学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

铝粉爆炸特性的实验研究和数值模拟

作　者: 陈玲
导　师: 喻健良
学　校: 大连理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 铝粉爆炸爆炸泄放最大爆炸压力最大压力上升速率
分类号: X932
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 201次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载

内容摘要

研究铝粉爆炸泄放机理及特性对工业粉尘爆炸防护具有重要意义。目前针对爆炸泄放已经开展了诸多研究,但在一套装置上系统开展密闭爆炸、无管及有管泄爆对比研究鲜见报道。另外,实验研究多数关注最大爆炸压力Pmax和最大压力上升速率(dp/dt)max的变化,对其内在机理的描述及火焰和压力波的发展,需要通过数值模拟实现。迄今还未见资料提出涵盖扬尘、点火、爆炸及泄放全过程的铝粉泄爆数值模拟技术。基于以上现状,本文在1.3L Hartmann装置内进行大量铝粉爆炸泄放实验研究,并利用计算流体动力学软件Fluent对此过程进行了数值模拟,本文主要内容及结论如下：(1)对1.3L Hartmann实验装置进行改进,实现了在一套装置上开展密闭空间铝粉爆炸、无管泄爆、泄爆直管泄爆、泄爆弯管泄爆的对比研究,获得了四种实验条件下,铝粉最大爆炸压力Pmax和最大压力上升速率(dp/dt)max的影响因素及规律。(2)通过建立气相湍流流动模型、气固两相湍流流动方程、气相湍流燃烧模型、辐射换热模型、铝粉燃烧模型,建立了包括扬尘、点火、密闭爆炸、爆炸泄放的全过程模拟模型,实现了对密闭空间粉尘爆炸、无管泄爆、泄爆管泄爆数值模拟分析。选择3mm×3mm、2mm×2mm、1mm×1mm10.5mm×0.5mm 4种密度网格进行了独立性分析,确定网格密度为1mm×1mm时精度较高且计算经济性较好。分别对密闭铝粉爆炸、无管泄爆、泄爆管泄爆模拟进行了验证,确定了数值模拟的可行性。(3)实验发现,密闭空间内因粉尘燃烧不完全,故最佳粉尘浓度500g·m-3处于贫氧浓度区。微米级粉尘因沉降作用,Pmax和(dp/dt)max随铝粉粒径dp增大而降低。当铝粉粒径降低至纳米级别,dp对Pmax和(dp/dt)max的影响不明显。数值模拟发现,1.3L哈特曼管内铝粉燃烧过程为典型的爆燃过程。与气体燃爆相比,由于铝粉与湍流的相互作用,火焰面形状非常不规则,燃烧更为复杂。粉尘粒径变为小尺度或纳米级时,采用两相流的离散相模型模拟误差较大。(4)实验发现,无管泄爆时,随着开启压力Pv的增大Pmax随之增加；泄爆口径越小,泄爆膜越薄,升压速率越大。与密闭空间等容爆炸相比,泄放导致可燃介质减少,无管泄爆过程的Pmax和(dp/dt)max降低,但最佳爆炸浓度仍为500 g·m-3。数值模拟发现,无管泄爆扬尘与密闭扬尘结果相同,扬尘较为均匀。数值模拟发现,点火时火焰面非常不规则。点火后,火焰向Hartmann两侧传播,在达到泄爆压力后,泄爆口打开,内部压力波以环状向外传播,形成泄压通道。(5)实验发现,泄爆管可以有效地将泄放介质导出,但同时又强化了容器内的压力值,且弯管强化效果强于直管。压力波在泄爆管内的传播速度及强度逐渐减弱。随着泄爆膜开启压力Pv升高,Hartmann管及泄爆管内Pmax随之增大。数值模拟发现,火焰较压力波有很大滞后。火焰传播至泄放口,对火焰面起到强烈扰动作用,火焰面形成一突前的尖端,进入泄放通道。对比无管泄爆发现,由于泄爆管存在,导致火焰面传播至泄放口时产生更强烈扰动,使泄爆容器内外产生更高压力峰值。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
引言  12-13
1 绪论  13-27
  1.1 粉尘及粉尘爆炸  13-17
    1.1.1 粉尘定义  13-14
    1.1.2 粉尘爆炸  14-15
    1.1.3 粉尘爆炸特性参数  15-17
  1.2 密闭容器内粉尘爆炸研究  17-18
    1.2.1 密闭容器内粉尘爆炸机理研究  17-18
    1.2.2 粉尘爆炸燃烧模型及湍流模型研究  18
  1.3 粉尘爆炸泄放  18-25
    1.3.1 粉尘爆炸泄放技术  18-20
    1.3.2 粉尘爆炸泄放设计  20-22
