甲烷-空气最小点火能与耦合系数的计算及应用

杨帆 钟杰 刘兴华 何为

杨帆, 钟杰, 刘兴华, 何为. 甲烷-空气最小点火能与耦合系数的计算及应用[J]. 高压物理学报, 2015, 29(5): 392-400. doi: 10.11858/gywlxb.2015.05.010
引用本文: 杨帆, 钟杰, 刘兴华, 何为. 甲烷-空气最小点火能与耦合系数的计算及应用[J]. 高压物理学报, 2015, 29(5): 392-400. doi: 10.11858/gywlxb.2015.05.010
YANG Fan, ZHONG Jie, LIU Xing-Hua, HE Wei. Minimum Ignition Energy and Coupling Coefficient of Methane-Air Mixture and Its Application[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2015, 29(5): 392-400. doi: 10.11858/gywlxb.2015.05.010
Citation: YANG Fan, ZHONG Jie, LIU Xing-Hua, HE Wei. Minimum Ignition Energy and Coupling Coefficient of Methane-Air Mixture and Its Application[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2015, 29(5): 392-400. doi: 10.11858/gywlxb.2015.05.010

甲烷-空气最小点火能与耦合系数的计算及应用

doi: 10.11858/gywlxb.2015.05.010
基金项目: 国家自然科学基金青年基金(51007096);国家重点基础研究发展计划(2011CB209401)
详细信息
    作者简介:

    杨帆(1980—), 男, 博士, 副教授, 主要从事电气的设备放电仿真与测量研究.E-mail:yangfancqu@gmail.com

    通讯作者:

    钟  杰(1988—), 男, 硕士研究生, 主要从事放电理论及放电安全研究.E-mail:zhongjie_2009@foxmail.com

  • 中图分类号: TM206;TD685

Minimum Ignition Energy and Coupling Coefficient of Methane-Air Mixture and Its Application

  • 摘要: 针对一种可以用于检测非金属制品在矿井下工作安全性的静电火花检测系统,研究了计算该系统中甲烷-空气引爆的最小点火能量的数学物理模型。并根据该检测系统的结构,提出了点火系统点火前后的电磁能量计算方法。通过计算系统点火前的电磁能量与最小点火能量,计算出检测样品被粉尘摩擦后的带电量,得出了点火能量耦合系数阈值与电荷阈值。结果表明, 点火能量耦合系数阈值随电压升高而减小,随电极间距的增大而增大。以静电检测系统为例,当电极间距由1 mm增大到5 mm时,耦合阈值从0.416 3增加到0.769 1。同时,电荷阈值亦随电极间距增大而增大。研究结果可为进一步检测材料摩擦起电属性以及制定相关安全标准提供参考。

     

  • 图  静电放电爆炸系统结构示意图

    Figure  1.  Structure of antistatic property testing system

    图  爆炸室三维电场仿真模型示意图

    Figure  2.  Model for three dimensional electric field simulation

    图  三维甲烷-空气点火模型

    Figure  3.  Three dimensional model for ignition in methane-air mixture

    图  电极截面能量分布图

    Figure  4.  Energy distribution in electrode section

    图  不同电极间距下极间电压与爆炸室系统电场能量关系

    Figure  5.  Relationship between electric field energy and electrode distance in explosion room

    图  点火行为示意图

    Figure  6.  Ignition behavior

    图  水平截面温度分布图

    Figure  7.  Temperature distribution in horizontal section

    图  最小点火能与电极间距关系

    Figure  8.  Relationship between MIE and electrode distance

    图  不同电极间距耦合系数阈值随电压变化曲线

    Figure  9.  Threshold of energy coupling coefficient curves

    图  10  不同间距下系统内三导体的电荷量

    Figure  10.  Electricity quantity of conductor in explosion room

    表  1  点火电压阈值

    Table  1.   Threshold of ignition energy coupling coefficient

    h/(mm) U/(kV) h/(mm) U/(kV)
    5 13.395 9 2 10.528 2
    4 12.036 1 1 9.926 7
    3 11.554 6
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    表  2  电容矩阵系数C12C22C32的值

