绘制了计算阴影图。 基于实验结果、数值计算结果以及计算阴影图，本文对一般高压泄爆条件下，泄爆外流场的动力学特征(如射流火焰、湍流、漩涡以及可燃云团、波系特征等)进行了详细的系统的阐述，揭示了二次爆炸的产生机理。即在本文的泄爆条件下，泄爆后，首先产生的是引导激波，它由内外压差这个初始间断决定，因其传播速度较气流速度快，随波阵面的扩大而逐渐衰减为声波。随后，未燃气体从泄爆口泄出，并在外流场与空气混合形成可燃云团。由于高压(相对环境压力)气流在管口膨胀，形成欠膨胀射流。管口附近形成Prandtl—Meyer流稀释波低压区，而稀释波又在射流边界上反射并在轴线附近汇聚，形成压力相对较高的高压区，即悬吊激波高压区。这样，在火焰泄出前，外流场存在可燃云团、稀释波低压区和悬吊激波高压区，这些特征构成外流场的基本特征。当火焰从容器(低密度)进入导管(高密度)，受导管壁面剪切层等的作用，火焰失稳，在湍流的作用下加速向导管口推进，于管口附近达到极大值，以射流形式泄出。当射流火焰进入高压区时，且外流场处于合适的条件，如高压区的超压强度、可燃气体的密度及其覆盖的区域等足够大时，引起外部可燃气体的剧烈燃烧，从而使得外部压力迅速上升，以致产生二次爆炸。实验获得的阴影图和计算阴影图，形象的说明了泄爆后火焰、漩涡、引导激波以及随后产生的二次爆炸波的特征和变化发展过程。 文中还根据实验获得的不同泄爆条件下的外压力历史，分析了外部二次爆炸的影响因素，详细讨论了二次爆炸强度随泄爆条件的变化规律。即在其它泄爆条件不变时，而改变泄爆压力时，泄爆压力愈大，二次爆炸强度也愈大。同样，仅改变点火位置，而其它条件不变时，当泄爆压力较低时，二次爆炸强度随点火位置离泄爆口愈近，其值愈大；而当泄爆压力较大时，其变化规律与之相反。当其它条件不变而改变泄爆口障碍物的阻塞比时，二次爆炸强度随阻塞比的增大(即泄爆面积减小)而下降。当在改变初始甲烷-空气预混气的组分时，当量比小于1的情形，二次爆炸强度较当量比为1的情形小，而当量比大于1的情形，其值较大。

全文目录


1 绪论  10-17
  1．1 课题背景和意义  10-12
  1．2 国内外的研究状况  12-16
    1．2．1 内流场实验和关系式研究概况  12-13
    1．2．2 外流场实验和关系式研究概况  13-14
    1．2．3 流场可视化研究概况  14
    1．2．4 数值研究概况  14-16
  1．3 本文的主要工作  16-17
2 实验研究  17-35
  2．1 引言  17-18
  2．2 实验装置  18-25
    2．2．1 泄爆装置简介及其安装方式  18-20
    2．2．2 抽充气回路系统及预混气的配比  20-22
    2．2．3 点火装置及安装方式  22-23
    2．2．4 测压系统  23-24
    2．2．5 可视化系统  24-25
  2．3 泄爆流场的压力测量  25-30
    2．3．1 实验方案及步骤  25-28
    2．3．2 实验结果  28-30
  2．4 泄爆外流场的可视化  30-34
    2．4．1 实验方案及步骤  30-33
    2．4．2 实验结果  33-34
  2．5 小结  34-35
3 数值研究  35-52
  3．1 引言  35-36
  3．2 数值方法  36-44
    3．2．1 基本方程  36-37
    3．2．2 燃烧模型  37-39
    3．2．3 壁面函数  39-40
    3．2．4 基本方程的离散  40
    3．2．5 同位网格SIMPLE算法  40-44
  3．3 泄爆外流场的数值模拟  44-46
    3．3．1 计算域  44
    3．3．2 区域划分和边界条件  44-45
    3．3．3 初始条件  45-46
  3．4 计算阴影  46-50
  3．5 计算结果  50-51
  3．6 小结  51-52
4 泄爆外流场的动力学过程研究  52-74
  4．1 引言  52
  4．2 基本概念  52-54
    4．2．1 欠膨胀射流  53
    4．2．2 界面不稳定  53-54
    4．2．3 斜压效应  54
  4．3 泄爆诱导二次爆炸的动力学机理研究  54-72
    4．3．1 非稳态带化学反应的欠膨胀射流  54-57
    4．3．2 湍流射流火焰  57-59
    4．3．3 泄出可燃云团的湍流燃烧  59-66
    4．3．4 预热区域  66-69
    4．3．5 二次爆炸  69-72
  4．4 小结  72-74
5 二次爆炸影响因素  74-82
  5．1 引言  74
  5．2 二次爆炸影响因素与泄爆条件  74-76
  5．3 二次爆炸强度的变化特征  76-80
    5．3．1 泄爆压力与点火位置的影响  76-78
    5．3．2 泄爆面积(阻塞比)的影响  78-79
    5．3．3 预混气当量比的影响  79-80
  5．4 小结  80-82
6 结论  82-85
  6．1 本文的主要结论和创新之处  82-84
    6．1．1 本文的主要结论  82-83
    6．1．2 本文的创新之处  83-84
  6．2 问题和展望  84-85
致谢  85-86
参考文献  86-91
博士期间发表的论文  91

相似论文

  1. 某微型客车的气动特性分析及优化,U461.1
  2. 船用柴油机燃烧机理与排放模拟研究,U664.121
  3. 湍流扩散火焰中Fe(OH)_2和稀释剂替代物灭火及抑制效果的条件矩封闭模拟,X932
  4. 基于TMS320LF2812的本安型智能气体爆炸性检测仪的研制,TP216
  5. 后扰流板对汽车空气动力学特性影响的模拟研究,U461.1
  6. 风洞截面对汽车外流场模拟的影响,U461.1
  7. 汽车外流场DES模拟研究,U461.1
  8. 集装箱运输货车气动附加装置的优化研究,U461.1
  9. 隧道内复杂工况下汽车高速气动特性研究,U461.1
  10. 某车型车身造型设计及空气动力学仿真研究,U461.1
  11. 涡喷发动机NO_X浓度场数值模拟,V235
  12. 基于空气动力学的汽车行驶安全性研究,U461.1
  13. 环管型燃气轮机燃烧室的数值模拟,U664.131
  14. 基于理性形体的汽车外流场湍流模型研究与改进,U461.1
  15. 地铁火灾烟气数值模拟及通风控制,U231.96
  16. 动车组外流场空气动力特性数值仿真,U266
  17. 等离子点火器性能研究,TK473
  18. 煤油射流自动着火的数值研究,TK16
  19. 超燃冲压发动机双凹腔燃烧室燃烧流动过程研究,V231.2
  20. 内置障碍物受限空间内可燃气体爆炸数值模拟,X928.7
  21. 高炉燃烧室内气粒两相流动和反应机理研究及数值模拟,TF536

中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 爆炸力学 > 爆震（爆轰）理论
© 2012 www.xueweilunwen.com