煤矿井下瓦斯爆炸后爆源临近区域特殊热环境分析研究

为了研究瓦斯爆炸诱发次生灾害的致灾热因素,对煤矿瓦斯爆炸特殊热环境进行了分析。将瓦斯爆炸后的特殊热环境分为爆炸产生的高温高压的火焰波、较高温常压的爆源邻近区域的动态热环境两部分。通过对瓦斯爆炸火焰波的特征的理论分析和相关专家学者开展的瓦斯爆炸实验所测得火焰波特征数据,对爆炸火焰波的温度、速度等参数进行了分析。通过数学模型的建立,结合瓦斯爆炸后瞬间爆源所在巷道空气温度随距离的分布规律及数值模拟技术对爆炸后爆源临近区域的较高温、常压的动态热环境进行了研究。得出,瓦斯爆炸大多数是弱爆燃状态。爆炸后爆源临近区域空气温度随传播距离的增加逐渐降低,高温区域逐渐向远离爆源的方向运移,高温的持续时间越来越短。     

高压环境条件下煤矿瓦斯爆炸特性数值模拟

环境压力对瓦斯爆炸特性有明显影响。针对处于高压环境的瓦斯气体爆炸特性,运用流场模拟软件对瓦斯爆炸过程进行数值模拟,对爆炸过程中的压力场、温度场和速度场进行分析。数值模拟结果表明:当环境压力为2.0 MPa范围内时,最大爆炸压力随着环境压力的升高成倍增加;随着初始环境压力的增大,各测点火焰的到达时间相应变短,爆炸温度也同比升高;初期燃烧过程受环境压力影响明显,在前20 ms内,燃烧速度随环境压力的升高先下降后上升,而终态燃烧速度基本一致。     

角联管网瓦斯爆炸超压演化及火焰传播特性研究

为了探索瓦斯在煤矿井下复杂巷网内爆炸后的超压演化规律及火焰传播特性,在实验室自行搭建了瓦斯爆炸试验系统,对甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸爆燃波传播规律进行了试验研究,并对瓦斯爆炸超压及火焰传播过程进行了数值模拟。试验与数值模拟结果表明:管网角联分支中,甲烷-空气预混气体爆炸后由于爆炸压力波的叠加,形成超压增高区域,但产生的火焰波很微弱,温度较低。并联分支中,随着爆燃波传播距离的增加,超压峰值和焰面传播速度呈逐渐减小的趋势,而火焰持续时间呈先增加、再减小的趋势。试验中火焰的最大传播距离为18.75 m,而数值模拟的传播距离为21.25 m,但试验值和模拟值的变化趋势一致。研究结论可对煤矿井下复杂巷道内瓦斯爆炸灾害的防控及救灾提供理论支持。     

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。     

20L爆炸容器内甲烷爆炸特性参数分布规律模拟研究

运用FLUENT流体模拟软件,对常温常压条件下20 L爆炸容器内甲烷爆炸各特性参数的分布规律进行了数值模拟研究,得出爆炸压力、火焰温度、燃烧速度、密度等爆炸特性参数及流场状态的发展变化规律。研究认为,爆炸罐内部各点压力分布基本相同,爆炸反应持续时间约为130 ms,火焰温度约为2 500 K;距离点火点越远,密度变化范围越大;火焰速度在距离点火点0.04 m左右达到最大值2.87 m/s,二次加速出现在距离点火点约0.14 m的位置。研究结果为认清甲烷爆炸机理及有效预防瓦斯爆炸事故提供了重要的理论依据。     

瓦斯爆炸火焰波热作用下巷道煤壁温度变化规律的探讨与分析

为了研究瓦斯爆炸后巷道两帮煤壁的热效应程度,对爆炸产生火焰波作用下煤壁的温度变化规律进行了研究。在热传导数学公式基础上,进行了对流换热系数、火焰波温度、火焰波的热作用时间等影响因素的分析。利用相关修正系数对对流换热系数进行了修正,结合相关管道瓦斯爆炸火焰厚度实验测量值进行了瓦斯爆炸火焰波的温度,以及在传播过程中对应点最强部分火焰波、整体火焰波对煤壁的热作用持续时间的探讨。并进行了对应点煤壁在火焰波的热作用下的温度变化规律的分析和计算。得出,整体火焰对热作用下的煤壁温度要比最强部分火焰作用下的煤壁温度要高,2种火焰情形下煤壁表层温度均随火焰波传播距离先增大后缓慢降低;煤壁的感温深度均属于10-1mm级别;煤壁表层温度变化率随着火焰传播距离的增加而逐渐增大。     

