煤矿瓦斯爆炸火焰波和冲击波传播规律的理论研究与实验分析

瓦斯爆炸传播规律是分析爆炸破坏效应继而研发抑爆减灾装置和措施的基础。在大量典型实验总结和理论分析的基础上,分析瓦斯爆炸火焰波和前驱冲击波的传播规律及其衰减规律的相似性,即先加速后再减速传播,最终火焰波以正常层流预混气体燃烧速度传播,前驱冲击波衰减为声波。另外,实际参与反应的瓦斯量是影响瓦斯爆炸火焰波传播规律认识的重要因素。     

管内瓦斯爆炸传播影响因素及火焰加速机理分析

基于瓦斯爆炸机理,对管内瓦斯爆炸传播影响因素和火焰加速机理进行了分析,得出了管内瓦斯爆炸传播影响因素和火焰加速机理,影响因素有:管道因素、混合气体的浓度、混合气体的性质、瓦斯在管道中的充填长度、障碍物、点火方式和点火位置、环境条件,不同的影响因素在不同时期和不同状态时起着不同的作用;火焰加速机理有:在气相燃烧理论中的压力波与燃烧阵面相互作用而导致界面不稳定性理论;由火焰产生的前驱冲击波对未燃混合物的加热和压缩的正反馈机理;火焰阵面微分加速机理;火焰阵面湍流加速机理等.在管内瓦斯爆炸传播过程中,火焰传播有多种加速机理,具体哪种机理对瓦斯爆炸传播起主导作用,取决于加速时间、距离长短、管道具体情况等影响因素.     

瓦斯爆炸衰减规律和破坏效应

瓦斯爆炸的传播和衰减规律的研究是基于燃烧学、爆炸力学和应用数学等学科从爆炸所在环境出发的应用研究。瓦斯爆炸对构筑物的破坏效应是通过对冲击波阵面上超压、冲击波的作用时间及构筑物所处的位置、构筑物的形状等因素的研究进行的,而瓦斯爆炸的破坏机理和对通风系统破坏效应方面的研究不但可以加深理论而且还可以应用于实践。矿井瓦斯爆炸传播规律、衰减规律和破坏效应的研究成果,对事故防治和调查可以提供重要的技术支撑。     

瓦斯爆炸火焰波与冲击波伴生关系的实验研究

在煤矿瓦斯爆炸过程中,爆炸火焰和冲击波是决定事故危害程度的2个主要因素。作者设计了氢氧引爆甲烷-空气爆炸的实验方案,对高速瓦斯爆炸参数的变化特征进行了研究。通过实验测试瓦斯爆炸传播阶段的火焰和压力状态,研究瓦斯爆燃火焰波与冲击波的形成过程及其特性。研究表明,在瓦斯爆炸火焰传播过程中,湍流效应是加速火焰传播和伴生冲击波的重要因素;爆炸火焰的传播速度直接影响着爆炸冲击波的生成和加强程度。依据实验研究结果,提出了一些防治煤矿瓦斯爆炸的建议。     

点火能量对瓦斯爆炸传播的数值模拟研究

管道内瓦斯爆炸的研究对煤矿工业的安全生产具有重要意义。建立基于总能量方程的RNGκ-ε湍流流场模型和基于多种控制机理的分步反应爆炸燃烧模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,对不同点火能量条件下的瓦斯爆炸传播过程进行数值模拟研究,对爆炸参数研究得:点火能量越大,瓦斯爆炸压力峰值和火焰传播速度越大的传播规律。同时,分析了瓦斯爆炸压力波、爆炸火焰和湍流三者之间的正反馈机制是推动瓦斯爆炸发展过程的重要因素。所得结论为有效预防瓦斯爆炸事故提供了理论依据。     

瓦斯爆炸数值模拟研究

对瓦斯爆炸传播进行了理论分析,并借助通用CFD软件模拟了点火源球形压力波的传播过程以及压力波的反射与相交;模拟了直管道以及变截面管道压力波传播过程。发现在压力波的相交处会出现局部高压,而压力波的不断叠加使弱压缩波成为激波。前驱冲击波会随着不断传播而逐渐衰竭,当火焰阵面追上前驱冲击波阵面达到同步时,会形成爆轰波,而爆轰波的压力值与传播速度均有大幅提高。还验证了在截面积突然缩小时,火焰传播的最大速度不在截面突然缩小处,而是向后推移了一段距离;这是因为最大湍流度不是在截面突然缩小处,而是向后推移至某一断面,这也反映了湍流对瓦斯爆炸传播的影响。通过数值模拟也发现通用CFD软件在计算爆炸场时,其收敛性与稳定性方面仍然有待提高。     

瓦斯爆炸冲击波超压的衰减规律

运用质量守恒、动量守恒和能量守恒定律及爆炸气体动力学理论等,对掘进巷道瓦斯爆炸冲击波的衰减规律进行研究.通过对瓦斯爆炸冲击波衰减规律分析表明:爆炸冲击波波阵面上的最大超压与传播距离和巷道断面积的平方根成反比,与瓦斯的初始爆炸能量的平方根成正比.实验与理论计算的对比结果表明:理论计算的数据与实验获得的数据比较接近,证明了冲击波超压随距离衰减公式的合理性.     

