管道内瓦斯爆炸冲击作用特性数值模拟研究

为了掌握管道内瓦斯爆炸冲击作用特性,利用ANSYS/LS-DYNA对浓度为9.5%,填充长度为5 m的瓦斯在管道内爆炸产生冲击作用进行了数值模拟,分析了耦合效应对管道内瓦斯爆炸流场和冲击波超压的影响.研究结果表明:瓦斯爆炸瞬间,管道内坐标分别为A(0,0,2),B(0,0,4)测点的压力瞬间达到峰值,之后测点A,B的压力逐渐减小直至趋近于某一稳定值.而初始压力为大气压的测点C(0,0,6),D(0,0,8),E(0,0,10)依次达到超压峰值后逐渐地衰减趋近于大气压力.因此,在耦合和解耦合的2种情况下,不同测点的超压时程曲线走势基本一致.在解耦合条件下,管道轴向同心环等压线以均匀圆环的形式向开口方向传播;在耦合条件下,管道轴向同心环等压线以紊乱的等压线分布形式向开口端传播.因此,瓦斯爆炸流固耦合效应对冲击波等压线的分布有一定的影响,即改变流场分布.     

空腔长度对瓦斯爆炸冲击波传播影响研究

通过自行搭建的管径为200 mm、长度为36 m大型圆管瓦斯爆炸试验系统,在量纲分析基础上开展了附设长径比分别为1.5,2.5和4这3种不同单一空腔条件下瓦斯爆炸传播特性试验研究。结果表明:空腔消减整体火焰锋面能力与长径比呈正相关关系,且同时会增加二次火焰,但二次火焰增加量随长径比增加而逐渐减少,其中长径比为4时火焰锋面衰减因子为0.091且二次火焰消失;峰值超压衰减因子与空腔长径比符合指数函数关系,且存在临界长径比,当长径比大于临界长径比时,空腔对峰值超压具有明显消减作用,其中长径比为4时峰值超压衰减因子为0.696;不同长径比空腔对超压冲量均呈增强作用,只是随长径比增加,超压冲量增强幅度有所减小,根据超压-冲量准则,若单一空腔能将峰值超压降低至临界超压以下,则有抑爆效果,否则对瓦斯爆炸冲击波没有明显消减作用。     

巷道瓦斯煤尘爆炸环流压力与反射压力研究

为确定巷道内瓦斯煤尘爆炸环流压力与反射压力的大小,采用爆炸力学理论分析和试验方法,在试验管道和大型试验巷道内测试环流压力与反射压力强度的变化规律。理论分析表明,极弱冲击波环流压力大约比反射压力小一半;极强冲击波反射超压是环流超压的8~23倍。实验结果表明,理论计算值与实验值基本吻合,冲击波固壁反射峰值超压作用于相对传播方向垂直固定物体上的伤害效应远大于水平方向,揭示了反射超压是井下爆炸事故引起财产和人员严重破坏及伤害的原因。     

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。     

瓦斯爆炸过程中冲击波瞬时传播规律研究

为了研究瓦斯爆炸过程中的冲击波变化规律,采用了AutoReaGas软件模拟了冲击波超压和冲击波瞬态流速的变化规律。研究结果表明:超压的波形可分为3个部分,而瞬态流速作为气体运动的直观表现,通常具有4个部分;利用最小二乘法,建立了首次流速峰值与超压的一次线性关系,给出了本次试验条件下的预测方程。     

掘进巷道内瓦斯爆炸传播规律

针对矿井瓦斯安全现状的变化,借助管径0.1 m×0.1 m、管长20 m的实验管道模拟研究了掘进巷道内瓦斯爆炸的传播规律。研究结果表明:掘进巷道内局部瓦斯超限爆炸后,火焰传播速度会先增长后衰减,最大爆炸超压峰值沿传播方向上呈现"双凹形"的分布规律,最大爆炸超压峰值和火焰传播速度的相互关系可分为4段。     

壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的作用

在试验的基础上,研究了瓦斯爆炸过程中壁面粗糙度对火焰传播速度和超压的影响。研究结果表明:壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程影响非常明显,粗糙管道的火焰速度和超压均比光滑管道有大幅提高,得出了不同粗糙度时火焰速度峰值和压力波超压峰值的变化规律。     

基于Simtec的近球体瓦斯爆炸数值模拟

为了研究瓦斯爆炸过程中压力、温度等参数变化规律,利用Simtec软件并基于大涡模型模拟研究了壁面辐射系数分别为0.9、0.1条件下密闭近球体容器中甲烷体积分数为6%~14%时的预混气体爆炸过程,并将模拟结果与已发表的实验结果进行对比。结果表明:当壁面辐射系数为0.1时,模拟结果与实验结果吻合性较好;爆炸压力、温度先迅速增高而后下降,其中温度震荡缓慢下降;最大爆炸超压和最大压力上升速率在峰值左侧呈正相关关系,在峰值右侧呈负相关关系。     

管廊燃气爆炸载荷特征及作用效应研究

管廊燃气爆炸效应严重危及城市发展和社会生活稳定,研究燃气爆炸冲击波荷载特征及作用效应对管廊结构优化设计具有重要指导价值。设计开展了城市管廊燃气爆炸相似模型试验研究,分析了不同甲烷浓度情况下燃气爆炸冲击波时程曲线与压力分布特征。理论推导了燃气爆炸荷载作用下结构顶板位移响应峰值计算公式,并结合模型试验结果和数值仿真结果对位移响应理论计算结果进行了验证。结果表明：甲烷浓度为9.5%时,燃气爆炸超压峰值高于10%浓度,在此情况下,超压峰值大小取决于燃气爆炸时的浓度条件;在试验条件下燃气爆炸超压时程曲线升压时长为500～700 ms,超压作用时间约1 500 ms,爆炸超压作用时间与模型大小有直接关系;仓内各测点超压峰值分布均匀,可近似看作时变均布荷载。研究结果反映出,理论推导给出的顶板位移响应计算公式切实有效,可用于计算燃气爆炸荷载作用下的顶板最大位移值。     

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。     

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。     

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。     

障碍物对泡沫金属阻抑瓦斯爆炸影响的试验研究

泡沫铁镍金属具有阻隔瓦斯爆炸作用,为研究煤矿井下障碍物对泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸效果的影响,利用瓦斯煤尘爆炸系统,对阻塞率15%、25%、40%,1层、3层、5层障碍物进行阻抑对比试验。试验结果表明:在放置障碍物后,泡沫铁镍金属在管道内对瓦斯爆炸超压、火焰速度阻抑作用降低;对瓦斯爆炸超压阻抑作用降低更明显,在放置5层、阻塞率25%障碍物和5层、阻塞率40%障碍物时,泡沫铁镍金属失去在管道内对瓦斯爆炸超压阻抑作用。障碍物阻塞率和层数是影响泡沫铁镍金属阻抑瓦斯爆炸效果的2个因素,定义了阻塞率和层数的乘积为障碍物影响极限,得到当障碍物影响极限值达到125%及以上时,泡沫铁镍金属失去在管道内对瓦斯爆炸超压阻抑作用。     

管道内瓦斯非均匀预混火焰传播特性实验研究

在实际矿井下,瓦斯泄漏后往往在巷道密闭空间内形成分层的、含体积分数梯度的甲烷-空气混合物。目前,国内外研究大多集中在均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性方面。为探究非均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性,通过自主搭建的小尺寸爆炸实验平台,对比研究了管道内甲烷不同自由扩散时间下,甲烷沿管道体积分数梯度分布及非均匀预混甲烷/空气爆炸火焰传播特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷体积分数分布、火焰传播结构、甲烷爆炸超压等数据,并进一步分析得出火焰传播速度、爆炸压升曲线等。结果表明:甲烷在管道内泄漏后,受浮力作用沿管道顶部横向传播,同时受体积分数差向底部纵向扩散,形成横向及纵向的体积分数梯度场,且自由扩散时间越短,体积分数梯度越大。体积分数梯度场对管道内非均匀甲烷爆炸火焰传播结构与爆炸超压有显著影响。甲烷体积分数梯度场下形成的非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰4个阶段。当甲烷沿管道形成纵向体积分数梯度时,管道内出现三重火焰,且体积分数梯度越大,三重火焰结构愈发明显,三重火焰形态出现后,火焰传播速度、爆炸超压迅速下降,管道内甲烷纵向...     

