管道内瓦斯爆炸温度与压力峰值试验研究

为分析瓦斯爆炸的火焰温度及压力峰值在管道中的传播规律,采用瓦斯管网爆炸测试系统进行试验,通过爆炸压力和爆炸火焰温度采集系统采集数据。在相同点火能量和点火位置的条件下,分析了体积分数对瓦斯爆炸的温度峰值和压力峰值的影响,及温度峰值和压力峰值随管道距离的变化规律。结果表明:当瓦斯体积分数低于9.5%时,温度峰值和压力峰值随瓦斯体积分数增大而增大;同一体积分数下,温度峰值最大值出现在最接近爆源的位置,并呈逐渐下降的趋势,接近爆源的温度峰值下降较明显,随管道延长,温度峰值的下降减慢且趋于平缓;温度峰值与传播距离近似呈三次函数关系;冲击波压力峰值随管道传播呈先上升后下降再上升的波动性变化。     

氢气对预混甲烷/空气燃爆过程的影响

为研究氢气的加入对不同体积分数甲烷/空气预混爆炸过程影响的规律,在尺寸为150 mm×150 mm×1 000 mm的管道中通入体积分数为8%、9.5%和11.5%的甲烷/空气预混气体,然后加入一定体积分数的氢气。氢气所占体积分数分别为0、0.74%、1.48%、2.95%、4.40%。分别对加入不同体积分数的甲烷爆炸过程中爆炸压力、火焰图像和爆炸温度进行测量、分析。结果表明:只有在8%纯甲烷爆炸时能够形成完整的郁金香火焰。8%和9.5%甲烷体积分数试验中,氢气的加入使火焰面由上下对称变得不对称,火焰阵面上移,火焰速度加快;爆炸中的最大超压增大并且最大超压时刻点提前。在11.5%的甲烷加氢试验中,随加氢量增加,爆炸压力、温度、火焰速度分别略微降低。这表明氢气的加入在体积分数为8%的爆炸反应中较大地促进了反应,而体积分数为11.5%时加氢后爆炸反应减弱。通过理论分析计算了半封闭管道中体积分数为9.5%甲烷爆炸温度和实测温度之间的差异。爆炸压力和温度的变化能很好地反映加入氢气对甲烷爆炸的影响。     

泄压点火不同端管道内甲烷爆炸特性数值模拟

结合气体爆炸传播机理,利用FLACS软件对泄压点火不同端两种方式(泄压口通径为25 mm和泄压口完全开放)下甲烷的爆炸过程进行数值模拟,获得了5种体积分数甲烷的爆炸特性参数,分析得出:两种不同泄压方式下,10%,9.5%,11%体积分数的甲烷爆炸特性变化趋势接近,7%,8%的甲烷较前三者有所延迟;5种甲烷在管道中心处的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值都随甲烷体积分数的增大而逐渐上升,在10%时达到最大,继续增加甲烷体积分数则出现下降趋势,最大爆炸压力时间变化趋势与其相反;管道中心处的爆炸产物浓度随着甲烷体积分数的增大而增大,与泄压方式无关;增大管道泄压口面积有利于爆炸压力以及爆炸高温高压气体的释放,使得各体积分数甲烷的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最大爆炸压力下降速率、温度峰值均下降,到达最大爆炸压力的时间均增大。     

甲烷体积分数对甲烷-煤粉复合火焰传播特性的影响

为探究甲烷体积分数对煤粉爆炸过程的影响,并掌握甲烷-煤粉爆炸火焰传播特征,通过粒度分析仪和同步热分析仪研究2种煤粉样品的粒径大小和热解过程。利用1 500 mm×80 mm×80 mm的半开口竖直燃烧管道,探究不同甲烷体积分数下,中位粒径分别为65和25μm烟煤粉的火焰传播特性,分析甲烷体积分数对甲烷-煤粉复合火焰结构、温度和速度的影响。结果表明:25μm煤粉比65μm煤粉的火焰更加明亮,甲烷体积分数的增加对65μm煤粉火焰有更强的促进作用;当甲烷体积分数越接近当量比时,火焰锋面越规则,火焰速度也越快;随着甲烷体积分数的增加,火焰温度和火焰传播速度均呈现先增大后减小的趋势;甲烷体积分数为9%时,火焰温度达到最大值;甲烷体积分数为8%和10%时,65和25μm煤粉最大火焰速度为分别为26.53和39.28 m/s。     

