煤矿瓦斯煤尘爆炸的动力学特性研究进展

随着煤炭科技的不断发展，瓦斯煤尘爆炸灾害已成为制约煤炭高效智能化开采的重要因素，严重威胁煤矿的安全生产过程。为了明确瓦斯煤尘爆炸的最新研究进展，为煤矿智能化发展提供有力的安全保障，通过文献研究，从3个方面综合论述了近些年国内外对瓦斯煤尘爆炸的动力学特性研究现状及发展趋势。一是瓦斯煤尘爆炸火焰生成机理研究。二是瓦斯煤尘爆炸火焰演化规律研究。三是瓦斯煤尘爆炸传播关键表征技术。后续研究过程中，应继续深入开展瓦斯爆炸对沉积煤尘诱导机制的研究工作，分析瓦斯爆炸冲击波的扬尘机理以及压力波和火焰作用下的煤尘粒子运动并参与反应的过程，探明不同瓦斯爆炸强度条件下的扬尘区域及煤尘参与爆炸的范围，并建立高精度瓦斯煤尘爆炸反演模型，实现瓦斯煤尘爆炸灾害的有效控制。     

瓦斯爆炸在封闭管道内冲击振荡特征的数值模拟

摘要：为了研究爆炸波在封闭型系统的冲击和振荡特征及其特征参数变化规律,采用数值模拟的方法研究了封闭型管道内瓦斯爆炸的传播特征。研究结果表明：闭口型系统内的瓦斯爆炸呈明显的振荡特征,对于爆燃波,反射波有2道,即前驱冲击波的振荡和压缩波的振荡。由于冲击波的振荡叠加,使其最大爆炸超压和瞬态流速峰值与开口型系统相比较高,而且在反射波及稀疏波的影响下,爆炸波超压分为三个区。爆炸温度和动压同样呈明显的振荡特征,使得爆炸高温环境维持较长时间,爆炸动压在爆炸传播方向的动压与其他方向相比明显较大。研究结果解释了受限空间内爆炸破坏比开放型系统强烈的原因,为今后受限空间内爆炸的预防与控制提供了基础理论参考。     

初始湍流对粉尘爆炸影响的实验研究

采用大型实验装置对管道相连的粉尘操作设备中粉尘爆炸的火焰和压力传播过程及其影响因素进行实验研究。实验装置由两个通过管道连接的不同体积容器构成,爆炸从一个容器中通过管道传播到另一个容器中。在不同的初始湍流度条件下进行粉尘爆炸实验,测试不同位置的火焰和压力信号。结果表明:随着初始湍流度的增大,爆炸的猛烈程度增强,火焰和冲击波的传播速度加快,初始湍流作为影响粉尘爆炸发展过程的重要因素之一,在进行粉尘爆炸的安全防护和设计时必须考虑其作用。     

不同位置分支管道对油气爆炸强度的影响

为研究不同位置分支管道对油气爆炸强度的影响,搭建了不同分支管道实验系统。分别在直管道和具有不同位置分支管道的直管道中进行了油气浓度为1.75%的爆炸实验,并分析了爆炸超压值、升压速率、火焰传播速度以及火焰强度等特性参数变化情况。实验结果表明:分支管道对直管内的爆炸超压、升压速率、火焰传播速度、火焰强度和火焰持续时间有强化作用,并且距离点火端越远,强化作用越显著,火焰传播速度对火焰持续时间也有重要影响;分支管道前的爆炸超压变化曲线可以分为加速上升、膨胀泄压、振荡强化和振荡衰减等4个阶段,分支管道后的爆炸超压变化曲线可以分为加速上升、振荡强化和振荡衰减等3个阶段。     

