不同封闭情况下T型管道中瓦斯爆炸传播规律实验研究*

为研究不同封闭情况下T型管道中瓦斯爆炸的传播规律,在90°分岔管道中进行瓦斯爆炸实验,管道封闭情况为弱封闭（双PVC薄膜弱封闭）和强封闭（直管封闭或支管封闭）。实验结果表明:在瓦斯浓度为9.5%时,管道中各点处的瓦斯爆炸压力、火焰传播速度和火焰锋面振荡幅度最大,11%次之,8%最小。T型管道中,弱封闭端瓦斯爆炸压力不断减小;火焰传播速度先缓慢增大后减小,随后又快速增大。强封闭端,瓦斯爆炸压力增大;火焰传播速度先缓慢增大后略微下降,随后快速增大后又大幅度下降,甚至出现火焰锋面振荡现象。不同封闭管道中各测点的瓦斯最大爆炸压力和火焰传播速度大小比较可知,直管封闭管道＞双PVC薄膜弱封闭管道＞支管封闭管道。     

惰性气体抑制瓦斯爆燃火焰传播特性实验研究*

为研究惰性气体抑制瓦斯爆燃火焰传播特性,在自行搭建的中尺度爆炸激波管道上,采用数据采集系统、压电式传感器、火焰传感器、同步控制系统和激光纹影测试系统,通过对比4种不同喷射压力（0.5,1.5,2.5,3.5 MPa）的实验工况,选用N2做为惰性介质时抑制火焰的传播特性与喷射压力密切相关,火焰传播速度随着喷射压力增加呈现先增加后减弱的趋势。研究结果表明:少量N2在管道中扩散,加剧了未反应预混气体的扰动状态,造成火焰阵面褶皱的卷吸能力增强,进而加速化学反应进程,促进预混气体燃烧;喷射压力为1.5 MPa时,火焰阵面拉升、变形最强,火焰传播速度提高,最高可达到250 m/s;喷射压力为3.5 MPa时,火焰阵面出现明显三维凹陷结构,运动发生明显滞后现象,火焰传播速度大幅度降低至5.4 m/s,惰性气体抑制火焰传播效果明显。     

不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导下爆炸传播规律研究

为了探究不同含水率煤尘在瓦斯爆炸诱导下的爆炸传播规律,利用自行搭建的直管瓦斯爆炸诱导煤尘二次爆炸实验系统,从冲击波压力和火焰传播速度2个方面,研究了不同含水率沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下的爆炸传播规律和原因。研究结果表明:当煤尘含水率小于40%时,管道内沉积煤尘会在瓦斯爆炸诱导下产生二次爆炸,同时沉积煤尘总量一定时,沉积煤尘二次爆炸产生的冲击波超压峰值和火焰传播速度随着煤尘含水率的增加先增大后减小;当沉积煤尘含水率为20% 时,煤尘二次爆炸产生的冲击波超压峰值、火焰传播速度峰值达到最大值,分别为1.657 MPa和468.060 m/s;当沉积煤尘含水率大于40%时,沉积煤尘无法产生二次爆炸,此时爆炸产生的威力小于单一瓦斯爆炸,火焰传播速度衰减较无煤尘的瓦斯爆炸更快,沉积煤尘起到抑制瓦斯爆炸传播的作用。研究结果可以为防治煤尘二次爆炸提供理论依据。     

球形障碍物对瓦斯爆燃火焰影响试验研究

为进一步开发煤矿井下瓦斯爆炸事故的隔抑爆技术装备,利用截面为0.2 m×0.2 m的方形管道、纹影仪和高速摄像机,开展无障碍物时和球形障碍物存在情况下的瓦斯爆燃传播试验。研究发现,无障碍物时,密闭管道内爆燃火焰的结构和传播速度受反射压力波的影响很大,湍流火焰、化学反应作用能力与反射压力波的相互作用是造成火焰传播速度变化的主要原因;球形障碍物存在时,火焰受扰动后被拉伸为前锋、中锋和尾锋,前锋速度最快,尾锋最慢;火焰前锋从经过障碍物开始整体呈加速趋势,与无障碍物相比,通过观察段的时间明显缩短。     

瓦斯爆炸火焰波在分叉管路中的传播规律

笔者在研究分叉管路中瓦斯爆炸火焰波传播特征的基础上,分析了管路分叉对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的重要影响。研究结果表明,管道分叉时,管道分叉处为一扰动源,诱导附加湍流,气流湍流度增大,使瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,分叉管路支管中火焰在前端是增大的,然后迅速减小;而分叉管直管端口封闭反射对直管管段火焰传播影响很小(端口距各测点较远),火焰在分叉管路直管管段范围是加速的。因此,在矿井开拓中,应尽可能减少不必要的巷道分叉。在巷道分叉处采取保护措施,减少爆炸造成的损失。研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸,减轻瓦斯爆炸的威力具有重要作用。     

