水平管道内障碍物对气体爆炸压力的影响毕业论文

1绪论1.1 研究的意义和目的 随着工业的发展,各种气体爆炸事故的不断发生,对人民造成了的大量人员伤亡和巨大的财产损失,严重的影响人们生活、工作和社会经济的发展，并且随着国家以人为本的政策的提出,社会更加重视对于人身安全和财产的保护,因此关于影响气体爆炸压力因素的各种研究也更加的受到关注。 甲烷是瓦斯气体的主要组成部分，属易燃性气体，在我国统计各类煤矿中，具有瓦斯爆炸危险性的矿井占到90%以上，重大事故的发生基本都有瓦斯的参与。矿井瓦斯爆炸是煤矿重大恶性事故之一，同时又是一个十分复杂的理论与实验技术课题。如何有效地防治煤矿瓦斯爆炸事故的发生，对煤矿安全生产具有十分重要的意义1。瓦斯爆炸是引发煤矿事故发生的一种。近几年，随着煤矿生产的机械化和集约化水平的提高，很多大型国有煤矿进入深部开采，瓦斯的涌出量也急剧的增加，恶性瓦斯事故发生的可能性也快速增大2。中国安监总局总工程师黄毅25日透露，2010年，煤矿事故共发生了1403起，并造成了2433人死亡，其中1月5日，湖南湘潭县谭家山镇立胜煤矿发生事故，造成25人遇难；1月22日，湖南省张家界市慈利县三合口乡麦湾煤矿发生瓦斯爆炸4死5伤；4月1日，陕西省韩城市龙门镇泉子沟煤矿发生一起瓦斯事故9人遇难。这些重大事故造成了严重的人员伤亡和财产的巨大损失，同时也给煤矿的安全生产带来了严重的威胁，迫使人们不得不对此给予高度重视并对其进行深人细致的研究。可燃气体能够与空气在一定的浓度范围内均匀混合形成预混和气，遇到火源会发生爆炸，燃烧过程中释放出大量能量的气体3。工业中对于各种可燃气体的需求也是十分广泛，可燃气体造成火灾爆炸灾害的事故时有发生，危害巨大4。管道是工业生产中最常见的设备，是运输天然气、煤气和各种流体的重要工具，管道铺设的投资在总投资中占有很大比重。而管道一旦遇到雷击、明火等各种偶然情况就有可能发生燃烧，火焰沿着管道传入危险储存罐内而引发大的事故，所以研究气体爆炸在管道内压力的传播等等是一个很重要的研究课题5。工业生产中管道的内部一定存在障碍物，并且障碍物对于气体爆炸压力具有很大的影响，所以障碍物的数量对气体爆炸压力影响的研究是必要的，通过安全技术中心的管道式气体爆炸实验装置，来进行研究水平管道内障碍物数量对气体爆炸压力的影响规律，期望对工业各种气体爆炸的预防和治理有所帮助。1.2 国内外发展状况国外发展状况对于可燃气体爆炸的研究国内外有很多,尤其是对瓦斯爆炸的研究尤为注重,煤矿巷道内的设备很多,而且可视为障碍物的物体到处都是,其对于爆炸物的爆炸压力传播规律的影响是研究重点6。美国矿务局早在1910年就建立了专门的试验矿井。而在1926年，Chapman和Wheeler率先组建了障碍物在管道中的火焰传播的研究工作，通过实验结果初步揭示了在障碍物作用下的火焰传播加速过程，之后，火焰的加速研究成为热点7。Christoph8在内径69mm，壁厚lOmm，长25m的管道内进行可燃性气体爆炸实验，实验得出：在一个管径的很短范围内爆燃转爆轰的过程完成；并且在爆燃转爆轰过程中，相对于火焰亮度的瞬间增加来说，火焰阵面速度增加相对平缓，在正负5个管径的范围里只增加最大火焰速度的20%。Mcihele9使用AutoReaGas软件对管道系统内气体爆炸进行了数值模拟，结果发现，管道直径对气体爆炸强度影响较大，在容器管道系统内气体爆炸产生的峰值压力和压力上升速率比单个管道高很多。 Salzano10等也采用AutoReaGas软件对管道内设有障碍物的可燃气体混合物爆燃过程进行了数值模拟，指出气体不会发生准爆轰或CJ爆轰现象，软件模拟结果与大量实验结果相符合。K.-H.Oh,H.Kim11等采用截面为0.2m0.2m,长度为0.9m的方管进行实验。研究在有无障碍物的情况下管道的火焰速度情况，实验表明在管道中无障碍物的情况下，LPG的火焰速度随着点火距离的增加而增大。而在管道有障碍物的时候，由于障碍物产生了旋涡，致使障碍物正后方的火焰速度有所下降。随着旋涡的破碎和火焰阵面的拉伸，火焰的湍流和热扩散导致障碍物后面的火焰传播加速。同时，研究者还指出开口管道内障碍物的阻塞率是一个非常重要的参数，它对火焰的传播速度和爆炸压力有很大的影响。Van den schoor12等人在内径为20cm的球型容器内对甲烷一空气的爆炸压力进行了实验研究，实验时初始压力为30bar，通过改变点火位置发现降低点火位置使得甲烷一空气爆炸压力增大，并指出中心点火适用于测定甲烷浓度在当量浓度附近时的爆炸压力，而不适合用来测定其爆炸极限附近浓度的爆炸压力。