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密閉容器內粉塵爆炸特性研究

文檔作者：郭漢彥等文檔來源：中國科學院力學研究所		點擊數：	更新時間： 2025年10月22日
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海導滌
密閉容器內粉塵爆炸特性研究
中國科學院力學研究所郭漢彥等苦
〔摘要〕本文對密閉容器中粉塵爆炸壓力隨時間變化規律進行分析, 確定共影響因索
.
并根據實則
壓力波形推算爆燃波傳播速度及火焰厚度。
〔關鍵詞〕粉塵爆炸特性火焰速度火焰厚度
引言
近年來, 由于工業粉塵爆炸事故時有發生, 給國
家和人民的生命財產造成了很大損決, 因而引起了國
內各有關部門的高度重視, 相繼開展了粉塵爆炸研究
工作, 對粉塵爆炸機理和粉塵防爆措施進行了大量的
試驗研究工作, 并取得了大批粉塵爆炸參數實驗數
據。在粉塵爆炸參數中, 粉塵爆炸效應類參數, 即粉
塵最大爆炸壓力及最大壓力上升迅率, 是關系到粉塵
爆炸造成破壞嚴重程度的參數, 因而對其進行深入的
分析研究有著重大的實際意義。同時由于工業粉塵爆
炸事故危害大的多發生或首先發生在建筑物或工藝設
備的相對密閉的空間內, 所以密閉空間內粉塵爆炸壓
力和壓力上升速率的變化規律更應得到人們的重視。
為進行泄爆或其他類型的控爆設計, 15 0 一6 1 84
/ 1 規定利用Kst 對可燃粉塵進行危險性分級。它是
根據在一定容積范圍的密閉容器內進行試驗測試的壓
力上升速率得出的工程近似關系。分析表明最大爆炸
壓力卜升速率不僅與容器形狀有關, 而且與容器的容
積大小的關系并不是簡單的立方根關系。為了探索粉
塵爆炸最大壓力上升速率的變化規律及影響因素、本
文試圖首先對密閉容器中粉塵爆炸壓力隨時間變化規
律進行分析確定其影響因素, 隨后根據實測壓力波形
推算
.
爆燃波傳播速度及火焰厚度等。
二、爆燃波( 火焰陣面) 速度和火焰厚度
粉塵爆炸是氣體與固體顆粒兩相混合物的不定常
化學流動, 其流場非常復雜。其反應陣面既可能以每
秒僅數十厘米的層流爆燃速度傳播, 又; lJ 能以梅秒
-
千多米的爆轟波速度傳播。更多的情況則是初始時以
較低速度傳播的爆燃波在傳播過程中不斷加速達到較
高的傳播速度, 甚至可能轉變為爆轟波〔其反應陣lfl1
的厚度亦在傳播過程中發生變化一反應陣面的傳播速
度及反應( 火焰) 陣面的厚!變不同
,
容器內限力變化
規律亦不相同。囚此
.
爆燃波火焰陣面速度和火焰厚
度是描述粉塵爆炸特性的很重要的兩個參數要測lfI
這兩個參數需要用一專門的測量儀器進行專門的試驗
.
通常是利用光學、熱學或電學的傳感器來測定各個l[ ,
少
刻( 反應火焰) 陣面到達的位置或利用高速攝彩機拍
攝火焰傳播的軌跡。除去需要這些專門的測量儀器沒
備外
,
還需要專!’
,的爆炸容器
,
這樣就使得試驗所得
數據資料有限而我們在2 0I J 及Z m ` 等球形或接近球
形粉塵爆炸試驗裝置測定粉塵爆炸最小點火能、爆片
濃度卜限、
最大爆炸壓力及最大壓力f幾升速率時. IJ 取
得大量容器內爆炸壓力波形。問題在于是否川從這此
壓力波形得到粉塵爆燃波陣面速度及反應( 火焰、陣
面的厚度國外曾有人對容器內鋁粉塵爆炸日引五力變
化過程進行了計算, 并”。實驗對比
.
其間有較大派異
考慮到上述這些容器內粉塵爆燃波接近球形, 并取幾
傳播速度的平均, 我們對于給定爆燃陣向速度及反應
( 火焰) 陣面厚度條件下計算J ’中心點火時容器內爆
炸壓力變化過程
,
其結果與容器內粉塵爆炸實測J 、力
波形完全一致經反復分析比較后發現: 粉塵云中心
點火后爆燃波自中心向四周傳播l付
.
容器內壓力逐漸
L 升: 當爆燃波陣面達到器壁時, 壓力波形的斜率最
大, 即壓力上升速率達到最大值: 以后壓力繼續}
升, 但壓力上升速率逐漸減慢, 直至容器內粉塵全部
年長文作者: 中科院力學研究所郭漢彥、陳立紅、任學文、王小京、張春麗本刊注
芳3 芳
DOI : 10. 14023 /j . cnki . dqfb. 1992. 02. 001
化學 反應過程 ( 燃燒過程 全部)結束 , 壓力達到最大
位( 見圖l ) 。
這樣我們就可以從實驗得到的壓力波形來估算其
爆燃波陣面的傳播速率及火焰厚度。
I,
( 3 1 1’ .
