管内瓦斯爆炸传播影响因素及火焰加速机理分析

基于瓦斯爆炸机理,对管内瓦斯爆炸传播影响因素和火焰加速机理进行了分析,得出了管内瓦斯爆炸传播影响因素和火焰加速机理,影响因素有:管道因素、混合气体的浓度、混合气体的性质、瓦斯在管道中的充填长度、障碍物、点火方式和点火位置、环境条件,不同的影响因素在不同时期和不同状态时起着不同的作用;火焰加速机理有:在气相燃烧理论中的压力波与燃烧阵面相互作用而导致界面不稳定性理论;由火焰产生的前驱冲击波对未燃混合物的加热和压缩的正反馈机理;火焰阵面微分加速机理;火焰阵面湍流加速机理等.在管内瓦斯爆炸传播过程中,火焰传播有多种加速机理,具体哪种机理对瓦斯爆炸传播起主导作用,取决于加速时间、距离长短、管道具体情况等影响因素.     

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。     

管内低浓度抽采瓦斯爆燃特性研究

 自行设计了管内低浓度瓦斯爆燃实验系统,基于此实验平台,开展了瓦斯爆燃特性实验研究;不同初始压力、不同初始温度对甲烷爆燃特性的影响。实验结果表明,密闭管状空间火焰速度沿长径比是一个先增加后衰减的过程;峰值超压是随着长径比的增大而增大的。火焰传播速度随着初始压力或初始温度的增大而增大,峰值超压亦随着初始压力或初始温度的增大而增大。当初始压力为-0.09Mpa时,瓦斯不会发生反应。     

瓦斯爆燃火焰在波纹阻火器内淬熄特性分析

研究瓦斯爆燃火焰淬熄规律是开发防爆抑爆技术的基础。为有效抑制井下爆燃事故,探究瓦斯爆燃火焰在微细孔道内部的发展规律,以波纹型阻火器为研究对象,采用大涡模拟耦合有限速率/涡耗散模型的方法对波纹型阻火器阻火单元内甲烷/空气预混火焰的淬熄过程进行三维模拟。研究基于阻火单元内部温度和化学反应速率的瞬态特征,分析了火焰淬熄机理以及入口火焰速度和壁面温度对淬熄过程的影响。结果表明,火焰在波纹型阻火器内的传播受入口处火焰和内部燃烧化学反应的共同影响;火焰速度和内部燃烧化学反应速率都随着火焰传播距离的增长逐渐降低,但内部燃烧化学反应对火焰传播的影响逐渐占据主导。阻火器壁面对燃烧化学反应有重要影响,减小燃烧化学反应区域有利于火焰的淬熄。火焰速度和燃烧化学反应速率间存在相互促进关系。入口火焰速度越大,淬熄距离越远;随着入口火焰速度增大,影响逐渐减小,火焰淬熄距离增速减小。壁面温度的改变对化学反应速率影响较小;提高壁面温度将阻碍壁面散热,使熄灭层厚度减小。壁面温度越高,火焰淬熄距离越远;入口火焰速度越大,淬熄距离增长越明显。当壁面温度足够大时,火焰将穿过阻火器,造成阻火器失效。     

密闭管内甲烷—煤粉复合爆炸实验研究

在竖直长管内进行弱点火条件下甲烷—煤粉复合爆炸实验,研究了甲烷煤粉配比浓度、煤粉粒径、点火延迟时间等初始状态参数对复合爆炸特性的影响。结果表明:火焰传播越快,压力上升越显著,最大压力上升速率出现在爆炸初期,当火焰传播至管末端后,压力达到最大值;低浓度甲烷添加煤粉后,爆炸压力显著增大;煤粉粒径越小,复合爆炸压力越大,压力上升速率越大;最大爆炸压力和最大压力上升速率随着煤粉浓度增大和点火延迟时间增加先上升后下降,存在峰值点。     

