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。     

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。     

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 。     

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。     

变截面管道内瓦斯爆炸火焰与压力耦合趋势

为研究变截面管道内瓦斯爆炸火焰传播与压力波的耦合趋势,在内部尺寸(长×宽×高)为50 mm×50 mm×250 mm的管道中进行甲烷体积分数为7.5%、8.5%和9.5%的甲烷/空气爆炸试验,在该管道距点火位置80 mm处有长50 mm的变截面管道,其截面(长×宽)为50 mm×17 mm,分别利用高频压力传感器、高速摄像仪采集爆炸超压及火焰结构的瞬态演变过程。结果表明：火焰穿越变截面通道经历了火焰加速、火焰降速到火焰再加速的过程,且火焰降速时间小于整体时间的1/5;变截面通道会诱导湍流的生成,爆炸火焰通过变截面通道后传播加速的主要原因是湍流对火焰传播速度的增强作用;火焰结构演变与超压的上升、下降趋势及最大超压密切相关,而压力波被壁面反射后使火焰阵面进一步出现褶皱和变形,火焰-湍流-超压之间形成多场耦合效应。     

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。     

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。     

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。     

采用火焰传感器的高速抑爆响应系统测试研究

为实现主动抑制瓦斯爆炸,研制了高速抑爆响应系统。选用尺寸为150mm×150mm×1 600mm的有机玻璃管道,在CH4体积分数为9.5%的条件下进行响应系统测试实验。系统采用火焰传感器进行爆炸火焰探测,通过所设计的程序自主判定瓦斯爆炸的发生并输出控制电信号,以继电器或MOS管为电路控制开关,通过电磁阀控制抑爆剂的喷出。实验结果表明,火焰传感器探测、信号采集、爆炸判断、输出电信号的总平均耗时为22ms,抑爆剂开始释放的平均时刻为59.8ms,抑爆剂释放到管道顶端的平均时刻为79.8ms。而爆炸火焰传播到达喷头所在1.0m处平均时刻为176.2ms。实验表明该系统具有高速主动抑爆响应功能和良好的稳定性、可靠性。     

瓦斯浓度对爆炸波振荡特征的影响研究

为研究瓦斯浓度对封闭型管道内爆炸波振荡特征的影响,用数值模拟方法分析超压波形振荡特征、超压沿管道的变化和浓度对振荡周期的影响。研究结果表明:随着瓦斯体积分数的增加,超压峰值和振幅先增大后减小,体积分数在9.5%时,具有最高的爆炸超压和最强的振荡特性。瓦斯体积分数在接近爆炸上下限时均出现多重爆炸波的振荡叠加现象,爆炸超压最大值既能发生在反射端,也能发生在爆炸波的对冲叠加点。随着瓦斯体积分数的增加,振荡周期先变短后变长,在体积分数为9.5%时具有最短的周期;振荡周期可以用拟合得到的关于浓度的多项式来计算。     

爆炸冲击波及高温耦合引起瓦斯二次爆炸特性研究

在煤矿安全事故中,破坏程度最严重的事故之一就是瓦斯爆炸,而瓦斯爆炸冲击波及火焰锋面可能会二次点爆其他位置积聚瓦斯,加速火焰锋面及冲击波传播,并能产生更高的超压,造成更大的人员伤亡及财产损失。借助详细反应机理GRI Mech 3.0,基于开源化学动力学软件Cantera,研究冲击波强度、瓦斯体积分数和冲击波及高温耦合条件下对瓦斯爆炸特性的影响。结果显示,冲击波诱导瓦斯爆炸中,点火延迟时间随着瓦斯体积分数的增大而出现增大现象,随冲击波强度的增大而降低;同时分析了二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮致害物质的浓度随瓦斯体积分数、冲击波强度和冲击波及高温耦合条件下的变化情况。     

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%。     

封闭管道油气爆炸超压及火焰传播特性

对油气在封闭管道内的爆炸特性进行研究，发现爆炸超压发展过程可以分为3个阶段:第1次超压上升阶段、第2次超压上升阶段和超压下降阶段。初始油气浓度对爆炸初始阶段的发展有很大影响，油气浓度为1.73%时发展最激烈；当初始油气浓度较高时，在最大超压峰值附近，会产生压力振荡现象；初始油气浓度对Tulip火焰的形成及发展有较大影响，各种浓度油气的爆炸，都有形成Tulip火焰的趋势；当油气浓度适中时，Tulip火焰会一直传播到管道末端，当油气浓度较高或较低时，火焰锋面会经由鲨鱼嘴形状火焰转变为刀尖形火焰，当初始油气浓度为1.73%时，最容易发展形成Tuilp火焰。     

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。     

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。     

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。     

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。     

长庆油田油气爆炸参数及抑爆试验研究

采用哈特曼爆炸试验装置完成长庆油田典型油气组分爆炸特性参数测试,建立了油气爆炸模拟试验装置,并针对长庆油田油气爆炸研制自动抑爆装置,进行了长庆油田油气爆炸抑爆试验.长庆油田油气爆炸下限体积分数为3.0％,爆炸上限体积分数为14.0％,最大爆炸压力0.671 MPa,最大爆炸压力上升梯度40.625 MPa/s.长庆油田油气点爆后33 ms发展成爆炸,230 ms爆炸火焰向上扩展,624 ms爆炸火焰达到最大状态,920 ms爆炸火焰强度明显减弱,爆炸火焰很快自行熄灭.所研制的自动抑爆装置由紫外传感器、控制器和抑爆器组成.紫外传感器能抗太阳光、一般电源光的干扰;控制器由高能干电池供电,使用方便;自动抑爆装置响应时间小于15 ms,成雾时间小于150 ms.油气抑爆试验表明,自动抑爆装置能在1.5m范围内扑灭油气爆炸火焰.     

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。     

氩气协同超细水雾抑制甲烷爆炸试验研究

为加强超细水雾对甲烷爆炸的抑制效果,搭建小尺寸半封闭甲烷爆炸试验平台,开展氩气协同超细水雾抑制甲烷爆炸试验。通过单因素和曲面优化试验,测试氩气、超细水雾以及两者的协同作用对甲烷爆炸的抑制效果;从火焰特性、最大爆炸超压和平均升压速率3个方面探究氩气和超细水雾协同抑爆的优越性。结果表明:氩气和超细水雾协同抑制甲烷爆炸效果显著;随着氩气体积分数和超细水雾喷雾量的增加,火焰冲出管道的时间逐渐延长,最大爆炸超压和平均升压速率逐渐降低;其中氩气体积分数10%、超细水雾喷雾量4.2 m L的工况抑制效果最佳;甲烷最大爆炸超压较氩气和超细水雾单独作用下分别下降6.15和2.68 k Pa,说明氩气和超细水雾抑止甲烷爆炸具有协同效应。