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。     

不同形状受限空间内油气爆燃特性的实验研究

基于实验对4个不同形状的20L容器内的油气爆燃过程进行了研究,探讨了不同形状受限空间内爆炸压力荷载的变化和火焰行为的区别。结果表明:管道（短管和长管）的压力时序曲线较容积式受限空间（球形容器和立方体容器）的压力时序曲线更复杂,并且出现压力振荡;随着初始浓度的增加,超压值和平均升压速率均先增大后减小,在浓度为1.74%时达到最大值,此时,超压从大到小依次为:长管>短管>立方体>球形容器,平均升压速率从大到小依次为:短管>立方体>长管>球形容器;在爆燃初期,立方体中火焰行为为半球状层流火焰→扁平层流火焰,火焰速度先增大后减小,最大速度为12.5 m/s,长管中火焰行为为半球状层流火焰→拉伸指状火焰,火焰速度一直增大,最大速度为40 m/s。     

不同形状受限空间内油气爆燃特性的实验研究北大核心CSCD

基于实验对4个不同形状的20L容器内的油气爆燃过程进行了研究,探讨了不同形状受限空间内爆炸压力荷载的变化和火焰行为的区别。结果表明:管道(短管和长管)的压力时序曲线较容积式受限空间(球形容器和立方体容器)的压力时序曲线更复杂,并且出现压力振荡;随着初始浓度的增加,超压值和平均升压速率均先增大后减小,在浓度为1.74%时达到最大值,此时,超压从大到小依次为:长管>短管>立方体>球形容器,平均升压速率从大到小依次为:短管>立方体>长管>球形容器;在爆燃初期,立方体中火焰行为为半球状层流火焰→扁平层流火焰,火焰速度先增大后减小,最大速度为12.5 m/s,长管中火焰行为为半球状层流火焰→拉伸指状火焰,火焰速度一直增大,最大速度为40 m/s。     

拐弯角度对瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的影响研究

为研究瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸在不同拐弯巷道内的传播特征,首先采用不同角度拐弯管道模拟煤矿井下拐弯巷道结构;然后利用煤尘爆炸试验系统,通过试验监测管道内不同位置的冲击波压力值和火焰传播速度值;最后研究不同拐弯角度管道内瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸冲击波和火焰在拐弯前后的变化特征。结果表明:瓦斯填充长度一定的情况下,沉积煤尘爆炸冲击波峰值超压先减小后增大,到达管道拐弯后,急剧减小;冲击波峰值超压衰减率随着管道拐弯角度的增大而增大,角度越大,峰值超压衰减越快;火焰传播速度先增大后减小,经过拐弯管道后,速度突然增加;火焰传播速度变化率随拐弯角度的增大而增大,角度越大,速度增幅越大。     

Hele-Shaw通道内瓦斯爆炸火焰特性试验研究

为探究甲烷/空气预混气体当量比对Hele-Shaw通道内火焰爆燃特性的影响，自行设计搭建尺寸(长×宽×厚)为950 mm×200 mm×6 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道试验平台。通过改变试验平台厚度研究通道间隙对甲烷/空气预混气体火焰结构与传播特性的影响。结果表明，不同的通道厚度和当量比对火焰锋面结构和火焰传播动态特性有显著影响。当通道厚度为6 mm时，最大火焰传播速度发生在化学当量比下，为12.84 m/s,且在该工况下火焰最先到通道末端，时间为518.57 ms。当量比为0.8的贫燃状态时，在火焰不稳定性的作用下，火焰传播后期出现二次振荡现象及手指形的火焰锋面。随着通道厚度的减小，火焰到达通道末端的时间逐渐变长，对火焰整体传播速度有明显的抑制作用。     

障碍物压力反射特性对瓦斯爆炸传播影响的数值模拟研究*

为了研究不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播的影响机理，对直径0.2 m、长6.5 m的密闭直管道内的瓦斯爆炸过程进行数值模拟。研究结果表明:在该实验条件下，对于火焰通过整个管道的时间，方形障碍物时间最长，球形障碍物与无障碍物时间接近，且用时最短；无障碍物时，在反射压力波作用下火焰传播速度存在明显的波动特性；有障碍物时，障碍物的诱导作用要大于反射压力波的作用，火焰传播的这种波动特性得到抑制，提升了火焰前锋向未燃区域传播的能力；压力波的波动频率与气流震荡、压力波反射叠加有关，波幅则主要与正向压力波和反射压力波的叠加效果有关。研究结果为煤矿瓦斯爆炸事故防治及隔抑爆技术应用提供技术支撑。     

三通管支管位置对爆炸火焰传播影响分析*

为研究分支管道位置对丙烷爆炸火焰传播的影响规律，通过多组数值模拟与已有实验数据对比，分析不同工况下三通管内火焰传播形态变化特征及温度变化。结果表明:向右传播的爆炸气流在支管左侧形成湍流旋涡，火焰受到拖拽及壁面制约，贴支管右侧壁面呈尖刀状传播；封闭管道中，火焰传播受主管道高速前驱压力波回波影响更显著，垂直支管中火焰与高温风险更大；实验支管位置距离点火源5.6 m时岔口处监测点温度高达2 214.08 K，支管位置增加至5.71 m时，支管处湍流旋涡拖拽火焰，使火焰出现中断，支管移至5.825 m后高温火焰无法传播至支管口，支管中的爆炸风险显著降低。研究结果为工业生产三通管支管位置的选择和支管内二次爆炸风险预测提供科学参考。     

