管道内瓦斯爆炸压力的传播研究

对瓦斯气体在管道内的爆炸过程进行了初步研究.根据实验结果将压力传播的变化过程分为前驱冲击波、升压、降压、余波4个阶段,并对各阶段中的压力传播状况进行了分析.结果显示,瓦斯气体在管道传播过程中,出现冲击波反射、波叠加及二次反冲现象,为管道内及煤矿巷道爆炸的预防提供了参考.     

甲烷爆炸传播过程膜状障碍物的激励效应研究

针对管状空间内膜状障碍物对甲烷爆炸传播的激励效应现象,基于机理分析进行了数值模拟和实验研究,计算分析薄膜附近爆炸冲击波压力峰值大小与火焰速度变化,同时运用激波管道进行相同工况条件下的实验,并对两者结果对比分析,发现有无膜状障碍物的压力峰值相差6倍以上。研究表明,膜状障碍物的激励效应是破膜以后形成的带压燃烧,提高了燃烧速率,导致甲烷爆炸的火焰传播速度剧增。实验结果一定意义诠释了同样数量的甲烷气体爆炸在不同环境内后果上的巨大差异,研究结果对矿井瓦斯爆炸事故调查及防治具有指导意义。     

多分支管道油气爆炸特性大涡模拟

为了研究油库常见的分支结构空间内发生油气爆炸时火焰和压力的传播特性,建立了基于WALE湍流模型及Zimont预混火焰模型的油气爆炸模型;模拟了6种不同分支管道结构空间内汽油/空气混合物爆炸发生发展过程;研究了分支管道数量及相对设置位置对爆炸超压的影响规律,以及分支管道对火焰传播形态和速度的影响规律;模拟结果与前人相关实验规律进行对比。研究结果表明:分支管道对汽油/空气混合气预混爆炸具有明显的强化激励作用;火焰锋面传播经过分支管道时,经历规则—褶皱—规则的变化过程;主管道内火焰传播速度,在分支管道对流场的突扩作用和湍流作用的共同影响下呈震荡变化的规律。     

可燃气体爆炸破坏效应的试验研究

借助高速摄像机及ProAnalyst软件,研究可燃气体体积分数和障碍物对可燃气体爆炸破坏力的影响。测定不同体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸冲击波超压,和爆炸火焰波在有无乒乓球方向传播的平均速度。试验结果表明:超压和平均速度均随着甲烷体积分数的增加呈现先增大后减小的变化趋势,其最大值均出现在甲烷体积分数为10%～11%之间;同一体积分数下的甲烷-空气预混气体爆炸火焰波在有乒乓球方向传播的平均速度比没有乒乓球方向传播的平均速度大。根据试验结果,推导出可燃气体爆炸冲击波超压和爆炸火焰波传播平均速度与可燃气体体积分数之间的函数关系,并得出障碍物对爆炸火焰波传播的加速作用随着体积分数的增加呈现先加强后减弱的变化趋势。     

甲烷体积分数及巷道结构对甲烷爆炸特性影响研究

为明确甲烷体积分数及巷道结构对甲烷-空气爆炸特性的影响机制,采用Fluent软件建立3种不同结构的巷道模型,对甲烷体积分数分别为6%、9.5%和13%条件下的巷道甲烷爆炸过程进行数值计算,分析爆炸压力和温度的变化特性以及火焰的传播特性。结果表明:当甲烷的体积分数为9.5%时,直巷道中冲击波峰值压力及爆炸温度最高;随着测试距离的增加,冲击波峰值压力不断降低,并且符合指数衰减特征;不同巷道结构甲烷爆炸后压力峰值的差异主要出现在弯道处,其冲击波峰值压力大小为90°巷道直巷道分叉巷道;分叉巷道中经过拐角后的冲击波峰值压力明显下降,对冲击波阻碍作用显著;此外,当冲击波进入弯道并沿壁面传播时,受压缩波、稀疏波及反射波等多波系共同影响,火焰沿壁面传播特性发生改变。     