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。     

不同浓度甲烷-空气预混气体爆炸特性的试验研究

利用自主搭建的易爆气体爆炸试验平台,研究了甲烷体积分数为8%、9%、9.5%、10%、11%的甲烷-空气混合气体的爆炸特性。结果表明:爆炸火焰在管道内经历了层流火焰传播加速、郁金香火焰传播速度变慢和湍流火焰传播速度增大3个特征阶段;爆炸管道压力表现出升压、振荡和反向冲击3个变化阶段;爆炸感应期、火焰最大传播加速度和最大爆炸升压速率等特征参数能更好地反映易爆气体的爆炸能力和爆炸强度。结合爆炸火焰图片、光电传感信号和压力传感信号发现,在一端开口的管道内,爆炸压力出现变化的时间总是先于火焰传播速度的变化时间,表明爆炸压力的变化是导致火焰传播速度变化的原因。因此,抑爆过程中,减小爆炸压力和降低升压速率是达到良好抑爆效果的关键。     

瓦斯体积分数梯度分布及柔性置障耦合作用下爆炸灾变范围研究

为探究柔性置障与瓦斯体积分数分布状态对瓦斯爆炸传播特性的影响,以瓦斯爆炸事故灾变范围变化为主要研究内容,从冲击波、高温火焰等主要因素展开分析.在试验的基础上采取数值模拟方法,研究了不同体积分数分布和置障耦合作用下瓦斯爆炸传播过程中压力、火焰、温度的变化特征.物理模型是截面为0.20 m x 0.20 m的水平矩形管道并加入薄膜隔段,设计9.5％-0 CH4、9.5％-3.5％CH4、9.5％-6.5％CH4、9.5％-9.5％CH4 4种工况.结果表明,隔膜障碍物使甲烷气体从高浓度到低浓度的条件下爆炸压力骤升,最大爆炸超压在隔膜后达到1.074 MPa,部分区域温度高达3 000 K.体积分数梯度差诱导瓦斯充分燃烧,反应速率升高,强化了柔性障碍物形成的激励作用,且有助于爆炸压力与火焰速度的提高,使瓦斯爆炸的受灾范围进一步扩大.甲烷体积分数在6.5％以下工况时在距爆源65 m附近的压力可达0.175 MPa,9.5％的工况时在距爆源100 m处的压力仍保持在0.3 MPa,超高压力和温度需要长距离才能下降至常压常温,促使灾变范围增大.研究揭示了在体积分数梯度分布条件下,瓦斯爆炸事故中柔性障碍物的激励效应导致灾变范围扩大的物理机制,对事故调查中确定爆炸冲击波的波及范围和事故应急救援重点区域、提高救灾方案可靠性具有理论和实际意义.     

含NaCl超细水雾抑制甲烷爆炸实验研究

为研究含NaCl添加剂超细水雾对甲烷爆炸的影响,在自制的半封闭透明管道内,进行含NaCl添加剂超细水雾抑制甲烷爆炸试验,通过检测和分析在不同NaCl浓度情况下超细水雾的粒径和甲烷爆炸的平均火焰传播速度、爆炸超压以及平均升压速率,探究NaCl浓度对超细水雾粒径及其对抑制甲烷爆炸有效性的影响。研究结果表明:NaCl浓度对超细水雾粒径影响较小;对于体积分数为9.5%的甲烷,相比于纯甲烷爆炸,其平均火焰传播速率、最大爆炸超压以及平均升压速率分别下降了53.7%,63.4%和60.7%,相比于超细纯水雾,其平均火焰传播速率、最大爆炸超压以及平均升压速率分别下降了38.6%,58%,56%;在通雾量相同的条件下,浓度为2.5%NaCl超细水雾对体积分数为9.5%的甲烷爆炸抑制性能最佳;含NaCl添加剂超细水雾的物理化学共同作用可以有效抑爆甲烷。     

瓦斯爆炸冲击波在角、并联巷道内传播规律对比研究

瓦斯爆炸冲击波在传播过程中的传播特性不仅与瓦斯体积分数、温度等条件有关,还与网络结构有关.为探究冲击波超压在对称角联网络结构内的变化特征、角联分支对主巷道内冲击波传播的影响等问题,结合实际巷道尺寸,对对称角、并联网络巷道进行了瓦斯爆炸过程的数值模拟.结果表明:受角联分支影响,分支后的巷道内冲击波衰减幅度大于并联网络中对应各点,且与角联分支距离越近,影响越大;角联分支对角联分叉前、后巷道内冲击波二次超压产生一定影响;与并联网络相比,角联网络中冲击波到达角联分叉后的超压峰值出现时间更晚;角联网络中角联分叉后各点冲击波超压峰值均低于并联网络中对应各点.     

