煤矿瓦斯爆炸阻隔爆技术现状及展望

煤矿主要采用隔爆水棚或岩粉棚来抑制瓦斯爆炸火焰传播,但此类技术仅针对一次性瓦斯爆炸,而缺乏对多次及连续瓦斯爆炸的有效阻隔爆手段。仅注重对燃烧波的淬熄作用,对造成很大破坏的冲击波的衰减效果不足。多孔介质的淬熄火焰和衰减冲击波的效能已得到国内外专家的重视,实验研究了多层丝网和多孔材料如泡沫铝和泡沫陶瓷的阻隔爆效果。泡沫陶瓷作为一种多孔介质,具有开孔率大、耐高温、抗冲击力强的优点。理论分析和实验研究表明,由于壁面的多次撞击效应,多孔介质可以有效地销毁瓦斯燃烧化学反应产生的自由基数量,抑制化学反应的放热,使化学反应不能自持进行,进而淬熄燃烧火焰传播;可以大幅衰减瓦斯爆炸的冲击波强度,起到同时淬熄燃烧火焰和衰减冲击波的作用。多孔介质有望成为煤矿井下一种新型的瓦斯爆炸阻隔爆材料和方法。     

水下爆破振动及冲击波传播规律数值模拟分析

为了分析研究介质水深度的变化对水下爆破振动波和爆炸冲击波传播衰减规律的影响，采用LS-DYNA软件对不同水深条件下的水下爆破炸礁过程进行了数值模拟分析，通过在数值分析模型中的不同节点位置设置的监测点，得出了在不同水深条件下的爆破振动及冲击波检测数据，结合非线性回归分析方法，得出了可以表征水下爆破振动速度及冲击波强度传播衰减规律的数学模型。经现场测试数据验证，爆破振动速度预测模型的精度为91.75%，冲击波强度的预测精度为87.94%，为水下爆破有害效应的控制提供了依据。     

内凹型蜂窝结构在冲击载荷作用下的力学行为及响应特性研究

为减少危险化学品爆炸事故造成的大量应急救援人员伤亡,提升应急救援人员防爆服的防爆能力,有效抵御由爆炸产生的冲击波、破片及高温对人体造成的伤害。研究了具有负泊松比效应的内凹蜂窝结构,通过准静态及激波管冲击实验,对比分析了传统蜂窝结构与内凹蜂窝结构在力学特性、吸能效果与冲击波衰减效率等方面的差异;通过改变内凹蜂窝中结构单元的凹角、尺寸以及构成蜂窝结构的原材料实现对蜂窝结构的优化设计,并对优化后的蜂窝结构吸能特性以及冲击波在结构中的衰减规律进行研究和综合分析。结果表明:内凹蜂窝结构单元的最佳尺寸为3.4 mm,最佳凹角为30°,最佳材料为钛合金。研究成果为寻求同时满足轻质高强、抗冲击和吸能效果要求的结构设计方案提供了理论基础。     

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。     

公共建筑结构内爆炸效应的数值模拟

大型公共建筑结构内的爆炸问题分为4个连续阶段,即炸药的爆轰、冲击波的传播、冲击波与结构壁面的反射、结构壁面在爆炸载荷作用下的动力响应。为研究大型公共建筑结构内爆炸的效应,以爆轰动力学、爆炸力学、结构动力学和爆炸力学计算方法等多个领域的理论知识为基础,选取典型长方体空间为研究对象,采用有限元计算方法,对长方体密闭空间内冲击波传播规律及壁面爆炸载荷分布特性进行了数值模拟。结果表明:在爆炸冲击波距离结构壁面较远时,计算模型中的冲击波衰减规律与无限大气中的相似,可以采用空爆理论计算模型;而在结构壁面处,由于受到反射冲击波的影响,当反射波与入射波叠加后在某些观察点会出现压力急剧升高,甚至压力超过首个峰值的现象;在结构壁面的角域,由于冲击波衰减缓慢,超压作用时间较长,破坏效果也最大。     

大质量熔融铝液遇水爆炸效应评估

为揭示蒸汽爆炸灾害形成机制,建立了大质量熔融铝液遇水自触发爆炸反应模拟装置。根据反应特征和破坏程度,熔融铝液遇水爆炸反应可分为柔和爆炸、剧烈爆炸与猛烈爆炸等3种类型;基于爆炸相似准则,定量化描述了爆炸反应的冲击波破坏效应;热效应则来自冲击波绝热压缩和产物热交换耦合作用;从热力学角度来看,铝液与容器底面夹裹形成过热亚稳态水,可认为是爆炸反应的触发源。     