高压瓦斯泄放自燃实验研究

自行设计和搭建高压瓦斯泄放自燃实验平台,研究了高压瓦斯泄放自燃的发生条件及自燃时喷口射流火焰的传播规律。实验装置及测试系统由高压储瓦斯和输送系统、数据采集与测量系统、爆破片夹持系统和下游管道释放系统等设备组成。由实验得到,在一定泄放初始压力和下游释放管道长度条件下,高压瓦斯泄放到大气过程中会引发自燃现象;且在下游管道长度较短时,只有当泄放初压较高时才能引发自燃,而当下游管道长度增长时,发生自燃时的泄放初压会随之下降。高压瓦斯泄放自燃时,下游管道喷口射流火焰随其传播距离的增大,火焰及激波能量不断衰减,激波速度及其超压值也随之不断减小,然而激波超压峰值减幅逐渐缩小。     

多孔介质对瓦斯爆炸火焰传播速度和压力的影响

为有效减少煤炭生产过程中瓦斯爆炸冲击波造成的重大伤亡,建立了瓦斯爆炸数学和物理模型,采用了CFD流体动力学软件,对受限空间内瓦斯爆炸过程进行数值模拟,得到了管道内多孔介质厚度一定时,随着长度的变化,速度与长度、压力与长度等之间的关系。     

爆破引起的空气超压

空气超压的产生空气超压是从爆破现场以压力波的形式通过大气传递的能量。当压力波经过一定空间时,在这点的空气压力迅速上升到高于周围的环境压力,然后较缓慢地下降到低于环境压力的某一值,经过一连串振荡以后(见图1),再回复到环境压力值.在这示波图中最大超压就是空气超压的峰值。该值可用磅/英寸~2或分贝表示。     

不同浓度情况下管道瓦斯爆炸压力传播规律研究

在DN700mm试验管道中进行了不同浓度瓦斯爆炸压力波传播试验。从中可以看出,爆炸压力峰值与传播距离呈三次函数关系;瓦斯浓度对爆炸压力峰值影响较大,当测点距离一定时,压力峰值与浓度成二次函数关系。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制定奠定理论基础,同时,为煤矿瓦斯爆炸事故调查分析提供理论依据。     

立体结构障碍物的不同放置方式对甲烷预混火焰传播的影响

分别就长方体、三棱柱和圆柱3种立体结构障碍物的不同放置方式,对甲烷预混火焰在管道内传播的速度和超压的影响进行了研究。研究结果表明：不同立体结构障碍物的放置方式对火焰传播速度和超压的影响程度不同。对于火焰传播速度,长方体影响较小,三棱柱和圆柱影响较大。对于管道中峰值超压,不同放置方式之间导致的差异不大,在33%范围内。对于同一阻塞比立体结构障碍物,当放置于管道中,火焰经过的障碍物表面面积越大,对火焰传播速度和管道超压影响也越大。当障碍物使流通管道分叉时,对火焰传播影响将更大。对于同一立体结构障碍物,火焰传播速度越快,其导致的管道超压也越大,而不同立体结构障碍物火焰传播速度和超压之间没有必然联系。     

瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的传播特性

针对一般空气区从实验和数值模拟两方面对瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的传播特性进行了研究。通过实验研究发现了一般空气区瓦斯爆炸冲击波超压衰减系数在管道不同拐弯角度情况下与冲击波初始超压以及管道拐弯角度有关系,并确立了相互之间的关系式。通过数值实验计算分析了一般空气区瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的超压变化规律,得出了瓦斯爆炸冲击波在管道拐弯情况下的压力分布情况。将模拟结果和试验结果进行对比分析,验证了数值模拟结果的可靠性。