不同当量比条件下矿井瓦斯爆炸过程的数值模拟

为了研究管道预混火焰的传播特性及内在机理,运用数值模拟的方法,建立矿井瓦斯气体爆炸的数学模型和物理模型,对不同当量比浓度的矿井瓦斯气体爆炸过程进行模拟研究。计算结果表明,矿井瓦斯气体爆炸过程中速度和压力值均会经历上升-下降-二次波峰-下降-震荡的过程。火焰传播初期,气体爆燃体积迅速增大,火焰的速度、压力和温度随之迅速上升,并在一段时间内呈现层流燃烧状态。而后速度和压力图均出现了不同程度的波动,可知这是压力波和反射波共同作用的结果。速度和压力并未同时达到峰值,速度要超前于压力达到最大状态,这主要是爆炸压力波和反射压力波的相互叠加作用导致压力上升,而反射压力波导致速度下降。当量比浓度的压力、速度值最小,燃烧持续时间最长,此时气体还未完全加速,未形成爆轰状态。     

巷道空间内瓦斯爆炸冲击波传播的数值模拟

为研究在巷道空间里瓦斯爆炸冲击波的传播特性,采用ANSYS/LS-DYNA程序的流固耦合算法,建立巷道瓦斯爆炸物理模型,对巷道空间里瓦斯爆炸过程进行数值模拟,得到瓦斯爆炸过程中冲击波变化云图,并拟合了冲击波衰减变化规律.研究表明:瓦斯爆炸冲击波经历了从球面到平面冲击波的发展过程,最终冲击波逐渐衰减为常压状态,但在受限空间内瓦斯爆炸冲击波遇壁面会发生反射与叠加,因此要合理的设置泄压口;爆炸冲击波超压与距离成非线性关系,即爆炸冲击波超压与距离的平方根成反比.研究结果对瓦斯爆炸传播事故的预防和灾害控制有一定的指导作用.     

巷道内瓦斯爆炸传播规律的数值模拟研究

基于燃烧理论、爆炸理论及遵守的守恒定律,建立了巷道内瓦斯爆炸的数学物理模型.利用Fluent软件对煤矿巷道内预混瓦斯气体的燃烧爆炸进行了分析和模拟研究,得到了巷道内瓦斯爆炸过程中超压变化规律.展现了爆炸冲击波在巷道内的衰减过程.将数值模拟结果与实验结果进行对比分析,数据高度吻合,证明了数值模拟的合理性,进而为煤矿瓦斯爆炸传播过程的分析研究及瓦斯爆炸事故的防范提供了一定的参考,也为优化矿用救生舱、避难硐室的设计参数提供了理论依据.     

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。     

矿井瓦斯爆炸火焰传播试验研究

通过数值模拟与实际试验,研究了瓦斯爆炸火焰在管道内传播的结构变化特性及其相应的传播规律.研究结果表明:数值模拟结果与试验结果走向基本一致,火焰传播速度随着距离爆源距离的增大,呈现出先增大后减小的规律.     

障碍物对巷道瓦斯爆炸传播影响数值模拟研究

采用流体力学软件FLUENT对不同障碍物情况下巷遭瓦斯爆炸过程进行数值模拟,研究了障碍物对爆炸传播的影响。模拟结果清晰地显示了巷道瓦斯爆炸火焰传播过程,并且表明巷道障碍物的存在会产生湍流现象加速火焰传播,增大瓦斯爆炸的危害,因此巷道中应尽量减少不必要的障碍物存在。     

瓦斯浓度对瓦斯爆炸影响的数值模拟研究

采用流体动力学软件Fluent,对方形管道内体积分数分别为7.5%,9.5%,11.5%的瓦斯气体爆炸过程进行数值模拟研究,分析其爆炸过程中的压力、温度和火焰传播速度。结果表明:在3种不同浓度的瓦斯气体爆炸过程中,火焰的传播趋势大致相同,但火焰传播速度、管道内的超压以及温度有较大的区别;体积分数为9.5%的瓦斯气体爆炸过程中火焰传播速度、超压和温度均最大。模拟结果与前人的实验结果吻合。     

管道内瓦斯爆炸传播规律的数值模拟研究

基于燃烧、爆炸及其空气动力学理论,叙述了管道内瓦斯爆炸的数学物理模型,借助流体动力学软件Fluent对均匀充满9.5%浓度瓦斯气体的18m×200mm二维管道进行了数值模拟研究,得到爆炸反应过程中各特征参数的变化情况,并对瓦斯爆炸火焰发展及传播规律进行了分析,可以直观地观察到瓦斯爆炸火焰初期、发展、加速及其后期爆炸结束整个过程的变化情况,为瓦斯爆炸传播过程分析及瓦斯爆炸事故预防和后果分析提供了一定的参考作用.     