    1.3.3 粉尘爆炸泄放机理研究  22-23
    1.3.4 粉尘爆炸泄放数值模拟研究  23-25
  1.4 本文研究意义和内容  25-27
    1.4.1 研究意义  25
    1.4.2 研究内容  25-27
2 粉尘爆炸实验装置  27-34
  2.1 实验装置  27-29
  2.2 实验系统组成  29-32
    2.2.1 扬尘系统  30-31
    2.2.2 点火系统  31
    2.2.3 控制系统  31-32
    2.2.4 测试和数据采集系统  32
  2.3 实验内容和步骤  32-33
    2.3.1 密闭容器爆炸实验  32-33
    2.3.2 泄爆实验  33
    2.3.3 实验步骤  33
  2.4 本章小结  33-34
3 铝粉爆炸泄放数值模拟模型建立  34-46
  3.1 几何模型  34
  3.2 模型假设  34-35
  3.3 粉尘爆炸模拟模型  35-38
    3.3.1 粉尘与气体两相流动  35-36
    3.3.2 铝粉燃烧反应模型  36
    3.3.3 湍流模型  36
    3.3.4 爆炸泄放不同阶段模拟方法  36-38
  3.4 控制方程  38-41
    3.4.1 气相控制方程  38-39
    3.4.2 湍流模型  39
    3.4.3 粒子相控制方程  39-40
    3.4.4 气相和颗粒相的耦合项方程  40
    3.4.5 燃烧模型  40
    3.4.6 辐射模型  40-41
  3.5 物性参数  41-42
  3.6 离散格式  42
  3.7 压力与速度的耦合  42-43
  3.8 网格划分及独立性分析  43-45
  3.9 模型验证  45
  3.10 本章小结  45-46
4 密闭空间铝粉爆炸特性研究  46-60
  4.1 密闭容器内粉尘爆炸过程  46-47
  4.2 铝粉爆炸特性实验研究  47-51
    4.2.1 最佳点火延迟时间的影响  47
    4.2.2 表观浓度对铝粉爆炸特性的影响  47-49
    4.2.3 粒径对铝粉爆炸特性的影响  49-51
  4.3 铝粉爆炸过程数值模拟  51-58
    4.3.1 数值模拟验证  51-54
    4.3.2 密闭空间铝粉爆炸过程分析  54-58
  4.4 本章小结  58-60
5 无管泄爆特性研究  60-70
  5.1 飘尘概念  60
  5.2 铝粉泄爆过程分析  60-61
  5.3 无管泄爆特性实验研究  61-65
    5.3.1 铝粉浓度对爆炸特性的影响  61-62
    5.3.2 泄爆口径对爆炸特性的影响  62-63
    5.3.3 泄爆膜层数对爆炸特性的影响  63-65
  5.4 无管泄爆数值模拟  65-69
    5.4.1 数值模拟结果验证  65-66
    5.4.2 泄爆压力对爆炸特性的影响  66-67
    5.4.3 无管泄爆过程分析  67-69
  5.5 本章小结  69-70
6 泄放导管泄爆特性研究  70-91
  6.1 泄爆过程中压力衰减分析  70-72
  6.2 泄爆管泄爆特性实验研究  72-85
    6.2.1 泄爆管型式对泄爆特性影响  72-73
    6.2.2 铝粉浓度对泄爆特性的影响  73-75
    6.2.3 铝粉粒径对泄爆特性的影响  75-78
    6.2.4 泄爆膜层数对泄爆特性的影响  78-79
    6.2.5 泄爆口径对泄爆特性的影响  79-81
    6.2.6 泄爆管长度对泄爆特性的影响  81-83
    6.2.7 泄爆管管径对泄爆特性的影响  83-85
  6.3 泄爆管泄爆与无管泄爆效果对比  85-86
  6.4 泄爆管泄爆数值模拟  86-89
    6.4.1 数值模拟验证  86-88
    6.4.2 泄爆管泄放过程分析  88-89
  6.5 本章小结  89-91
结论  91-93
参考文献  93-98
附录A 符号说明  98-99
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  99-100
致谢  100-101

铝粉爆炸特性的实验研究和数值模拟

内容摘要

全文目录

相似论文