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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
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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。
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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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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 安全科学 > 安全工程 > 爆炸安全与防火、防爆
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