粉尘爆炸测试实操虚拟仿真与数值模拟
学校:
南京工业大学
  所属学科:
安全科学与工程类
  专业门类:
安全工程
  项目负责人:
 
  资源年份:
2018
课时数:
2
  资源唯一编号:
01
  资源分类:
实验
  对接资源链接地址:
http://39.107.64.153:8008/njtech/student/index.php,http://39.107.64.153:8008/njtech/student/index.php
 
项目简介

可燃性粉尘爆炸与防护是工业安全领域教学和科研的难点之一。可燃性粉尘爆炸具有极强的破坏性,造成严重的人员伤亡与财产经济损失,具有粉尘爆炸规模和复杂程度高、预防与防护影响因素多、方案设计精度要求高等特性,对其进行虚拟场景再现和过程仿真实验具有重要的意义。

本项目以全国排名前列的南京工业大学安全科学与工程一级学科师资团队为主体,依托江苏省高校化工安全实验教学示范中心,江苏省城市与工业安全重点实验室,江苏省危险化学品本质安全与控制重点实验室等平台进行开发。重点面向《化工安全》、《燃烧与爆炸理论》等安全工程、消防工程专业核心课程的关键知识点。通过各实验步骤的设计:

(1)帮助学生了解粉尘爆炸、掌握可燃性粉尘的爆炸规律和防护策略与要求;

(2)掌握通过设定不同参数来仿真如何判别粉尘是否已经着火以及如何确定最低着火温度、粉尘云点燃能量如何找到最敏感的爆炸条件;

(3)掌握最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、爆炸指数、爆炸下限、爆炸上限、可爆性等基本概念,利用粒子在预热挥发区域、化学反应区域以及对流区域各个时间段粒子不同特征以及粉尘爆炸的火焰结构进行数值计算方法,设定不同参数来仿真各种粉尘爆炸过程。


实验原理

(1) 粉尘云爆炸危险性评估

粉尘爆炸危险性潜伏在粉末处理的操作过程中,其影响可能是灾难性的。对易燃性,点火灵敏度和爆炸强度的全面理解是安全处理粉尘的关键。实验室测试是对相关参数定性定量分析的一个重要组成部分。准确的实验室测试数据有助于选择防止粉尘爆炸的方法以及相应的保护措施,将粉尘爆炸的灾害降低到可控的范围内。

2)粉尘云着火温度控制

粉尘云的燃烧是一个非常复杂的过程,受很多物理因素的影响。一般认为,粉尘云的燃烧经过以下发展过程。首先,粉尘粒子表面通过热传导和热辐射,从点源获得点火能量,使表面温度急剧升高,达到粉尘粒子的加速分解温度或蒸发温度,形成粉尘蒸气或分解气体。这种气体与空气混合后就能引起点火(气相点火)。另外,粉尘粒子本身从表面一直到内部(直到粒子中心点),相继发生熔融和气化,迸发出微小的火花,成为周围未燃烧粉尘的点火源,使粉尘着火,从而扩大了火焰范围。

3)粉尘云点燃能量控制

粉尘云点燃能量是在特定的条件下刚好能够点燃粉尘和空气混合物的最小能量,在一定条件下恰好能够点燃粉尘和空气混合物的最低电容放电能量。实验中可以改变点火延迟时间、粉尘浓度、电极间距以及分散压力等,找到最敏感的爆炸条件。

粉尘云的燃烧是一个非常复杂的过程,受很多物理因素的影响。最小点火能与粉尘云湍流水平和浓度有关,最小点火能量测试必须在最敏感的粉尘浓度和最低的湍流水平下进行。湍流水平可以通过增加点火延迟时间而降低,直至达到最佳的点火延迟时间。


实验内容及步骤

一、粉尘云爆炸危险性评估实验

步骤1:准备工作。检查系统,确保各环节不漏气,打开冷却水泵、仪器控制箱电源,打开计算机,设定两相阀气源空气钢瓶压力,启动测试软件ExTest进行一次空白试验;用电子天平称取与待测浓度相匹配的粉尘,安装点火头与电极,打开储粉罐,装入称量好的粉尘并抽真空;

