瓦斯爆炸火焰传播的研究进展

瓦斯爆炸是煤矿最为严重的灾害事故之一,为了有效的预防瓦斯爆炸事故的发生,有必要对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律进行研究。对瓦斯爆炸火焰传播规律及其影响因素的研究现状和存在的问题进行了分析,概括出目前瓦斯爆炸火焰传播规律及其影响因素的研究成果,并对瓦斯爆炸火焰传播的研究发展方向进行展望,旨在为我国煤矿瓦斯爆炸事故的防治提供决策和依据。     

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。     

原尺度煤矿掘进工作面瓦斯爆炸仿真研究

为研究真实尺度下煤矿掘进工作面瓦斯爆炸冲击波和火焰的传播规律，利用气体爆炸数值仿真软件建立了不同尺度的掘进巷道模型，研究预混瓦斯体积分数、预混瓦斯长度和巷道空间特征对掘进工作面瓦斯爆炸冲击波超压和火焰传播的影响规律。研究表明：原尺度下掘进工作面瓦斯爆炸的最大超压可达180～630 kPa，巷道截面约束度和预混瓦斯量是掘进工作面瓦斯爆炸压力和火焰作用范围的重要控制因素，火焰高速传播的阻力会导致火焰扩散变慢，并最终使火焰膨胀比趋于定值。     

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。     

瓦斯爆炸冲击波的动力学规律及数值模拟研究

煤矿瓦斯爆炸极具破坏性,抑防瓦斯爆炸对煤矿安全生产的重要性不言而喻。利用一些基本假设,对瓦斯爆炸产生的冲击波的传播规律进行了分析研究。推导出强、弱冲击波传播过程中波阵面参数之间的关系式。同时,推导出瓦斯爆炸过程中形成的柱面冲击波超压等参数随距离传播和衰减规律。通过理论计算数据和数值模拟数据对比研究和对照分析,总体上数据之间的吻合程度较好。     

管内瓦斯爆炸火焰加速机理分析

在对管内瓦斯爆炸传播机理分析的基础上,对管内瓦斯爆炸传播火焰加速机理进行了分析。在瓦斯爆炸传播过程中,火焰传播有各种加速机理,具体哪种机理对瓦斯爆炸传播起主导作用,取决于加速时间和距离长短等因素,并与管道具体情况有关,即各种机理在具体实验条件下的发展程度,从而取决于各因素所起作用的大小。     

煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测北大核心

运用爆炸相似理论,在无限空间中炸药爆炸冲击波的超压规律基础上,考虑瓦斯浓度、巷道截面积、冲击波传播距离、混合物体积等因素,建立了煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测模型。根据一定的实验数据,拟合出超压与瓦斯浓度、冲击波传播距离,以及与瓦斯—空气混合物体积之间的关系。通过实例对该模型进行验证,结果表明模型预测数据与实验数据比较吻合。     

煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测

运用爆炸相似理论,在无限空间中炸药爆炸冲击波的超压规律基础上,考虑瓦斯浓度、巷道截面积、冲击波传播距离、混合物体积等因素,建立了煤矿掘进巷道内瓦斯爆炸冲击波的超压预测模型。根据一定的实验数据,拟合出超压与瓦斯浓度、冲击波传播距离,以及与瓦斯—空气混合物体积之间的关系。通过实例对该模型进行验证,结果表明模型预测数据与实验数据比较吻合。     

磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的影响

在实验的基础上研究了磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的影响。研究结果表明，磁场对瓦斯爆炸过程影响非常明显，加磁场后瓦斯爆炸火焰传播速度辛口爆炸渡超压均比光滑管道有大幅提高，而且随着磁场强度的增加，影响程度加强。基于磁场对瓦斯爆炸传播特性的实验结论，从理论上分析了磁场对瓦斯爆炸的影响，并对实验现象做出了合理的解释。     

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.     

