管道内置障条件下瓦斯爆炸传播规律的综述及展望

对矿井瓦斯爆炸传播机理进行了分析,同时对不同障碍物数量、形状、阻塞率、位置、间距、结构条件下管道内瓦斯爆炸传播规律的研究现状进行综合评述,得出一些结论:障碍物的存在对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度具有显著的激励作用;不同的障碍物环境对瓦斯爆炸传播激励效应的影响程度是不同的;并提出了目前该研究存在的问题和未来发展方向。     

障碍物与管道壁面间距比对瓦斯爆炸传播特性的影响

运用自建瓦斯爆炸实验平台,对障碍物与管道壁面间距比变化下的瓦斯爆炸特性进行实验研究。结果表明:随着障碍物与管道壁面间距比的增加,预混气体的爆炸压力和平均火焰传播速度都有一定程度的增大,其中当障碍物与管道两侧壁面间距比相同时,对爆炸火焰传播特性的影响最大;相比于其他阻塞率的障碍物,间距比的改变对阻塞率50%的障碍物爆炸压力增幅比最大,对比间距比为0时的爆燃压力,间距比为0.25和0.5时的爆燃压力分别增加了55.6%,101.8%。研究结果可为工业和井下设备的设计、安装提供实验依据,具有一定的理论和现实指导意义。     

障碍物对火焰传播过程影响数值模拟

采用CFD软件AutoReaGas建立典型的物理模型及数值模型来研究管道内障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响规律。结果表明,障碍物间距、阻塞率的改变会对爆炸场内的火焰传播速率产生巨大影响。障碍物间距的改变对火焰传播速率的影响是一个先增大后减小的过程;低阻塞率下,火焰传播速度较低。但随着阻塞率的增大可燃气体爆炸火焰传播速度得到明显的增大。为障碍物对可燃气体爆炸传播规律的影响的进一步研究提供了理论依据。     

条形障碍物对瓦斯爆炸特性影响研究

我国煤矿瓦斯爆炸事故不断出现,造成了巨大的人员伤亡和经济损失,在置障条件下研究瓦斯爆炸特性,对预防和减少瓦斯爆炸事故具有重要意义。利用水平管道式爆炸试验装置,研究密闭管道内条形障碍物的数量和阻塞率对管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数的影响以及敞口状态的影响。研究表明:障碍物对瓦斯爆炸具有显著激励作用,管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著增大,随着障碍物数量和阻塞率的增加,激励作用越明显;敞口状态下管道内最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著减小,火焰持续传播。研究结果对防治煤矿瓦斯爆炸事故提供一定的理论支持。     

障碍物对瓦斯煤尘爆炸火焰传播规律的影响

为了进一步探究瓦斯煤尘耦合爆炸火焰的传播规律,用自行搭建的半封闭垂直管道爆炸试验系统,研究障碍物对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响。研究结果表明:障碍物能显著提高瓦斯煤尘爆炸火焰的传播速度,其加速机理主要是障碍物诱导的湍流区会促进火焰的传播;火焰在传播过程中的加速度不是一直增加,随着火焰速度的增加会出现上下波动;煤尘的加入会使瓦斯爆炸产生的火焰传播速度显著增大及速度的最大值距离点火端较远;通过障碍物时爆炸产生的火焰形状发生较大的改变,出现拉伸和褶皱现象。     

水平管道内障碍物数量对瓦斯爆炸过程的影响研究

为了研究水平管道内障碍物数量对瓦斯爆炸的影响,利用自制的水平管道式气体爆炸试验装置,选用阻塞率为60%的圆环型障碍物,在常温常压下对管道内障碍物数量分别为1片、3片、5片和7片时瓦斯(试验气体为甲烷与空气的混合物,下同)爆炸过程进行试验研究。结果表明:瓦斯的爆炸压力及其上升速率均随障碍物数量的增加呈先增后减的变化规律,而火焰传播速度则随着障碍物数量的增加单调递增,但递增幅度逐渐减小。在密闭置障管道内瓦斯的爆炸压力及其上升速率随测试位置长径比的增大先减小后增大,而火焰传播速度则随测试位置长径比的增大单调递减。     