巷道瓦斯爆炸传播规律的试验研究

为了得到巷道瓦斯爆炸时的传播规律,利用大型试验巷道对不同质量、浓度的瓦斯-空气混合物的爆炸过程及传播规律进行了试验研究,分析了瓦斯爆炸时最大爆炸压力的时空变化特征、瓦斯爆炸火焰速度变化特征、火焰波及范围变化特征等规律,得出:1)最大爆炸压力的峰值较大,且随着瓦斯量的增加,出现最大压力峰值的位置距爆源点更近;2)最大爆炸压力呈现时间随与爆源的距离增大单调增加;3)随着瓦斯量增大,火焰传播速度绝对值明显增大,火焰传播速度最大点距爆源距离减小;4)火焰区长度可达原始瓦斯积聚区长度的3～6倍,但火焰传播距离并不与瓦斯量的增加成正比.研究所得结论可为矿井瓦斯事故的预防和治理提供参考.     

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。     

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。     

瓦斯爆炸动态特性测试系统及应用

针对瓦斯爆炸火焰、温度及超压动态特性的测试要求,设计了瓦斯爆炸测试系统;对系统中的火焰形状、传播速度测试、超压测试、温度测试及同步控制等关键技术进行了深入地研究。测试系统主要由实验管道、配气系统、点火装置、火焰高速摄像、高频压力传感器及微细热电偶等组成,能够实现瓦斯爆炸过程中火焰形状及其传播速度、温度及超压等动态参数的精确测量,可满足瓦斯爆炸威力分析和灾害程度评估的数据测试需要。     

煤炭开采过程中诱发的瓦斯爆炸机理及预防措施

研究了煤炭资源开采过程中诱发的瓦斯爆炸机理及其传播过程中的动力特性,探讨了瓦斯爆炸事故的预防对策．研究结果表明：分又管路分叉点为一扰动源,会诱导附加湍流;管内设置螺旋环后,原管壁边界层遭到破坏,管壁邻近的气流经过螺旋环时,发生边界层的分离,在分离区形成涡流,使气流湍流度增加;火焰阵面进入螺旋环扰动区后,发生扭曲并产生褶皱,火焰表面积显著增加,燃烧速率增大,并相应增加了释热速率,诱导激波的产生．变断面、巷道分又及管内设置螺旋环对瓦斯爆炸过程中的火焰和爆炸渡传播具有加速作用,诱导湍流的产生,引起爆轰．防止瓦斯爆炸事故扩大的隔爆、抑爆措施的关键在于抑制湍流现象的产生．     

密闭管内甲烷－煤粉复合爆炸火焰传播规律的实验研究

在1.2 m长竖直爆炸管内对不同初始条件下的甲烷－煤粉混合物进行了弱点火火焰传播实验。分别考察了甲烷浓度、煤粉浓度、煤粉粒径以及点火延迟时间对复合爆炸火焰传播特性的影响。结果表明,煤粉的存在使得纯甲烷在空气中爆炸火焰传播速度显著增大,最大火焰传播速度出现在距离点火端0.425 m（长径比等于6）处;火焰传播至长管末端壁面后,爆炸压力达到最大值;甲烷浓度越接近化学当量比,火焰传播速度越快;火焰传播速度随煤粉浓度和点火延迟时间的变化趋势为先增大后减小,最佳煤粉浓度为500 g/m³,最佳点火延迟时间为500 ms;在一定粒径范围内,火焰传播速度随着煤粉粒径的增大而减小。     