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。     

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)     

Experimental study and theoretical analysis on the effect of electric field on gas explosion and its propagation

The effect of the electric field with different intensity on explosion wave pressure and flame propagation velocity of gas explosion was experimentally studied, and the effect of electric field on gas explosion and its propagation was theoretically analyzed from heat transportation, mass transportation, and reaction process of gas explosion. The results show that the electric field can affect gas explosion by enhancing explosion intensity and explosion pressure, thus increasing flame velocity. The electric field can offer energy to the gas explosion reaction; the effect of the electric field on gas explosion increases with the increase of electric field intensity. The electric field can increase mass transfer action, heat transfer action, convection effects, diffusion coefficient, and the reaction system entropy, which make the turbulence of gas explosion in electric field increase; therefore, the electric field can improve flame combustion velocity and flame propagation velocity, release more energy, increase shock wave energy, and then promote the gas explosion and its propagation.     

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。     

瓦斯爆炸燃烧波与冲击波相互关系及影响研究

瓦斯被点燃发生爆炸后,燃烧产物膨胀,火焰阵面前形成冲击波,压缩未反应的混合物,这种冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛,形成了较大的附加压缩,其最终的流场性质从冲击波到火焰是逐渐增加的。冲击波作用产生的涡旋造成燃烧火焰的严重变形以及火焰破碎和湍流燃烧都将极大提高燃烧及扩展速率,从而改变燃烧、爆炸过程。冲击波在衰减前与燃烧波是伴生的,燃烧波的存在为燃烧波、冲击波的传播提供了加速的能量。反应完结后燃烧波消失,不在为爆炸冲击波提供传播的能量,冲击波在内摩擦、壁面吸热及摩擦的作用下开始衰减。燃烧波与冲击波在传播过程中存在着相互作用、相互加速的正反馈机制,使得瓦斯爆炸后冲击波的破坏效应十分显著;火焰传播速度越大,冲击波阵面到火焰阵面之间面积收敛越急剧,超压值就越大,引起的破坏效应越大。     

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。     

瓦斯输送管道爆炸自动喷粉抑爆技术

通过论述自动喷粉抑爆技术原理及构成,分析总结瓦斯管道爆炸传播规律,得出自动喷粉抑爆技术抑爆效果主要取决于装备相应时间、干粉浓度粒度及NH4H2PO4质量分数。在DN500爆炸试验管道进行瓦斯管道爆炸传播试验和抑爆试验研究自动喷粉抑爆装置抑爆效果,抑爆器动作后,爆炸火焰在抑爆器后3.5 m内被扑灭,爆炸冲击波在爆炸火焰被扑灭后,不断衰减,最终消失。试验表明:自动喷粉抑爆技术能够有效的抑制瓦斯爆炸。     

瓦斯爆炸动力学特征参数的测定及其分析

在实验的基础上，研究了瓦斯爆炸过程中的动力学特征参数及其影响作用，其中主要包括火焰与超压、火焰与爆炸波之间的相互关系，障碍物对火焰、爆炸波传播的影响。研究结果表明，瓦斯在爆炸的过程中，超压与火焰的速度有关，爆炸波在火焰前言，其传播速度明显高于火焰，爆炸波与火焰之间的时间差不仅和位置有关，而且还和障碍物的数量有关。障碍物对爆炸波和火焰的传播具有加速作用，爆炸波和火焰传播规律可表示为T＝mL/D＋b，回归所得到的相关系数r＞0.9，回归曲的结果是显著的。随着障碍物的增多，火焰和爆炸波传播规律的线性度降低，非线性度增大。研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸的威力具有重要作用。     

煤尘爆炸传播特性的实验研究

用实验方法,在长1.5 m、直径0.3 m的爆炸腔体与80 mm×80 mm方形断面管道对接的实验装置中进行煤尘爆炸传播特性研究。研究结果表明,爆炸火焰区传播距离远大于原始煤尘积聚区长度,爆炸传播过程中各测点冲击波压力出现先“升”后“降”变化,冲击气流衰减变化与爆炸煤尘量和断面有关,爆炸毒害气体并非一开始就扩散传播,而是在动压作用下冲击一段距离后开始扩散,可能存在膨胀极限区。