瓦斯体积分数梯度分布及柔性置障耦合作用下爆炸灾变范围研究

为探究柔性置障与瓦斯体积分数分布状态对瓦斯爆炸传播特性的影响,以瓦斯爆炸事故灾变范围变化为主要研究内容,从冲击波、高温火焰等主要因素展开分析.在试验的基础上采取数值模拟方法,研究了不同体积分数分布和置障耦合作用下瓦斯爆炸传播过程中压力、火焰、温度的变化特征.物理模型是截面为0.20 m x 0.20 m的水平矩形管道并加入薄膜隔段,设计9.5％-0 CH4、9.5％-3.5％CH4、9.5％-6.5％CH4、9.5％-9.5％CH4 4种工况.结果表明,隔膜障碍物使甲烷气体从高浓度到低浓度的条件下爆炸压力骤升,最大爆炸超压在隔膜后达到1.074 MPa,部分区域温度高达3 000 K.体积分数梯度差诱导瓦斯充分燃烧,反应速率升高,强化了柔性障碍物形成的激励作用,且有助于爆炸压力与火焰速度的提高,使瓦斯爆炸的受灾范围进一步扩大.甲烷体积分数在6.5％以下工况时在距爆源65 m附近的压力可达0.175 MPa,9.5％的工况时在距爆源100 m处的压力仍保持在0.3 MPa,超高压力和温度需要长距离才能下降至常压常温,促使灾变范围增大.研究揭示了在体积分数梯度分布条件下,瓦斯爆炸事故中柔性障碍物的激励效应导致灾变范围扩大的物理机制,对事故调查中确定爆炸冲击波的波及范围和事故应急救援重点区域、提高救灾方案可靠性具有理论和实际意义.     

基于HLLC算法的连通器瓦斯爆炸模拟研究

为研究连通器瓦斯爆炸的瞬态流场并精确捕捉冲击波,采用基于详细化学反应的建表方法(TDC),在OpenFOAM平台上开发基于HLLC算法的瓦斯爆炸求解器,对1 m3密闭釜-管道系统内的瓦斯(甲烷)-空气预混气体爆炸模拟分析,通过瓦斯爆炸试验对模拟结果进行验证,在此基础上分析连通器瓦斯爆炸火焰及冲击波传播特性。结果表明:瓦斯爆炸火焰经过管道时加速,以射流形式喷入传爆釜,传爆釜冲击波的反射波与射流火焰耦合诱导二次爆炸,冲击波强度二次急剧上升;传爆釜中冲击波强度随管道长度增加而增大,管道长4 m时,火焰传播持续加速,而管道长6和10 m时,火焰传播速度先增高后降低。     

大直径瓦斯管道泄爆门泄爆特性试验研究

为研究泄爆门对瓦斯爆炸特性参数的影响,自制大直径瓦斯管道爆炸试验系统,在有无泄爆门2种工况下进行瓦斯爆炸试验;通过高速数据采集模块及工控机采集瓦斯爆炸特性参数,分析其变化特征和泄爆效果。结果表明:瓦斯质量分数为9. 5%时泄爆门工况下的最大压力是空管工况的1. 65倍,压力达到稳定状态的时间有所缩减;爆炸冲击波从测点1传播到测点3时,泄爆门工况下爆炸压力衰减率为62. 5%,空管工况仅为14. 3%,泄爆门显著衰减了爆炸压力;火焰温度的衰减与泄爆门无关; 2种工况下火焰传播速度的最大平均值分别为136. 67和113. 56 m/s。     

瓦斯爆炸传播过程中障碍物激励效应的数值模拟

笔者对瓦斯爆炸传播过程中的障碍物的激励效应的物理机制进行了分析 ,并构建了相应的物理模型 ,设计了 3种情况下 ,对冲击波经过障碍物附近时的变化特征进行了数值模拟。结论表明 ,非燃烧区的障碍物同样存在激励效应 ,激励效应取决于瓦斯爆炸冲击波的初始强度 ,即爆轰状态激励效应最为强烈。     

甲烷爆炸传播过程膜状障碍物的激励效应研究

针对管状空间内膜状障碍物对甲烷爆炸传播的激励效应现象,基于机理分析进行了数值模拟和实验研究,计算分析薄膜附近爆炸冲击波压力峰值大小与火焰速度变化,同时运用激波管道进行相同工况条件下的实验,并对两者结果对比分析,发现有无膜状障碍物的压力峰值相差6倍以上。研究表明,膜状障碍物的激励效应是破膜以后形成的带压燃烧,提高了燃烧速率,导致甲烷爆炸的火焰传播速度剧增。实验结果一定意义诠释了同样数量的甲烷气体爆炸在不同环境内后果上的巨大差异,研究结果对矿井瓦斯爆炸事故调查及防治具有指导意义。     

障碍物对瓦斯爆炸冲击波影响研究

为研究障碍物对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响,利用水平管道式气体——粉尘爆炸实验装置,测试并分析障碍物数量、尺寸和壁面粗糙程度对瓦斯爆炸冲击波超压、冲击波传播规律的影响。结果表明:障碍物对瓦斯爆炸过程中冲击波传播规律具有重要影响。障碍物存在时,改变了爆炸冲击波的传播规律,提高了冲击波超压的最大峰值压力,且随着障碍物数量和尺寸的增加,这种激励作用越明显。随着壁面粗糙程度的增大,瓦斯爆炸冲击波超压明显增大。研究结果对井下巷道瓦斯爆炸冲击波的防治具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