Robert13等利用含有挡板和90度弯的封闭管道(长18米的DN150的封闭管)来进行研究,利用各种挡板和90度弯曲与火源距离的长短,进行相同配置的实验，结果发现，各组实验之间存在较大差异，其中包括火焰速度和超压。随机元素的演变和相互作用最终产生火焰加速，结果证明：90度长管对火焰有提高速度和超压,缩短助跑距离的能力,而不同数量的气体实验通过在些定性的参数分析而得出，90度弯曲相当于挡板型障碍的10%至20%的阻塞率。J. Kindracki14使用长为1325mm内径为128.5的细管进行了实验，研究点火位置，障碍物位置对气体爆炸压力的影响。得出点火位置、障碍物位置均对爆炸有着显著的影响。 国内发展状况研究学者们已经熟悉了管道内可燃气体爆炸传播压力的机理，以及不同特定条件下水平管道气体爆炸的相应研究。林柏泉,周世宁15等为了研究管内瓦斯爆炸过程中火焰传播状况,采用80mm80mm总长24m的专用瓦斯爆炸实验腔体比较系统，得出结论，有障碍物时火焰厚度常常小于无障碍物的情况，在设有4个障碍物,并且设置的膜片距爆炸源较近时火焰厚度明显增大；火焰阵面前附近区域与管封闭段附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面后一段区域的温度变化较平缓，且火焰阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快上升到最大值，然后温度开始下降;火焰的传播速度约在20倍处长径比达到最大值，随后逐渐衰减熄灭，原因是障碍物的存在加剧了火焰传播过程中的湍流现象，而湍流又加速了火焰传播，同时障碍物的存在有可能产生激波。 谭迎新，候万兵16等采用水平管道式试验装置（如图1.1所示），得出结论：障碍物的存在对瓦斯爆炸具有促进作用，(1)在水平管道内，当长径比大于35左右时，瓦斯爆炸压力即可出现加强的现象，但是其增强速度比较缓慢；(2)障碍物数量对瓦斯爆炸压力具有明显的影响作用，而且数量越多，对瓦斯爆炸的增强作用就越明显，当障碍物为七片时，长径比64处甚至可以达到15MPa以上；(3)障碍物的阻塞率同样对瓦斯爆炸压力显著影响，即使单片障碍物也可以使得爆炸压力达1.17MPa。当单片障碍物的阻塞率为50时，激励作用最为显著，瓦斯爆炸威力也最大。图 1.1 实验装置张丽芳17采用水平管道式气体一粉尘爆炸装置，装置规格为直径139 mm，长3 100 mm水平爆炸管，得出结论:(1)障碍物的存在使火焰在传播过程中能量的损失变大从而使管道内的压力变小；(2)在放置了障碍物之后，火焰传播过程中到达最大爆炸压力的时明显缩短即管道中的爆炸持续时间缩短。障碍物的阻塞率越大，到达最大爆炸压力的时间越短。叶经方，范宝春18等研究证明现场工艺设备等障碍物诱导的流场大大提高了燃烧速率，从而使火焰加速传播，导致爆炸压力波的增强，使灾害程度增大。在实际生产过程中，有很多情况能使气体燃料与空气混合，达到可燃浓度，此时若有点火源存在，就可能酿成燃烧、爆炸灾害，造成严重的财产损失和人员伤亡。在建筑物内部或工业设备中，不可避免的会有障碍物。现在已经有很多研究学者对于水平管道内障碍物对气体爆炸压力的影响进行了研究。障碍物数量对于爆炸压力的影响可以为各种气体爆炸事故的分析、预防提供帮助。所以这是一项非常有意义的研究。1.3 本课题研究任务气体爆炸是工业生产和生活领域中爆炸灾害的主要形式之一,尤其是煤矿瓦斯爆炸事故,给人民造成了大量的人员伤亡和财产损失。一些研究指出气体爆炸火焰传播方向上的障碍物对气体爆炸特性有很大影响。本课题的任务是利用安全工程系自行建立的模拟煤矿巷道的水平管道式气体爆炸实验系统，通过改变在水平爆炸管道内障碍物数量，研究障碍物数量对气体爆炸压力的影响规律。2可燃气体在管道中爆炸的基本理论2.1可燃气体爆炸概述可燃气体爆炸的基本形式 爆炸的概念：在极短时间内，释放出大量能量，产生高温，并放出大量气体，在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化。其中爆炸的分类（如表2.1）：表2.1 爆炸分类类别爆炸原因举例混合气体爆炸可燃性气体和助燃气体以适当的浓度混合，由于燃烧的迅速加剧转化成爆炸空气和甲烷、汽油蒸气构成混合气的爆炸气体的分解爆炸单一气体由于分解反应产生大量分解热引起的爆炸乙炔、乙烯，等气体在分解时引起爆炸粉尘爆炸分散在空气中的可燃粉尘，由于快速的燃烧引起的爆炸空气中飘浮的面粉，亚麻纤维、镁粉等引起的爆炸喷雾爆炸可燃液体被喷成雾状分散在空气中，在剧烈燃烧时引起的爆炸油压机喷出的抽雾、喷漆作业引起的爆炸混合气体爆炸是指用一定的点火源点燃按一定的比例混合的可燃气体和助燃气体时，就引起混合气体爆炸，对于这个混合气体就叫爆炸性混合气体。