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。     

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。     

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。     

密闭空间瓦斯爆炸数值模拟研究

针对矿井封闭火区内瓦斯爆炸特性问题,通过FLACS软件建立简单的密闭空间,模拟了瓦斯爆炸传播中的压力、温度和火焰的发展变化过程。结果表明:压力波的反射作用导致瓦斯爆炸压力曲线反复波动,出现多个压力峰值;各点温度在距离燃料区较近区域波动幅度小,在稍远的距离波动幅度大,而在距末端较近的距离,温度值较前面的监测点而言值非常小;火焰会出现反向传播的现象,之后出现湍流现象,直至反应结束。     

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。     

巷道内瓦斯爆炸传播规律的数值研究

 基于流体动力学和燃烧理论,运用CFD软件建立管道模型,模拟在不同巷道长度下瓦斯爆炸的传播情况,得到了瓦斯爆炸的火焰速度及压力随时间的变化规律。结果表明：火焰速度会随管道长度分为3个阶段：扩散传播、快速上升、惯性前进;压力突变影响了火焰的湍流,是火焰速度快速上升的重要原因;管道变长时,火焰达到的最大速度增大,达到特定高速值的转变距离会趋于稳定。     

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。     

矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律

为了揭示矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律,减小矿井瓦斯爆炸事故造成的大量人员伤亡,为矿山应急救援提供理论支撑,描述了矿井瓦斯爆炸现象,分析了毒害气体扩散传播基本过程,提出井下瓦斯爆炸生成的毒害气体传播过程按时间顺序可分为3个阶段：① 瓦斯与空气的预混气体燃烧生成的毒害气体在火焰作用下的传播过程;② 瓦斯爆炸生成的高浓度毒害气体在无风巷道和微风巷道中的扩散过程;③ 毒害气体在一定风速通风网络中的传播过程.根据瓦斯爆炸和毒害气体传播的3个过程,初步分析了矿井瓦斯爆炸火焰对瓦斯爆炸产生的毒害气体传播的影响,建立了毒害气体在无风和微风巷道扩散的数学模型及毒害气体在通风网络中传播的数学模型,并在实际巷道中进行了试验研究,模型计算与实验数据相近.     

煤矿瓦斯爆炸火焰波和冲击波传播规律的理论研究与实验分析

瓦斯爆炸传播规律是分析爆炸破坏效应继而研发抑爆减灾装置和措施的基础。在大量典型实验总结和理论分析的基础上,分析瓦斯爆炸火焰波和前驱冲击波的传播规律及其衰减规律的相似性,即先加速后再减速传播,最终火焰波以正常层流预混气体燃烧速度传播,前驱冲击波衰减为声波。另外,实际参与反应的瓦斯量是影响瓦斯爆炸火焰波传播规律认识的重要因素。     

矿井瓦斯煤尘爆炸传播实验研究

煤矿中瓦斯爆炸容易引起煤尘参与爆炸,且掘进工作面是瓦斯煤尘爆炸事故的多发区域。在与实际矿井环境、几何条件相似的大型地下试验巷道中,进行了独头巷道瓦斯煤尘爆炸火焰、冲击波传播试验。试验中,瓦斯煤尘爆炸火焰到达各测点的时间与测点距离呈对数函数关系;爆炸火焰的传播速度在铺有煤尘段迅速上升,过了煤尘段开始下降;火焰区长度约为煤尘区长度的2倍;爆炸冲击波压力在铺有煤尘段前端降到最低值,然后迅速上升到最大值后下降。实验结论为煤矿隔抑爆装置的研制和安装提供了理论基础。瓦斯煤尘爆炸与单纯瓦斯爆炸相比,最大爆炸压力峰值大,火焰传播速度快;瓦斯煤尘爆炸的威力和破坏程度,要远远大于单纯瓦斯爆炸。因此,在煤矿实施防尘降尘技术,具有十分重要的意义。     

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。     

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。     

煤矿瓦斯抽放管道用阻爆阀门的研制

为了阻断瓦斯燃烧火焰或爆炸在抽放管道内的传播,消除低浓度瓦斯抽采的安全隐患,确保低浓度瓦斯抽采和利用系统的安全可靠,研制了煤矿瓦斯抽放管道用阻爆阀门。详细地描述了阻爆阀门的结构形式、组成部分、工作原理、主要参数及性能指标,并通过阻爆性能试验,给出具体的试验数据,试验研究得出:煤矿瓦斯抽放管道用阻爆阀门能够有效阻隔管道中气体爆炸,阻止火焰及压力传播,防止气体爆炸继续发展;适用于阻止瓦斯气体输送管道的燃烧与爆炸。     

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。     

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。     

不同环境温度下瓦斯爆炸特性的数值模拟研究

运用计算流体力学分别对常温、高温条件下的瓦斯爆炸过程进行了数值模拟研究,模拟结果清晰地反映了爆炸后不同时刻流场中爆炸压力、火焰温度、各组分浓度等参数的分布特征。研究发现,随着环境温度的升高,化学反应速率加快,爆炸后火焰温度的升高主要是由于初始气体温度升高带来的热量。     

点火能量对瓦斯爆炸传播影响的实验研究

在Φ700 mm管道中进行了瓦斯爆炸压力峰值、火焰传播速度的试验研究,对不同点火能量条件下的瓦斯—空气混合气体爆炸试验研究结果表明:爆炸压力峰值在沿管道的传播过程中,从爆源点附近是先增大后减小,然后再逐渐增大的,且最大压力峰值出现在出口附近;火焰传播速度随着传播距离的增大而逐渐增大;点火能量对爆炸压力峰值、火焰传播速度等都有重要影响。这些研究结果为煤矿井下隔抑爆装置和瓦斯输送管道隔抑爆装置的研制及安装技术规范的制订奠定了理论基础,也为煤矿瓦斯爆炸事故调查分析提供了理论依据。     

The propagation law and analysis of gas explosion in U type duct

In order to explore the propagation law of gas explosion in U type laneways, the propagation law of flame and shock wave in U type duct were experimentally and theoretically investigated. It is shown that the shock wave takes on the complicated stress state and the flame takes on complicated change rules in the U type duct. The propagation process of gas explosion in bend duct is the mutual action of explosion wave, flame and complicate flow, the destruction in bend surface is especially serious. In the mine exploitation and laneway design, the bend laneway should be avoided, especially continuous bend laneway. Supported by the National Natural Science Foundation of China(50674047, 50534090, 50574093); State Key Base Development Plan(2005CB221506)