瓦斯爆炸过程中电导性与火焰之间关系的实验研究

文章利用电极探针和高速摄影对水平管道内瓦斯爆炸过程中的电导性与火焰之间的关系进行了实验研究,结果表明,瓦斯爆炸火焰是沿管道的底部向前传播的,在管道的同一横断面内,爆炸中间产物的成分在上下不同部位的分布是不均匀的,其电导性的大小也是不一样的。最佳当量比爆炸气体中,管道中,上部的电导性是基本相同的,并高于底部的电导性,贫燃料与富燃料爆炸气体中,由管道底部向上,其电导性是逐渐增大的。     

水下和空中爆炸冲击波传播特性对比分析

由于水和空气的物理属性差异以及与爆炸产物的界面作用效应不同,使得爆炸冲击波在水和空气中传播特性存在较大差异。通过构建自由场水下和空中爆炸耦合数值仿真模型,对水下和空中爆炸冲击波传播特性进行对比分析,研究了起爆介质对冲击波峰值压力、冲量、传播速度的影响;同时考虑冲击波与自由面反射的稀疏波相互作用过程,研究了近自由面对水下和空中爆炸冲击波传播特性的影响。研究表明,水下爆炸冲击波传播压强峰值及冲量均较空中爆炸大很多,对结构的潜在破坏能力较强;自由界面对冲击波传播特性存在较大的影响,在近自由面水下爆炸产生了冲击波水面切断及气穴现象,而在近自由面空中爆炸产生了冲击波增强效应。     

磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播影响的实验研究

在实验研究的基础上,分析了磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的重要影响.研究结果表明,磁场对瓦斯爆炸过程的影响很大,相比光滑管道,加磁场后火焰传播速度大幅度提高,而且随磁场强度的增加影响加剧;对于管道终端开口和闭口系统的瓦斯爆炸过程,磁场对两种系统的影响规律是一致的,影响程度比较接近,基于磁场强度对瓦斯爆炸影响的实验理论,从理论上分析了磁场强度对瓦斯爆炸传播速度的影响,并对实验现象作出了合理的解释.     

大口径高压管道物理爆炸冲击波传播规律的试验研究EI北大核心CSCD

根据动态测试理论,构建基于DH5960的网络动态信号测试分析系统,开展直径为1 422 mm的大口径全尺寸高压气体管道爆炸试验。获取各测点空气冲击波的P(t)曲线,经小波变换滤波后采用最小二乘法对冲击波在空间上的传播特性进行数值拟合,得到了衰减曲线和衰减公式。对比试验组和对照组的冲击波曲线,发现高压管道物理爆炸空气冲击波在近地面自由场的传播具有非圆形波阵面的特征。     

大口径高压管道物理爆炸冲击波传播规律的试验研究

根据动态测试理论,构建基于DH5960的网络动态信号测试分析系统,开展直径为1 422 mm的大口径全尺寸高压气体管道爆炸试验。获取各测点空气冲击波的P(t)曲线,经小波变换滤波后采用最小二乘法对冲击波在空间上的传播特性进行数值拟合,得到了衰减曲线和衰减公式。对比试验组和对照组的冲击波曲线,发现高压管道物理爆炸空气冲击波在近地面自由场的传播具有非圆形波阵面的特征。     

100%置障与浓度梯度耦合作用甲烷爆炸激励效应实验研究

以阻塞率100%柔性障碍物及浓度梯度为影响因素,构建甲烷—空气预混爆炸实验模型,设立了6个实验工况,以爆炸压力峰值、火焰传播速度为表征参数,研究置障及浓度梯度耦合作用下爆炸激励效应。结果表明:障碍物数量与浓度梯度叠加造成的激励效应,非常猛烈,实验中出现最大火焰传播速度超过3 Ma,最大压力达到0.27 MPa。同时发现,置障及浓度梯度耦合作用下爆炸火焰波传播区域,较之于均匀浓度条件下,增加1倍。本文有助于矿井巷道内设置风帘等设施下甲烷气体爆炸传播过程特殊现象的研究,为甲烷爆炸事故调查、事故防治、应急救援等提供理论依据。     