不同工况下泄爆门快速封闭泄爆特性试验研究

为研究泄爆门对瓦斯爆炸特征参数的影响,并验证其泄爆效果和快速封闭性能,自制大尺寸瓦斯爆炸管道试验系统,在瓦斯体积分数为5.5%、7.5%、9.5%和11.5%的工况下进行爆炸试验,通过数据采集系统收集瓦斯爆炸特性参数,分析其变化特征和泄爆效果。结果表明:4种工况下,爆炸压力波压力峰值分别衰减了42.25%、50.54%、53.27%和52.88%;随着瓦斯体积分数的增大,爆炸压力峰值以二次函数关系衰减,平均封闭火区14 h,说明泄爆门具有显著泄爆特性和快速封闭火区的作用;温度变化特征基本一致,无论瓦斯体积分数如何变化,泄爆门对瓦斯爆炸火焰没有抑制作用; 4种工况下火焰传播速度最大平均值分别为103.56、105.73、136.67和138.34 m/s。     

空腔体积比对甲烷爆炸冲击波传播机制的影响

为探究空腔相对体积比的变化对甲烷爆炸冲击波抑制作用的影响,采用计算流体力学(CFD)软件和大型圆管甲烷爆炸试验系统研究空腔相对体积比对甲烷爆炸冲击波的影响。结果表明:腔体相对体积比由4. 8变为7. 9,空腔对峰值超压消减作用增强,火焰持续光照强度消减作用骤然增强;腔体相对体积比增加到12. 7时,拟合得到火焰持续光照强度衰减因子呈现"L"衰减关系,整体火焰持续光照强度消减基本趋于稳定,火焰持续光照强度衰减率由90. 8%变为90. 9%;峰值超压衰减因子衰减先慢后快;腔体相对体积比为12. 7时抑爆效果最佳,整体火焰持续光照强度衰减率90. 9%,峰值超压衰减率30. 8%。     

不同曲率弯曲巷道弯角近区爆炸冲击波传播特性研究

为研究爆炸冲击波在不同曲率弯曲巷道弯角近区的传播规律,采用有限元方法建立爆炸模型,分析爆炸冲击波传播特性及其变化过程。研究结果表明,弯曲角度改变了巷道内冲击波超压分布,巷道内爆炸冲击波是巷道壁面反射叠加增强作用与传播距离衰减效应综合作用的结果,在爆源近区反射叠加作用占主导地位,使峰值压力出现极值;随着传播距离的增加,冲击波衰减占主导地位,峰值超压随距离呈现为线性衰减。     

煤矿长壁工作面瓦斯爆炸全尺寸模拟

为丰富煤矿事故调查内容和有效应用矿井阻隔爆技术,利用气体爆炸数值模拟软件FLACS建立原型尺度的采煤工作面巷道模型进行数值模拟,并结合事故调查资料,研究瓦斯爆炸火焰、冲击波超压和动压在直巷、转角、分叉等巷道结构中的传播规律和破坏特征。结果显示:巷道分叉提供的自由空间可显著限制爆炸火焰传播;巷道分叉及转角能有效降低冲击波超压;冲击波动压气流速度衰减在巷道分叉处较为明显,但对直巷和转角不敏感;携残片和毒烟的动压高速气流是灾区远场的主要致灾因子。定量的数值仿真结果对认识矿井原型尺度下瓦斯爆炸传播规律、再现事故场景、优化阻隔爆设施布置有一定借鉴意义。     

H型通风巷道瓦斯爆炸及泄爆过程模拟研究

为探究在H型巷道中瓦斯爆炸及泄爆过程中压力及风流流态的变化,运用Fluent对瓦斯爆炸冲击波破坏巷道正常通风的过程进行仿真模拟;对比分析爆炸前后巷道内CO2摩尔分数、温度及流体的运动方式,得到爆炸冲击波在巷道内的传播特征。研究结果表明:爆炸冲击波经巷道壁面反射后与正向冲击波叠加,增大了叠加区域的压力值;爆炸冲击波改变了联络巷内风流流动状态,使联络巷内气流由双涡旋模式向单涡旋模式变化;泄爆过程中瓦斯引爆区一侧巷道泄爆能力较大,爆炸产生的大量冲击波沿泄爆能力较大的巷道排出;爆炸结束后巷道能够恢复正常通风。     