管道内瓦斯爆炸温度与压力峰值试验研究

为分析瓦斯爆炸的火焰温度及压力峰值在管道中的传播规律,采用瓦斯管网爆炸测试系统进行试验,通过爆炸压力和爆炸火焰温度采集系统采集数据。在相同点火能量和点火位置的条件下,分析了体积分数对瓦斯爆炸的温度峰值和压力峰值的影响,及温度峰值和压力峰值随管道距离的变化规律。结果表明:当瓦斯体积分数低于9.5%时,温度峰值和压力峰值随瓦斯体积分数增大而增大;同一体积分数下,温度峰值最大值出现在最接近爆源的位置,并呈逐渐下降的趋势,接近爆源的温度峰值下降较明显,随管道延长,温度峰值的下降减慢且趋于平缓;温度峰值与传播距离近似呈三次函数关系;冲击波压力峰值随管道传播呈先上升后下降再上升的波动性变化。     

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。     

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。     

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。     

Pressure characteristics and dynamic response of coal mine refuge chamber with underground gas explosion

Coal mine refuge chambers are new devices for coal mine safety which can provide basic survival conditions after gas explosion. In order to simulate the propagation of underground methane/air mixture blast wave, and check structural safety of coal mine mobile refuge chamber, an underground tunnel model and a refuge chamber model have been established based on explicit nonlinear dynamic ANSYS/LS-DYNA 970 program. Results show that the reflected wave pressure on the impact surface was about two times higher than that on the incident one. The relationship between the pressure fields of the chamber was analyzed. The maximum pressure of gas explosion reached about 0.71 MPa, and the pulse width was 360 ms. The maximum absolute displacement and stress occurs at the main door center and the connection of stiffeners and the front plate, respectively. The entire coal mine mobile refuge chamber was in elastic state and its strength and stiffness meet the safety requirements. The cabin door, the front plate and the connecting flange at cabin back as well as the stiffeners on each side were the most critical components. Suggestions were put forward for the refuge chamber.     

高海拔矿井掘进巷道瓦斯爆炸火焰传播规律数值模拟*

为研究高海拔矿井瓦斯爆炸火焰传播规律,运用数值模拟方法,建立矿井掘进巷道瓦斯气体爆炸数学及物理模型,并对海拔高度为0,1 000,2 000,3 000,4 000 m时的爆炸火焰传播速度、温度和冲击波压力进行研究。结果表明:瓦斯浓度和聚集体积量一定的掘进巷道发生瓦斯爆炸时,随着海拔高度的升高,火焰传播速度增大,且海拔每升高1 000 m,瓦斯气体聚集区和非聚集区的平均火焰传播速度分别增大4.7%和1.9%,掘进巷道内同一位置受到的瓦斯爆炸火焰最高冲击波压力随着海拔高度增加而显著降低,且呈二次函数关系,达到最大冲击波压力和最高火焰温度的时间缩短,最高爆炸火焰温度受海拔高度的影响较小。     

水雾抑制气体爆炸火焰传播的实验研究

利用自行设计的全程透明的火焰加速管系统和细水雾实验系统 ,对不同水雾条件下的气体火焰传播现象进行了实验研究。运用光电传感器与CCD摄像技术 ,笔者分析了不同水雾条件下的甲烷预混气体火焰传播速度、传播火焰阵面轨迹 ;探讨了水雾抑制气体火焰传播的机理及条件。实验发现了在一定条件水雾作用下的气体传播火焰阵面拉伸与火焰驻留的现象与条件 ,实验结果表明 :水雾对气体爆炸火焰传播的抑制是由于水雾作用于火焰阵面反应区 ,降低了反应区内火焰温度和气体燃烧速度 ,减缓了火焰阵面传热与传质的进行 ,从而使传播火焰得以抑制 ;而水雾对气体爆炸火焰传播的抑制效果与水雾通量、雾区浓度、水雾区长度以及火焰到达水雾区的火焰传播速度有关     

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。     

Coupling effects of foam ceramics on the flame and shock wave of gas explosion

The coupling of gas explosion flame and shock wave is analyzed. In the gas explosion process, shock wave is affected by the flame directly, and shock wave also induces the flame. Inhibiting explosion can be achieved by the interference between the flame and shock wave propagation. If the coupling effects can be damaged, the adverse effects caused by the explosion should be mitigated and controlled. According to the structure characteristics of foam ceramics, the coupling effects mechanism of ceramic foam on gas explosion flame and shock wave is researched. When the explosion goes through the structure of foam ceramics, the flame can be quenched and the shock wave be attenuated. After the flame is quenched, the supply of precursor shock wave energy is cut off. Due to lack of energy supply, the destructive effects of blast wave will be reduced effectively. Coupling effects of the flame and shock wave can be damaged by the special structure of foam ceramics. Studies suggest that a certain function to represent the structure characteristics of foam ceramics must exist. For a certain material of foam ceramics, the sure porosity δ and the pore diameter d also can be get, which is the key to research and develop foam ceramic suppression technology of gas explosion.     

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。