水雾粒径对超细水雾抑制甲烷/空气爆炸过程的影响

建立了超细水雾作用下甲烷-空气爆炸过程的三维数值模型,采用大涡模拟模型计算爆炸流场瞬态流动过程;考虑了水雾的蒸发、汽化过程以及气液两相间的质量、动量和热量交换,通过欧拉-拉格朗日模型分别对连续相与离散相进行计算,交替求解离散相与连续相的控制方程实现气液两相间的耦合求解;分析了水雾粒径对爆炸火焰反应区作用程度以及热量交换速率的影响;获得了最佳抑爆粒径并解释了粒径导致抑爆效果差异的原因;水雾粒径通过与火焰反应区的作用程度和蒸发速率影响气液两相间的热量交换速率,进而影响火焰传播速率和爆炸强度;为实现爆炸强度的有效抑制,水雾粒径选取的条件应保证水雾在反应区完全汽化。     

密闭长管内甲烷-空气爆炸火焰传播数值模拟

用LES湍流模型与预混燃烧模型对直径 D=104 mm,长度 L=2 400 mm的圆柱形容器内甲烷-空气预混爆炸进行了数值模拟,模拟最大爆炸压力与实验结果吻合。结果表明,混合气体被引燃后,火焰速度快速增加,接下来火焰速度突然下降;火焰传播过程中出现郁金香火焰,它的形成与中心区域逆流和容器壁的相互作用有关;在郁金香型火焰面后出现涡团,该涡团对层流燃烧转变为湍流燃烧起到重要作用。研究内容揭示了密闭长管内气体爆炸火焰传播规律。     

超细水雾雾化方式对甲烷爆炸过程影响的实验研究

通过可视化实验对超细水雾作用下的爆炸过程进行研究,采用两种雾化方式产生超细水雾并借助PDPA实现确定水雾参数下的爆炸影响研究,发现超细水雾将导致爆炸产生增强与抑制两种相反的作用结果;超细水雾通过影响火焰阵面结构间接影响爆炸强度,而超细水雾对火焰阵面的影响程度与水雾参数(水雾粒径、速度和水雾浓度)有关;受超细水雾作用后的火焰分为4种结构,为有效实现爆炸抑制,应使其为小尺度湍流火焰,实现良好的热量交换且不引起明显的火焰面结构变化。同时,压力上升与火焰传播是相对应的,爆炸压力、压力上升速率曲线双峰值和火焰传播速度受水雾参数的影响显著。     

防控采煤工作面瓦斯燃烧新技术实验研究

在分析井下瓦斯燃烧起因和特点的基础上,结合目前煤矿多发的瓦斯燃烧事故,建立超细水雾作用下采煤工作面瓦斯燃烧防控实验平台。在不同条件下进行系列超细水雾抑制瓦斯燃烧实验,以甲烷流量150 mL/min、其体积分数90%、超细水雾流量220 mL/min、水雾粒径5～30 μm为最佳实验工况进行水雾与瓦斯燃烧作用机理研究。结果表明：超细水雾与瓦斯火焰作用后,在火焰周围形成封闭水雾圈,瓦斯燃烧火焰出现被抑制-切割-再抑制-再切割的过程,使火焰由大变小,直至熄灭;与自由燃烧相比,火焰周围温度和氧气体积分数均出现不同程度的降低,整个熄灭过程仅用90 s。     

水雾抑制钻孔瓦斯爆炸火焰效果试验

为了研究水雾对瓦斯爆炸火焰传播的抑制效果,利用自行研制、加工的钻孔瓦斯气体燃烧受限空间与水喷雾系统,对不同压力、不同喷头作用下细水雾抑制瓦斯火焰的效果进行了试验研究.试验结果表明:水雾对气体爆炸火焰的抑制效果与雾通量、雾区长度、雾动量和到达水雾区火焰的传播速度有关.雾滴粒径越小,灭火时间越短,灭火效果越强.喷雾压力越大,灭火时间越短,灭火效果也越强.喷头在压力为2 MPa时,实际雾区长度最小为70 cm时,不到6 s就可以将10 m/s左右的火焰完全熄灭.     