爆炸性混合气体在一点上着火后，火焰是以一层一层同心圆球面的形式往各个方向蔓延的，火焰蔓延的速度，开始只有每秒几米或是更小。若条件适合，火焰以加速度传播，则可达到每秒数百米甚至数千米时，就形成了爆炸。因此，可燃混合气体的爆炸，是一个由燃烧到爆炸的转变过程19。可燃气体燃烧爆炸的模式大致可以有四种20：定压燃烧、爆燃、爆轰和定容爆炸。 定压燃烧：是指无约束的敞开型燃烧，属于稳定的过程，由于其燃烧产物能够及时向后排放，其压力始终保持与初始环境压力相平衡，因此系统的压力是恒定的。定压燃烧速度或叫基本燃烧速度是其特征参量。它取决于燃料的反应和输送速率。对于大多数烃类燃料和空气的混合物，在化学计量比浓度下，其典型的基本燃烧速度为0.5 m/s量级。一般来说，定压燃烧的危害较少，其研究的时间较长，在一定的情况下已获的解释。 爆燃：是一种带有压力波的燃烧，与定压燃烧不同地方是由于有压力波的产生。当燃烧阵面后有约束或障碍物时，火焰以亚音速传播，压力波则以当地音速传播，行进在火焰阵面之前，也叫前驱冲击波。因此，爆燃是由前驱冲击波和后随火焰阵面组成的。爆燃过程的研究工作的复杂性就在于爆燃过程是不稳定的燃烧波传播过程，在某些特定条件下，它可以减弱为定压燃烧；相反在另一些特定条件下，爆燃过程受到强烈干扰，边界约束增强，火焰逐渐加速并赶上前驱冲击波，即火焰阵面与压力波合，形成爆轰波。它又会加速而演变为爆轰波。管道内可燃气体点燃后，多数情况下，特别是在初始阶段，都是以爆燃形式传播的爆轰：爆轰是气体燃烧爆炸的最高形式，其特征是以超音速传播(相对于波前未反应混合物)的带化学反应的冲击波。跨过波阵面，压力和密度是突跃增加的。某些情况下可获得爆轰析解，相似理论在这方面也已经得到很好的应用。图2.1 爆燃Rayleigh线和Hugoniot线S爆轰强解；Sf，爆燃强解；W爆轰弱解；Wf爆燃弱解；CJ-CJ爆轰；CJf-CJ爆燃；CV一定容爆炸；CP定压爆炸图2.1是燃烧学的雨果利奥(Hugoniot)曲线21，下支是以亚音速传播的燃烧波为爆燃(deflagration)波，上支是超声速传播的为爆轰(detonation)波。慢速爆燃模式很容易实现，只需用一个很弱的点火源点火即可。而对大多数燃料空气化合物，直接激发爆轰要大约103104J的起爆能量。这两种模式，在适当的条件下可以发生突变，即从爆燃模式转变为爆轰模式。此过程一般称为“DDT(Deflagration to Detonation Transition)。在实际情况下，有许多因素可使火焰层流燃烧速度加速到爆轰状态。定容爆炸：是燃料混合物在给定体积的刚性容器中均匀地同时点火时所发生的燃烧过程，这是一个理想的模型，实际情况是不大可能均匀同时点火的，常见的是局部点火，扩展到整体。由于爆炸过程进行得很快，密闭窗口中局部点火所形成的参数与定容爆炸参数相关无几，一般就用定容爆炸模型来处理。在定容爆炸过程中，容器体积保持不变气体密度也不变，而压力随燃烧释放的化学能的增加而增加。对大多数烃类气体与空气的混合物，在化学计量浓度下，定容爆炸的压力大约为初始压力的7-9倍22。 本文所讨论的是甲烷和空气的预混合气体，主要爆炸形式是爆燃的形式，进而讨论研究不同障碍物数量在水平管道中爆炸过程的压力。气体爆炸参数表征气体爆炸特征的参数主要有火焰速度、燃烧速度、绝对火焰温度、定容爆炸压力、压力上升速率、点火能量及点火温度等。(1)火焰速度和燃烧速度火焰相对于前方已扰动气体的运动速度叫燃烧速度，它与反应物质有关，是反应物质的特征量。常温、常压下的层流燃烧速度叫标准层流燃烧速度，或基本燃烧速度。火焰速度则是相对于静止坐标系的速度，它不是燃料的特征量，而取决于火焰阵面前气流的扰动情况。混合气体的燃烧速度和火焰速度是与爆炸猛烈程度直接相关的参量，燃烧速度大的气体具有大的危害性和破坏性。其中燃烧速度较难测量，而火焰速度则较易测量。在极端情况下，由于火焰加速而使燃烧转变为爆轰，达到最大破坏效应。(2)绝对火焰温度绝热火焰温度计算虽然烦琐，但不困难，利用现有化学热力学和化学平衡的知识和数据，可以得到相对满意的计算结果。绝大多数气体混合物系统的引燃温度范围大体上是在9001000K，而可燃气体的浓度对火焰温度影响很大23。