空腔及其耦合水袋抑制瓦斯爆炸实验研究

为探索一种新型瓦斯抑爆技术,设计宽径比分别为1.5,2.5,4的矩形空腔体,并基于自行搭建的长36 m,管径为200 mm的大型瓦斯爆炸实验系统,通过在管网中铺设不同宽径比空腔体结构开展抑爆实验。此外依托支护简单的宽径比为2.5的空腔体,在腔体内填充不同质量水袋开展实验,以期进一步提高空腔体抑爆性能。结果表明:对于长径比为2.5、高径比为1的空腔体在实验宽径比范围内均能在一定程度上抑制瓦斯爆炸强度;随着腔体宽径比的增加,截面面积变化率增大,火焰及冲击波超压峰值衰减幅度越大,抑爆效果越佳;空腔耦合抑爆剂水能提高腔体的抑爆效果,在实验范围内较纯空腔可使火焰抑制率最大提高70%,超压峰值抑制率最大提高263%。     

甲烷体积分数及巷道结构对甲烷爆炸特性影响研究

为明确甲烷体积分数及巷道结构对甲烷-空气爆炸特性的影响机制,采用Fluent软件建立3种不同结构的巷道模型,对甲烷体积分数分别为6%、9.5%和13%条件下的巷道甲烷爆炸过程进行数值计算,分析爆炸压力和温度的变化特性以及火焰的传播特性。结果表明:当甲烷的体积分数为9.5%时,直巷道中冲击波峰值压力及爆炸温度最高;随着测试距离的增加,冲击波峰值压力不断降低,并且符合指数衰减特征;不同巷道结构甲烷爆炸后压力峰值的差异主要出现在弯道处,其冲击波峰值压力大小为90°巷道直巷道分叉巷道;分叉巷道中经过拐角后的冲击波峰值压力明显下降,对冲击波阻碍作用显著;此外,当冲击波进入弯道并沿壁面传播时,受压缩波、稀疏波及反射波等多波系共同影响,火焰沿壁面传播特性发生改变。     

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。     

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。     

含瓦斯腔体及内置ABC干粉对瓦斯爆炸影响研究

为探索一种瓦斯泄漏至硐室结构后发生爆炸的抑制方法,自行搭建管径为200 mm、总长为17 500 mm并含500 mm×500 mm×200 mm(长×宽×高)腔体的大型圆管爆炸试验系统,测试该尺寸腔体内含瓦斯和其内置ABC干粉的抑爆效果;利用数值模拟方法,分析上述尺寸腔体内含瓦斯时的爆炸传播特征。结果表明:无瓦斯腔体结构对瓦斯爆炸有较好抑制效果,而含瓦斯腔体结构则相反,其腔体后较腔体前爆炸火焰及冲击波峰值超压分别增大1. 68倍和1. 45倍;含瓦斯腔体结构内置ABC干粉量分别为400和300 g时,腔体后较腔体前的爆炸火焰大小及冲击波峰值超压由增加变为减小,当内置ABC干粉量为600 g时,火焰及冲击波抑制率较无内置ABC干粉时抑制率分别提高108. 4%和77. 46%。     

滑移多孔介质下甲烷爆炸特性研究

为探究降低可燃气体燃爆危害及后果的技术及方法,本文基于多孔介质的淬火降压特性,开展当量比为1时9.5%甲烷/空气预混气体在滑移多孔介质初始位置70cm下的爆炸特性实验,通过与无装置实验结论对比,结果表明：滑移装置能够延缓“郁金香形”火焰的出现时间,降低火焰最大传播速度,衰减爆炸产生的冲击波和压力,对最大火焰传播速度的衰减可达13.24%,对管内上游峰值超压的最大衰减比例为17.87%,对下游峰值超压的最大衰减比例为24.74%,本实验结果可为火焰二次加速阶段的抑制奠定一定基础。     

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。     

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。     

不同曲率弯曲巷道爆炸冲击波传播特性数值模拟研究

为研究爆炸冲击波在不同曲率弯曲巷道内的传播规律,采用数值模拟手段建立了不同曲率弯曲巷道爆炸模型,分析了爆炸冲击波在巷道内的传播特性及其变化规律, 并结合冲击波超压对人体的伤害程度分类,研究了不同曲率弯曲巷道内爆炸破坏效应分区。模拟结果表明,弯曲角度改变了巷道内冲击波超压分布,随着巷道弯曲角度的不断增大,壁面反射对冲击波超压峰值分布起主要作用,随着传播距离的增加,冲击波超压峰值衰减显著,体现了超压峰值变化的距离效应。此外,巷道弯曲角度的增加整体减小了爆炸损伤严重程度。研究结果可实现对不同曲率弯曲巷道内冲击波超压分布的预测,并为巷道内爆炸事故预防及应急救援提供借鉴。     

置障条件下含氢瓦斯爆炸特性试验

为了获得置障条件下含氢瓦斯爆炸特性,通过试验研究了50 mm×50 mm×250 mm透明管道内连续障碍物条件下氢气体积分数对瓦斯爆炸火焰锋面位置、火焰传播速度、超压及最大超压上升速率的影响规律。结果表明,与氢气体积分数为0时相比,当氢气体积分数分别为1. 5%、3. 5%和6. 5%时,火焰锋面到达出口所用时间分别缩短了3. 3 ms、6. 7 ms和8. 3 ms,最大超压分别增大了10. 5%、62. 8%和109. 2%,最大超压到达时间分别缩短了18. 7%、31. 3%和41. 3%,最大超压上升速率大致呈线性增长趋势。此外,当氢气体积分数增加时,其爆炸超压主要频率对应的分量随之增大,爆炸产生超压振荡的周期性增强,其频率主要分布于200～400 Hz,这种高频超压振荡现象可能与含氢瓦斯爆炸产生较大水蒸气分压进而引起的燃烧诱导快速相变有关。     