湍流状态下竖直管道内甲烷-煤尘预混特征及爆炸过程数值模拟

为揭示管道内甲烷-煤尘预混湍流特征及爆炸火焰传播过程,构建了竖直管道内甲烷-煤尘预混扩散及爆炸物理数学模型;基于流体力学及传热-传质理论,对管道内甲烷-煤尘扩散特征和爆炸过程进行了数值模拟。划分了管道内气固两相扩散特征阶段,分析了初始真空度和进气压力对扩散湍流强度的影响规律;研究了煤尘粒径、浓度及甲烷浓度对爆炸最大压力及最大爆炸压力上升速率的影响特征;揭示了管道内甲烷-煤尘预混爆炸过程中火焰传播特征及爆炸机制。结果表明:煤尘颗粒在竖直管道罐内扩散可分为快速注入、减速分散、稳定和沉降4个连续阶段,初始真空度及进气压力对湍流强度均有影响;爆炸过程中,不同时刻下管道整体爆炸压力场基本均匀分布。甲烷浓度、煤尘浓度及粒径与最大爆炸压力P_(max)及最大爆炸压力上升速率(dP/dt)_(max)均呈现二次函数关系;不同时刻下爆炸火焰结构及火焰高度、火焰传播速度的模拟与试验结果具有较好的一致性,火焰结构呈现"月牙-S-下凹月牙-指尖"传播至爆炸结束。温度分布不均,高温区集中在管道上部和中下部。火焰传播速度先增大后减小,后期呈现震荡性特征。     

Mechanism research of gas and coal dust explosion

Combined with the experimental results from the large tunnel of the Chongqing Research Institute, the mechanism of gas and coal dust explosion was studied. Some concepts about gas and coal dust explosion were introduced such as the form condition and influential factors. Gas and coal dust explosion propagation was researched and the lifting process of coal dust was simulated. When an explosion occurred due to great mixture of gas and air, the maximum explosion pressure appeared in the neighborhood of the explosion source point. Before it propagated to the tunnel of the deposited coal dust, the maximum explosion pressure appeared to be in declining trend. Part of the energy was lost in the process of raising the deposited coal dust through a shock wave, so the maximum explosion pressure was smallest on the foreside of the deposited coal dust sector. On the deposited coal dust sector, the explosion pressure rapidly increased and dropped off after achieving the largest peak value. Because of coal dust participation in the explosion, the flame velocity rose rapidly on the deposited coal dust and achieved a basic stable value; coal dust was ignited to explode by initial laminar flame, and the laminar flame transformed into turbulent flame. The turbulence transformed the flame fold into a funnel shape and the shock wave interacted with the flame, so the combustion rate rose and the pressure wave was further enhanced. The regeneration mechanism between the flame combustion rate and the aerodynamic flowing structure achieved the final critical state for forming the detonation. Supported by the National Basic Research Program (973) (2005CB221506); National Natural Science Foundation of Chongqing (CSTC, 2007BA6018); National Key Technology R&D Program (2006ABK03B04)     

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。     

基于图像处理的管道瓦斯爆炸火焰传播速度特征

为研究瓦斯/空气预混气体爆炸火焰传播速度特征,利用瓦斯爆炸实验系统开展了9.5%体积分数下的瓦斯爆炸实验,通过高速摄影系统拍摄了爆炸火焰传播图像;分析提出了利用图像相关系数法计算瓦斯爆炸火焰传播速度的基本原理和方法,计算分析了9.5%体积分数瓦斯爆炸全过程中的火焰传播速度动态变化规律。结果表明：爆炸火焰处于加速、减速、反向传播,再加速、减速直至熄灭的过程,火焰不断震荡。进一步地对爆炸火焰进行了细化分析,通过对预处理图像进行横向和纵向的等分,计算视窗中不同部分的火焰传播速度,并与按整体计算的速度进行对比验证。利用该方法可以计算瓦斯爆炸火焰充满整个管道时的传播速度,为研究瓦斯或者其他气体爆炸火焰传播规律提供了一种新途径。     

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。     

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。     

Research on numerical emulator of mine methane and coal dust explosion

The mathematical physics model of mine methane and coal dust explosion propagation was established in the research, by using continuous phase, combustion, particulate equations of mathematical physics. Based upon the data from mine methane drainage roadway explosion, and mine methane and coal dust explosion propagation experimental studies, the numerical emulator system of mine methane and coal dust explosion software was developed by using prevalent flow simulation platform, which can be used to simulate the explosion accidents process effectively. In addition, the system can also be used to determine whether coal dust involved in the explosion, and to simulate accurately the transition from deflagration to detonation in methane explosion, propagation velocity of explosion shock, attenuation pattern, and affected area of explosion.     

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。