大长径比管道汽油-空气混合气爆炸与抑制实验研究*

为探究狭长受限空间中油气爆炸失控时的发展状态,探索高效环保的油气爆炸抑制方法,利用长径比155的管道开展92号汽油-空气混合气爆炸发展规律和七氟丙烷主动抑爆技术研究。通过测量不同端部开口条件下油气爆炸超压、火焰传播速度、火焰强度等参数,对比研究空爆和抑爆工况下的油气爆炸变化规律,探讨长直管道中的油气爆炸特性,分析七氟丙烷抑爆效果。结果表明:大长径比管道中,端部开口泄爆对降低油气爆炸破坏能力的作用较小,开口与否对最大超压峰值的出现位置有影响;长直管道空爆时,油气爆炸由爆燃发展成爆轰,管道尾部的爆轰波速可达近2 000 m/s;密闭管道中,爆轰发生前火焰传播呈“已燃区-火焰锋面-待燃区-前驱激波-未燃区”的2波3区结构;主动抑爆方式下七氟丙烷抑爆效果良好,最大超压峰值降低幅度可达90%,火焰传播被及时阻断。     

瓦斯爆炸在角联通风管网中的传播特性研究*

为研究真实通风工况下瓦斯爆炸冲击波在复杂管网内的超压演化规律及高温传播规律,采用数值模拟方法,研究角联通风管网模型中各个监测点在不同通风条件下对瓦斯爆炸冲击波超压及高温的影响规律,研究结果表明:瓦斯爆炸冲击波在角联管网传播过程中产生3个局部高压区域,高温气体主要在左、右通路内传播,斜角联分支内只受到微弱影响;管网入口风流的存在,使得爆炸初期冲击波超压经相同距离传播用时更短,峰值更大,破坏力更强;风流的存在使得管网内高温气体传播状态发生改变,斜角联分支与左通路尾部热量发生积聚,温度峰值更大。     

管道结构对氢/空预混气体爆炸特性影响研究*

为研究管道结构对氢-空预混气体爆炸特性影响,采用实验与数值模拟相结合的方法,分析不同管道结构内氢-空预混气体燃爆时火焰传播进程、爆炸压力、湍流动能变化及流场分布。结果表明:90°弯管对氢-空预混气体爆炸强度增强作用明显高于T型分岔管和直管。火焰阵面在结构突变处褶皱变形较明显,并出现大尺度强湍流和涡团,气团脉动速度与湍流燃烧速率不断增大,氢-空预混气体质量扩散速率与热量扩散速率增大,湍流动能呈迅速上升趋势。     

点火位置对污水管网可燃气体爆燃特性影响模拟研究

针对典型市政污水管网内可燃气体爆燃过程,采用流体动力学软件Fluidyn,建立了由顶端封闭、深度为4 m的竖直检查井和两端开口、长度各为20 m的水平井构成的管网模型,研究了不同点火位置（检查井上部、中部和下部）对甲烷爆燃特性的影响。研究结果表明:不同位置点火时,管网内测点压力时程呈现出亥姆霍兹振荡,各压力峰值曲线具有明显的分段性,且相同测点的数值接近;爆炸温度在点火位置附近出现最大值,其中上部点火时数值最大,中部点火时居中,下部点火时最小,但在水平井内温度峰值近似呈线性衰减并在端口出现最小值;与下部点火相比,上部和中部点火时,检查井和水平井连接处扩容效应造成火焰传播速度衰减显著,但在水平井内均近似呈线性增大并在端口出现最大值。     

Explosions of gasoline–air mixture in the tunnels containing branch configuration

In order to investigate the effects of branch tunnels on explosion propagation, experiments were performed in five different configuration tunnels (straight configuration and configurations with 1 branch, 2 branches, 3 branches and 4 branches). Pressure and flame transducers were used to record the history of the pressure development and track the velocity of the flame front. It was shown that the branch tunnels had ability to enhance the maximum overpressure, rate of overpressure rise, and deflagration index (K_G) of the gasoline–air mixture explosion due to the turbulence induced by the branch tunnels. The overpressure rise rate and K_G of the explosion increased as a function of the number of branch tunnels. Experiments also showed that the maximum flame speed increased as the branch number increasing from 0 to 3 due to the enlargement of turbulence induced by the branch tunnels. However, an increase of branch number did not always lead to an enhancement of flame speed because the heat loss was intensified resulting from the increase of flame surface caused by the branch tunnels. When the number of branch tunnels exceeded 3, the maximum flame speed dropped.