The roles of foam ceramics in suppression of gas explosion overpressure and quenching of flame propagation

In order to substantially suppress the shock waves resulting from gas explosions in coal mines as well as to reveal the mechanism of explosion flame quenching by foam ceramics, a rectangular explosion test pipe was designed, which has a 200 mm × 200 mm cross-section and is similar in shape to the roadways in coal mines. Explosion flame propagation characteristics in empty pipe and in the presence of Al₂O₃ and SiC foam ceramics were experimentally investigated. To obtain direct observations, the flame propagation was photographed by a high-speed camera. Furthermore, the mechanism of foam ceramics affecting gas explosion propagation was analyzed. The results demonstrate that the foam ceramics attenuate drastically the maximal explosion overpressure by up to fifty percent; the interconnected micro-network structure of the foam ceramics contribute to quenching gas explosion flame and suppressing shock wave overpressure. These important findings hint that, if properly designed and deployed, this material is expected to be developed into a new suppression and isolation technique against multiple and continuous gas explosions that are presently a grave threat to production safety of coal mines across China and the rest of the world.     

Crack Front Waves in Dynamic Fracture*

A rapidly moving tensile crack is often idealized as a one-dimensional object moving through an ideal two-dimensional material, where the crack tip is a singular point. When a material is translationally invariant in the direction normal to the crack's propagation direction, this idealization is justified. A real tensile crack, however, is a planar object whose leading edge forms a propagating one-dimensional singular front (a `crack front'). We consider the interaction of a crack front with localized material inhomogeneities (asperities), in otherwise ideal brittle amorphous materials. We review experiments in these materials which indicate that this interaction excites a new type of elastic wave, a front wave, which propagates along the crack front. We will show that front waves (FW) are highly localized nonlinear entities that propagate along the front at approximately the Rayleigh wave speed, relative to the material. We will first review some of their characteristics. We then show that by breaking the translational invariance of the material, FW effectively act as a mechanism by which initially `massless' cracks acquire inertia.     

两种含铝炸药水中近场冲击波传播规律研究

为揭示 RS211和 GUHL 两种含铝炸药水中爆炸近场冲击波的传播特性,采用高速扫描相机和阴影照相技术记录了近场冲击波沿柱形装药轴向的传播轨迹,结合 Rankine-Hugoniot 关系推算出了近场冲击波传播速度及阵面压力随传播距离的衰减规律,并与 TNT 炸药的结果进行了对比。同时,还结合近场冲击波的初始参数和Goranson 关系式计算出了炸药的爆压值。结果表明,初始冲击波阵面压力由大到小的顺序为 RS211、TNT、GUHL,在压力的衰减过程中,铝粉的反应使得冲击波的压力衰减速率得到降低,且 GUHL 炸药近场冲击波阵面压力的衰减最为平缓。     

玉米淀粉粉尘爆炸特性及火焰传播过程的试验研究?

为了全面地认识玉米淀粉粉尘爆炸的敏感性和爆炸破坏效应,分别采用粉尘云着火温度装置、20 L球粉尘爆炸装置和粉尘云火焰传播装置对玉米淀粉的粉尘云着火温度、爆炸下限质量浓度、爆炸压力、爆炸氧极限浓度以及粉尘云火焰传播过程进行了研究。结果表明:玉米淀粉粉尘云最低着火温度在380~390℃之间;粉尘云爆炸氧极限浓度(体积分数)在10%~11%之间;爆炸下限质量浓度和最大爆炸压力随着化学点火具质量的增加而呈现出不同的变化特征,随着化学点火具质量的增加,玉米淀粉的爆炸下限质量浓度逐渐降低,而玉米淀粉爆炸压力逐渐升高。在不同的粉尘质量浓度条件下,粉尘云火焰传播速度和火焰温度有一定的变化,在粉尘质量浓度为500 g/m3时,火焰传播速度和火焰温度均达到最大值,分别为13.81 m/s和1 107℃。     

