细水雾与天然气泄漏射流相互作用动力学特性及其对灭火抑爆的影响机制

The scientific prevention of leakage, fire and explosion emergency of the combustible and explosive gases, such as the natural gas etc., is the most important thing of safety work on energy utilization. As a clean and effective technique for fire suppression, water mist has been widely used in recent years. Hopefully, through adding water soluble additives into water, water mist may be used for decontaminating toxic and harmful gases known as sulfureted hydrogen, while it is used for fire suppression and explosion mitigation. . This research project wishes to reveal the dynamical characteristics of the interaction between the spray flow of water mist and the jet flow of leakage natural gas, the critical criterion of the interface destabilization and fracture, and the influence mechanisms of the coupling effect among the wind flow, spray flow and the leakage natural gas jet flow, mainly through experimental studies on the two phase flow interaction under different working conditions, such as the different spray intensity, additive concentration ratio, and droplet size/velocity distribution of water mist, the different shape of the natural gas leakage orifice, exit velocity at the orifice and the initial concentration of natural gas, etc.. The expected research results have important scientific significances and application values, and they should provide data base for improving and establishing the models, developing natural gas leakage emergency treatment technologies, such as fire suppression, explosion mitigation and toxic gases decontaminating.

天然气等易燃易爆气体泄漏及其火灾、爆炸事故的科学防治，是能源利用安全工作的重中之重。细水雾是目前被广泛应用的清洁高效灭火技术，通过添加水溶性洗消剂，有望使其在抑制天然气火灾、爆炸的同时，实现对硫化氢等有毒有害气体的洗消。本项目拟以实验模拟为主，通过研究不同细水雾喷雾强度、添加剂浓度配比、粒径和速度分布，不同天然气泄漏口形状、出口速度和初始浓度等工况条件下喷雾流与天然气射流的相互作用，揭示细水雾喷雾流与天然气泄漏射流相互作用的动力学特性及其界面失稳、破裂的临界判据，以及环境风流、喷雾流、天然气射流耦合作用的影响机制等。预期研究成果可为完善和建立相关模型，发展多组分细水雾灭火、抑爆、洗消联用型天然气泄漏事故应急处置技术提供基础数据，具有重要的科学意义和应用价值。

细水雾抑制天然气火灾、爆炸的及洗消硫化氢等有毒有害气体方面蕴含着丰富的基础科学问题，也存在很多亟需解决的关键科技问题，因此开展天然气泄漏及火灾事故的防治工作具有重要的科学意义和实用价值。本项目首先基于激光流场多参数诊断技术，通过实验模拟研究揭示了细水雾与天然气冷热态射流相互作用过程的动力学特性及其影响机制，主要包括：（1）基于细水雾与冷态天然气泄漏射流垂直相互作用的实验研究，建立了基于有效气雾动量比的无量纲气雾界面高度Zb*与有效气雾动量比φEff之间的指数函数关系模型；（2）基于细水雾与冷态天然气泄漏射流倾斜相互作用的实验研究，揭示了速度流场的竖直气雾作用面的变化规律；（3）研究了不同泄漏口形状下细水雾与热态天然气泄漏射流相互作用，揭示了喷雾动力学效应和火焰流动状态对于不同火源功率下的灭火有效性的影响机制。在多组分细水雾洗消天然气中硫化氢及抑制爆炸方面：（1）研究了含不同组分添加剂的细水雾对天然气中硫化氢等有毒有害气体的洗消实验，揭示了含有不同添加剂的多组分细水雾的洗消作用机理；（2）开展了不同初始浓度、点火位置、约束条件下的全尺寸天然气燃爆实验；（3）开展了不同细水雾施加位置及含添加剂条件下的全尺寸抑爆实验研究，揭示细水雾抑制天然气爆炸的变化规律。项目圆满完成了预定的研究目标和任务，在国内外本领域重要学术期刊和会议发表论文14篇，其中Journal of hazardous materials，Fuel，Journal of Cleaner Production，International Journal of Thermal Sciences，Fire Safety Journal等SCI高区或本领域顶级期刊论文9篇，出版著作1部；获授权发明专利3项、申请受理发明专利2项；培养毕业博士生3人、硕士生2人。