瓦斯对煤尘爆炸特性影响的实验研究

瓦斯的存在对煤尘爆炸特性的理论计算和数值仿真的结果与实际数据有一定差距,因此,通过不同浓度瓦斯与煤尘共存条件下爆炸实验研究,得出了矿井瓦斯对煤尘的最低着火温度、最小点火能量、爆炸下限浓度、最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速度等爆炸特性影响的规律即瓦斯对煤尘最低着火温度影响不大;瓦斯可使煤尘的最小点火能量减小,尤其是对难于点燃的煤尘;混合物的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而降低;混合物的最大爆炸压力上升速度由于瓦斯的存在而增强,而最大爆炸压力几乎没有变化。同时研究了瓦斯对无爆炸性煤尘的影响。实验研究的结论对于现场防止煤尘爆炸的发生具有指导意义。     

低压氢气-空气混合物爆炸试验研究及数值模拟

为了预防或控制密闭容器内氢气爆炸事故,运用20 L密闭球形容器试验研究不同初始低压(0.025~0.1 MPa)下氢气-空气混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率;并采用Fluent数值模拟软件,通过标准k-ε湍流模型和概率密度函数(PDF)燃烧模型,模拟不同初始压力下氢气-空气混合物燃烧过程,直观再现不同初始压力下火焰传播过程及流场扰动状况。研究表明:氢气体积分数一定时,氢气-空气混合物的最大爆炸压力和最大压力上升速率与初始低压均成线性关系;初始压力从0.1MPa降低至0.025 MPa,最大爆炸压力降低75.1%~75.9%,最大压力上升速率降低77.1%~83.7%。另外,初始压力降低,火焰前沿到达器壁的时间变长。     

瓦斯煤尘爆炸特性及传播规律研究进展

概要介绍国内外的瓦斯爆炸和瓦斯煤尘混合物爆炸特性及传播规律研究进展,瓦斯爆炸研究主要集中在瓦斯爆炸压力、火焰、温度等特征参数、不同障碍物对瓦斯爆炸压力、火焰传播的影响以及分岔、拐弯等不同形状管道内的传播规律,而瓦斯煤尘混合物爆炸研究主要集中在瓦斯对煤尘爆炸的最小点火能、爆炸下限、最大爆炸压力等爆炸特性及传播规律的影响。对不同研究人员采用的主要研究指标、手段、方法和研究结论进行综合评述,同时也对爆炸事故人员伤害模型在国内外的研究状况进行讨论,最后指出目前存在的主要问题和下一步的研究方向。     

水平管道内甲烷-煤尘混合爆炸的试验研究

为研究煤矿甲烷-煤尘混合爆炸的规律,采用水平管道式气体粉尘爆炸装置。试验时,通过延迟爆破系统,将储罐内的煤尘吹入管道内与甲烷气体混合,点火后甲烷爆炸产生的能量作为初始能量引起煤尘的爆炸。通过改变甲烷浓度、煤尘浓度,对甲烷-煤尘混合爆炸的最大爆炸压力和压力上升速率进行了研究。结果表明:最大爆炸压力和压力上升速率随甲烷浓度的增加先增加后减小,随煤尘浓度的增加也先增大后减小。     

瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆方法研究进展

为探究瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆机理,本文通过一系列实验,研究瓦斯、煤尘爆炸的速度和温度等特征,提出利用图像相关系数法和辐射测温原理计算火焰传播速度及温度场变化,定量分析影响煤尘爆炸的因素以及产物变化规律,揭示煤尘爆炸的宏微观机制。结果表明:火焰分形维数可以用来反应瓦斯爆炸强度,即当分形维数更接近2.2937时爆炸反应最为强烈,其爆炸过程中自由基最终生成浓度与CH 4初始浓度呈倒U型关系;当量比对煤粉火焰爆炸压力及速度也有一定影响,在最佳当量比的2倍左右时可以达到最大爆炸压力和最大火焰传播速度。另外本文亦采用泡沫陶瓷对瓦斯的多次爆炸和连续爆炸进行抑爆,发现不同厚度和孔隙的泡沫陶瓷具有不同的抑制效果,孔隙较大的泡沫陶瓷对爆炸能量有较好的抑制作用。     