障碍物导致甲烷-氧气爆炸的三维数值模拟

许多因燃烧导致的爆炸事故都与空间局部受限有关，例如管壁和管内障碍物可使火焰自行加速，并导致爆炸。基于湍流模型和EBU－Arrhenius燃烧模型，利用SIMPLE格式对甲烷－空气混合物在管内燃烧时，因障碍物的作用而发生的爆炸现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果描述了火焰加速和激波生成的过程。     

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。     

典型盐粉及盐溶液对甲烷爆燃火焰传播特性的影响研究

为了探究典型盐粉及盐溶液对瓦斯爆炸的抑制规律,在自行搭建的不锈钢火焰加速管道内开展了NaCl、KCl粉末及NaCl溶液抑制甲烷/空气预混气体爆炸试验,研究了不同粉末铺设面密度、铺设长度、铺液浓度、铺液长度对甲烷爆燃火焰传播的抑制效果及其抑爆机理。结果表明,铺设NaCl、KCl盐粉对甲烷爆燃火焰传播具有抑制作用,爆燃压力及火焰平均传播速度均低于空白对照组|当NaCl、KCl盐粉的铺设面密度为150mg/cm2时,两种盐粉的火焰平均传播速度均衰减最大|随着粉末铺设长度的增加,对火焰传播抑制和促进作用均增强,KCl粉末的抑制作用相对于NaCl粉末更明显。布设NaCl溶液,爆燃火焰压力低于空白组。随着NaCl浓度的增加,爆燃压力的变化不明显,火焰平均传播速度呈降低趋势。溶液铺设长度增加,火焰平均传播速度、爆燃峰值压力逐渐降低。     

喷射超细ABC粉体对瓦斯爆炸的抑制与增强作用

通过触发抑爆装置气体发生器产生高压运载气体(氮气),驱动超细ABC粉体快速喷射的方式,在100 L爆炸容器内开展了甲烷/空气混合物爆炸抑制研究,旨在揭示抑爆介质喷射量、抑爆装置触发时间等关键参数对瓦斯爆炸抑制效果的影响。结果表明:在抑爆介质喷射总量40 g条件下,甲烷/空气混合物点燃后50 ms时间段内触发抑爆装置,超细ABC云幕均能将爆炸火焰轮廓完全覆盖,甲烷/空气混合物爆炸火焰传播得以完全抑制,当抑爆装置触发时刻超过55 ms时,仅使爆炸发展过程推迟,并不能降低爆炸强度。抑爆装置触发时间维持55 ms不变,只有将抑爆介质喷射量增加到60 g时,才能将爆炸火焰传播熄灭。研究还发现,在抑爆装置触发时间一定时,抑制爆炸所需的超细ABC粉体存在较为确定的临界量,当抑爆介质喷射量低于临界值时,在抑爆介质喷射的初始阶段,爆炸火焰传播有所衰减,但随后火焰传播更加迅速,整体上对爆炸火焰传播起到促进和强化作用;而当抑爆介质喷射量高于临界值时,过量喷射抑爆介质对爆炸抑制效果也起不到进一步改善作用。作为驱动超细ABC粉体的必要动力源,氮气喷射过程对爆炸的强化作用十分显著,通过合适的超细ABC粉体冗余量充装可有效克服上述不足。     

超细活性及惰性粉体对甲烷/空气预混物层流火焰传播的影响

开展了施加超细惰性SiO_2及活性NaHCO_3粉体对甲烷/空气预混物爆炸层流火焰传播影响的研究,利用高速摄像及纹影系统为主要手段,探究了火焰微观结构及全程火焰传播速度的变化,以及爆炸压力增长进程等参数的变化趋势。结果表明,添加少量SiO_2超细粉体后,火焰传播得以强化,粉体施加量为50 g/m~3量级时,火焰传播速度增长近1倍,提高粉体浓度,其物理作用的抑制效能方能逐步体现,粉体施加量提高到150 g/m~3时,对火焰扰动导致的燃烧强化与吸热抑制作用可相抵消。而施加超细NaHCO_3粉体后,传播速度得以明显抑制,火焰阵面被分割成蜂窝状,抑制程度与施加量成正比,当NaHCO_3的质量浓度达到150 g/m~3时,能够将爆炸火焰完全抑制。施加超细NaHCO_3粉体后,爆炸压力的增长进程明显减缓,而施加超细惰性SiO_2对爆炸压力的抑制效能并不显著。     

