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。     

工业容器气体泄爆实验研究

为了给降低受限空间爆炸事故的发生率提供依据,揭示约束条件下甲烷-空气预混气体爆炸动力学过程,研究气体爆炸时压力与速度相互作用的规律,利用小尺寸爆炸实验平台,采用唯象法捕捉气体爆炸过程中的动态影像,宏观上揭示火焰传播的变化特征,并利用高速摄影、纹影系统直观地记录火焰传播的瞬态过程以及层流向湍流转变的过程。通过实验研究了不同泄压口比率和不同泄压膜强度时的泄爆规律。实验数据表明,受限环境中爆炸压力不仅决定火焰的传播速度,还影响火焰的结构变化。     

障碍物排列方式对甲烷/空气爆炸特性影响研究

为了研究煤矿井下设备尺寸及安装位置对瓦斯爆炸特性的影响,利用自行搭建的小型瓦斯爆炸实验平台开展了不同阻塞率障碍物在管道内位置的变化对甲烷/空气混合气体爆炸特性影响的研究。结果表明,在阻塞率相同时,到达管道末端的时间随着障碍物距离点火源位置的减小而减小,障碍物距离点火源越近、阻塞率越大,火焰到达管道末端的时间越短,障碍物对传播火焰前期的影响要大于对传播火焰后期的影响;随着距离点火源位置的增加,不同阻塞率的障碍物对爆炸压力峰值呈现先增大后减小的变化规律,障碍物的位置在距离点火源400 mm时,爆燃压力峰值达到最大;在相同管道位置下,爆炸压力峰值随着障碍物的阻塞率的增加而增加。研究结果可为井下设备设计及安装位置提供理论支撑。     

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。     

含弱约束结构受限空间甲烷爆炸及传播特征实验研究

为研究含弱约束受限空间内甲烷爆炸压力升高及沿扩散管的传播特征,对不同体积分数甲烷的爆炸特征参数进行了系列实验。获得了含弱约束结构受限空间在不同浓度甲烷爆炸时的压力升高规律,研究表明,含弱约束受限空间内的甲烷爆炸压力升高趋势类似封闭空间,但压力峰值远小于封闭空间,封闭空间最大压力是含弱约束结构空间的3.2倍。由于若约束结构的存在,甲烷体积分数较低时破膜压力较大,腔体内高压持续时间较短,而接近爆炸当量浓度时腔体内高压持续时间增长。扩散管中的爆炸压力和火焰传播规律随甲烷体积分数变化呈现明显不同。在实验条件下,当甲烷体积分数低于7.0%时,破膜激波与火焰锋面时间差最大为5.255 ms,扩散管中的火焰主要为膨胀火焰。而甲烷体积分数高于7.4%时,破膜激波与火焰锋面时间差为28~40 ms,说明在管外发生了二次爆炸,以湍流火焰为主。爆炸压力的沿管道传播则分为3种情况,甲烷体积分数低于7.0%时,爆炸压力随传播距离增大而减小;甲烷体积分数为7.4%和11.0%时,爆炸压力随传播距离增大呈线性增大;甲烷浓度为当量浓度时,其压力传播特征类似于全管道甲烷爆炸的特征,随传播距离呈现锯齿形增大。实验结论对天然气长输管道、LNG和CNG储罐检修过程中的爆炸事故预防和含弱约束结构的其他气体泄爆具有参考意义。     

Experimental study on gas explosion suppression based on ferrocene

In order to study the gas explosion suppression performance based on ferrocene, the self-constructed experimental facility was used to accomplish the experiment of gas explosion suppression. By means of thermogravimetric analysis, the thermal characteristics of ferrocene have been gotten and the gas explosion suppression mechanism of ferrocene has been analyzed. The results show that ferrocene had good effects on gas explosion suppression, and the explosion pressure and flame propagation speed declined obviously. When ferrocene concentration is 0.08 g/L and methane volume concentration is 9.5%, the maximum explosion overpressure and maximum flame propagation speed of methane-air respectively decreased by about 59.5% and 19.6%, respectively. TG and DSC curves showed that the mass loss of ferrocene consists of two processes, which are sublimation and lattice fracture. The temperature of mass loss ranged from 128 °C to 230 °C. The results showed profoundly theoretical significance to gas explosion suppression by ferrocene in coal mines.     

