基于Gaussian的甲烷爆炸微观反应计算分析*

为从微观热力学及动力学角度更深入了解甲烷爆炸微观反应机理,应用Gaussian软件DFT理论,B3LYP-D3(BJ)/6-31+G*水平对利用敏感性分析方法得出的甲烷爆炸反应简化机理中各驻点进行结构优化与频率计算,在M06-2X/def2-tzvpp水平上计算单电能,得到反应物、中间体、过渡态、产物的稳定构型及其参数、热力学数据,并计算得到各反应的焓变、吉布斯自由能变及自由能垒。研究结果表明:甲烷爆炸微观反应机理中基元反应1,9无过渡态,其他反应存在过渡态;基元反应1,4等为反应体系提供热量,保证甲烷氧化反应不断进行,反应1放热最多,焓变为-433.7 kJ·mol-1;关键自由基OH·的生成是反应3 O2+H·→OH·+O·与反应4 O·+H2→OH·+H·相互协同与促进的结果;反应3 O2+H·→OH·+O·为该甲烷爆炸机理的决速步,自由能垒为312.4 kJ·mol-1。研究结论可为深入研究甲烷爆炸微观反应机理和化学抑爆机理提供借鉴。     

瓦斯爆炸实验研究进展及展望

瓦斯爆炸事故是煤矿的主要灾害之一,为了预防和控制煤矿井下瓦斯爆炸事故的发生,国内外研究者采用理论、实验室实验和数值模拟实验等手段对瓦斯爆炸机理、瓦斯爆炸传播规律等进行了深入研究,本文从瓦斯爆炸实验室实验和瓦斯爆炸数值模拟实验两方面入手,对瓦斯爆炸的研究进展情况进行了分析总结.对于瓦斯爆炸实验室研究,分析总结了现有瓦斯爆炸实验手段以及瓦斯爆炸传播特性研究情况;对于数值实验研究,分析总结了瓦斯爆炸数值模拟模型、现有瓦斯爆炸数值模拟商业软件以及软件应用情况.最后对瓦斯爆炸未来需要深入研究的问题提出了展望.     

受限空间工业气体爆炸研究进展

分别从实验和理论研究两个方面对受限空间工业气体爆炸的国内外研究现状和研究成果进行了总结,实验研究包括单个容器和容器管道系统气体爆炸,理论研究主要集中于气体爆炸理论模型的建立与修正和数值模拟两个方面。分析了现有研究工作的不足,提出了该领域今后的研究发展方向。     

超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究(英文)

用自行设计的三面透明的细水雾抑制甲烷爆炸的实验装置,研究了不同体积超细水雾对不同浓度甲烷爆炸的抑制现象。运用GigaView高速摄影观察了超细水雾抑制甲烷爆炸的过程,并且对现象进行了分析。采用四个E12-1-K型快速响应热电偶获取超细水雾抑爆过程中四个不同位置的温度变化情况,并且讨论了甲烷浓度和超细水雾体积对爆炸延迟时间的影响。实验结果表明,超细水雾对甲烷爆炸的抑制效果是与水雾的体积和甲烷浓度紧密相关的。初步确定了超细水雾抑制甲烷爆炸的临界体积。     

地下储库油气爆炸及抑爆机理与技术研究

针对地下储库受限空间的特点和油气爆炸抑制的需要.在前期所完成的系统油气爆炸试验和理论研究的基础上,采用超细冷气溶胶抑爆新技术,建立地下受限空间油气爆炸及其抑爆模拟试验系统,研制出新型超细冷气溶胶粉体抑爆剂,并对其进行可行性与有效性研究.对地下受限空间油气爆炸抑制的影响因素进行研究,分析了抑爆剂作用机理.结果表明:超细冷气溶胶是一种高效的抑制地下储库油气爆炸的抑爆剂;在相同试验条件下,迎着火焰传播方向喷射抑爆剂的抑爆效果优于垂直火焰传播方向喷射抑爆剂;喷射压力存在临界值,较小较大都不利于油气爆炸抑制,在本文试验条件下.最佳抑爆效果的喷射压力临界值约为0.8 Mpa;抑爆剂用量不能低于临界抑爆浓度,实验得到的抑爆刑临界浓度为0.232 ks/m3;布置方式对抑爆效果具有明显的影响.分散布置比集中布置具有更好的抑爆效果.本文的研究对后续抑爆装置的研制提供了重要的理论参考和关键设计参数.     

惰性气体对可燃气体爆炸反应进程的阻尼效应研究

结合理论计算、反应机理模拟和实验,研究了惰性气体对H<,2>/O<,2>混合气体爆轰性能的影响机制.计算和实验结果基本吻合,N<,2>、H<,2>O、CO<,2>对H<,2>/O<,2>气体的阻尼能力依次增加.反应机理模拟结果表明,惰性气体的阻尼性能出现差异的原因是化学阻尼机制不同,不同的惰性气体与爆炸反应产物发生不同...     