常见的可燃气体混合物最高火焰温度在2500K左右，表2.2列出了几种可燃混合气的实测火焰温度值。 表2.2 几种混合气的火焰温度燃料名称燃料浓度（%）火焰温度（K）甲烷乙烯乙炔丙烷丁二烯10.06.57.74.03.522302380260022502380(3)定容爆炸压力理论上定容爆炸是指在刚性容器内瞬间整体点火，且体系绝热，即不考虑容器壁的冷却效应与气体泄漏而带走的热损失情况下的爆炸，因此定容爆炸压力应当是爆炸最高压力。由于一般的混合气体爆炸前后的摩尔数变化比较小，所以实际上定容爆炸压力值主要取决于火焰温度。图2.2 可燃气体的密闭容器中爆炸压力波形一、爆炸压力上升阶段区 二、爆炸压力高值区 三、爆炸压力衰减区图2.2为理想状态下的爆炸压力波形。实际上，这种理想化的波形是不存在的，这是由于既不可能瞬时整体点火，也不可能是理想的绝热系统。(4)爆炸压力上升速度爆炸压力上升速率定义为压力时间曲线上升段拐点处的切线斜率，即压力差除以时间差的商(图2.3)。压力上升速率是衡量燃烧速率的标准，也就是衡量爆炸强度的标准。图2.3 爆炸压力上升速率定义2.2影响可燃气体爆炸的因素影响可燃气体爆炸超压和火焰速度的主要因素有24：（1）气体爆炸出现的可能性以及爆炸后产生的后果在很大程度上取决于气体活性。气体活性越强，分子扩散越快，则它爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度越大。产生爆轰的可能也越大。目前，根据可燃气体的反应活性对爆炸威力的影响，Mercx25等选取了几种气体作参照物，把可燃气体根据其反应活性对爆炸威力的影响定性地分为低、中、高三类，如下表2.3表2.3 可燃气体反应活性的参照分类反应活性可燃气体低中高氨，甲烷，氯乙烯乙烷，丙烷，乙烯，丁烷，高烷烃氢，乙炔，苯因为理论上气体爆炸出现的可能性以及爆炸产生的后果，在很大程度上取决于气体活性。气体活性越强，分子扩散越快，则爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度越大，产生爆轰的可能也越大。但到目前为止，还没有关于可燃气体爆炸危害的标准，一般只是根据反应活性把气体分为三类：低活性包括氨、甲烷、氯乙烯，中活性包括乙烷、丙烷、乙烯、正丁烷和甲烷。把乙炔、丙烷、甲烷均按化学计量比与空气混合进行实验，比较结果如图2.4所示，可以看出火焰速度与气体本身的活性存在着密切关系，可燃气体活性越大，轴向火焰速度越大，并且火焰速度曲线的大致走向基本相同。图2.4 不同活性气体轴线上的火焰速度分布根据实际情况本论文采用甲烷与空气预混合进行试验研究。（2）可燃气体爆炸发生在有障碍物或外部有约束的区域，则爆炸时产生的爆炸超压和火焰速度较大，它潜在的危害也较大26。因此，在预测可燃气体爆炸危害的时候，一定要考虑可燃气体受约束的程度。实践证明，可燃气体若在有障碍物或外部有约束的区域发生爆炸，则爆炸时产生的爆炸压力和火焰速度要增大许多，它潜在的危害就要大得多。因此，在预测可燃气体爆炸危害的时候，一定要考虑可燃气体受约束的程度27。（3）混合气体只能在燃料浓度适合时（在上、下可燃极限之间）才能发生爆炸，燃料浓度越接近上、下可燃极限，燃烧速度越低，超压越小。在密闭容器中，当燃料以上、下极限的比例与空气混合并且燃烧时，其爆炸超压是初始压力的45倍，当燃料与空气以化学配比混合燃烧时，爆炸超压一般为初始压力的79倍28。燃料与空气混合物的燃烧速度和反应热均随浓度而变化。将1.11.5倍的化学计量浓度定义为最佳浓度，此时爆炸则燃烧速度及爆炸反应热均达到极值。从安全角度考虑，最佳浓度为最危险浓度，在此浓度下，爆炸威力最大，破坏效应最严重。2.3链式反应理论和热爆轰理论链式反应理论链式反应理论是由前苏联科学家谢苗洛夫提出来的。根据链式反应理论，爆炸混合物与火源接触，就会有活性分子生成而成为连链反应的活动中心，气态分子之间的作用，不是两个分子直接作用得出最后的产物，而是活化分子自由基与另一分子起作用，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反应，如此延续下去而形成一系列的链锁反应。从宏观上看，爆炸性混合物在一点上着火后，热量及活性中心都向外传播，促进相邻一层混合物发生化学反应，然后该层又成为热量和活动中心新的源泉而引起新的相邻一层混合物的反应，如此循环往复，直到全部反应物均反应完为止。链式反应又分为直链反应和支链反应两种。