甲烷煤尘燃烧爆炸试验研究

为揭示甲烷煤尘空气混合物爆炸波的传播规律,采用试验分析的方法,建立甲烷煤尘空气混合物燃烧爆炸的3种试验方案,分析不同体积分数的甲烷和不同质量浓度的煤尘消耗不同体积空气时的爆压和爆速等参数的发展趋势,探究爆轰波传播的稳定性,阐明了甲烷煤尘燃烧爆炸的基本特征。试验结果表明,在最优配比条件下,与单一甲烷空气、煤尘空气混合物相比,甲烷煤尘空气混合物的爆压、爆速明显增加。甲烷煤尘空气混合物爆轰比单一的气相、固相混合物爆轰的爆炸压力、爆速明显增加、爆轰更稳定。     

密闭容器甲烷-空气混合物爆炸的尺寸效应

为探究密闭容器甲烷爆炸的尺寸效应及其变化特征,以及预防和控制密闭容器甲烷爆炸事故,通过改变圆柱形容器体积和管道的长度和直径,研究密闭容器甲烷-空气混合物爆炸压力变化特性;采用多元线性回归模型,分析最大爆炸压力及最大压力上升速率与管径和管长的关系。结果表明:在圆柱形容器中,最大爆炸压力上升速率随容器体积的增大而减小;随着管道内径的增加,管道末端的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率均下降;管道长度增加,管道末端最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率均增加。试验得到最大爆炸压力及最大压力上升速率的无量纲预测模型。     

半封闭管道内瓦斯煤尘爆炸火焰传播特性试验

为了进一步探究瓦斯煤尘爆炸火焰的传播规律,在自行设计搭建的半封闭竖直管道内,选用褐煤、烟煤和无烟煤3种煤样分别进行爆炸试验,并通过改变煤尘质量浓度来观察不同煤种条件下瓦斯煤尘爆炸反应强度,研究不同煤种条件下煤尘质量浓度对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响。结果表明,在瓦斯体积分数和煤尘质量浓度相同的条件下,褐煤爆炸产生的火焰传播速度最大,无烟煤最小。这是因为褐煤的挥发分含量较高,而影响爆炸火焰传播速度的主要原因是煤尘在加热情况下释放出的可燃气量,即煤种的挥发分含量,挥发分含量越大,瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度也就越大。褐煤和烟煤的火焰传播速度随火焰传播距离增加而增加,直至传播至管道外部;无烟煤的火焰传播速度随火焰传播距离增加呈现先上升后下降的状态。在试验中,3种煤种和瓦斯爆炸时产生火焰最大传播速度的位置距离爆炸源较远。瓦斯煤尘爆炸产生的火焰稳定性较差,在传播过程中速度变化不稳定,存在较大的波动。火焰传播速度与煤尘质量浓度不成正比,在一定范围内,适当增加煤尘质量浓度可以大大提高瓦斯煤尘爆炸的反应强度,且存在一个最佳的煤尘质量浓度50 g/m3,使火焰传播速度达到最大。     

密闭管道瓦斯爆炸冲击波冲量及压力上升速率的实验研究

针对矿井瓦斯爆炸破坏模式主要在压力破坏和冲量破坏的研究,实验分析瓦斯在密闭管道发生爆炸时瓦斯浓度对冲击波冲量及压力上升速率的影响,利用管道中距离点火源不同位置的压力传感器测试了不同浓度瓦斯的爆炸压力,对冲击波冲量及压力上升速率进行分析,为防爆抑爆提供依据。研究结果显示:在管道中距离点火源的不同位置上,当浓度为9.5%时,瓦斯爆炸冲击波冲量及压力上升速率最大;由于超压衰减和传播距离的增加,在距离点火源4m和8m时压力冲量较大;在瓦斯浓度较低的范围内瓦斯爆炸时,其压力上升速率增长较快,而随着浓度的增加在较宽的浓度范围内,能较稳定地维持在高位值。     

甲烷-煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究

为了探讨煤矿瓦斯和煤尘爆炸的物理机制 ,基于对甲烷和煤尘爆炸传播的理论分析 ,采用数值模拟方法研究障碍物对甲烷和煤尘爆炸传播的影响 ;为了更系统地考虑颗粒相各种输运特性、相间滑移和耦合 ,采用双流体模型建立了数学模型 ,该模型的出发点是把颗粒群和气体都作为连续介质 ,两者相互渗透充满整个空间形成没有间隙的“流体”———拟流体 ,在欧拉坐标系下考虑气 -固两相流动 ,气相和颗粒相的计算网格统一 ,易于处理。数值方法采用LU分解和迎风TVD格式分别处理对流项的隐式和显式部分 ,扩散项采用中心差分 ;同时研究了不同形状的障碍物对流场的影响 ,计算结果与实验吻合较好     

