粉尘爆炸火焰传播异/均相燃烧控制机理转变过程的动力学机制研究

This project aims to study the dynamics transition of flame propagation mechanism from devolatilization-controlled to kinetics-controlled in dust explosions. In the experiments, the microstructures of dust flames, considering the temperature profile and thickness of the preheat zone, thickness of the reaction zone, the thermodynamic characteristics of the preheated particles and dominant heat transfer, will be revealed with a combination of high-speed photography, band-pass filter, fine thermocouple, ion current probe and PIV technique. Subsequently, the critical conditions for flame propagation mechanism transition from devolatilization-controlled to kinetics-controlled will be clarified by regularly changing the particle thermal properties, particle size distributions and concentrations. Based on the above experimental results and theoretical analysis, the prediction model for flame propagation mechanism transition from devolatilization-controlled to kinetics-controlled will be developed. The present study will provide theoretical and technical support for prevention and mitigation of industrial dust explosions.

本项目研究粉尘爆炸中火焰传播机理由热解气化控制的异相燃烧向由化学反应控制的均相燃烧转变的过程，利用自主设计实验台，结合高速摄影系统、带通滤波片、微细热电偶、离子探针、PIV测量技术研究粉尘爆炸火焰的发展行为、阵面结构及预热粒子的热动力学特征等，揭示两种火焰传播控制机理下考虑预热区厚度、温度、燃烧区厚度、预热粒子的热动力学特性、主导传热模式的粉尘火焰微观精细结构；随之，通过有组织地改变粒子的热特性、粒径分布特性及浓度特性，获取粉尘火焰传播由热解气化控制向由化学反应控制转变的临界条件；基于实验结果、理论分析提出粉尘爆炸火焰传播机理转变准则预测模型。研究成果可为从本质上防控粉尘爆炸危害提供理论支持和技术支撑。

本项目研究粉尘爆炸火焰传播机理由热解气化控制的异相燃烧向由化学反应控制的均相燃烧转变的过程，利用自主设计粉尘爆炸火焰精细结构实验台，结合高速摄影系统、带通滤波片、PIV测量技术，研究粉尘爆炸火焰发展行为、阵面结构及预热粒子热动力学特征，揭示两种火焰传播控制机理下考虑预热粒子热动力学特性、主导传热模式的粉尘火焰微观精细结构。如果颗粒足够小或挥发性足够高，颗粒会快速气化和热解，形成均匀气体可燃物，火焰传播受化学反应机理控制，火焰前锋光滑与预混气体爆炸类似；对于大粒径或低挥发性颗粒，只有小粒子被完全热解，预热区气体可燃物浓度较低，火焰前锋结构复杂，由蓝色点火焰和发光火焰组成。火焰首先向邻近小颗粒传播，小颗粒完全热解，局部预混火焰继续加热较大颗粒，形成局部扩散火焰，即孤立蓝色发光点。通过有组织地改变粒子的热特性、粒径分布特性及浓度特性，得到粉尘爆炸火焰传播由热解气化控制向由化学反应控制转变的临界条件。特征时间尺度分析表明Damköhler数是表征粉尘爆炸火焰传播机理转变的关键参数，当Damköhler数小于1时，燃烧反应速率控制火焰传播过程；当Damköhler数大于1时，热解气化控制火焰传播过程。研究成果可为从本质上防控粉尘爆炸危害提供理论支持和技术支撑。