步骤2:爆炸危险性测量。打开新的测试参数界面,选择粉尘记录粉尘参数、设备参数,填写粉尘浓度,最后点击开始测试进入到数据采集等待界面,完成准备工作后按下点火按钮,完成一次爆炸试验,并在计算机上查看压力-时间曲线,记录本次爆炸实验数据;

步骤3重复试验与筛选。按照10g/m3为级数增加或减少粉尘浓度开展重复试验。设粉尘在某一浓度Cb下发生了爆炸,而低于Cb的下一个级数粉尘浓度Ca不发生爆炸。若连续3次重复以上情况,则筛选该粉尘的爆炸下限浓度Cl介于CaCb之间,即:Cl大于CaClCb

实验包括:纤维素、软木料、奶粉、面粉、烟煤、铝粉、活性炭、聚丙烯酸甲酯、羰基镁十种粉尘。

二、粉尘云着火温度控制实验

步骤4:准备工作。安装加热炉并采用石松子粉进行仪器标定;称量0.1g的粉尘装入储尘器中,将加热炉温度调到500℃,储气罐气压调到10KPa,打开电磁阀,将粉尘喷入加热炉内。

步骤5:重复试验与筛选。如果未出现着火,则以50℃的步长升高加热炉温度,重新装入相同质量的粉尘进行试验,直至出现着火,或直到加热炉温度达到1000℃为止;一旦出现着火,则改变粉尘的质量和喷尘压力,直到出现剧烈的着火。

步骤6:寻找最低着火温度。将步骤5中得到的粉尘质量和喷尘压力固定不变,以20℃的间隔降低加热炉的温度再次进行试验,直到10次试验均未出现着火;如果在加热炉的温度达到1000℃时,粉尘仍未出现着火,则应在实验报告中加以说明。

实验包括:面粉、纤维素、烟煤、铝粉、软木粉五种粉尘。

三、粉尘云点燃能量控制实验

步骤7准备工作。安全连接仪器,检查紧急按钮“Emergency stop”是否处于关闭状态,在PC上运行MIE-D Lab程序;

步骤8点燃能量测试。点击MIE-D Lab 软件上“Test”、主界面上的“Open”,哈特曼管自动打开,点击“Aspir.close”,关闭MIE上的通风管路,称量一定量的粉尘,将称量的粉尘样品均匀撒在哈特曼管底部的扩散喷嘴周围,关闭有机玻璃门,高压电路接通并处于待机状态,点击“Close”按钮关闭哈特曼管,点击“Charge”按钮,点击 “Fire” 按钮点火。

步骤9:重复试验与筛选。当开始设定的点火能量足以点燃步骤8得到的粉尘云浓度,在该浓度下大幅度降低火花能量(按照50%步长),直到连续10次测试样品都没有被点燃为止。在确定的最低点火能量下,改变粉尘浓度进行试验,如果粉尘可以在任何浓度下被点燃,重复上述步骤。结合火花能量和粉尘浓度,改变点火延迟时间,重复实验直到找到不能点燃样品的最大火花能量E1。最小点火能是在最高能量E1和最低能量E2之间。 E1是指在10次连续的实验中,样品一次都没有被点燃的最高能量。 E2是指在10次连续的实验中,样品至少有一次被点燃的最低能量。MIE大于E1MIE小于E2

实验包括:纤维素、软木料、面粉、烟煤、铝粉五种粉尘。

四、粉尘爆炸原理模拟

步骤10对粒子在预热挥发区域、化学反应区域以及对流区域各个时间段粒子不同特征以及粉尘爆炸的火焰结构进行数值计算,详细研究气体与粉尘粒子的温差、Lewis数、热循环、预热区域的辐射项、粒径大小以及器壁热损失对粉尘颗粒燃烧的影响,模拟所得到的仿真图像和经高速摄影拍得粉尘爆炸过程与事故预防及数值仿真软件三者相结合学习并掌握粉尘爆炸全过程。


预习资源
序号 资源信息分类 资源信息名称 资源信息类型 状态
1 预习 粉尘爆炸测试实操虚拟仿真与数值模拟 外部链接 有效
操作资源
序号 资源信息分类 资源信息名称 资源信息编号 资源信息类型 费用 收费有效期 状态
1 操作 01 外部链接 0.00 0 有效
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