    Table  2.   Value for C12, C22, C32

    h/(mm) C12/(pF) C22/(pF) C32/(pF)
    5 -0.740 60 5.459 5 -4.718 9
    4 -0.799 53 5.526 7 -4.727 1
    3 -0.887 32 5.622 0 -4.734 8
    2 -1.044 30 5.786 1 -4.741 8
    1 -1.458 70 6.027 6 -4.748 9
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    表  3  点火电荷阈值

    Table  3.   Threshold of electricity quantity of triboelectric charge

    h/(mm) Qc/(μC) h/(mm) Qc/(μC)
    5 0.080 7 2 0.058 2
    4 0.068 3 1 0.052 0
    3 0.065 0
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  • [1] 周世一, 雷景新, 孙中武, 等.新型软质抗静电聚氯乙烯材料的研究[J].化学学报, 2006, 64(10): 979-982. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hxxb200610004

    Zhou S Y, Lei J X, Sun Z W, et al. Study on novel soft poly(vinyl chloride)with antistatic property[J]. Acta Chimica Sinia, 2006, 64(10): 979-982. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hxxb200610004
    [2] 薛书凯.高分子材料抗静电技术与应用[J].化学推进剂与高分子材料, 2005, 3(6): 18-26. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hxtjjygfzcl200506005

    Xue S K. Antistatic technigue and application of the polymer materials[J]. Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2005, 3(6): 18-26. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hxtjjygfzcl200506005
    [3] 任纯力, 李新光, 王福利, 等.敏感条件对粉尘云最小点火能的影响规律分析[J].中国安全科学学报, 2009, 19(8): 77-83. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgaqkxxb200908012

    Ren C L, Li X G, Wang F L, et al. Analysis on the influencing laws of sensitive conditions on minimum ignition energy of dust clouds[J]. China Safety Science Journal, 2009, 19(8): 77-83. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgaqkxxb200908012
    [4] 张黄伟, 陈正.燃料与自由基的Lewis数对预混点火的影响[J].工程热物理学报, 2011, 32(7): 1249-1252. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gcrwlxb201107043

    Zhang W Z, Chen Z. Effect of Lewis numbers of fuel and radical on the ignition of premixed gases[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(7): 1249-1252. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gcrwlxb201107043
    [5] 马秋菊, 张奇, 庞磊.甲烷-空气最小点火能量预测理论模型[J].高压物理学报, 2012, 26(3): 301-305. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GYWL201203010.htm

    Ma Q J, Zhang Q, Pang L. Theoretical model of minimum ignition energy prediction for methane-air mixture[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012, 26(3): 301-305. (in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GYWL201203010.htm
    [6] 周本谋, 刘尚合, 范宝春.静电放电火花能量耦合特性研究[J].高电压技术, 2004, 30(4): 36-38. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gdyjs200404014

    Zhou B M, Liu S H, Fan B C. Research for the characteristic of energy coupling linked to the sparks of electrostatic discharge[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(4): 36-38. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gdyjs200404014
    [7] Han J L, Yamashita H, Hayashi N. Numerical study on the spark ignition characteristics of a methane-air mixture using detailed chemical kinetics effect of equivalence ratio, electrode gap distance, and electrode radius on MIE, quenching distance, and ignition delay[J]. Combust Flame, 2010, 157(7): 1414-1421. doi: 10.1016/j.combustflame.2010.02.021
    [8] 钟北京, 洪泽恺.甲烷微尺度催化燃烧的数值模拟[J].工程热物理学报, 2003, 24(1): 173-176. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gcrwlxb200301052

    Zhong B J, Hong Z K. Numerical simulation of catalytic combustion of CH4 in micro-scale[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2003, 24(1): 173-176. (in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gcrwlxb200301052
    [9] Hilbert R, Tap F, El-Rabii H, et al. Impact of detailed chemistry and transport models on turbulent combustion simulations[J]. Prog Energ Combust Sci, 2004, 30(1): 61-117. doi: 10.1016/j.pecs.2003.10.001
    [10] Weinrotter M, Kopecek H, Tesch M, et al. Laser ignition of ultra-lean methane/hydrogen/air mixtures at high temperature and pressure[J]. Exp Therm Fluid Sci, 2005, 29(5): 569-577. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2004.08.002
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  • 收稿日期:  2013-03-06

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