复杂多孔结构对丙烷爆炸的影响

为了揭示复杂多孔障碍物对丙烷/空气爆炸动力学参数的影响，采用小尺寸爆炸管道，运用高速摄像技术和数据采集手段，分析不同试验条件下火焰穿越复杂多孔障碍物前后的形态及管内压力变化。结果表明：受复杂多孔障碍物的影响，爆炸火焰穿过障碍物时，会触发Richtmyer Meshkov不稳定性，火焰失稳，形态复杂；随着障碍物阻塞率的增加，爆炸火焰到达障碍物所在位置的时间减小；复杂多孔障碍物对爆炸火焰有明显的激励作用，火焰传播速度随障碍物阻塞率的增加而增加；在所有试验中，火焰传播速度均在0.4～0.5 m的管段攀升至最大；障碍物阻塞率增加，管道出口端的最大爆炸压力增加，达到最大爆炸压力所需的时间增加，爆燃指数随障碍物上圆孔的间距增加而增加。     

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。     

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。     

障碍物布置对气体爆炸压力场的影响效果研究

为研究可燃气体爆炸压力场受障碍物布置的影响情况,运用流体动力学软件AutoReaGas建立不同阻塞程度和不同结构（平面、立体）的障碍物爆炸模型,模拟分析不同布置情况对气体爆炸压力场的影响程度和规律。研究表明:改变障碍物的阻塞程度和结构（平面、立体）都会影响可燃气体的爆炸超压峰值。同种障碍物结构下,随着阻塞率的增加,气体爆炸压力的增加程度在一定范围内呈现出先增大后减小的变化情况;相同阻塞率下,立体障碍物对爆炸压力场产生的影响明显大于平面障碍物。研究立体障碍物与平面障碍物对加速燃烧的影响情况旨在为工业生产过程中的实际应用提供理论依据和基础,为防控气体爆炸灾害提供一定参考借鉴作用。     

Effects of multiple annular obstacles on flame propagation of local corn starch dust in a vertical pipe

With high-speed camera technology, the propagation behavior of explosion flame for the local dust cloud of corn starch in a semi-open vertical pipe under the action of the annular obstacle was studied experimentally, and the blockage rate and the annular obstacle numbers as well as impact of dust cloud concentration on the flame propagation were investigated. The researches showed that both the blockage rate and the annular obstacle numbers have significant effects on the flame speed and propagation process for the dust cloud explosion of corn starch. The increase of the blockage rate of such annular obstacles will cause that the combustion of dust cloud with high concentration is mainly concentrated in the lower part of the pipe. The increase of the annular obstacle numbers will lead to the acceleration of combustion of the dust cloud. With the increase of the blockage rate and the annular obstacle numbers, the maximum flame speed shows a trend of the first increasing and then decreasing, and the phenomenon of accelerated propagation of the flame becomes more and more obvious, however, the distance of continuous acceleration for the flame is gradually decreased and the maximum flame speed is farther from the outlet of the pipe. Under the action of such annular obstacles, the concentration of dust cloud has a significant effect on the flame speed and shape of the dust cloud of the corn starch. The increase of the concentration of the dust cloud will decrease the acceleration effect of such annular obstacles to result in maximum flame speed showing a trend of the first increasing and then decreasing. However, the acceleration distance of the flame is longer, and the maximum flame speed is closer to the outlet of the pipe. The increasing concentration will make the flame speed develop more slowly, the flame color will be darker, and the flame segmentation phenomenon will be more obvious.     

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。     

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。     

缝洞型管道瓦斯爆炸特性数值模拟研究

为探究采空区遗煤、松散破碎岩块对瓦斯爆炸的影响，建立缝洞型管道模型，采用数值模拟与理论分析结合方法研究采空区内缝洞型管道内瓦斯爆炸的传播规律及管道长径比对瓦斯爆炸过程中速度与冲击波的影响。研究结果表明:在缝洞型结构内，随着火焰沿管道向前传播，各监测点速度逐渐变大、压力先增加后降低，而压力上升速率则表现出不规则的变化；缝洞结构加剧了火焰燃烧的剧烈程度，提高了管道内各监测点的温度峰值；在缝洞型管道内随长径比r增加，各监测点最大压力峰值以及速度大小依次降低。     

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。     

有障碍物半开口管道内氢气燃烧数值模拟研究

基于有障碍物氢气燃烧实验装置进行数值模拟研究,采用Fluent软件分析了半开口管道内障碍物对氢气/空气燃烧特性的影响。结果表明:障碍物会促进实验管段内氢气火焰加速,随着障碍物阻塞率和数量的增加,火焰加速更快且燃烧压力峰值更大;在相同阻塞率下,障碍物形状对氢气火焰速度和燃烧压力峰值的影响很小;燃烧压力随障碍物间距的增大先增大后减小,障碍物间距为3倍管道内径时产生的燃烧压力峰值最大。