爆炸性气体在连续拐弯管道中传播特性的实验研究

针对复杂燃气管网燃气爆炸致灾严重,传播规律复杂的问题,利用实验室加工成的连续拐弯管道,模拟研究了复杂燃气管网爆炸性气体通过连续拐弯管道时的火焰传播速度、爆炸波超压变化情况。研究结果表明,当整个管道内充满瓦斯气体时,通过连续拐弯后,火焰传播速度和爆炸波超压值产生显著变化,在连续拐弯管道拐弯处为一扰动源,诱导附加湍流,气流湍流度增大,管道拐弯增加了燃烧区的湍流度,火焰燃烧产生加速度,加速燃烧产生更大能量以推动加速传播。研究结果对指导现场如何防治复杂燃气管网气体爆炸,减轻爆炸的威力具有重要作用。     

气相爆轰实验系统设计

设计了一套内径139 mm、总长10 m的气体、粉尘爆轰管道式反应装置,装置由试验管道系统、测试系统、辅助实验系统和控制系统4部分构成。测试系统包括高频响动态压力传感器、火焰传感器、超动态应变仪、数据采集卡、高速摄像系统等设备,以便测试可燃气体、粉尘的爆轰参数和管道的动力学响应特征参数。实验装置可用于可燃气云和粉尘的燃烧、爆炸特性以及爆轰波对结构加载作用的研究,研究成果可用于燃气输送管道的设计、校核,为安全生产保驾护航。     

长径比对管道油气爆炸特性与火焰传播规律影响研究*

为了探究长径比对油气爆炸传播特性与火焰传播规律的影响，为复杂管道受限空间油气爆炸防控提供理论参考，结合油气爆炸与爆炸抑制工程实际需要，构建不同长径比管道油气爆炸模拟实验系统,在此基础上开展不同初始浓度的预混油气-空气混合气爆炸实验。研究结果表明:管道内部的预混油气爆炸超压信号呈先上升后下降的趋势，由于耗散以及憋压效应导致超压下降平稳后仍大于初始压力；同时长径比增加会导致达到最大爆炸超压的油气浓度增加，油气爆炸超压峰值随着长径比的增加呈现上升→下降→上升的规律，小长径比管道的油气爆炸超压峰值高于大长径比管道，但同为小长径比管道或大长径比管道工况的实验结果对比显示爆炸超压峰值随着长径比增加而提升；而超压上升速率则会随着长径比的增加而上升；长径比的增加同时也会促进火焰的加速传播并减小火焰持续时间。     

Z型管道中气体火焰传播规律的实验研究

本文实验研究了丙烷／氧气／空气的当量比气体燃烧火焰通过两个90°弯管形成的“z”型管道的传播规律,通过改变第一个弯管前加速段的长度和改变气体浓度,实验研究了稳定爆轰波,非稳定爆轰波以及爆燃火焰通过“z”型管道的传播规律。利用光电传感器记录弯管前后的火焰传播速度,运用燃烧理论和爆轰波的理论对实验结果做了分析。结果表明:稳定爆轰波通过“z”型管道时传播速度有明显的下降;但“z”型管道对非稳定爆轰波的传播作用受到非稳定爆轰波自身速度的影响;爆燃火焰通过“z”型管道时火焰传播速度的变化呈现不确定性。     

基于HLLC算法的连通器瓦斯爆炸模拟研究

为研究连通器瓦斯爆炸的瞬态流场并精确捕捉冲击波,采用基于详细化学反应的建表方法(TDC),在OpenFOAM平台上开发基于HLLC算法的瓦斯爆炸求解器,对1 m3密闭釜-管道系统内的瓦斯(甲烷)-空气预混气体爆炸模拟分析,通过瓦斯爆炸试验对模拟结果进行验证,在此基础上分析连通器瓦斯爆炸火焰及冲击波传播特性。结果表明:瓦斯爆炸火焰经过管道时加速,以射流形式喷入传爆釜,传爆釜冲击波的反射波与射流火焰耦合诱导二次爆炸,冲击波强度二次急剧上升;传爆釜中冲击波强度随管道长度增加而增大,管道长4 m时,火焰传播持续加速,而管道长6和10 m时,火焰传播速度先增高后降低。     