煤矿瓦斯爆炸冲击波衰减规律研究与应用

基于弱冲击波理论,根据瓦斯爆炸释放的能量,推导出爆炸冲击波传播过程中超压与爆源点距离之间的衰减关系,得到冲击波参数随传播距离的衰减规律以及冲击波传播距离和时间存在的非线性关系.全尺寸实验与理论计算的对比结果表明,理论数据与实验结果基本吻合,证明了冲击波超压随距离衰减公式的合理性.应用研究结果分析了瓦斯爆炸后冲击波影响范围,认为小型瓦斯爆炸只是破坏局部通风系统,而大型瓦斯爆炸,或者瓦斯爆炸过程中有煤尘等参与会造成极大的灾害.     

采煤工作面上隅角瓦斯爆炸传播研究

为研究采煤工作面上隅角瓦斯爆炸在采面联巷内的传播特征,采用U型并联管道系统模拟爆炸在实际巷道内的传播。结果表明,上隅角瓦斯爆炸冲击波在采煤工作面不规则巷道中传播时,爆炸冲击波和火焰陡然变化,出现爆轰;进、回风巷内冲击波进入上下山巷道出现叠加;冲击波经过进风巷与回风巷传播特征存在较大差异,冲击波在回风巷内属燃烧爆炸传播,而在进风巷内属一般空气区传播,上下山巷道及工作面属爆炸破坏较严重区域,应强化预防措施,减少瓦斯爆炸带来的损失。     

煤炭开采过程中诱发的瓦斯爆炸机理及预防措施

研究了煤炭资源开采过程中诱发的瓦斯爆炸机理及其传播过程中的动力特性,探讨了瓦斯爆炸事故的预防对策．研究结果表明：分又管路分叉点为一扰动源,会诱导附加湍流;管内设置螺旋环后,原管壁边界层遭到破坏,管壁邻近的气流经过螺旋环时,发生边界层的分离,在分离区形成涡流,使气流湍流度增加;火焰阵面进入螺旋环扰动区后,发生扭曲并产生褶皱,火焰表面积显著增加,燃烧速率增大,并相应增加了释热速率,诱导激波的产生．变断面、巷道分又及管内设置螺旋环对瓦斯爆炸过程中的火焰和爆炸渡传播具有加速作用,诱导湍流的产生,引起爆轰．防止瓦斯爆炸事故扩大的隔爆、抑爆措施的关键在于抑制湍流现象的产生．     

Experimental study and theoretical analysis on the effect of electric field on gas explosion and its propagation

The effect of the electric field with different intensity on explosion wave pressure and flame propagation velocity of gas explosion was experimentally studied, and the effect of electric field on gas explosion and its propagation was theoretically analyzed from heat transportation, mass transportation, and reaction process of gas explosion. The results show that the electric field can affect gas explosion by enhancing explosion intensity and explosion pressure, thus increasing flame velocity. The electric field can offer energy to the gas explosion reaction; the effect of the electric field on gas explosion increases with the increase of electric field intensity. The electric field can increase mass transfer action, heat transfer action, convection effects, diffusion coefficient, and the reaction system entropy, which make the turbulence of gas explosion in electric field increase; therefore, the electric field can improve flame combustion velocity and flame propagation velocity, release more energy, increase shock wave energy, and then promote the gas explosion and its propagation.     

掘进巷道瓦斯爆炸冲击波与巷道壁面作用研究

文章建立了瓦斯爆炸冲击波的管道物理模型,利用Euler形式的动量、质量、能量守恒方程和热力学方程从理论上解析了瓦斯爆炸过程中爆炸冲击波与掘进巷道壁面相互作用中正反射和斜反射时波阵面上的各个参数,并给出了计算公式和简化公式。     

瓦斯爆炸冲击波在单向转弯巷道内传播及衰减数值模拟

在应用一些基本假设的基础上,建立了瓦斯爆炸冲击波在转弯巷道内传播的物理模型和数值模型.数值模拟的结果表明,转弯巷道内传播的冲击波,其压力、速度和温度等参数在传播过程中存在着衰减态势.在瓦斯爆炸初期,由于化学反应的存在而使冲击波波阵面上的参数不断增加;而在全部瓦斯混合气体反应结束后,压力、速度和温度的衰减较慢.通过实验数据、模拟数据和实测数据的对比表明数据的吻合程度较高,证明了数值模型的可行性.     

The propagation law and analysis of gas explosion in U type duct

In order to explore the propagation law of gas explosion in U type laneways, the propagation law of flame and shock wave in U type duct were experimentally and theoretically investigated. It is shown that the shock wave takes on the complicated stress state and the flame takes on complicated change rules in the U type duct. The propagation process of gas explosion in bend duct is the mutual action of explosion wave, flame and complicate flow, the destruction in bend surface is especially serious. In the mine exploitation and laneway design, the bend laneway should be avoided, especially continuous bend laneway. Supported by the National Natural Science Foundation of China(50674047, 50534090, 50574093); State Key Base Development Plan(2005CB221506)