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。     

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。     

地面放空管道内瓦斯爆炸传播特性研究

为研究地面放空管道内瓦斯爆炸的转播特性,模拟地面放空管道内瓦斯的爆炸环境,对管道内气体的爆炸极限、爆炸压力和爆炸火焰传播速度等进行实验分析。结果表明,在实验管道内,爆炸冲击波冲量在爆炸初期逐渐增大,达到最大值后,又逐渐减小,在靠近实验管道开口位置,冲量又突然增大。爆炸压力随实验管道的延长而增大,在靠近实验管道的开口端达到最大值。瓦斯浓度低于9%时,爆炸火焰传播速度随浓度降低而减小;瓦斯浓度高于11%时,火焰传播速度随浓度增大而减小。     

矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律

为了揭示矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律,减小矿井瓦斯爆炸事故造成的大量人员伤亡,为矿山应急救援提供理论支撑,描述了矿井瓦斯爆炸现象,分析了毒害气体扩散传播基本过程,提出井下瓦斯爆炸生成的毒害气体传播过程按时间顺序可分为3个阶段：① 瓦斯与空气的预混气体燃烧生成的毒害气体在火焰作用下的传播过程;② 瓦斯爆炸生成的高浓度毒害气体在无风巷道和微风巷道中的扩散过程;③ 毒害气体在一定风速通风网络中的传播过程.根据瓦斯爆炸和毒害气体传播的3个过程,初步分析了矿井瓦斯爆炸火焰对瓦斯爆炸产生的毒害气体传播的影响,建立了毒害气体在无风和微风巷道扩散的数学模型及毒害气体在通风网络中传播的数学模型,并在实际巷道中进行了试验研究,模型计算与实验数据相近.     

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。     

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。     

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。     

瓦斯爆炸过程中的流体力学行为

实验研究了瓦斯爆炸过程中壁面粗糙度和管道截面积突变这2种因素所引起爆炸流场改变对火焰传播和爆炸波的影响：爆炸火焰速度由壁面粗糙度为2 mm时的275.1 m/s急剧增加到壁面粗糙度为4 mm时的580.26 m/s, 然后又下降到粗糙度为6 mm时的369.05 m/s;管道截面积突然扩大或缩小均引起爆炸火焰速度迅速增加,火焰速度由L/D=16时的15.2 m/s增加到L/D=165时的1 287.7 m/s.理论分析了由紊流导致的火焰速度变化在这2种工况变化管路中的不同表现以及爆炸过程中的紊流、激波、摩擦管流及拉瓦尔喷管效应等流体力学行为.研究结果表明: 由壁面粗糙度及管道截面积变化导致的紊流会使火焰传播速度大幅上升,但紊流只是诱导火焰加速的一个次要因素,由于管道截面积突变引起的拉瓦尔喷管效应是导致火焰加速、加剧瓦斯爆炸烈度的根本原因.     

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。     

管道内瓦斯爆炸传播规律的数值模拟研究

基于燃烧、爆炸及其空气动力学理论,叙述了管道内瓦斯爆炸的数学物理模型,借助流体动力学软件Fluent对均匀充满9.5%浓度瓦斯气体的18m×200mm二维管道进行了数值模拟研究,得到爆炸反应过程中各特征参数的变化情况,并对瓦斯爆炸火焰发展及传播规律进行了分析,可以直观地观察到瓦斯爆炸火焰初期、发展、加速及其后期爆炸结束整个过程的变化情况,为瓦斯爆炸传播过程分析及瓦斯爆炸事故预防和后果分析提供了一定的参考作用.     

半封闭空间瓦斯由燃烧转为爆炸过程的动力学分析

以瓦斯爆炸初期火焰传播速度与化学反应速率的关系为基础,实验研究半封闭空间瓦斯爆炸初期的火焰传播动力学过程。分析得出：瓦斯爆炸初期反应速率常数与爆炸传播速度的平方成正比;瓦斯从开始反应到爆炸的动力学过程主要受化学反应速率的影响。瓦斯爆炸初期火焰前沿位置和速度随时间变化曲线分别近似呈指数型增长,瓦斯传播速度为初始速度en 倍时认为瓦斯爆炸。瓦斯爆炸感应期由瓦斯燃烧感应期和由燃烧转为爆炸响应时间组成,瓦斯燃烧感应期为从瓦斯开始反应到瓦斯反应出现火焰的时间,由燃烧转为爆炸响应时间为基准时间t的n倍。     

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。     

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。     

瓦斯爆炸火焰波热作用下矿井支护木材微观热动分析

为了得出瓦斯爆炸诱发矿井支护木材次生火灾的机理,对矿井支护木材进行了微观热动分析。基于相关学者开展相关瓦斯爆炸所测实验数据,归纳、分析了瓦斯爆炸火焰波的特性。通过建立瞬态温度场数学模型,对不同火焰波温度、不同热作用时间支护木材浅表层的瞬态温度场进行了计算、分析和验证。建立了化学反应动力学模型,开展了同瓦斯爆炸条件基本一致的不同温度、不同热作用时间下矿井支护木材居里点快速热裂解实验。对比分析了和该模型相近的相关文献数据和本实验所测数据,得出：温度在550~1 050 K时,热裂解气体平稳增加,从3.3%上升到32.1%;焦油先增大然后逐渐平缓,从1.8%上升到48.8%,最高52.6%;焦炭逐渐减小,从94.7%降到19.1%。文献数据和实验数据吻合较好。     

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。     

点火能量对瓦斯爆炸传播的数值模拟研究

管道内瓦斯爆炸的研究对煤矿工业的安全生产具有重要意义。建立基于总能量方程的RNGκ-ε湍流流场模型和基于多种控制机理的分步反应爆炸燃烧模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,对不同点火能量条件下的瓦斯爆炸传播过程进行数值模拟研究,对爆炸参数研究得:点火能量越大,瓦斯爆炸压力峰值和火焰传播速度越大的传播规律。同时,分析了瓦斯爆炸压力波、爆炸火焰和湍流三者之间的正反馈机制是推动瓦斯爆炸发展过程的重要因素。所得结论为有效预防瓦斯爆炸事故提供了理论依据。     

超细水雾增强与抑制甲烷/空气爆炸的机理分析

通过数值模拟方法对密闭容器内部超细水雾与甲烷/空气爆炸火焰的相互作用机理进行研究。采用大涡模型和部分预混燃烧模型分别对爆炸火焰流场和甲烷/空气燃烧过程进行计算;利用欧拉-拉格朗日方法对连续相和离散相方程进行耦合求解,实现气液两相间的质量、动量和能量的传递。通过实验验证了模型的准确性,并详细分析了水雾导致爆炸增强与抑制的机理。结果表明:水雾吸收的汽化潜热大于显热,且两者均远大于液滴的动量吸收作用;水雾吸热和汽化膨胀两种效应的共同作用导致增强和抑制爆炸两种相反的结果,液滴粒径、速度和水雾质量浓度将影响火焰面的温度、导温系数、脉动速度和湍流尺度,进而影响火焰传播速度和容器内部的热增速率。