大尺度管道中煤粉爆炸的试验研究

煤粉爆炸传播特性的试验研究对于深入了解和预防矿井煤尘爆炸事故有重要意义。利用自制的长29.6 m,内径199 mm的试验管道,对煤粉-空气混合物爆炸压力波传播过程进行试验研究。采用压电传感器测量压力信号,得到爆炸压力波沿管道传播过程中不同测点处的压力时间历程曲线,探讨煤粉粒度和浓度对其爆炸超压的影响规律。结果表明:煤粉-空气混和物在弱点火条件下能够实现粉尘火焰的形成和传播。煤粉爆炸压力波传播过程中速度为400~430 m/s,峰值超压为68~72 kPa。煤粉爆炸峰值超压随着煤粉粒度的减小而增大,但煤粉粒度对其爆炸峰值超压的影响程度随着浓度的增加将逐渐减弱。     

Study of the severity of hybrid mixture explosions and comparison to pure dust-air and vapour-air explosions

The explosion behaviour of heterogeneous/homogeneous fuel-air (hybrid) mixtures is here analysed and compared to the explosion features of heterogeneous fuel-air and homogeneous fuel-air mixtures separately.Experiments are performed to measure the pressure history, deflagration index and flammability limits of nicotinic acid/acetone-air mixtures in a standard 20 L Siwek bomb adapted to vapour-air mixtures. Literature data are also used for comparison.The explosion tests performed on gas-air mixtures in the same conditions as explosion tests of dust-air mixtures, show that the increase in explosion severity of dust/gas-air mixtures has to be addressed to the role of initial level of turbulence prior to ignition.At a fixed value of the equivalence ratio, by substituting the dust to the flammable gas in a dust/gas-air mixture the explosion severity decreases. Furthermore, the most severe conditions of dust-gas/air mixtures is found during explosion of gas-air mixture at stoichiometric concentration.     

储油条件下拱顶油罐的油气爆炸实验

为研究储油条件下拱顶油罐油气爆炸的发展过程,设计了中尺度拱顶油罐油气爆炸实验台架,并完成了储油条件下油罐油气爆炸试验。实验结果表明:储油条件下油气爆炸会导致罐顶破坏,超压发展分为多个阶段,并出现强烈的超压振荡和二次爆炸现象,最大超压由二次爆炸所产生;爆炸最大超压随着初始油气体积分数的降低而升高;在储油条件下,油罐油气爆炸后会诱导产生二次爆炸现象,第2次爆炸超压峰值和升压速率均远大于第1次爆炸的数值,且二次爆炸对外场的影响更加明显;火焰强度随时间的变化曲线具有2个明显的峰值,其形成原因分别为第1次爆炸和第2次爆炸。     

燃烧管中烟煤粉粉尘云传播参数的试验研究

利用自行设计的长29.6 m,内径199 mm,配有特殊扬尘装置的大犁卧式燃烧爆炸管道试验系统,对弱点火条件下烟煤粉与空气两相悬浮流中的爆炸过程进行了试验研究,用压电传感器测量了管内各测点的压力信号,观测到快速爆燃的状态稳定,分析了爆燃波稳定传播机理.结果表明:在煤粉浓度为300g/m~3及弱点火条件下,悬浮烟煤粉粉尘云中爆燃波能够稳定传播,且稳态传播距离持续20 m以上,峰值超压和波速平均值分别约为70 kPa和430m/s.     

Experimental and simulation studies on the influence of carbon monoxide on explosion characteristics of methane

In underground coal mining, methane explosions often can cause tremendous disasters. In the meantime, carbon monoxide (CO), generated during the process of coal oxidation, may appear in the air. Therefore, the explosion characteristics of the mixture of CH₄ and CO must be investigated to prevent gas explosion accidents in coal mines. We conducted experiments by using a 20-L nearly spherical gas explosion testing device. The software FLACS was used to simulate the explosion of the mixture of CH₄ and CO at various mixing concentrations, and the simulation results corresponded to experimental results. With the increase of CO concentration, both upper and lower explosive limits of CH₄ decreased. On the whole, the explosion characteristic parameters of CH₄ and the mixture are similar. When CH₄ concentration was below the stoichiometric concentration, the addition of CO could promote the intensity of gas explosion; oppositely, excessive CO would inhibit the gas explosion reaction. The inhibitory effects become more significant as the concentration of CH₄ increases.     