EVA树脂粉尘/甲烷/空气杂混物爆炸特性

在20 L爆炸实验装置中,开展了3种不同中值粒径的EVA树脂粉尘/甲烷/空气所组成的杂混物爆炸特性研究,探究了甲烷浓度对粉尘爆炸下限、最大爆炸压力的影响。结果表明,尽管添加的甲烷气体浓度低于爆炸下限,仍使得粉尘爆炸下限得以降低,粒径较大的EVA III粉尘,当甲烷体积分数为1%时,爆炸下限降低约25%;粒径较小的EVA I粉尘,当混入甲烷体积分数为4%时,爆炸下限则降低80%;甲烷体积分数每增加1%,可燃粉尘最大爆炸压力上升约10%,但对于粒径较小的EVA I粉尘,当甲烷体积分数为4%时,最大爆炸压力的上升呈现突变趋势,上升近50%。     

管道氢气-空气预混气体爆炸特征的试验研究

为研究管道内氢气与空气预混气体的爆炸规律,使用尺寸为150 mm×150 mm×1000 mm的方形透明管道,通过试验观测了氢气体积分数从10%到40%的爆炸火焰形状、传播速度与压力变化规律。火焰传播与压力分别由高速摄像机与压力传感器记录测量。结果表明,爆炸火焰特征及压力变化受氢气体积分数的影响很大。火焰在管道内的最大传播速度及压力峰值随氢气体积分数增大而急剧增大。最大火焰传播速度由18.3 m/s增大到304.2 m/s,传播时间由123.5ms缩短到10.5 ms。压力峰值由2.95 k Pa增大到34.06 k Pa。当氢气体积分数为25%及以上时,火焰速度持续上升,没有出现郁金香火焰,压力波先出现短时间强烈正负压振荡,后长时间微小振荡。火焰特征、传播速度、压力变化及爆炸响声均能够很好地反映氢气爆炸的强度。     

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。     

以氢气为主要成分的其他可燃气体对低浓度甲烷爆炸特性的影响

为研究矿井火区中一氧化碳(CO)、氢气(H_2)、乙烯(C_2H_4)和乙烷(C_2H_6)等其他可燃气体对甲烷(CH_4)爆炸特性的影响,利用可视球形气体爆炸系统开展了多元可燃气体爆炸压力特性试验,观察并分析了峰值爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及其相应时间。通过高速摄影系统拍摄了视窗范围内爆炸火焰传播图像,基于边缘检测方法确定了火焰前锋位置,继而得到最大火焰传播速度。分析了以氢气为主要成分的其他可燃气体对低浓度CH_4-空气混合物压力特性和火焰传播行为的影响。结果表明,多元可燃气体的存在增加了低浓度CH_4-空气混合物的爆炸危险性。随混合气体体积分数增加,低浓度CH_4-空气混合物的峰值爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和最大火焰传播速度非线性增加;此外,到达峰值爆炸压力、最大爆炸压力上升速率的时间显著缩短。     

超细水雾抑制甲烷爆炸的影响因素分析

为深入了解超细水雾对甲烷爆炸的抑制作用,搭建小尺寸半封闭可视化试验平台并开展试验,研究超细水雾喷施量、甲烷体积分数、通入甲烷位置和预混时间4个因素对甲烷与空气的混合物的爆炸的影响。结果表明:超细水雾能有效抑制甲烷爆炸,其中对9. 5%甲烷的抑制作用最明显;随着超细水雾喷施量的增大,抑制作用增强;甲烷体积分数对甲烷爆炸最大爆炸超压ΔP_(max)有显著影响,超细水雾喷施量对甲烷爆炸ΔP_(max)有一定影响;超细水雾喷施量对甲烷爆炸火焰传播时间有显著影响,甲烷体积分数对甲烷爆炸火焰传播时间有一定影响。     

泄爆门泄爆特性试验及数值模拟研究

为研究数值模拟边界条件的准确性及泄爆门对瓦斯爆炸的抑制作用,自制大直径爆炸管道试验装置,在瓦斯体积分数9.5%条件下进行瓦斯爆炸试验,同时运用FLUENT软件模拟整个爆炸传播过程,通过对比分析试验数据与模拟结果,分析其变化特征和泄爆效果。结果表明:爆炸冲击波从测点2传播到测点3时,试验和数值模拟方式下压力峰值衰减率分别为51.40%和51.28%,偏差率为0.23%,泄爆门能显著衰减爆炸压力; 2种研究方式下温度变化规律相同,测点2、3温度峰值偏差分别为6.99%和6.43%,但泄爆门对火焰温度没有抑制作用;通过对比研究发现,两者得出的结论和变化规律吻合,证实了数值模拟的数学模型、边界条件和初始条件的准确性。