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)     

基于FLACS的受限空间瓦斯爆炸数值模拟

为了对矿井瓦斯爆炸灾害进行有效防治、安全评估和事故调查,采用XKWB-1型近球型密闭式气体爆炸特性测试装置进行甲烷爆炸实验,并应用FLACS软件对该爆炸过程进行数值模拟,二者对比表明添加辐射模型的模拟与实验结果基本吻合,平均误差1.88%,说明辐射换热是瓦斯爆炸过程中除热传导和热对流外主要的热量传递方式。模拟结果表明,瓦斯爆炸燃烧波以近球面波的形式向四周传播,小空间内各点压力很快达到均匀,从容器壁面到点火源处温度梯度不断增大;当火焰面传至壁面附近时,未燃气体受壁面作用产生回流,上下、左右的回流气体相遇形成的涡旋使火焰加速,在可燃性气体燃烬时爆炸超压达到最大值。添加辐射换热模型的模拟结果误差基本满足工程需要,可应用于更复杂空间的瓦斯爆炸过程模拟。     

瓦斯爆炸冲击波在采煤工作面巷网中传播特性的数值模拟

为了探索冲击波在首尾相连巷网中的传播特性,运用AutoReaGas软件模拟了瓦斯爆炸冲击波沿着进风巷和回风巷传播的超压和温度的变化规律。研究结果表明：冲击波在采煤工作面首尾相连巷网中传播时,超压峰值和最高温度不断减小;相向传播的两个冲击波发生叠加效应,使超压峰值增大,相向传播的火焰锋面产生抑制作用,使最高温度降低;在联络巷的中点之前,最高温度沿着巷网的变化规律与冲击波超压峰值的变化规律基本一致;进回风巷对应测点的超压峰值和最高温度基本相同,冲击波经过两条巷道的传播特性基本一致。在煤矿井下瓦斯爆炸发生叠加的位置附近是爆炸破坏较严重的区域,应采取相应的预防措施,减少瓦斯爆炸带来的损失。     

爆炸波能量变化特征及壁面热效应

在研究爆炸波能量变化特征的基础上，采用实验方法研究了壁面热效应对瓦斯爆炸传播特性的影响．研究结果表明：瓦斯爆炸释热可分为4部分：①通过对流、热辐射变成了壁面散热；②通过导热、扩散和热辐射传给未燃气体；③通过膨胀做功变成了爆炸波能量及产物动能；④传播过程中的各项损失．管道内贴绝热材料后，壁面散热大幅减小(约为原来的1／3)．减少的热量一部分通过导热、扩散向未燃气体传递．另一部分通过膨胀做功使爆炸波强度增大．两者均使火焰燃烧传播速度、爆炸波强度增加，并可诱导激波的产生．     

密闭空间瓦斯爆炸多场演化特点模拟研究

目前对井下巷道瓦斯爆炸的模拟研究较多,但大部分研究存在缺少参考井下巷道具体参数依据的问题。为了更加准确地分析瓦斯爆炸冲击波的流场演化特征,以湖南省醴陵市马劲坳煤矿为研究对象,采用数值模拟软件对该煤矿井下巷道发生瓦斯爆炸时的温度场、应力场、冲击波传播规律及速度场的变化规律进行了较详细的分析,结合理论研究对模拟结果进行了较完善的阐述;同时研究了爆炸过程中产生的温度及超压载荷随时间变化的规律,得出温度及超压载荷变化的一般性规律公式;对瓦斯爆炸中巷道的开口端和封闭端的气体冲击波速度差异进行了重点研究,分析了高速流动气体传播过程及波动形式,得出气体和压力的不稳定状态是重要影响因素。研究结果表明:通过参考实际地质资料的模拟研究,得出急剧上升的温度和超压现象是破坏井下安全设施的主要因素,这为井下瓦斯爆炸防治提供重要研究基础。     

采空区注氮对瓦斯爆炸危险区的影响数值模拟

为研究注氮对高瓦斯矿井采空区内瓦斯爆炸危险区的影响,以安徽许疃煤矿3235工作面为实例,使用COMSOL多物理场耦合模拟软件建立采空区注氮模型,分析了不同注氮流量及注氮位置条件下采空区气体运移规律,并依据线性叠加的数学原理对采空区瓦斯爆炸危险区进行划分,分析其分布特征。通过对比研究发现:随采空区注氮流量的增加,爆炸所需最低浓度的氧气和爆炸极限内的甲烷,分别有向工作面和采空区移动的趋势,瓦斯爆炸危险区的最大宽度以及面积均呈现减小趋势;注氮位置和瓦斯爆炸所需氧气体积分数的危险区域,在一定范围内呈现负相关性。