Experimental study on the mitigation via an ultra-fine water mist of methane/coal dust mixture explosions in the presence of obstacles

In this paper, experimental investigations were performed for the mitigation via an ultra-fine water mist of methane/coal dust mixture explosions in the presence of obstacles to reveal the effects of the obstacles in this scenario. Two PCB piezo-electronic pressure transducers were used to acquire the pressure history, a Fastcam Ultima APX high-speed video camera was used to visualize both the process of the mixture explosion and its mitigation. The diameters of the coal dust, the types of obstacles and the volumes of ultra-fine water mist were varied in the tests. The parameters of the explosion overpressure and the range of critical volume flux of the ultra-fine water mist for explosion mitigation were determined. The results show that the mixture explosion and its mitigation are primarily influenced by the number, shape and set locations of the obstacles. When the volume flux of the water mist is larger than a certain amount, the mixture explosions and the effects of obstacles can be completely mitigated with the ultra-fine water mist.     

瓦斯爆炸后空间温度分布及热危害区域分析研究

为了获得瓦斯爆炸引发次生灾害的特性参数，建立了超压预测模型及爆炸后空气温度衰减模型，并结合实验数据进行了验证。结果表明:依据所建立的超压修正模型，不同浓度和体积下的超压在爆源附近呈对数形式快速下降，之后缓慢趋向平稳；基于模型修正的爆炸超压计算公式，能够很好的对各个情形的瓦斯爆炸超压进行计算，吻合较好。对初始瓦斯体积相对较小的情形吻合度很高，对于初始体积大的瓦斯爆炸超压在100 m附近会出现一定误差，但有一定指导意义。瓦斯爆炸热危害区域的研究，对瓦斯爆炸次生灾害的防治工作具有重要意义。     

球形压力容器中甲烷-氢气-空气爆炸过程数值模拟及实验研究

为研究受限空间内甲烷-氢气-空气混合气体爆炸特性参数分布规律,在20 L球形压力容器装置内开展甲烷-氢气-空气混合气体爆炸实验,探究掺氢比变化对当量比为1的甲烷-氢气-空气混合气体爆炸过程的影响;运用Fluent数值模拟软件,采用标准k-ε湍流模型,结合层流有限速率燃烧模型,探究混合气体爆炸过程中燃烧特性(爆炸温度、压力、密度等)与反应时间的变化规律。研究结果表明：爆炸过程中,添加一定氢气时爆炸压力峰值、爆炸压力上升速率峰值增大,而到达峰值时间缩短;反应初期,中心点火处密度下降,反应釜各处密度持续上升;距离点火点越远,密度变化越大,反应釜中压力分布基本相同。研究结果可为甲烷-氢气-空气混合燃料的安全使用提供相关参考。     

Hybrid H2/Al dust explosions in Siwek sphere

Explosion indices and explosion behaviour of Al dust/H₂/air mixtures were studied using standard 20 l sphere. The study was motivated by an explosion hazard occurring at some accidental scenarios considered now in ITER design (International Thermonuclear Experimental Reactor). During Loss-of-Vacuum or Loss-of-Coolant Accidents (LOCA/LOVA) it is possible to form inside the ITER vacuum vessel an explosible atmosphere containing fine Be or W dusts and hydrogen. To approach the Be/H₂ explosion problem, Be dust is substituted in this study by aluminium, because of high toxicity of Be dusts. The tested dust concentrations were 100, 200, 400, 800, and 1200 g/m3; hydrogen concentrations varied from 8 to 20 vol. % with 2% step. The mixtures were ignited by a weak electric spark. Pressure evolutions were recorded during the mixture explosions. In addition, the gaseous compositions of the combustion products were measured by a quadruple mass-spectrometer. The dust was involved in the explosion process at all hydrogen and dust concentrations even at the combination ‘8%/100 g/m3’. In all the other tests the explosion overpressures and the pressure rise rates were noticeably higher than those relevant to pure H₂/air mixtures and pure Al dust/air mixtures. At lower hybrid fuel concentrations the mixture exploded in two steps: first hydrogen explosion followed by a clearly separated Al dust explosion. With rising concentrations, the two-phase explosion regime transits to a single-phase regime where the two fuel components exploded together as a single fuel. In this regime both the hybrid explosion pressures and pressure rise rates are higher than either H₂ or Al ones. The two fuels compete for the oxygen; the higher the dust concentration, the more part of O2 it consumes (and the more H₂ remains in the combustion products). The test results are used to support DUST3D CFD code developed at KIT to model LOCA or LOVA scenarios in ITER.