矿井瓦斯控爆技术及材料研究进展

瓦斯爆炸灾害防治一直是我国煤矿安全研究的热点、难点。通过对国内外相关文献总结分析,从瓦斯抑爆装置、抑爆介质及抑爆机理3个方面综述了目前国内外矿井瓦斯抑爆技术及抑爆材料的研究现状,提出了未来的发展方向。研究结果表明:瓦斯抑爆技术的有效性和可靠性主要取决于抑爆介质的物理化学性质、控爆空间几何参数、爆炸特性参数和抑爆系统中爆炸探测方式等因素;结合瓦斯爆炸链式反应理论和探测技术的发展,研究应更多地关注抑爆过程的微观特性,揭示其详细的抑爆作用机理,为探寻新型高效、绿色抑爆材料提供更有力的理论支持。     

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。     

低温等离子体降解毕兹的反应机理研究

基于ReaxFF力场利用LAMMPS软件建立毕兹分子(QNB)的模型,模拟微观条件下等离子体降解毕兹的反应机理.通过模拟考察300 K恒温条件下毕兹在活性粒子作用下的行为.研究表明毕兹在O自由基作用下降解主要通过苯环活化开环、羟基夺氢反应以及奎宁环中N-O键的形成3个过程,·HO2、O2、NO、NO2这4种活性粒子在模拟中基本未对毕兹分子造成任何破坏.利用ReaxFF MD分子模拟方法对常温环境下等离子体降解毕兹反应机理研究的一个尝试,可为相关的毒剂降解试验机理分析、理论研究提供一定的参考.     

化工装置气体爆炸泄压的研究进展

从实验研究和理论分析两方面,总结了单容器和连通容器气体爆炸泄压的研究现状和成果。单容器的实验研究介绍了直接泄爆和泄爆导管泄爆两方面,理论研究介绍了直接泄爆的经验模型。连通容器主要介绍了实验研究。此外,分析了现有研究工作的不足,提出了该领域未来的研究方向。     

工业粉尘惰化抑爆技术研究现状分析

针对目前国内外已开展的工业粉尘惰化抑爆实验研究,就粉尘惰化抑爆的2个方面,即固体介质惰化抑爆和气相介质惰化抑爆,分别对粉尘惰化抑爆研究现状进行调研,结合调研结果,总结、分析粉尘惰化抑爆研究现状,探讨其不足之处,同时提出了惰化抑爆技术研究开发及应用中急需解决的问题。     

多孔矿物-聚磷酸铵对甲烷爆炸的协同抑制研究

为探究新型多孔矿物(MTS)-聚磷酸铵(APP)复合粉体对甲烷-空气预混气爆炸的抑制效果,采用20 L球形爆炸装置开展多孔矿物、APP及其复合粉体在不同组成、不同添加浓度条件下的甲烷爆炸抑制试验,并使用热分析仪研究其热解行为。研究结果表明:当粉体添加量为0.100 g/L,多孔矿物与APP质量组成比为1∶3时,复合粉体对甲烷爆炸的协同抑制效果最显著,各爆炸参数均得到弱化;复合粉体对甲烷的协同抑爆机制包括物理及化学抑制,多孔矿物的复杂结构能增强其对自由基的捕获,多孔矿物和APP先后发生热分解反应可持续吸收热量,分解产物具有稀释、冷却及隔离效应,并能消耗燃烧反应中的自由基。     

Synergistic inhibition of aluminum dust explosion by gas–solid inhibitors

The inhibition mechanism of gas-solid inhibitors on Al dust explosion was investigated experimentally in a closed cuboid chamber. The variation of parameters concerning flame propagation characteristic and explosion severity used to reflect the synergistic inhibition effect of gas-solid inhibitors on Al dust explosion were elucidated. The results showed that flame propagation velocity and explosion overpressure were inhibited with the increase of gas-solid inhibitors. The inhibition curves of gas-solid inhibitors within the experimental range were further obtained. The reason concerning the SEEP phenomenon was revealed through the GC-MS analysis. The combustion of ammonia enhanced the explosion overpressure when solid inhibitors performed at low concentration. The gas-phase product could be regarded as the inert gas as long as enough amount of inhibitors were added. To comprehend the inhibition mechanism of gas-solid inhibitors, X-ray diffraction was applied to figure out the crystal structure of explosion residue. The results indicated that both physical and chemical inhibition effects were imposed on Al dust explosion by gas-solid inhibitors, including endothermic decomposition, dilution of oxidizer, coverage of Al dust, and scavenger of free radicals. The results of this study will provide a scientific basis for the design of inhibition technology for the dust explosion.     

