内壁粗糙度对丙烷爆炸影响的微观研究

【摘要】可燃气体爆炸严重妨碍我国工业安全生产，极大地威胁着劳动者的生命健康和财产安全，事故的严重后果从身心方面给生产事故受害者带来极大的创伤，也降低了普通劳动者的生产热情。丙烷气体是工业生产中常用的石油化工原料，安全性不容小觑，因此，对丙烷燃烧爆炸之后的火焰产生机理及其传播规律的研究，对其引发的事故预防具有很好的启示作用，也越来越受到研究人员的重视，关注点也更加广泛。利用中北大学防火防爆安全工程技术研究中心自行设计并制造的水平管道式气体爆炸测试装置，通过设计不同的管道粗糙度，采用高速摄像技术观测丙烷在各种粗糙度情况下爆炸火焰传播的情况，对常温、常压下丙烷空气混合气体的燃爆机理进行了一定的研究探讨，主要研究内容如下：（1）在常温常压试验条件下，通过试验确定了丙烷的爆炸极限浓度范围为3%-11%，当量浓度为5%。（2）确定了管道中气体爆炸火焰传播最大速度的位置。在丙烷的当量浓度下，通过改变高速摄影仪的拍摄位置，分别拍摄了爆炸管前端、中端和末端的火焰传播速度，在前端最大，中端次之，末端最小，从前端到末端，经历了一个从高速到低速的过程，这是由于在传播过程中能量损耗、摩擦阻力、外界冷却等造成的。（3）丙烷-空气混合气体在丙烷当量浓度条件下，爆炸火焰开始时呈现稳定层流燃烧状态，进而向湍流状态转变，火焰阵面结构由稳定趋于不稳定，由开始时的球形不断拉伸变形，火焰亮度也不断减弱，直至在压力冲击波的作用下冲破泄爆膜而出。而爆炸火焰传播速度在初始期迅速达到一个峰值，约为137m/s，然后在冲击波阻力的作用下，火焰传播速度出现一定幅度下降后，在层流燃烧状态下逐渐上升，之后由于湍流作用、管壁摩擦等作用出现小幅下降后，以高速冲出泄爆膜。（4）管道内壁粗糙度对丙烷爆炸有显著的影响。改变粗糙度大小，分别在粗糙度为1mm、2mm、3mm的情况下进行了试验，随着粗糙度的增加丙烷爆炸更为剧烈，火焰更加明亮，爆炸火焰传播速度呈现递增趋势，粗糙度的存在对爆炸火焰的激励作用大于抑制作用。当改变粗糙网面的长度，分别选取20cm、40cm、70cm进行试验时，发现在长度为20cm和70cm时，火焰特征表现类似，40cm时在爆炸剧烈程度、火焰亮度及火焰传播速度上则高于前两者，说明粗糙网面长度在一定范围内激励了爆炸，但是当达到峰值后，抑制作用则压过激励作用，阻碍爆炸火焰的传播。总之，粗糙度的增加，加速了爆炸火焰传播速度，使爆炸反应更为剧烈，因此，在实际中，控制管道粗糙度的大小可以有效预防和控制可燃气体爆炸。
【作者】李媛；
【导师】谭迎新；吴志宏；
【作者基本信息】中北大学，安全工程，2014，硕士
【关键词】粗糙度；丙烷；气体爆炸；火焰传播；微观研究；

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