超细水雾-多孔材料协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究超细水雾与多孔介质在协同作用下对多孔介质淬熄效果以及多孔介质上游爆炸超压的影响,自行设计并搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1 000 mm透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台,研究超细水雾质量分数、多孔材料孔径及孔隙率对9. 5%甲烷压的协同抑制效果。实验结果表明,改变超细水雾质量分数、多孔材料孔径以及孔隙率,在多孔材料上游,最大火焰传播速度和最大爆炸超压有着显著变化,随着超细水雾质量分数增加,火焰锋面传播速度峰值和爆炸超压逐渐减小,爆炸超压峰值出现时间随之缩短,而随着孔径的减小,火焰锋面传播速度也逐渐减小,压力衰减率明显增加。同时,超细水雾和多孔材料的组合方式对瓦斯爆炸具有耦合抑制作用,管道内通入超细水雾可吸收反应区大量热能,降低反应速率与火焰传播速度,此外多孔材料的存在吸收了部分前驱冲击波,破坏正反馈机制,因此两者协同抑制优于单一抑制效果。放置在管道中的多孔材料使得传播火焰淬熄,且添加的超细水雾降低了多孔材料上游的超压,但是一旦多孔介质淬熄失败,火焰湍流加剧,可能会导致更为严重的事故发生。此外,与9. 5%甲空气预混气相比,孔隙率为87%,孔隙密度为20 PPI和超细水雾质量浓度为1 453. 1 g s,下降比例达到44. 23%,且多孔材料上游的最大爆炸超压为6. 13 kPa,降低了40. 62%,抑制效果最明显。     

气液两相介质抑制管道甲烷爆炸协同增效作用

瓦斯抽采管道一旦泄漏或受到外部火源波及,极有可能引发爆炸事故。基于自行搭建的惰性气体-超细水雾惰化抑制可燃气体爆炸试验系统,研究了气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸的影响因素和协同作用规律,并分析了其抑爆协同增效的原因,提出气液两相介质抑爆存在相间耦合作用。实验结果表明:在CO2,N2,He和Ar四种惰性气体与超细水雾的共同作用下,气液两相介质对9.5%甲烷/空气预混气爆炸超压、火焰传播速度和最大火焰温度的抑制均表现出明显的协同增效作用。当4种惰性气体稀释体积分数达到14%、细水雾通入量8-4 mL(质量浓度694.4 g/m3)后,均能对9.5%甲烷/空气爆炸产生良好的抑制效果;控制参数继续增加,抑爆增效作用的增长幅度缩小;其中CO2与超细水雾下的协同抑爆效果最好,N2次之,He,Ar与超细水雾的协同抑爆水平相差不大,为清洁、高效惰化细水雾抑爆技术的应用提供了技术指导。     

二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究

为了研究受限空间内二氧化碳-超细水雾对甲烷爆炸的影响,通过自行设计的120mm×120mm×840mm半封闭透明的甲烷爆炸实验台,开展不同气雾比二氧化碳-超细水雾对化学当量比甲烷-空气预混气体的抑爆研究。实验结果表明：二氧化碳和超细水雾结合的抑爆效果要优于单独使用任何一种抑制剂效果之和;CO2体积分数一定的情况下,甲烷气体的爆炸压力、压升速率和爆炸火焰的传播速度均随着超细水雾体积量的增加而明显减小。当单独加入体积分数为2%CO2和1.4mL超细水雾时,两种工况下压力峰值下降之和为72.3mbar;而在两者共同作用下,9.5%甲烷爆炸的超压峰值下降了92.95mbar,说明二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应。     

The effect of duct surface character on methane explosion propagation

The effect of duct surface character on methane explosion propagation was experimentally studied and theoretically analyzed. The roughness has effect on methane explosion propagation. The flame propagation velocity and the peak value pressure of methane explosion in rough duct are larger than the parameters in smooth duct. The heat exchange of the surface has effect on methane explosion propagation. The propagation velocity of flame and strength of explosion wave in the duct covered by heat insulation material are larger than those in duct with good heat transmittability.     

荷电细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究

为了研究荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果以及抑爆机理,根据静电感应原理,自行设计了小尺寸的荷电细水雾发生装置,并开展了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究。实验分析了在不同荷电极性、荷电电压以及雾通量下,荷电细水雾对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的影响。结果表明:荷电细水雾较普通细水雾能更有效地降低瓦斯爆炸压力峰值以及火焰传播速度,且随着荷电电压的增大,荷电细水雾的抑爆效果显著增强。同时荷负电荷的细水雾较荷正电荷的细水雾抑爆效果更好。当荷电电压为8 k V时,荷电细水雾使瓦斯爆炸压力峰值下降64.7%,升压速率下降33.03%,火焰传播速度下降34.9%。     

水雾对钻孔瓦斯爆炸火焰的抑制效果研究

利用自行研制的钻孔瓦斯气体燃烧受限空间与水喷雾系统,对细水雾抑制瓦斯爆炸火焰的效果进行了实验研究。结果表明:水雾对气体爆炸火焰的抑制效果与雾通量、雾动量和雾滴粒径有关。雾滴粒径越小,灭火时间越短。喷雾压力越大,灭火效果也越强。其中喷头IV的灭火效果最佳,当压力为2.0 MPa,不到6 s就可以将火焰完全熄灭。     

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.