水平管道中立体障碍物对瓦斯爆炸特性的影响

为分析立体障碍物对甲烷爆炸特性的影响,在水平管道中设置了不同形状的立体障碍物,测试并分析管内甲烷爆炸过程中火焰传播速度、最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率的变化。结果表明:立体障碍物存在条件下火焰传播速度、最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率都显著升高,尤以火焰传播速度的增加较为明显。且随着障碍物阻塞率的增加,甲烷爆炸特性随之增强。在阻塞比相同的情况下,直角三棱柱的影响最为显著,斜三棱柱居次,长方体强于圆柱体,螺旋形障碍物影响规律不稳定。     

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。     

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。     

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。     

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。     

超细活性及惰性粉体对甲烷/空气预混物层流火焰传播的影响

开展了施加超细惰性SiO_2及活性NaHCO_3粉体对甲烷/空气预混物爆炸层流火焰传播影响的研究,利用高速摄像及纹影系统为主要手段,探究了火焰微观结构及全程火焰传播速度的变化,以及爆炸压力增长进程等参数的变化趋势。结果表明,添加少量SiO_2超细粉体后,火焰传播得以强化,粉体施加量为50 g/m~3量级时,火焰传播速度增长近1倍,提高粉体浓度,其物理作用的抑制效能方能逐步体现,粉体施加量提高到150 g/m~3时,对火焰扰动导致的燃烧强化与吸热抑制作用可相抵消。而施加超细NaHCO_3粉体后,传播速度得以明显抑制,火焰阵面被分割成蜂窝状,抑制程度与施加量成正比,当NaHCO_3的质量浓度达到150 g/m~3时,能够将爆炸火焰完全抑制。施加超细NaHCO_3粉体后,爆炸压力的增长进程明显减缓,而施加超细惰性SiO_2对爆炸压力的抑制效能并不显著。     

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。     

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。     

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。     

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。     

二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究

为了研究受限空间内二氧化碳-超细水雾对甲烷爆炸的影响,通过自行设计的120mm×120mm×840mm半封闭透明的甲烷爆炸实验台,开展不同气雾比二氧化碳-超细水雾对化学当量比甲烷-空气预混气体的抑爆研究。实验结果表明：二氧化碳和超细水雾结合的抑爆效果要优于单独使用任何一种抑制剂效果之和;CO2体积分数一定的情况下,甲烷气体的爆炸压力、压升速率和爆炸火焰的传播速度均随着超细水雾体积量的增加而明显减小。当单独加入体积分数为2%CO2和1.4mL超细水雾时,两种工况下压力峰值下降之和为72.3mbar;而在两者共同作用下,9.5%甲烷爆炸的超压峰值下降了92.95mbar,说明二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应。     

管道中煤尘爆炸特性实验

在长度为32.4 m、内径为199 mm的圆形管道中采用强点火方式对甲烷-空气混合物及甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压传播规律及爆速进行了研究。研究结果表明：强点火条件下甲烷－空气混合物的最大爆压和爆速分别为4 MPa、1 766 m/s,在标准状态瓦斯爆炸极限浓度外2.5%、4.1%、15.2%时也出现稳定爆轰。相同浓度甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压及爆速要大于甲烷-空气、煤尘-空气混合物,甲烷-煤尘-空气混合物在爆炸当量浓度时,随着煤尘浓度越大,瓦斯浓度越小,爆炸超压和爆速越小。     

绝热巷道内瓦斯爆炸火焰和爆炸波传播特性

通过建立长为4 m、断面尺寸为80 mm×80 mm的绝热巷道,运用AutoReaGas软件研究了9.5%浓度的甲烷/空气预混气体的爆炸特性。研究结果表明:在距离点火源1.2 m之前,前驱冲击波尚未形成,超压历史曲线只有1个极值;在距离点火源1.4 m之后,前驱冲击波和火焰锋面分别形成2个超压极值。最大超压随着距离的增大先逐渐减小至最小值160.459 kPa,随后开始增大,直至达到最大值204.235 kPa,接着又开始减小。火焰传播速度在距离点火源0.72 m时为212.5 m/s,随着传播距离的增加而逐渐增大,到距离点火源3.2 m处增加到381.3 m/s。     

矿井瓦斯爆炸火焰传播试验研究

通过数值模拟与实际试验,研究了瓦斯爆炸火焰在管道内传播的结构变化特性及其相应的传播规律.研究结果表明:数值模拟结果与试验结果走向基本一致,火焰传播速度随着距离爆源距离的增大,呈现出先增大后减小的规律.