爆炸压力积聚工况下气粉两相体系火焰传播机理研究

The existing theories of flame propagation through hybrid mixtures of combustible gases and dusts are not associated with the explosion pressure, and hence cannot describe the accurate mechanisms of flame propagation during real explosion processes in which explosion pressures usually accumulate. Based on the visible and pressure-bearing experimental device designed independently, this project intends to obtain the explosion pressures and other parameters including flame shapes, flame front appearances, flame speeds, brightness, flow fields, reaction intensities, and flame temperatures synchronously, by using testing technologies including high frequency pressure sensors, high-speed optical images, micro-thermocouples and ion current probes, and by adjusting numerous parameters in multiple types. The flame fine structures, flame propagation behaviour, and flame front reaction features of hybrid mixtures under explosion pressure accumulation will be clarified. By combining the experimental results and the theories including thermodynamics, heat and mass transfer, combustion, and reaction kinetics, the mechanisms of flame propagation through hybrid mixtures of combustible gases and dusts under explosion pressure accumulation conditions will be revealed. This research will greatly improve the theories and technologies of hybrid mixture explosions.

现有的针对气粉两相体系爆炸火焰传播的理论对爆炸压力的关注不够，导致无法精准描述真实爆炸过程中压力积聚对火焰传播机理的影响。本项目拟以实验研究为主要手段，基于自行设计的可视、承压实验平台，采用高频压力传感器、高速光学图像、微细热电偶、离子电流探针等测试技术，通过有规律调整多类型、多数量影响参数，同步获取气粉两相体系爆炸压力与火焰形状、锋面形态、传播速度、发光亮度、冷热态流场、反应强度、火焰温度等参数信息，阐明爆炸压力积聚工况下气粉两相火焰精细结构、传播行为及火焰锋面化学反应特性。结合热力学、传热传质、燃烧学、反应动力学等理论，揭示并构建适用多参数的气粉两相体系在爆炸压力积聚工况下的火焰传播机理。本项目的开展，可为丰富及完善气粉两相体系爆炸理论及爆炸防治技术提供基础。

以往针对气粉两相爆炸火焰传播理论的研究，对爆炸压力的关注不够，导致无法精准描述爆炸过程压力积聚对火焰传播机理的影响。本项目以实验研究为主，以理论分析为辅，搭建了柱形和方形密闭容器内气粉两相爆炸火焰传播实验装置，采用先进测试技术测量了爆炸压力、火焰、微观粒子运动轨迹等爆炸信息，揭示了爆炸过程压力与火焰的耦合传播、气体与粉尘粒子的相互作用等机制，构建了典型气粉两相体系在爆炸压力积聚工况下的火焰传播机理。.研究发现，在爆炸压力积聚工况下，气粉两相混合体系的爆炸压力与火焰结构、爆炸压力上升速率与火焰速度在规律上具有一致性，即爆炸特征参数和火焰传播特性参数相互耦合。对不同种类、不同浓度的粉尘，适量可燃气体的添加将提高粉尘爆炸过程的燃烧强度，进而提高火焰的连续性、结构饱满度、亮度和传播速度，最终导致爆炸压力和爆炸压力上升速率的增大。但是，当可燃气体或粉尘浓度过高时，两者的混合将加剧不完全燃烧，导致粉尘爆炸燃烧强度降低，进而减弱粉尘爆炸火焰的连续性、结构饱满度、亮度和传播速度，最终导致爆炸压力和爆炸压力上升速率的减小。.在爆炸压力积聚工况下，铝粉/氢气两相体系爆炸火焰传播速度呈现两波峰结构。铝在氢气中燃烧形成带核细胞状微扩散火焰。铝颗粒外部环境中氢气率先燃烧，提高环境温度，促进铝的更大范围燃烧。由氢气包裹的铝颗粒表面周围气相火焰逐渐扩大，加热内部铝颗粒。受表面氧化膜影响，在温度达到氧化铝熔点之前，发光铝颗粒一直存在于气相火焰内。温度超过氧化铝沸点后，内部液态铝喷射出来，并被点燃。与环境中的氢离子、氢氧根粒子等，形成铝的各种氧化物、氢氧化物。.项目研究成果丰富和完善了气粉两相体系爆炸理论，为气粉两相爆炸防治提供了理论支持。