管道内天然气爆炸火焰及压力波传播规律实验研究

天燃气安全不仅仅局限在企业内部,而是面向全社会,关系到社会稳定和市民生命财产安全。随着天然气市场开拓和广泛利用,庞大的管网系统和多样的用气环境给安全工作提出了更高的要求。采用理论分析、实验研究相结合的方法研究了管道内天然气爆炸火焰及压力波的传播规律。应用直径为700mm,长度为93m的管道进行了三次天然气爆炸传播实验。得出爆源点最大压力值并不是整个爆炸过程的最大值;压力波最大压力值在爆源点附近先降低,然后上升到某一峰值之后再逐渐衰减;最大压力值在衰减过程中不是单调衰减,有点起伏;随着天然气浓度的增大,其爆炸平均升压速率反而减小;随着天然气浓度的增大,其爆炸平均升压速率反而在减小;爆源附近火焰传播速度较小,上升到某一峰值后逐渐衰减。     

Experimental study of the venting characteristics of dust explosion through a vent duct

To further understand the dynamic mechanism of dust explosion through a vent duct, we designed a small-scale cylindrical vessel connected with a vent duct and performed a dust explosion venting experiment under different opening pressures using corn starch as the explosive medium in this study. The results show that weakening effect of duct on venting is positively correlated with the opening pressure. The explosion pressure in the duct presents a three-peak-structure with time, successively caused by the membrane breaking shock wave, the secondary explosion in the tube, and the continuous combustion, and decreases gradually with the propagation distance. Meanwhile, the three pressure peaks are positively correlated with the opening pressure, while the time interval between them goes to contrary. The increase of opening pressure leads to the increase of secondary explosion intensity and reverse flow in the vessel, further accelerates the reaction rate in the vessel, and then shortens the duration of combustion in the vessel until the phenomenon of flame reignition in the vessel disappears.     

对称障碍物条件下瓦斯爆炸火焰与压力波耦合作用研究

为了研究对称障碍物条件下瓦斯爆炸压力波与火焰传播的耦合作用,在150 mm×150 mm×1 700 mm的有机玻璃瓦斯爆炸管道中,距离点火端不同距离安装0.5阻塞率的对称障碍物,进行8.5%甲烷体积分数的爆炸试验,采集瓦斯爆炸的超压信号并同步拍摄火焰传播图像。结果表明:火焰穿越板式对称障碍物的过程经历了火焰加速、火焰降速到火焰再加速的过程,火焰降速的时间仅为5 ms。距离点火焰源不同长度的对称障碍物在火焰加速过程中的作用存在明显差异,近点火源的障碍物作用主要为诱导湍流,远离点火源的障碍物作用主要为湍流增强。     

Experimental study of the effect of nitrogen addition on gas explosion

Flame propagation and combustion characteristics of methane/air mixed gas in gas explosion were studied in a constant volume combustion bomb. Stretched flame propagation velocity, unstretched laminar flame propagation velocity, unstretched laminar combustion velocity and Markstein length were obtained at various ratios of nitrogen to gas mixture. Combustion stability at various ratios of nitrogen to gas mixture was analyzed by analyzing the pictures of flame propagation. Furthermore, the effect of initial pressure on the flame propagation and combustion characteristics of methane/air mixed gas in gas explosion was analyzed. The results show that the unstretched laminar flame propagation velocity, the unstretched laminar combustion velocity, Markstein length, flame stability, and the maximum combustion pressure decrease distinctly with the increase of nitrogen fraction in the gas mixture. At the same ratios of nitrogen to gas mixture, Markstein length, unstretched laminar flame propagation velocity and unstretched laminar combustion velocity decrease and the maximum combustion pressure increase with the increase of initial pressure of the gas mixture. When nitrogen fraction in the gas mixture is over 20%, the flame will be unstable and is easy to exterminate.     

Characteristics of dust explosion venting pressure and flame under high activation pressure

A 20 L spherical explosive device with a venting diameter of 110 mm was used to study the vented pressure and flame propagation characteristics of corn dust explosion with an activation pressure of 0.78–2.1 bar and a dust concentration of 400∼900 g/m³. And the formation and prevention of secondary vented flame are analyzed and discussed. The results show that the maximum reduced explosion overpressure increases with the activation pressure, and the vented flame length and propagation speed increase first and then decrease with time. The pressure and flame venting process models are established, and the region where the secondary flame occurs is predicted. Whether there is pressure accompanying or not in the venting process, the flame venting process is divided into two stages: overpressure venting and normal pressure venting. In the overpressure venting stage, the flame shape gradually changes from under-expanded jet flame to turbulent jet flame. In the normal pressure venting stage, the flame form is a turbulent combustion flame, and a secondary flame occurs under certain conditions. The bleed flames within the test range are divided into three regions and four types according to the shape of the flame and whether there is a secondary flame. The analysis found that when the activation pressure is 0.78 bar and the dust concentration is less than 500 g/m³, there will be no secondary flame. Therefore, to prevent secondary flames, it is necessary to reduce the activation pressure and dust concentration. When the dust concentration is greater than 600 g/m³, the critical dust concentration of the secondary flame gradually increases with the increase of the activation pressure. Therefore, when the dust concentration is not controllable, a higher activation pressure can be selected based on comprehensive consideration of the activation pressure and destruction pressure of the device to prevent the occurrence of the secondary flame.     

