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非均匀分布作用下典型金属复合粉尘云爆炸动力学影响机制研究

批准号:
52104213
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘丽娟
依托单位:
学科分类:
安全科学与工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘丽娟

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
金属和合金粉尘具有高爆炸敏感性和危险性,目前研究集中于形貌和制备方式单一的粉尘,对于不同颗粒形貌和制备方式的金属复合粉尘爆炸机理缺乏系统全面的研究,尚未准确揭示非均匀分布作用下两相复合体系爆炸灾害的理论链。本研究以不同颗粒形貌和制备方式的典型金属复合粉尘为研究对象,建立金属复合粉尘瞬态浓度和流场分布观测系统,利用实验结果对模拟建立的瞬态弥散模型进行修正,实现对反应区全域粉尘瞬态弥散度、湍流分布及金属复合粉尘着火条件的可靠预测。采用动态光学测试、多相流场监测与爆炸产物检测分析相结合的方法,研究金属复合粉尘弥散度和湍流耦合下的爆炸能量传递规律;建立粉体物性表征与爆炸动力学参数之间的相关性,解析爆炸微观动力学反应机制。结合实验研究和数值方法揭示非均匀分布作用下金属复合粉尘爆炸火焰结构与演化机理,揭示爆炸宏观动力学与火焰微观结构的耦合作用。本研究为预防粉尘爆炸事故、完善粉尘爆炸机理提供科学依据。
英文摘要
Metal and alloy dust have high ignition sensitivity and explosion hazards. At present, most research has focused on dust with a single morphology and preparation method, and hence there is a distinct lack of systematic and comprehensive research on the explosion mechanism of composite metal dust with different particle morphology and preparation methods. The theoretical chain of explosion disaster under the action of nonuniform distribution in the two-phase system has not been accurately revealed. This study takes the typical composite metal dust with different particle morphology and preparation methods as the research object, intends to establish an observation system for the flow field and the transient concentration of composite metal dust, and apply the experimental data to modify the simulation model of transient dust dispersion. One goal of this research is to achieve reliable prediction of transient dispersion and turbulence distribution in the entire reaction area, and establish a prediction model for the ignition criterion of the two-phase system. The law of explosion energy transfer under the coupling effect of dust dispersion and initial turbulence is explored by using dynamic optical testing method, multiphase flow field monitoring as well as explosive product detection and analysis methods. The correlation between powder physical properties and explosion dynamics is established, and the reaction kinetics of composite metal dust cloud is studied. Combining experimental investigations and numerical simulations, the flame structure and evolution mechanism of composite metal dust explosion under the action of nonuniform distribution of transient dust dispersion and turbulence intensity is investigated, and the coupling effect of explosion macrodynamics and flame microstructure is revealed. This research provides scientific basis for preventing dust explosion accident and perfecting dust explosion mechanism.
本项目选取不同颗粒形貌和制备方式的铝镁复合粉尘作为研究对象,研究了非均匀分布金属复合粉尘云的瞬态流场分布特性,探究了不同颗粒形貌等特性对金属复合粉尘爆炸敏感性的影响,分析了不同颗粒形貌和制备方式的金属复合粉尘燃爆特性,揭示了颗粒形貌和制备方式对金属复合粉尘着火条件及爆炸能量传递特性的影响机制。.基于自行设计搭建的可视化粒子图像测速系统,解析了不规则和球形铝镁复合粉尘的瞬态流场分布、关键点火区域位置湍流强度、粉尘云瞬态浓度及弥散特征,构建了金属复合粉尘瞬态弥散模型,为金属复合粉尘着火条件的可靠预测奠定了基础。.通过最小点火能测试系统,揭示了不同颗粒形貌的铝镁复合粉尘爆炸敏感性的差异。研究了标称浓度、点火延迟时间、喷粉压力等因素对不规则和球形铝镁复合粉尘云最小点火能变化趋势的影响规律。不规则金属复合粉尘的燃爆敏感性远高于球形粉尘,球形粉尘受喷粉压力、点火延迟的影响相对较大。.研究了粉尘弥散度和湍流耦合下金属复合粉尘的燃爆特性和能量传递规律。不规则铝镁复合粉尘的火焰传播速度、爆炸压力以及火焰温度的峰值均高于球形粉尘,其爆炸火焰具有更多的剧烈燃烧区。探究了不同制备方式的金属复合粉尘燃爆特性,物理混合的铝镁粉尘具有更高的火焰传播速度、峰值火焰温度、最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率,表明物理混合的铝镁粉尘爆炸危险性更大。.研究了颗粒形貌和制备方式对金属复合粉尘热力学行为与微观动力学反应的影响,基于FWO法和KAS法分析了不规则和球形铝镁复合粉尘热重过程及表观活化能,发现不规则粉尘在更低的能量作用下活化,加快化学反应速率;不规则铝镁复合粉尘质量明显增加时的温度更低,总质量变化与总放热量均高于球形合金粉尘。.本项目利用理论分析和实验研究相结合的方法,研究了不同颗粒形貌和制备方式的金属复合粉尘瞬态分布特性、爆炸敏感性、爆炸特性以及热力学行为,揭示了非均匀分布作用下典型金属复合粉尘云爆炸动力学影响机制。
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