Explosion propagation in inert porous media

Porous media are often used in flame arresters because of the high surface area to volume ratio that is required for flame quenching. However, if the flame is not quenched, the flow obstruction within the porous media can promote explosion escalation, which is a well-known phenomenon in obstacle-laden channels. There are many parallels between explosion propagation through porous media and obstacle-laden channels. In both cases, the obstructions play a duel role. On the one hand, the obstruction enhances explosion propagation through an early shear-driven turbulence production mechanism and then later by shock-flame interactions that occur from lead shock reflections. On the other hand, the presence of an obstruction can suppress explosion propagation through momentum and heat losses, which both impede the unburned gas flow and extract energy from the expanding combustion products. In obstacle-laden channels, there are well-defined propagation regimes that are easily distinguished by abrupt changes in velocity. In porous media, the propagation regimes are not as distinguishable. In porous media the entire flamefront is affected, and the effects of heat loss, turbulence and compressibility are smoothly blended over most of the propagation velocity range. At low subsonic propagation speeds, heat loss to the porous media dominates, whereas at higher supersonic speeds turbulence and compressibility are important. This blending of the important phenomena results in no clear transition in propagation mechanism that is characterized by an abrupt change in propagation velocity. This is especially true for propagation velocities above the speed of sound where many experiments performed with fuel-air mixtures show a smooth increase in the propagation velocity with mixture reactivity up to the theoretical detonation wave velocity.     

爆炸冲击波作用下管道穿墙板防护密闭性破坏研究

爆炸冲击波作用下人防工程各种管道穿墙板构造部位防护密闭性是否受到破坏,是一个值得深入研究的问题.对爆炸冲击波作用下穿墙板管道进行了受力分析与计算,并对管道穿墙板的构造部位进行了爆炸冲击波模拟实验.试验结果表明人防工程在各抗力等级爆炸冲击波作用下,管道穿墙板做法可采用刚性防水套管做法替代刚性密闭套管做法,且穿墙板管道直径可以达到100 mm以上,同时,试验结果与提出的模型计算结论是相一致的,表明该模型的建立是合理的.     

水下爆破破冰爆炸冲击波传播规律数值分析

利用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟研究水下爆破破冰过程中爆炸冲击波压力的作用特征和传播规律,对比分析在冰体覆盖的相对封闭条件和常规水下爆炸时水中压力变化的差异性。研究表明:爆炸冲击波产生的水压力以炸药为中心向四周传播,对冰面破碎起主要作用,被扰动冰体主要发生振动折裂。炸药周围近区压力初始峰值大体上相同,爆源远区相差较大,冰盖的存在减弱了爆破能量的耗散。对于相同集中药包,入水深度直接影响爆破破冰效果。和常规水下爆炸相比,在冰体覆盖的相对封闭条件下水中峰值压力较小,衰减速度较慢。     

浅水爆炸下高桩钢管柱表面作用荷载实验研究

通过不同炸药量、不同爆炸距离、不同起爆深度的水中爆炸模型实验,研究了浅水爆炸条件下高桩钢管柱表面压力特征和空间分布规律,分析了比例爆距对冲击波峰值及空间分布影响,给出了钢管柱表面冲击波反射系数、绕射系数和抗爆设计中实际作用冲击波的工程算法。研究结果表明:水中爆炸作用下,反射和绕射冲击波近似同时作用在钢管柱表面,峰值沿柱身高度方向非均匀分;冲击波受水面影响程度相对较小,二次气泡脉动受水面影响程度较大;反射和绕射冲击波峰值均随炸药量增加、作用距离减小而增加。比例爆距相同,反射冲击波峰值相同,但炸药量小、爆炸距离近的实验工况绕射冲击波峰值相对较小;钢管柱表面冲击波反射系数和绕射系数随比例爆距增加而减小。比例爆距≥1.71时,钢管柱实际作用冲击波峰值可近似按自由场冲击波峰值的1.37倍计算。