气体密度和初压对炸药爆炸压力衰减的影响

为研究气体密度和初压对爆炸压力的影响,以球形装药为例,在LS-DYNA中模拟不同气体密度、环境初压和真空度条件的TNT炸药爆炸,分析空气冲击波的形成过程和衰减规律。研究结果表明：在爆炸初期冲击波的波阵面位于爆炸产物边界,产物压力与冲击波压力存在强耦合作用;随着爆炸产物自身压力下降,其膨胀速度减慢,冲击波开始与爆炸产物分离,当产物中心压力下降为环境初压时,冲击波与爆炸产物彻底分离,其后以空气冲击波的形式独立传播。降低气体密度可以通过抑制冲击波形成,大幅降低爆炸压力;减小环境初压则通过加快冲击波的衰减速度,也可以在一定程度上降低爆炸压力。相较于单独改变密度和压力,提高真空度对冲击波压力的减小效果更好;近真空环境下无法形成空气冲击波,爆炸压力衰减速度快。     

埋深对城市地下管道爆炸的影响规律

在特定情况下,城市地下空间废弃管道中会因为油气的泄露等因素形成爆炸环境,利用AUTODYN建立合适的数值模拟模型,围绕管道内部爆炸后对覆盖层的毁伤效应和对地表面空气超压影响展开研究,给埋地管道内部爆炸模拟提供了新的思路。运用建立的模型对不同埋深管道上方覆盖层在爆炸荷载作用下的破坏过程、毁伤规律以及空气中爆炸冲击波的衰减规律进行研究,为建立全面的城市地下管道风险评估指标体系和确定安全防护规范提供了参考。研究结果表明:对于不同埋深管道爆炸,管道上层覆土层的厚度对爆炸后管壁产生的压力影响不大;随着埋深的增加,在空气中形成的伤害破坏范围变小,空气超压衰减符合空气中爆炸后冲击波的衰减规律,埋深每增加0.1m,其空气超压减小4.5%~5.1%左右。     

泡沫镍对甲烷-空气预混气体爆燃超压影响的研究

为了有效抑制气体爆炸时产生的冲击波强度,设计加工了内部截面为110 mm×80 mm,长500 mm的爆炸实验管道,利用高频动态压力传感器,对比研究了泡沫镍在管道内的安放位置对甲烷-空气预混气体爆炸的影响。结果表明:当把泡沫镍铺设在管道中间位置时其对爆炸超压的抑制效果最好,其次是放置在管道的尾部,效果最差的是将多孔材料放置在管道的前部。     

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。     

气体爆轰波在管道中绕射和反射的实验研究

本文实验研究了氢/氧/氩气体爆轰波在矩形管中900尖角绕射时的传播特性,利用烟迹技术记录了实验现象,运用爆轰波波阵面结构理论和激波绕射及反射理论对实验结果作了分析。结果表明平面气体爆轰波在900尖角绕射时由于横波失去碰撞以及稀疏波作用,稳定三波结构在绕射区发生变化,在反射激波作用下形成热点产生子爆炸,重新在垂直分支管中形成稳定爆轰波。     

管道燃气爆炸特性实验研究

管道是化工及油气储运系统的重要组成部分,却时常受燃烧爆炸事故的威胁,因此对管道中燃气燃烧爆炸特性与规律的研究就十分必要。以甲烷作为研究对象,采用压力传感器以及火焰传感器等对水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧爆炸进行了实验研究,通过大量实验来研究可燃气体爆炸压力与火焰及其传播变化规律。根据实验结果将超压以及气体燃烧的变化情况,对前驱冲击波与火焰面的相对时间及相对位置关系进行了分析。结果显示,管道中会产生前驱压力波,并超前火焰阵面甲烷气体在管道传播过程中,出现冲击波反压射、波叠加及反冲现象,压力的持续时间较火焰光信号持续时间长。所做的工作为油气受限空间中燃气燃烧爆炸特性与规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术及工艺的实施、系统设计以及关键参数计算提供了理论依据。     

基于层层自组装技术制备的吸油型聚氨酯泡沫材料及其性能研究

利用高效吸油材料处理溢油事故是一种简单有效的方法。针对现有吸油材料吸油效率较低、制备方式复杂的问题,采用层层自组装技术,将钠基蒙脱土填充的涂层构筑于软质聚氨酯泡沫表面,经过后续疏水改性处理,制备了具有超疏水超亲油表面的聚氨酯泡沫材料。材料测试结果表明:组装4层涂层改性的聚氨酯泡沫水接触角达到135°,对不同种类油品的吸油重量能达到自身重量的30~60倍;油水混合物中的吸油效果也显示其能有效处理水面、水下油污。宏观燃烧实验测试结果表明制备的改性聚氨酯泡沫具有良好的阻燃性能。采用上述简单易行的制备技术制得的吸油材料,可成功应用于油水分离,具有良好的应用前景。     