選用玉米淀粉、亞麻粉塵、鋁粉、
煤粉等。容器內粉
塵爆炸壓力變化情況利用裝在容器壁上的B P R 一2
型應變式及壓電式壓力傳感器測得, 所輸出壓力模擬
信號, 在送入X 一丫筆式記錄儀記錄壓力波形的同
時, 送給A / D 轉換器進入計算機處理, 得到最大壓
力、最大壓力上升速率等粉塵爆炸參數。粉塵點火采
用容器中心點火方式。
試驗系統框圖如圖2 所示
孰分所析 果門形 側勺ó
.J
七,試玉驗一魂力/ 波/
所得
、八里
曰口ó 式
、ǎ.1 à頭國,I
全部燃燒結過程束
爆燃
陣面
達ylJ
心中點火
d t l 刁t Z
圖3 壓力波形:
由上述典型壓力波形可以看到, 從起點到波形
的拐點處這一段時間相當于從粉塵容器中心點火到爆
燃波陣面接觸容器壁的時間
.
申△ t l 表示從波形
拐點到達最大壓力即波形最高點處所用時間表示為
△ t 2 .
這是由于爆燃波火焰陣面有一定厚度, 火焰
接觸器壁持續的時間。兩段時間之和即為容器內燃燒
的持續時間。因此, 容器內的爆燃陣面傳播的平均速
度即可由下式求得:
鱷伙
111匕
。。
d P / d
( M I , 二/ s
三、試驗裝置及試驗方法
本文所用試驗爆炸容器均為高度和直徑相等的近
似球形密閉容器, 容積分別為20 L 和2 m 3 ?？扇挤蹓m
V r = I丈/ J t z
式中Vf 一爆燃波速度
框統圖圈系驗試2
補贊4
V f ( / m
2 3 ( g / 3 20 0
圖4
沁0 0
淀粉爆炸火焰速度變化規律
J f ( m m 0020401030 5 一R一容器的半徑
刁t l一一從點火到火焰到達器壁的時間
同時可沽算密閉容器內粉塵爆炸的火焰厚度為:
占f = 卜/ , · 刁t Z
式中` f 一火焰厚度
Vr 一火焰速度
刁t: 一一火焰碰壁持續時間
通常, 在粉塵發生爆燃時, ’ 火焰陣面前沿處粉塵
云存在湍流運動, 加上火焰燃燒陣面的不穩定, 從而
更加速了火焰陣面的傳播速度。此外, 如點火源的位
置, 局部粉塵濃度的大小, 爆炸空間的形狀尺寸等等
因素在研究大尺寸結構、特別是情況復雜的空間內的
粉塵爆燃時, 尤其應該注意。本試驗中我們采用的20
L 和2 m 3 容器的半徑分別為1 5 0 mm 和了0 0 m m 。
鑒于目前尚未見到有關密閉容器內火焰傳播規律
及火焰厚度的報道, 因此我們在這方面進行了一些探
索性工作, 取得了密閉容器內火焰速度和火焰厚度的
變化規律, 結果如圖4 、5 、6 、7 所示。
試驗結果表明, 密閉容器中的火焰速度隨粉塵的
濃度增加而增加。另外, 火焰速度與容器的容積大小
關系很大, 小尺寸容器中火焰傳播距離較短, 湍流加
診過程短。而隨著容器尺寸增大, 湍流加速過程變
.
長, 湍流加速影響就大?；鹧婧穸鹊淖兓尸F出類
似的規律。
通過以上分析, 我們得到下列結果:
1 .
密閉容器內火焰速度和火焰厚度都隨容器內粉
塵云濃度增加而增加;
2 .
20 L 容器中火焰速度和火焰厚度均遠小于2m 3
中的數據;
3 .
20 L 容器中火焰平均速度為0 . 7 m / S , 最大為
1. s m / s , 火焰平均厚度為74
. 7 m m , 最大為1 14
m m ;
4 . Z m , 容器中火焰平均速度為3 . Z m / s , 最
大為3 . g m / s , 火焰平均厚度為636
.
百m m , 最大為
了7 8 m m 。
0 20 0
圖5
V f ( m / s )
3 仁
( g / m 3 )
10 0 0
淀粉爆炸火焰厚度變化規律
( g / m
1 0 0 20 0 30 0 40 0 50 0
圖6 20 L 亞麻粉塵爆炸火焰速度變化規律
J f ( m m )
門0 門302010
五、結論
1.
火焰速度及火焰厚度隨容器尺寸增加而增加;
2 .
火焰速度對于最大壓力上升速率有明顯的影響;
3 .
本文首次得出火焰厚度對最大壓力上升速率影
響甚大, 特別是在壓力的初始階段。在進行泄爆設計
時應給以注意。
10 0 20 0 3 0 0 4 0 0 50 0
( g / m , )
圖7 20 I J 亞麻粉塵爆炸火焰厚度變化規律
甘5

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