石油化工行业中许多介质具有易燃易爆风险,尤其是预混爆燃火焰及压力波在管路内传播时,爆炸超压及火焰速度逐渐增加,将会引起更大灾害,因此研究管路内预混可燃气体爆炸抑制机理及技术对工业管道可燃气体爆炸灾害防治具有重要意义。本文建立了管路内多孔材料抑制预混爆燃火焰传播实验装置,研究了硅酸铝棉对预混C3H8/Air爆燃火焰及压力波的协同作用效果,并采用CFD软件Fluent对抑爆过程进行数值模拟,获取流场信息,并对硅酸铝棉抑爆机理进行分析。本文主要工作和结论如下：(1)建立了直管路及带90°弯管的管路内硅酸铝棉抑制预混爆燃火焰传播实验装置。通过在加速段增设障碍物及聚四氟乙烯膜实现预混爆燃火焰初始压力变化。(2)通过建立气相湍流流动模型、多孔介质模型、气相湍流燃烧模型,建立了多孔材料抑制预混爆燃火焰传播数值模型,实现了不同初始压力下对直管及带90°弯管管路内C3H8/Air预混气体爆燃的数值模拟。选择5mm×5mm、4mm×4mm、2mm×2mm、1.3mm×1.3mm,1mm×1mm5种密度网格进行了独立性分析,确定网格密度为2mmx2mm时精度较高且计算经济性较好。将数值模拟结果与实验结果验证,确定了数值模型的可靠性及精度。(3)实验发现,在加速段添加障碍物能够显著增大火焰速度及爆炸超压。障碍物对爆炸超压的影响比火焰速度更为明显。但是,直接在加速段冲入较高初始压力气体时,对火焰速度的影响比爆炸超压更为明显。内衬管道中的硅酸铝棉对爆燃火焰具有良好的抑制作用,具体表现在能够降低火焰速度及爆炸超压。随着爆炸超压增加,硅酸铝棉对超压的吸收和衰减作用增加。(4)扫描电镜结果表明,硅酸铝棉微观呈三维贯通结构,棉纤维直径在5-10pm范围内。这种多孔纤维骨架结构回对压力波发生散射折射并产生衰减,同时,空隙和骨架增加了淬熄火焰的器壁效应。不仅如此,对硅酸铝棉爆炸前后纤维结构对比发现,爆炸后硅酸铝棉因吸收了爆炸产生的能量出现大量坍塌和孔隙压实。(5)实验发现,硅酸铝棉位置对弯管处爆炸超压和出口火焰长度具有显著影响,当其位置在弯管与点火端中点附近时,爆炸抑制效果最好,爆炸超压较不放置硅酸铝棉时爆炸超压下降了90%左右。当硅酸铝棉位置距点火端和弯管入口较近时会起到障碍物增压作用。根据排代作用,喷出管道未反应气体较多,火焰较长。出口火焰长度随硅酸铝棉位置的变化趋势与爆炸超压随位置的变化趋势相反。(6)通过数值模拟获得了90°弯管中C3H8/Air预混气体的爆燃特性,将模拟得到的火焰面形状和压力波形与实验结果对比发现两者吻合较好。数值模拟发现,管道内不放置障碍物时,火焰面经过弯管时会向弯管内弧面发生弯曲,燃烧主要在弯管内弧面进行,外弧面燃烧较缓慢。弯管外弧面爆炸超压有大的而内弧面火焰速度较高。当管道内衬硅酸铝棉时,弯管外弧面爆炸压力较高而内弧面火焰速度较高,但是,与无硅酸铝棉相比,弯管内外弧面爆炸超压明显降低。