城市燃气管道泄漏爆炸事故三维风险数值模拟

城市燃气管道在发生泄漏导致火灾爆炸事故时,在空间某点形成的风险,不仅与泄漏量、泄漏时间有关,还与空间有无障碍物、泄漏环境等因素有关。基于物理场经典的场理论,定义城市燃气管道泄漏爆炸事故的风险场,推导出多个危险源在空间某点形成的风险强度公式。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件模拟有无障碍物时爆炸事故形成的风险在空间传播规律。结果表明,障碍物对空气超压峰值的影响具有距离效应。在障碍物近区,空气冲击波经反射叠加作用造成超压峰值急剧升高;在障碍物远区,空气冲击波经障碍物反射后由于随距离衰减过快,对超压峰值影响微弱,甚至没有影响。同时对有障碍物存在时进行爆炸破坏效应模拟,得到爆炸破坏效应的5个分区,界定了爆炸破坏对人身伤害程度范围。首次提出了城市燃气管道泄漏爆炸事故风险场的概念,并运用风险场理论研究了空间某点多个危险源同时存在时的风险传播问题。     

铸造工艺中蒸汽爆炸事故形成机制分析北大核心CSCD

为了揭示金属铸造工艺中蒸汽爆炸事故形成原因,建立了大质量熔融铝液遇水自触发爆炸反应模拟装置,研究了铝液-水爆炸体系的温度变化特征和冲击波传播规律,并对产物进行回收分析。结果表明:爆炸反应的触发与铝-水的相对质量比、水温等因素相关;爆炸越剧烈,产物粒径越小;爆炸场的最高温度为520 K,且冲击波超压衰减较快;现有条件下铝液碎化放热形成过热亚稳态水,短时间内快速汽化是爆炸事故发生的主要原因。     

铸造工艺中蒸汽爆炸事故形成机制分析

为了揭示金属铸造工艺中蒸汽爆炸事故形成原因,建立了大质量熔融铝液遇水自触发爆炸反应模拟装置,研究了铝液-水爆炸体系的温度变化特征和冲击波传播规律,并对产物进行回收分析。结果表明:爆炸反应的触发与铝-水的相对质量比、水温等因素相关;爆炸越剧烈,产物粒径越小;爆炸场的最高温度为520 K,且冲击波超压衰减较快;现有条件下铝液碎化放热形成过热亚稳态水,短时间内快速汽化是爆炸事故发生的主要原因。     

爆炸冲击波防护效应的评价方法研究

以被防护对象在爆炸冲击波作用下的最低毁伤状态作为考虑防护设施在爆炸冲击波作用下防护能力的基础,基于等效靶板的试验方法及试验数据,建立了以冲击波超压-冲量为防护判据的爆炸冲击波防护效应的评价方法。利用该评价方法进行了某云爆装置的爆炸试验,对其威力进行了评价。结果表明了爆炸冲击波防护效应评价方法的可行性与实用性。     

瓦斯爆炸极弱冲击波反射压力计算方法研究

为确定瓦斯爆炸极弱冲击波在固壁反射后峰值压力的变化特征,用爆炸力学理论分析和实验测试方法研究了反射压力与环流压力在冲击波马赫数不远大于1时的变化规律。理论推导给出了反射压力的一般计算方法;借助实验测定了爆炸冲击波在巷道一般空气区传播时不同位置固壁反射压力与环流压力的换算关系,即反射压力大约为环流压力的2倍。爆炸实验结果表明,冲击波固壁反射后,反射超压瞬间急剧增加,极弱冲击波正向作用于相对垂直固定的物体上时,产生的伤害和破坏效应远远大于水平方向上的物体;理论计算值与实验值基本吻合,验证了反射超压是加重井下设备破坏和人员严重伤害的重要因素说法。     

内置变径障碍物组管道内爆轰波传播规律的研究

为了研究爆轰波与变径障碍物组的相互作用规律,基于化学反应Euler控制方程组,结合高精度加权本质无振荡WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)空间离散格式和高精度ILW(Inverse Lax-Wendroff)固壁边界处理技术,研发了爆炸动力学的一致高精度仿真程序,并对爆轰波在内置圆柱障碍物组管道中的传播规律进行了研究,获得了爆轰流场内部反射以及绕射等作用下产生的清晰的复杂波系结构。研究结果表明:圆柱障碍物组半径的变化对绕射区45°方向上障碍物壁面上的最大压力影响较小;障碍物组半径不变的情况下获得的对称轴线上最大压力的最大峰值最大。     

泡沫铝填充结构救生舱多目标优化设计

为提高救生舱的安全性,设计了1种泡沫铝填充结构救生舱。利用Workbench对原型救生舱进行静力分析,以泡沫铝填充结构救生舱的内外板厚、泡沫铝厚、纵向和横向加强筋宽为设计变量,以原型救生舱的最大应力、最大位移以及模型质量为约束条件,以泡沫铝填充结构救生舱的静态最大应力、最大位移及质量为目标函数,分析各设计变量对目标函数的灵敏度并进行多目标优化设计;并利用数值仿真方法研究优化后的泡沫铝填充结构救生舱的抗爆炸冲击性能。结果表明:与传统救生舱相比,优化后的泡沫铝填充结构救生舱可以显著提高救生舱的静力及抗爆炸冲击能力,进而提高其安全性能。