瓦斯爆炸火焰温度与传播速度关系的实验研究

在实验的基础上对瓦斯爆炸传播过程中火焰温度和传播速度间的相互关系进行了研究,并分析了火焰温度诱导火焰加速的机理。研究结果表明:火焰温度和传播速度的变化趋势是一致的,但火焰温度对传播速度的影响较为明显,随着温度的升高,火焰传播速度不断增大。分析认为高温促进甲烷的分解产生更多的自由基,且自由基在高温条件下易于扩散,反应更为剧烈是火焰加速的诱因。     

开放管道内煤粉云形成机制及爆炸过程火焰动态行为数值模拟

半密闭空间内煤尘云爆炸火焰传播过程及传播机制更为复杂,影响因素众多,爆炸过程中存在火焰、湍流与压力的相互耦合作用。为揭示开放管道内煤尘云形成机制及爆炸火焰行为动态演化特征,基于计算流体力学、燃烧学及数值传热学等理论,以开口的哈特曼管道为对象,分别对管道内煤尘扩散特征和爆炸过程进行模拟分析。基于物理实验验证及数值模拟研究,分析了煤尘在开口管道内的分散、悬浮及沉降特征,获取了粉尘扩散过程中流场的时空演化特征,得到了煤尘云爆炸过程中的温度变化规律,获取了爆炸过程中火焰动态行为及火焰高度、火焰速度的变化规律,研究了煤粉粒径及点火延时对火焰高度及火焰速度的影响规律,揭示了开放管道内煤粉云爆炸火焰传播的动力学机制。结果表明:(1)煤尘颗粒经过快速注入、减速分散、自由扩散和沉降阶段并最终形成粉尘云;(2)在爆炸的不同阶段,影响火焰形态的因素不同;整个爆炸过程中,火焰阵面演化趋势为:"非球形—飞火及点状火—蘑菇状";(3)随着爆炸的发展,火焰高度呈现Logistic函数特征,火焰速度呈现先迅速增大后缓慢减小;(4)湍流对均相燃烧及非均相燃烧的耦合影响造成了火焰锋面的不稳定性,火焰阵面热气流对管道口外侧冷气流的卷吸是形成"蘑菇状"火焰的主要原因。     

瓦斯爆炸火焰锋面参数测试技术实验研究

 为了探究煤矿瓦斯爆炸事故中瓦斯爆炸火焰锋面特征,在实验室模拟巷道的小型管道内进行瓦斯爆炸火焰传播实验。在管道内同一截面处,利用微细热电偶、离子探针、压力传感器及光电传感器同时测得了火焰锋面温度、离子电流强度、压力、光信号。对四种火焰锋面参数信号比较分析,结果表明：传播火焰阵面的火焰光信号、温度信号、离子电流信号稍快于压力信号,瓦斯浓度为10.17%的传播火焰在测点处火焰锋面最高温度值为1238.8℃,最高压力值为2.28atm,最高离子电流强度值为258nA;处理热电偶温度信号计算出的火焰锋面厚度为44.8cm和离子电流信号计算出的火焰锋面厚度为68.5cm,两者属于同一数量级。实验结论为进一步认识瓦斯爆炸火焰锋面在瓦斯爆炸事故中的作用和矿井防爆设备和预警设计提供一定的参考依据。     

基于FLACS的煤矿巷道截面突变对瓦斯爆炸的影响数值模拟

为研究煤矿巷道复杂条件下的瓦斯爆炸传播特性,通过FLACS数值模拟了巷道截面突变对瓦斯爆炸过程中的压力、温度及火焰传播速度的影响。结果表明,当巷道截面发生突变时,各测点压力峰值和温度峰值均增大;横截面突扩面积越大,火焰峰面表面积越大,火焰传播速度就越小,横截面突缩面积越小,火焰传播至突缩段时产生的湍流作用越明显,使得火焰传播速度加快,同时火焰峰面被拉伸的越长;巷道截面突变使气流的湍流强度增大,爆炸反应速率加快,因此其火焰传播速度均大于截面未突变巷道内的火焰传播速度。     