管道内瓦斯爆炸传播的试验研究

运用大型试验管道对瓦斯爆炸传播规律进行试验研究,并对瓦斯爆炸压力峰值、火焰速度和呈现时间进行分析,得出:在不出现爆轰的前提下,爆源点附近的压力峰值是全管道的最大值;爆炸压力峰值在沿管道的传播过程中从爆源点附近是先增大后减小,然后再逐渐增大且压力峰值最早呈现在出口附近;火焰传播速度随着传播距离的增大而逐渐增大且在爆炸初期增大速率更快;瓦斯浓度对爆炸压力峰值、火焰传播速度和呈现时间等都有重要影响。     

煤矿瓦斯爆炸阻隔爆技术现状及展望

煤矿主要采用隔爆水棚或岩粉棚来抑制瓦斯爆炸火焰传播,但此类技术仅针对一次性瓦斯爆炸,而缺乏对多次及连续瓦斯爆炸的有效阻隔爆手段。仅注重对燃烧波的淬熄作用,对造成很大破坏的冲击波的衰减效果不足。多孔介质的淬熄火焰和衰减冲击波的效能已得到国内外专家的重视,实验研究了多层丝网和多孔材料如泡沫铝和泡沫陶瓷的阻隔爆效果。泡沫陶瓷作为一种多孔介质,具有开孔率大、耐高温、抗冲击力强的优点。理论分析和实验研究表明,由于壁面的多次撞击效应,多孔介质可以有效地销毁瓦斯燃烧化学反应产生的自由基数量,抑制化学反应的放热,使化学反应不能自持进行,进而淬熄燃烧火焰传播;可以大幅衰减瓦斯爆炸的冲击波强度,起到同时淬熄燃烧火焰和衰减冲击波的作用。多孔介质有望成为煤矿井下一种新型的瓦斯爆炸阻隔爆材料和方法。     

高海拔矿井掘进巷道瓦斯爆炸火焰传播规律数值模拟*

为研究高海拔矿井瓦斯爆炸火焰传播规律，运用数值模拟方法，建立矿井掘进巷道瓦斯气体爆炸数学及物理模型，并对海拔高度为0，1 000，2 000，3 000，4 000 m时的爆炸火焰传播速度、温度和冲击波压力进行研究。结果表明:瓦斯浓度和聚集体积量一定的掘进巷道发生瓦斯爆炸时，随着海拔高度的升高，火焰传播速度增大，且海拔每升高1 000 m，瓦斯气体聚集区和非聚集区的平均火焰传播速度分别增大4.7%和1.9%，掘进巷道内同一位置受到的瓦斯爆炸火焰最高冲击波压力随着海拔高度增加而显著降低，且呈二次函数关系，达到最大冲击波压力和最高火焰温度的时间缩短，最高爆炸火焰温度受海拔高度的影响较小。     

小型管道中瓦斯爆炸火焰传播特性的实验研究

自行设计了内径88mm、壁厚6mm、总长1600mm、点火孔20mm的小型瓦斯爆炸实验管道,结构简单、操作方便,具有可观察性。采用高速摄录分析系统,对不同浓度瓦斯爆炸初期火焰传播特性进行了实验研究。结果表明:瓦斯爆炸初始阶段,火源引爆瓦斯到形成明显的、大强度的火焰传播的时间约为10~30ms;随着瓦斯浓度增大,爆炸感应期逐渐变短;瓦斯爆炸的火焰传播有一个突变过程,瓦斯浓度越大,达到突变的时间越短;当燃烧波在开始移动到5~10倍巷道宽度距离后,便开始明显加速,达到爆燃;当瓦斯爆炸火焰冲出管道时,爆炸火焰速度又一次加快。实验结果验证了该实验台研究瓦斯爆炸是可行的。