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。     

障碍物对瓦斯煤尘火焰传播过程影响的实验研究

对障碍物在瓦斯煤尘燃烧爆炸过程中的火焰传播规律进行了实验研究,结果表明:障碍物对火焰的传播速度具有重要的影响。有障碍物存在时,火焰传播速度将迅速提高,且随着障碍物的数量和特征尺寸的增大,火焰的传播速度也将迅速提高。在沿火焰传播的通道上设置障碍物,对气相火焰的加速作用机理可归功于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈。瓦斯浓度对火焰传播速度也同样具有重要的影响,对于同一特征尺寸的障碍物,瓦斯浓度越接近化学计量比,障碍物对火焰的加速作用越显著。     

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。     

障碍物对瓦斯火焰传播过程的影响

该文对存在障碍物的瓦斯爆炸过程中的火焰传播规律进行了研究,结果表明:障碍物对火焰的传播速度具有重要影响。有障碍物存在时,火焰传播速度将迅速提高,且随着障碍物数量的增加,火焰的传播速度也将迅速增加。在沿火焰传播的通道上设置障碍物,对气相火焰的加速作用机理可归功于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈。     

障碍物和阻塞比对瓦斯爆炸影响的数值模拟

瓦斯爆炸是煤矿开采过程中时有发生的严重事故,研究表明障碍物对瓦斯爆炸传播有很大影响。采用数值模拟的手段分析研究了障碍物的个数和阻塞比对瓦斯爆炸的影响。首先建立瓦斯爆炸数值计算模型,并参照试验数据,验证采用模型的正确性。采用该模型对不同阻塞比和不同障碍物个数对瓦斯爆炸的影响进行对比分析,分析这些因素对瓦斯爆炸火焰、压力和温度产生的影响。研究结果认为障碍物的存在增大火焰传播速度,并且障碍物的个数和阻塞比的大小对火焰传播速度有很大影响。     

磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播的作用

在实验的基础上研究了磁场对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响，研究结果表明：磁场对瓦斯爆炸火焰传播速度影响非常明显，在磁场中瓦斯爆炸火焰传播速度比光滑管道有大幅提高，而且随着磁场强度的增加，影响程度增强。     

管道内气体爆炸时火焰传播湍流因子的研究

火焰的最大传播速度对于可燃气体爆炸产生的峰值压力有着重要的影响。在已有文献试验数据的基础上,考虑管道内火焰阵面自湍流效应、管道壁面约束和内部障碍物等因素的影响,分析各影响因素引发的火焰速度加速机理,引入湍流因子考虑爆燃火焰传播速度的湍流效应,提出确定管道内部气体爆燃火焰最大传播速度的简化确定方法。通过与试验数据对比证明了该方法适用性,发现在适用范围内该方法与试验值吻合较好,证明了湍流因子在实际计算中的准确性。湍流因子的确定为工程应用中评测火焰最大速度提供了便利。     

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。     

瓦斯爆炸火焰波与冲击波伴生关系的实验研究

在煤矿瓦斯爆炸过程中,爆炸火焰和冲击波是决定事故危害程度的2个主要因素。作者设计了氢氧引爆甲烷-空气爆炸的实验方案,对高速瓦斯爆炸参数的变化特征进行了研究。通过实验测试瓦斯爆炸传播阶段的火焰和压力状态,研究瓦斯爆燃火焰波与冲击波的形成过程及其特性。研究表明,在瓦斯爆炸火焰传播过程中,湍流效应是加速火焰传播和伴生冲击波的重要因素;爆炸火焰的传播速度直接影响着爆炸冲击波的生成和加强程度。依据实验研究结果,提出了一些防治煤矿瓦斯爆炸的建议。     

弯管对瓦斯爆炸的影响研究

为了预防和降低瓦斯爆炸事故造成的危害,利用自制的水平管道式可燃气体-粉尘爆炸装置模拟矿井巷道,通过改变弯管的角度及位置,研究瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的变化规律。结果表明:弯管对瓦斯爆炸具有显著影响,使得最大爆炸压力增大,火焰传播速度加速。弯管角度对瓦斯爆炸影响不同,45°弯管影响最小,90°弯管影响最大。     

障碍物与煤尘对气体火焰传播过程影响的实验研究

本文对障碍物和煤尘对瓦斯燃烧过程中火焰速度的影响进行了实验研究。结果表明,障碍物和煤尘对管内火焰有明显的加速作用,在有障碍物和煤尘存在时,气体火焰沿管道传播的特征与管道封闭状态有关,从封闭端传向开口端的火焰速度比开口端传向封闭端的火焰速度大得多。障碍物的特征尺寸越大,火焰加速效果越显著。     

障碍物对瓦斯爆炸火焰结构及火焰传播影响的研究

通过高速摄影与纹影方法从细观角度研究了网状障碍物对管道内瓦斯爆炸火焰细微结构的影响，以及火焰加速机理，并进行了数值模拟。实验与理论分析表明，障碍物的存在引起火焰前锋褶皱度增大，提高了火焰前方未燃气体以及火焰内部流场的湍流强度，促进了火焰加速。     

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。     

内铺煤粉方管内瓦斯预混火焰传播特性

为了研究煤粉对管内瓦斯预混火焰传播过程的影响,选用典型煤粉试样将其均匀铺于截面100 mm×100 mm、长1.5 m的有机玻璃方管底部,采用高速摄像机/光电传感器、微细热电偶、压力传感器等测试得到了管内瓦斯火焰传播过程中火焰传播速度、火焰瞬态温度、燃烧压力等参数,并初步分析了煤粉影响瓦斯火焰传播的机制。结果表明：有煤粉时火焰传播速度有所增加,但燃烧反应持续时间明显增长;内铺煤粉时管内火焰温度的半峰宽度增加,测点处瞬态温度曲线呈现出较为明显的“双峰”结构,说明活性的煤粉与瓦斯火焰形成瓦斯-煤粉复合火焰;有无煤粉时燃烧压力峰值差别不大,但有煤粉时压力波脉冲宽度增加。     

瓦斯爆燃火焰在狭缝中的动态传播及淬熄特性

为研究狭缝对瓦斯爆燃火焰的阻燃机理,在单步不可逆化学反应和EBU-Arrhenius燃烧模型基础上,对不同火焰初始速度和狭缝间距的瓦斯爆燃火焰动态传播规律及淬熄特性进行数值模拟。数值结果表明,在火焰初始速度小于167 m/s且狭缝间距小于1.2 mm条件下,瓦斯爆燃火焰在狭缝中均有可能发生淬熄。淬熄距离与火焰初始速度及狭缝间距有关,即初始火焰速度或狭缝间距越小,淬熄距离将随之减小,火焰越容易被阻燃。实验验证表明,数值模拟结果与实验数据吻合较好,但是当火焰初始速度增大时计算误差随之增大,其原因是由于湍流强度增大使淬熄温度发生变化。     

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。     

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。     

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。