直链反应的基本特点有：a每一个活性分子(自由基)与作用分子反应后，仅生成一个新的活性分子，自由基与价饱和的分子反应时自由基不消失。b自由基或原子与价饱和的分子反应时活化能很低。无论是何种链式反应都由三个阶段构成：即链的引发，链的传递(包括链的支化)和链的终止。链的起始需要有外来能源激发，使分子键破坏，生成第一个基；链的传递(包括链的支化)即自由基与分子反应；链的终止就是引向自由基消失的反应。在链的反应可以增殖游离基的情况下，如果此时发生的销毁游离基(链的终止)的反应速度低于游离基增殖的速度，则反应链的速度就会加快，这样又会增殖更多的游离基，如此循环进展，导致发生爆炸。链式反应速度V可用下式（21）表示： （21）式中： 一反应物浓度函数；链在气相中销毁因数；一链在容器上销毁因数；A一与反应物浓度相关的函数；链的分支数，在直链反应中=l，支链反应中l。根据链式反应理论，增加气体混合物的温度可使反应速度增加，使因热运动而生成的游离基数量增加，在某一温度下，链的分支数超过中断数，这时反应便可加速并达到混合物自行着火的反应速度。所以链式反应理论认为气体混合物自行着火的条件是：链式反应的分支数超过中断数，此时即便混合物的温度保持不变，仍可导致自行着火。在一定条件下，如当时，就会发生爆炸29。热爆炸理论热爆炸理论是指爆炸性物质受热而发生化学反应，并随着温度的升高直到爆炸的一种现象。爆炸性物质在一定的温度下以定的速度进行化学反应时，系统的温度随之提高，随着温度的增加，这种放热速度又加快，因此温度升高的可能性也将增加。但是，反应放出的热量还有向周围环境传播和散失的过程，热量产生的速率和温度的关系是非线性的指数关系，而热量损失的速率和温度的关系通常是接近线性或线性的关系。当放热速度大于散热速度时，这时化学反应产生的热量不能及时散失，而在爆炸性物质中积聚，使爆炸性物质的温度不断上升，随着温度的上升，热分解速度以及放热速度又不断加快，如此循环，好像系统在自身加热。如果自热过程未被控制，一旦系统温度升高到满足点火条件时，系统就会出现起燃或起爆，从而导致燃烧或爆炸的发生30。事实上，不是所有的爆炸现象可以仅用一种理论加以解释，爆炸现象是一种非常复杂的现象，其产生机理和影响因素非常复杂。至于在何种情况下发生热反应，何种情况下发生链式反应，要根据具体情况而定。甚至同一种爆炸性混合物有时在不同条件下，发生爆炸的机理有时也会有所不同。图2.5所示为氢和氧按完全反应的浓度组成的混合气发生爆炸的温度和压力区间。从图中可以看出，当压力很低且温度不高时，如在温度500和压力不超过200Pa时，由于游离基很容易扩散到器壁上销毁，此时连锁中断速度。超过支链产生速度，因而反应若进行缓慢，混合物不会发生爆炸；当温度为500，压力升高到200Pa和6666Pa之间时，由于产生支链速度大于销毁速度，链反应很猛烈，就会发生爆炸；当压力继续提高，超过b点以后，由于混合物内分子的浓度增高，容易发生链中断反应，致使游离基销毁速度又超过链产生速度，链反应速度趋于缓和，混合物又不会发生爆炸了。下图2.5中a和b点时的压力，即200Pa和6666Pa分别是混合物在500时的爆炸下限和爆炸上限。随着温度增加，爆炸极限会变宽。这是由于链反应需要有一定的活化能，链反应速度随温度的升高而增加，而链的将终止时的反应速度却随温度的升高而降低，故升高温度对产生链反应有利，结果使爆炸极限变宽，在图上呈现半岛形，当压力在升高超过c点(压力P6666610Pa)时，开始出现下列反应： 图2.5 氢和氧混合物(2：1)爆炸区间产生游离基和，这两个反应是放热的，结果使反应释放出的热量超过从器壁散失的热量，从而使混合物的温度升高，进一步加快反应，促使释放出更多的热量，导致热爆炸的发生31。2.4本章小结本章通过对气体爆炸的形式参数，以及各种影响因素和理论基础和实际情况，本文使用甲烷与空气预混合作为研究过程所需要的可燃气体。3实验装置和实验方法3.1实验装置 本论文研究的是水平管道内障碍物数量对气体爆炸压力的影响，采用了实验中心的一套用于检测气体爆炸压力的实验系统。其中包括水平管道、压力测试系统、高压点火系统、数据采集系统和配气系统组成。实验系统的主体为爆炸系统即水平管道，如3.1所示。图3.1 实验装置水平管道水平管道为本实验装置的主体部分，所有实验都是在管道内进行，因此爆炸管的安全性和可操作性是非常重要的。本实验装置采用的水平管道的钢管的内径为140mm，管的长度为9700mm。