密闭管道内瓦斯爆炸火焰传播行为可视化研究

运用管道爆炸传播实验系统,配合高速摄像机及纹影仪系统,对密闭管道内瓦斯爆炸过程中的火焰传播行为进行了实验研究。通过研究得出了瓦斯爆炸点火起爆阶段、爆炸初期阶段、爆炸充分发展阶段爆炸火焰的结构特征和传播行为变化规律,研究为有效预防和控制瓦斯爆炸事故提供了重要的理论依据。     

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。     

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。     

管道分叉对瓦斯爆炸火焰传播速度影响的研究

在实验的基础上，研究了管道分叉对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的重要影响。管道分叉时，产生附加湍流，使瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高。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。     

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。     

密闭容器复杂环境瓦斯爆炸压力特性研究

在密闭容器内对不同初始温度和环境压力条件下的瓦斯气体进行爆炸测试,研究了复杂环境条件下瓦斯气体的爆炸压力特性。通过实验得出:瓦斯爆炸存在最佳爆炸浓度,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率随瓦斯浓度变化呈抛物线分布;环境条件对最大爆炸压力上升速率影响较小,而对最大爆炸压力影响较大。     

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。     

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.     

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。     

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。     

受限空间内CO影响瓦斯爆炸的数值模拟

为探求受限空间中CO对瓦斯爆炸的影响,建立了受限空间中瓦斯爆炸反应的计算模型,其化学反应采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应)。结果表明:向瓦斯空气混合气体中充入CO,CO作为瓦斯爆炸的中间产物参与CH4的氧化链式反应,一方面瓦斯爆炸的时间延迟,另一方面爆炸后混合气体中CO2体积升高,CO、NO、NO2体积下降。随着瓦斯混合气体中CO体积分数的升高,瓦斯爆炸产生的温度和压力先升高后降低。     

独头巷道瓦斯爆炸的数值模拟

建立了独头巷道内瓦斯爆炸的数学物理模型,借助流体动力学软件FLACS对充满不同浓度瓦斯气体、有无障碍物时的巷道进行了数值模拟。由模拟结果可以看出,瓦斯浓度和障碍物对瓦斯爆炸过程压力波的变化有较大的影响,爆炸压力波在沿巷道的传播过程中不是单调衰减,而是有波动的;无障碍物时,压力波传播曲线的变化幅度不大,有障碍物时,瓦斯爆炸过程中压力波的传播曲线变化幅度迅速增大。     

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。     

管道中瓦斯爆炸超压场的数值模拟

利用计算流体动力学软件AutoReaGas,定量地研究了障碍物和瓦斯浓度对管道中瓦斯爆炸超压场的影响。研究结果表明:当有障碍物存在时,爆炸峰值超压会显著增加,且峰值超压随着障碍物阻赛比的增加而增加。瓦斯浓度对峰值超压的影响与管道中是否存在障碍物有关。在无障碍物的情况下,甲烷浓度的变化对爆炸峰值超压的影响并不十分显著。在障碍物存在的情况下,甲烷浓度的变化对峰值超压具有显著影响。     

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。     

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。     

掘进工作面不同瓦斯源爆炸过程的数值模拟

为研究独头巷道中不同瓦斯源对其爆炸过程的影响,运用数值仿真技术系统模拟不同瓦斯积聚长度及浓度对其爆炸特性的影响。结果表明:随着瓦斯积聚长度的增大,最大爆炸压力和最高爆炸温度均增大;最强压力波破坏的区段由巷道封闭端向开放端转移。瓦斯浓度在6%~10%范围内,最大爆炸压力随浓度的增大而增大;浓度超过10%后,最大爆炸压力随浓度的增大而减小;最高爆炸温度则一直随浓度在增大;反向稀疏波与正向冲击波多次相遇叠加而出现多个压力峰值。     

瓦斯爆炸冲击波的动力学规律及数值模拟研究

煤矿瓦斯爆炸极具破坏性,抑防瓦斯爆炸对煤矿安全生产的重要性不言而喻。利用一些基本假设,对瓦斯爆炸产生的冲击波的传播规律进行了分析研究。推导出强、弱冲击波传播过程中波阵面参数之间的关系式。同时,推导出瓦斯爆炸过程中形成的柱面冲击波超压等参数随距离传播和衰减规律。通过理论计算数据和数值模拟数据对比研究和对照分析,总体上数据之间的吻合程度较好。