管道内障碍物形状对瓦斯爆炸影响的试验研究

为了预防和降低瓦斯爆炸造成的危害,利用自制的水平管道式可燃气体一粉尘爆炸装置模拟矿井巷道,在常温常压下,使用4种不同形状的障碍物,研究瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的变化规律。结果表明：障碍物的存在对瓦斯爆炸具有显著影响,增大了爆炸压力和火焰传播速度,改变了爆炸压力变化规律。障碍物形状对瓦斯爆炸影响程度不同,即挡板障碍物使得爆炸压力和火焰传播速度最大,4孔圆环影响最小。     

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.     

半封闭空间瓦斯由燃烧转为爆炸过程的动力学分析

以瓦斯爆炸初期火焰传播速度与化学反应速率的关系为基础,实验研究半封闭空间瓦斯爆炸初期的火焰传播动力学过程。分析得出：瓦斯爆炸初期反应速率常数与爆炸传播速度的平方成正比;瓦斯从开始反应到爆炸的动力学过程主要受化学反应速率的影响。瓦斯爆炸初期火焰前沿位置和速度随时间变化曲线分别近似呈指数型增长,瓦斯传播速度为初始速度en 倍时认为瓦斯爆炸。瓦斯爆炸感应期由瓦斯燃烧感应期和由燃烧转为爆炸响应时间组成,瓦斯燃烧感应期为从瓦斯开始反应到瓦斯反应出现火焰的时间,由燃烧转为爆炸响应时间为基准时间t的n倍。     

气体爆燃向爆轰转捩的理论分析（增刊）

本文在实验的基础上,对瓦斯爆炸过程中爆燃向爆轰转捩(DDT, Deflagration to Detonation Transition)问题进行了研究,并运用CJ(Chapman and Jouguet)理论计算了火焰阵面流场参数。研究结果表明：障碍物对瓦斯爆炸过程中爆燃向爆轰转捩具有诱导作用,无障碍物时爆炸波的传播速度较小,爆炸强度较弱;随着障碍物的增多,爆炸波和火焰传播速度明显增大,爆燃易于向爆轰转捩,爆炸强度和危险性显著提高。上述研究结果对于现场如何防治瓦斯爆炸,防止、降低煤矿重大事故的发生具有一定的指导作用。     

瓦斯爆炸动力学特征参数的测定及其分析

在实验的基础上，研究了瓦斯爆炸过程中的动力学特征参数及其影响作用，其中主要包括火焰与超压、火焰与爆炸波之间的相互关系，障碍物对火焰、爆炸波传播的影响。研究结果表明，瓦斯在爆炸的过程中，超压与火焰的速度有关，爆炸波在火焰前言，其传播速度明显高于火焰，爆炸波与火焰之间的时间差不仅和位置有关，而且还和障碍物的数量有关。障碍物对爆炸波和火焰的传播具有加速作用，爆炸波和火焰传播规律可表示为T＝mL/D＋b，回归所得到的相关系数r＞0.9，回归曲的结果是显著的。随着障碍物的增多，火焰和爆炸波传播规律的线性度降低，非线性度增大。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。     

电磁场对瓦斯爆炸影响的实验研究与理论分析

在实验的基础上,研究了外加电磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播速度和超压的影响。研究结果表明外加电磁场使瓦斯爆炸强度增加,使火焰速度、火焰速度峰值、压力波超压峰值增大,随着电磁场强度增加,其对瓦斯爆炸加剧作用增强。并从理论上分析了外加电磁场对瓦斯爆炸的影响。     

细水雾抑制管道瓦斯爆炸的实验研究

在搭建细水雾抑制管道瓦斯爆炸的小尺寸实验平台和阐明瓦斯爆炸传播机理的基础上,研究细水雾抑制管道瓦斯爆炸的有效性,并对其进行定性、定量分析。研究发现：在水雾足量的情况下,细水雾能有效抑制管道瓦斯爆炸的传播速度、降低火焰温度,并能改变火焰图像特性;瓦斯浓度较高或雾通量不足时,细水雾将通过助燃促进瓦斯爆炸的产生。