整个水平管道由三节节各长2200mm和两节各长l200mm以及一节长度为700mm，共六段钢管连接而成，每节用八个螺栓固定，便于拆卸。本实验采用五个压力传感器。管道采用材质20G碳素钢的无缝钢管 。水平管道示意简图如图3.2所示。15压力传感器、610进气孔、1113火焰观察孔图3.2水平管道简图压力测试系统本论文研究的是障碍物数量对气体爆炸压力的影响，因此压力传感是本实验系统的重要测量元件之一，压阻式和压电式是常用的两种压力传感器。压电式传感器是利用物质的压电效应来测量压力的。压电效应可分为正压电效应和负压电效应，其中力学压电传感器利用的是压电材料的正压电效应，它是指某些物质在沿一定方向受到力的作用而发生形变时，其表面上就会产生电荷，若将外力去掉，又重新回到不带电状态。本实验压力测量使用的是CYYD205型压电式压力传感器，传感器实物图如图3.3所示。图3.3 CYYD205型压电式压力传感器每一个传感器均与单独的YE5852A型电荷放大器连接，电荷放大器实物图如图3.4所示。此电荷放大器是一种以输出电压与输入电荷量成正比的低噪声的电荷放大器，与压电式传感器连接，可对传感器传出的关于振动、冲击、等压力变化的电荷进行放大。图3.4 YE5852A型电荷放大器点火系统本论文实验中的高压点火装置如图3.5所示，它为高压互感式点火系统。主要是由电源、高压互感器、控制箱、点火电极等组成。通过高压互感器以直接放电的形式来为可燃气体提供充足的点火能量。触发点火后，控制系统具有一定的延迟以保证安全，通过电极高压放电来产生电火花引爆可燃气体。220V的电压通过低压调频器和高压互感器进行放大到8KV通过电压，进行点火。图3.5高压点火装置数据采集及配气系统（1）数据采集系统数据采集系统使用的是TST3000动态测试分析仪。该仪器是将工业级PC机与瞬态数字化波形记录仪合二为一的数字测试仪器，它通过专门设计的系统软件，实现将高速瞬态信号转换为数字信号，同时实现对数字信号的存储、分析处理及打印输出等功能。数据采集系统如图3.6所示图3.6 TST3000动态测试分析仪（2）配气系统实验首先需要抽出水平管道内的空气进行配气，使用真空泵对水平管道加负压，理想压力值为-0.1Mpa，在压力真空表上可以读取压力。然后进行配气。本论文采用的是甲烷与空气与混合，所以需要甲烷气瓶，每次实验结束需要使用空压机，用空气置换出管道内爆炸后产生的气体。实验装置如下实物图所示。图3.7 真空泵和压力真空表图3.8 空压机和甲烷气瓶3.2实验测试步骤方法 实验由抽真空、配气、点火、数据采集、用新鲜空气置换爆炸后产生的气体。几大部分组成。具体实验步骤如下：(1)实验前先进行气密性检测。使用空压机对管道充入一定压力的空气，如果能保证一定时间内压力值基本无变化。可以保证配气需要即可。(2)使用真空泵对管道进行抽真空。(3)使用配气管向管道充入一定量的甲烷，当甲烷气体的分压达到要求气压时，停止进气。(4)通过前后进气孔对管道充入空气，当管内的气体的压力达到与外界大气压相同时，关闭前后阀门。(5)打开高压点火器电源并将电压调制指定电压，启动数据采集仪使其为待触发状态，然后点火。(6)采集数据、记录数据。(7)用新鲜的空气置换爆炸后产生的气体，并准备下一次实验。注：（一）当进行有障碍物实验时，在第一步骤之前先将障碍物放入管道内，再进行实验。（二）实验不要连续进行多次，因为爆炸产物有水，管道内壁出现大量的水滴，影响实验。 4水平管道障碍数量对气体爆炸压力的研究4.1障碍物的选择 根据实验室的实际实验条件，障碍物选择为环状障碍物，其阻塞率为60，障碍物的数量设定为一片、三片、五片和七片。进行对比性的研究。由于管道的内径为140mm，障碍物厚为3mm。实际设计障碍物的外环直径定为134mm。将障碍物安放在第一节和第二节管道相接处。由于障碍物的间距对气体爆炸过程的爆炸压力和火焰速度的影响不明显32，根据实际条件本文将每片障碍物的间距均定为140mm。如下图4.1所示图4.1 圆环形障碍物障碍物阻塞率的计算公式（41） （41）式中 ： S障碍物的阻塞率；L管道内径；D障碍物直径。4.2有无障碍物的实验研究光滑管道实验光滑管道实验也是在9700mm的水平管道内进行。空管实验步骤如章节3.2所示，无障碍物时爆炸压力的情况如下图4.14.5所示压力与时间曲线（1V=1Mpa）。图4.1 空管10%的甲烷与空气混合压力传感器所得压力时间曲线图4.2 空管10%的甲烷与空气混合压力传感器所得压力时间曲线图4.3 空管10%的甲烷与空气混合压力传感器所得压力时间曲线图4.4 空管10%的甲烷与空气混合压力传感器所得压力时间曲线图4.5 空管10%的甲烷与空气混合压力传感器所得压力时间曲线因为根据理论计算甲烷爆炸的当量浓度为94830，所以本实验选用甲烷浓度为10的混合气体。