煤矿瓦斯爆炸发展规律及防治的综述及展望

针对瓦斯爆炸事故在矿井开采中的危害及防治,从爆炸发展规律和爆炸防治两大方面对国内外瓦斯爆炸研究状况进行了综合评述。国内外学者通过理论法、实验法、数值模拟法对瓦斯爆炸进行研究,瓦斯爆炸发展规律方面的研究涉及到瓦斯爆炸的机理、瓦斯组分及浓度对爆炸发展规律的影响、爆炸发生的条件及危害、爆炸过程中的燃烧阶段变化及流体流动状态变化、爆炸特征参量随阶段变化的规律等。瓦斯爆炸防治方面的研究涉及到四种防治方法,分别是抑爆、阻爆、泄爆、隔爆,四种方法的研究内容有交叉重合部分且每种方法都有其优势和不足,不同方法组合的耦合效果优于其单独作用。最后,对瓦斯爆炸相关领域的未来研究进行了展望。     

管道中氢气-空气爆轰的多级泄爆数值模拟研究

为了研究管道内氢气的爆燃转爆轰及其抑制过程,对单个障碍物管道中氢气-空气混合物燃爆过程以及多级泄爆进行了二维数值模拟。基于氢气-空气19步详细化学反应动力学机理,以及k-ε湍流模型、概率密度函数输运方程和同位网格SIMPLE算法,采用计算流体软件Fluent进行模拟。结果表明:密闭管道无泄爆时,在距点火端1.5 m左右爆燃转为爆轰;泄爆口的位置对管道内氢气-空气预混气体的爆炸参数有重要影响,泄爆口位于管道中部时,能降低管道内爆轰超压,泄爆效果较好;位于管道中部单个泄爆口泄爆时,有效降低爆轰超压,管道中部设置2个泄爆口时,能通过压力和混合气体的泄放将管道中已经发生的爆轰衰减为爆燃;当有3个泄爆口泄爆时,管道中没有发生爆轰,达到良好的泄爆效果。     

Prevention and suppression of explosions in gas-air and dust-air mixtures using powder aerosol-inhibitor

The prevention and suppression of explosions is a very topical field of research because annually hundreds of coal mine workers became their victims. In this research a very effective powder “powder for suppression of explosions” (“PSE”) for the suppression of explosions has been developed and tested. The experiments on suppression of explosions of a methane–air mixture (MAM) at a laboratory conditions using “PSE”-powder have been carried out. The possibility of lowering the power of coal-dust explosion with the help of a “PSE”-powder has been investigated. The feasibility of almost instantaneous disperse of powders using intentionally created mini-explosions (ammonal) was investigated. The barrel-suppressor of explosion in the experimental adit (tunnel) was studied and the large-scale tests for suppression of MAM-explosions in experimental adit were also subjects of study.     

不同磁性金属丝对丙烷爆炸反应抑制机理研究

为探究不同材质金属丝自身磁性差异对抑制气体爆炸的影响，在密闭圆形管道中进行丙烷-空气爆炸实验，采取爆炸瞬态压力测试、产物组成色谱检测和数值模拟机理分析相结合的方法进行探究。结果表明:与填装非磁性铝丝组相比，铁磁性铁丝组爆炸压力峰值更低；产物中一氧化碳和二氧化碳含量减少，残余丙烷和生成烃类物质种类和含量均增多；模拟分析得到温度敏感性基元反应R96，R1，R334，R276，R396，R254促进温度升高，R104，R409，R19，R358抑制温度升高；铁磁性的铁丝可能由于自身的感应磁场效应使其抑制自由基反应较铝丝更为有效。研究方法将产物分析与数值模拟相结合，对分析爆炸特性和抑爆机理具有参考意义。     

受限空间内惰性气体对CH4爆炸抑制特性研究

N2和CO2是常用的惰性抑爆气体,为研究两种气体的抑爆特性,采用20L球形爆炸试验装置,分析了不同浓度配比条件下N2/CH4/空气以及CO2/CH4/空气混合气体的爆炸压力,同时采集爆炸后的气体样品,对比分析爆炸后残留气体的主要成分。结果显示:随CH4浓度从5%增加至12.5%时,完全抑制CH4爆炸需要的惰性气体最小量先增大后降低,CH4浓度在6.5%~7.5%之间时,抑爆需要的惰性气体的量最大;在同一CH4浓度条件下,抑爆需要N2的量大于CO2,并且CH4浓度在5%~6.5%时,抑爆需要两种惰性气体的量值差别最大;当CH4浓度一定时,随着加入惰性气体量的增大,爆炸最大超压逐渐降低,惰性气体浓度和爆炸超压之间基本呈线性关系;在同样条件下,相对于N2,CO2为抑爆气体时,爆炸后腔体内残留的CH4浓度较高。研究成果为惰性气体抑爆技术提供技术支撑,同时为揭示惰性气体抑爆机理有一定作用。