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。     

电场对瓦斯爆炸影响的研究

在实验的基础上研究了电场对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的影响，研究结果表明：外加电场对瓦斯爆炸的影响不稳定，随着电场强度的增加对瓦斯爆炸影响加剧，其火焰速度及峰值、压力波超压峰值也会增大，从理论上分析了电场对瓦斯爆炸的影响。     

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。     

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。     

不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性

在全透明有机玻璃管道中,利用同步控制系统、高速摄像系统和高速粒子成像测速系统(PIV),从爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性,并分析了煤尘卷扬湍流特征。实验结果表明:3种工况下,随着甲烷体积分数的增加,爆炸超压和压力上升速率明显增高,压力峰值来临时刻减小,且当体积分数超过8.5%后,压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征;复合火焰传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况,且复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征;甲烷的体积分数越接近当量比,爆炸超压、波前流速、火焰锋面温度及其温度上升速率越高;甲烷体积分数为9.5%和8.5%时,复合火焰呈"倒钩形",之后很快出现火焰加速;而甲烷体积分数降至8.5%后,复合火焰亮度降低,结构呈现破碎和不连续的形态特点。PIV测试表明:甲烷体积分数为9.5%时,初始爆炸强度高,波前流速快,煤粉可随冲击波整体快速运动,卷扬区整体湍流强度较高,大大加快了煤粉与空气的混合速度,促进了卷扬煤粉的燃烧。较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因。     

壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的作用

在试验的基础上,研究了瓦斯爆炸过程中壁面粗糙度对火焰传播速度和超压的影响。研究结果表明:壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程影响非常明显,粗糙管道的火焰速度和超压均比光滑管道有大幅提高,得出了不同粗糙度时火焰速度峰值和压力波超压峰值的变化规律。     

磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的影响

在实验的基础上研究了磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的影响。研究结果表明，磁场对瓦斯爆炸过程影响非常明显，加磁场后瓦斯爆炸火焰传播速度辛口爆炸渡超压均比光滑管道有大幅提高，而且随着磁场强度的增加，影响程度加强。基于磁场对瓦斯爆炸传播特性的实验结论，从理论上分析了磁场对瓦斯爆炸的影响，并对实验现象做出了合理的解释。     

管道内瓦斯爆炸传播试验研究

为了研发低浓度瓦斯抽放系统的安全设备,分别在DN500 mm和DN700 mm的试验管道内进行了瓦斯爆炸传播试验.通过动态信号综合测试系统采集了爆炸火焰和压力波的试验数据.试验结果表明:管道内瓦斯爆炸压力波峰值与传播距离呈二次函数关系,爆炸火焰到达时间与传播距离呈对数函数关系,且火焰传播速度随传播距离的增长而增大,管道直径对爆炸的传播有明显影响.     

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。     

管道内瓦斯非均匀预混火焰传播特性实验研究

在实际矿井下,瓦斯泄漏后往往在巷道密闭空间内形成分层的、含体积分数梯度的甲烷-空气混合物。目前,国内外研究大多集中在均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性方面。为探究非均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性,通过自主搭建的小尺寸爆炸实验平台,对比研究了管道内甲烷不同自由扩散时间下,甲烷沿管道体积分数梯度分布及非均匀预混甲烷/空气爆炸火焰传播特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷体积分数分布、火焰传播结构、甲烷爆炸超压等数据,并进一步分析得出火焰传播速度、爆炸压升曲线等。结果表明:甲烷在管道内泄漏后,受浮力作用沿管道顶部横向传播,同时受体积分数差向底部纵向扩散,形成横向及纵向的体积分数梯度场,且自由扩散时间越短,体积分数梯度越大。体积分数梯度场对管道内非均匀甲烷爆炸火焰传播结构与爆炸超压有显著影响。甲烷体积分数梯度场下形成的非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰4个阶段。当甲烷沿管道形成纵向体积分数梯度时,管道内出现三重火焰,且体积分数梯度越大,三重火焰结构愈发明显,三重火焰形态出现后,火焰传播速度、爆炸超压迅速下降,管道内甲烷纵向体积分数分布为16%—4.6%—0时,三重火焰稳定传播时火焰速度约为4.8 m/s。随三重火焰继续传播,火焰传播速度、爆炸超压略有上升趋势。管道内甲烷空气非均匀预混时爆炸超压呈现2个峰值,后波峰压力峰值约为前波峰2/3,压力峰值间隔时间随体积分数梯度减小而减小,且在不同体积分数梯度下,甲烷体积分数越接近当量比时火焰传播速度越快,爆炸超压越高。