同时通过大量的实验研究在光滑的水平管道内不同浓度对甲烷爆炸压力传播发现，甲烷浓度接近于10左右时反应最剧烈，而且易操控。对上述所得数据进行整理得下表4.1： 表4.1 光滑管道内10%的甲烷与空气混合所得压力数据：压力传感器长径比爆炸压力最大值/Mpa（第一组）爆炸压力最大值/Mpa（第二组）爆炸压力最大值/Mpa（第三组）爆炸压力最大值/Mpa（平均值）4163248640.31200.26420.32280.52590.30130.31890.26660.52000.62450.38480.40150.30020.42150.53080.58210.34410.27700.42140.56040.4227根据上表所得数据可以看出在光滑管道内，10%的甲烷在管道中的最大爆炸压力为0.6245Mpa，平均最大爆炸压力的最大值为0.5604Mpa。有障碍物时的实验研究本论文选用阻塞率为60%的环状障碍物。首先进行一片环形障碍物（实物图4.6）实验。图4.6 单片环形障碍物障碍物放在第一节与第二节管道接口处。实验步骤根据章节3.2所示方法进行实验，实验结果如下表4.2。表4.2 障碍物阻塞率60%的一片环形障碍物爆炸压力数据压力传感器长径比爆炸压力最大值/Mpa（第一组）爆炸压力最大值/Mpa（第二组）爆炸压力最大值/Mpa（第三组）爆炸压力最大值/Mpa（平均值）4163248640.57030.37940.73290.78930.92930.51030.35210.67920.70140.93910.44350.40020.67730.66520.83360.50800.37720.69650.71860.9007根据表4.2中数据可以看出在一片环形障碍物作用下，10%的甲烷与空气混合在管道中的最大爆炸压力为0.9391Mpa。平均最大爆炸压力的最大值为0.9007有无障碍物的对比研究通过章节得数据，进行光滑管道和有障碍物（障碍物为环形）时的数据对比。如图4.7所示图4.7 有无障碍物时水平管道爆炸压力对比图通过上图所示可以看出两条曲线有明显的差距，主要是由于障碍物的存在加大了压力和湍流的强度，促进了燃烧反应的快速进行；另外障碍物的存在使火焰前锋穿过障碍物时较窄，火焰前锋被延伸为较大宽度，而且一个完整的火焰前锋被分离为多个连续的波浪状或锯齿状火焰面。这种形状的火焰前锋面积大为增加，从而增加了与未燃气体的接触面积同时混合度也有很大的提高，使火焰在更大燃爆强度的基础上继续向前发展，引起整个管道内各点爆炸强度的增加，相应地爆炸压力也随着增大。因此有障碍物时气体的爆炸压力明显的大于光滑管道的气体爆炸压力。4.3障碍物数量的实验研究一片环形障碍物的爆炸压力一片障碍物的实验过程如章节实验结果如表4.2三片圆环形障碍物的爆炸压力如实物图4.8所示三片环形障碍物。其中每片障碍物之间的距离为140mm。障碍物安放在第一节与第二节相接处。图4.8 三片环形障碍物实验方法与一片障碍物相同。实验结果如下表4.3表4.3障碍物阻塞率60%的三片环形障碍物爆炸压力数据压力传感器长径比爆炸压力最大值/Mpa（第一组）爆炸压力最大值/Mpa（第二组）爆炸压力最大值/Mpa（第三组）爆炸压力最大值/Mpa（平均值）4163248640.50390.40870.75390.99951.24920.57030.37940.73290.98930.82930.55230.53010.76240.80310.90190.54220.43940.74970.93060.9935根据表4.3中数据可以看出在三片环形障碍物作用下，10%的甲烷与空气混合在管道中的最大爆炸压力为1.2492Mpa。平均最大爆炸压力的最大值为0.9935Mpa。五片圆环形障碍物的爆炸压力五片圆环形障碍物如图实物4.9所示。每片间距仍为140mm。放入第一节与第二节管道相接处。图4.9 五片环形障碍物实验方法与一片障碍物相同。实验结果如下表4.4表4.4障碍物阻塞率60%的五片环形障碍物爆炸压力数据压力传感器长径比爆炸压力最大值/Mpa（第一组）爆炸压力最大值/Mpa（第二组）爆炸压力最大值/Mpa（第三组）爆炸压力最大值/Mpa（平均值）4163248640.50320.40270.64380.89951.18930.43510.47440.65430.90180.97610.56710.43650.75460.91251.20430.50180.43790.68420.90461.1232根据表4.4中数据可以看出在五片环形障碍物作用下，10%的甲烷与空气混合在管道中的最大爆炸压力为1.1893Mpa。