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。     

水雾喷洒时间对滑移装置下甲烷爆炸特性影响

为提升滑移装置抑爆效果，在方形管中通入体积分数为9.5%甲烷/空气预混气体，分析细水雾协同不同弹性系数滑移装置作用下，水雾起始喷洒时间对预混气体爆炸特性影响。结果表明：先喷、指尖喷出现坡形火焰二次加速火焰传播，爆炸反应加剧，水雾不同程度充当障碍物加速火焰传播和碰壁断链，缩短火焰熄灭时间；后喷细水雾障碍物作用微弱，利用吸热降温作用抑制火焰传播，熄灭耗时相对较长。在爆炸超压方面，0.22 N/mm、0.42 N/mm 2种弹性系数滑移装置协同作用，先喷情形超压峰值增幅分别为9.25%、16.55%,指尖喷情形则高达88.71%、77.37%,促爆效果明显。后喷有一定的抑爆作用，超压峰值降幅分别为7.11%、2.93%。综上，后喷的抑爆效果优于先喷和指尖喷。     

当量比和初压对二甲醚-空气爆炸特性的影响研究

为探究二甲醚-空气爆炸特性,采用高速光学纹影技术和高频动态压力测量技术获取当量比和初压对二甲醚-空气火焰形态和爆炸超压峰值的影响规律.采用刘易斯数、热膨胀比和火焰厚度理论分析了火焰形态,采用燃烧热损失理论分析了爆炸超压峰值.结果表明,高速光学纹影技术和高频动态压力测量技术可清晰、准确地获取二甲醚爆炸火焰形态和爆炸超压峰值.在热扩散不稳定和流体动力学不稳定相互作用下,火焰形态大致可以划分为3类:光滑火焰、裂痕火焰和胞状火焰.当量比Φ=0.8和Φ=1.0时,刘易斯数大于1.0,热扩散不稳定迫使球形膨胀火焰趋于稳定,不同初压下火焰形态相对光滑或表面出现少许裂痕,未观测到胞状火焰;当量比Φ=1.5时,刘易斯数接近于1.0,球形膨胀火焰仅受流体动力学不稳定的影响,初压达到200 kPa时形成胞状火焰.随初压增加,刘易斯数几乎恒定,热膨胀比缓慢增加,火焰厚度迅速减小,即热扩散不稳定对球形膨胀火焰的影响效应不变,流体动力学不稳定对球形膨胀火焰的失稳效应逐渐增强.另外,对于不同当量比和初压,绝热工况二甲醚爆炸超压峰值均高于试验工况.随初压增加,绝热工况和试验工况二甲醚爆炸超压峰值均线性增加,不同当量比下燃烧热损失单调增加.     

狭长管道油气爆炸流场分布特征规律及分析

为研究狭长管道油气爆炸流场分布特征规律,搭建了狭长管道油气爆炸实验系统 ,并在狭长密闭管道中进行了油气爆炸实验。通过采集爆炸超压值和火焰强度值并进行 分析,得到以下结论:随着初始油气体积分数的增大,管道沿线最大爆炸超压值和升压 速率均呈现先增大后减小的趋势,在1.75%时达到最大,并且初始油气体积分数越接近 1.75%,升压速率增大越快;根据管道沿线最大超压分布规律可将初始油气体积分数分 为1.25%~1.55%、1.55%~2.20%、2.20%~2.65%3个部分;管道末端出现二次爆炸现象,爆 炸超压变化曲线可分为点火延迟、一次爆炸、二次爆炸、振荡衰减4个阶段;火焰持续 时间随油气体积分数的增加先下降后上升,油气体积分数为1.75%时火焰持续时间最短 。     

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。     

5种结构障碍物对火焰传播影响的试验研究

为了研究障碍物结构对预混甲烷管道内火焰传播速度和峰值超压的影响,自行设计一套火焰加速系统。在火焰加速管道上安装光电传感器和压力传感器分别测定火焰传播速度和超压,试验中选取5种结构障碍物,即平板、长方体、三棱柱、四棱柱和圆柱,其阻塞比分别为20%,40%和60%3种。研究结果表明:初始阶段障碍物阻碍火焰传播,当火焰越过障碍物后,障碍物能显著加速火焰传播。随着阻塞比增加,相同结构障碍物的火焰传播速度总体上不断增加,而峰值超压先变大后减小。相同阻塞比下,平板、三棱柱对火焰传播速度和超压影响相对较大;长方体居中;圆柱、四棱柱对增加火焰传播速度和超压作用相对较小。较小阻塞比障碍物管道内超压与无障碍物管道中的超压相比显著增加,但此后,管道中超压随阻塞比变化不明显。     

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。     

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.     

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。     

CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性研究

为了解CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸抑制特性,用自行搭建的实验系统,从超压、火焰传播速度和火焰结构3个方面研究了CO2-超细水雾形成的气液两相介质对9.5%瓦斯/煤尘复合体系爆炸的抑爆效果、影响因素与原因。研究结果表明:随着CO2体积分数和超细水雾质量浓度的增加,爆炸火焰最大传播速度、爆炸超压峰值均出现明显下降,火焰到达泄爆口时间显著延迟;尤其当CO2体积分数达到14%与超细水雾的共同抑爆效果凸显,瓦斯/煤尘复合体系爆炸超压的“震荡平台”消失,同时火焰结构呈现“整体孔隙化”。所得结论为煤矿井下高效防爆抑爆技术进行了完善和增强。