平均最大爆炸压力的最大值为1.1232Mpa。七片圆环形障碍物的爆炸压力七片圆环形障碍物如图4.10所示。每片间距为140mm。放入第一节与第二节管道相接处。 图4.10 七片环形障碍物实验方法与上述含障碍物实验相同。实验结果如下表4.5。表4.5障碍物阻塞率60%的七片环形障碍物爆炸压力数据压力传感器长径比爆炸压力最大值/Mpa（第一组）爆炸压力最大值/Mpa（第二组）爆炸压力最大值/Mpa（第三组）爆炸压力最大值/Mpa（平均值）4163248640.53320.52730.82650.99911.47620.52210.59010.76130.92731.53200.50110.49050.79360.93451.10810.51880.53600.79380.95361.3709根据表4.5中数据可以看出在七片环形障碍物作用下，10%的甲烷与空气混合在管道中的最大爆炸压力为1.5320Mpa。平均最大爆炸压力的最大值为1.3709Mpa。4.4障碍物数量的对比研究根据本章节所得数据进行绘制一片、三片、五片、七片障碍物的数据对比如下图4.11所示。图4.11 不同数量障碍物的爆炸压力对比根据上图表可以得出障碍物由一片增加到七片时气体最大爆炸压力逐渐增大，在管道长度范围内并且距离点火处越远，爆炸压力越大。分析其原因，随着障碍物数量不断的增加，障碍物在其下端管段内产生的湍流效应不断增大，从而提高了火焰燃烧速率和火焰传播速度，相应地提高了波的压力与波速，因此障碍物数量增加爆炸压力也不断增大。气体从管端开始燃烧，随着火焰不断向管的末端传播，管内的压力也会不断增大。因此距管前端越远的压力传感器，得出的爆炸压力值越大。 5结论本论文通过实验的形式对水平管道中障碍物数量对气体爆炸压力的影响进行了研究。采用对比的研究方法，改变障碍物数量来进行实验，得出实验数据，对数据进行对比分析得出以下结论。（1）通过对光滑管道和有障碍物的爆炸压力的对比分析得出：障碍物的存在增大了压力和湍流强度，使管内的燃烧速率增大，即气体爆炸压力也随着加大。因此障碍物对管道中气体爆炸具有激励作用，并且作用较明显。（2）通过对一片、三片、五片、七片障碍物的爆炸压力对比分析得出：障碍物的数量越多，受到障碍物作用的压力和湍流强度越大，管道内的燃烧速率也越快，气体的爆炸压力也同样越大。一片、三片、五片、七片的最大平均爆炸压力值分别为0.9007Mpa、0.9935Mpa、1.1232Mpa、1.3709Mpa。因此在本论文实验条件下，管道中气体爆炸压力随着障碍物数量的增加而逐渐增大。参考文献 1 徐景德矿井瓦斯爆炸传播的试验研究J煤炭科学技术，2004，07：57.2 桂晓宏，余华，林柏泉.瓦斯爆炸过程中火焰与超压的实验研究J.江苏煤炭，2000，01：1416.3(德)巴尔特克纳西特,爆炸过程和防护措施M.北京:化学工业出版社，1985，92：4570.4王海福，冯顺山.防爆学原理M.北京：北京理工大学出版社，2004，1536.5胡双启，张景林燃烧与爆炸M北京：兵器工业出版社，1991，2155.6侯万兵，谭迎新，袁宏甦.障碍物对瓦斯爆炸压力的传播的影响J.消防科学与技术,2010，29(1):1925.7丁以斌，敦子如置障条件下可燃气火焰传播的研究现状J工业安全与环保，2006，32(11)：3031.8Christoph KerstenInvestigation of deflagrations and detonations in pipes and flame arresters by high-speed framingJJournal of Loss Prevention in the Process Industries，2004，17：43509Miehele Maermonti et a1Nmuerieal simulation of gas explosion in liknedVesslesJJoumal of Loss Pervention in the Poreess 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