惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究惰性气体(N₂和CO₂)对瓦斯气体爆炸影响,采用中型尺寸瓦斯爆炸实验装置,在N₂及CO₂体积分数为0%、9%、14%工况下开展了瓦斯爆炸实验研究,获取了N₂和CO₂对矿井瓦斯抑爆特性的影响规律,并针对瓦斯爆炸过程中惰性气体N₂和CO₂对爆炸超压变化的影响及爆炸抑制效果进行了对比分析。结果表明:随着初始混合气体中惰性气体N₂或CO₂含量的升高,瓦斯爆炸超压均明显降低,CO₂的抑爆效果优于N₂;N₂和CO₂对较高浓度瓦斯气的抑爆效果更为显著。     

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO_3和MgCl_2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl_2和NaHCO_3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl~-销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO_3~-,阳离子Na~+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg~(2+)。     

含NaCl超细水雾对不同阻塞率管道内爆炸的抑制

针对长距离输气管道频发的爆炸问题，在自行搭建的水平透明管道平台中开展了含NaCl超细水雾对不同阻塞率管道爆炸特性的影响研究。通过对瓦斯爆炸压力、火焰传播速度等特征参数进行分析，探究含NaCl超细水雾与不同阻塞率泄压口对爆炸特性的影响规律。结果表明:仅在不同阻塞率（0、0.2、0.4和0.6）的泄压口作用下的管道瓦斯爆炸，爆炸超压随着管道阻塞率的增大而增强，阻塞率与火焰锋面传播至管道末端时间呈非线性关系，在阻塞率为0.2时火焰平均速度最快；两者共同作用下，雾通量为8.4 mL、质量分数为8%的NaCl超细水雾阻火抑爆效果最佳，最大爆炸压力下降幅度可达59.2%；含NaCl超细水雾直接作用于爆炸火焰从而抑制爆炸传播。     

CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响

为了研究CO₂和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响，采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO₂稀释体积分数和超细水雾质量浓度，分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性，促进了火焰加速和爆炸超压增加，表明超细水雾不足能产生促爆作用，只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸；CO₂和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象，可以明显减弱火焰不稳定性，减小火焰传播速度，降低爆炸超压和平均压升速率，以及明显推迟超压峰值来临时间。     

碳酸氢钠粉体对导管泄爆过程的影响

为了研究惰性粉体对导管泄爆过程的影响,采用质量浓度C为0、40、80、120、160、200 、240 g/m3的碳酸氢钠（NaHCO₃）粉体,分别抑制连接不同长度（250 mm、500 mm、750 mm）泄爆导管的5 L容器内甲烷/空气预混气爆炸。对火焰传播特性分析结果表明:容器内添加NaHCO₃粉体可以极大地削弱导管内二次爆炸,且合适质量浓度的NaHCO₃粉体可以消除二次爆炸。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,容器内火焰结构逐渐不规则化,火焰到达容器末端时间延长,导管内火焰经历弱化到熄灭过程,不同质量浓度NaHCO₃粉体导致3种火焰速度发展模式。对压力特性分析得知,导管内爆炸超压上升机理依赖于NaHCO₃粉体质量浓度,粉体质量浓度较低时,容器中最大爆炸超压取决于二次爆炸产生的第二压力峰值,反之取决于火焰在容器触壁时产生的第一压力峰值。随着NaHCO₃粉体质量浓度增加,超压峰值下降率先增加然后趋于稳定,表明质量浓度效应逐渐减弱。最后定量分析了导管-容器配置中火焰传播速度与爆炸超压的关系。     

KH2PO4/SiO2复合粉体抑制铝粉爆燃效果及机理分析

为研究KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制作用,采用球磨机将KH₂PO₄和SiO₂混合研磨制备出新型的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂。在哈特曼管实验装置上,开展爆燃火焰传播抑制实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,爆燃火焰传播长度和速度逐渐减小,当添加质量比10∶6的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃火焰传播的抑制。在20 L球形爆炸装置上,开展复合粉体抑爆剂抑制铝粉爆炸压力测试实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,铝粉爆炸最大爆炸压力p_max和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max逐渐减小,当添加质量比10∶9的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃的完全抑制。通过KH₂PO₄粉体、SiO₂粉体与复合粉体抑爆剂对比可知,复合粉体抑爆剂对铝粉火焰传播和爆炸压力的抑制效果都优于单体粉体抑爆剂。通过对铝粉在空气中燃烧的热分析研究,从化学和物理两个方面分析了KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制机理。     

小尺寸管道内二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的实验及数值模拟

为了有效防治矿井瓦斯爆炸事故, 以瓦斯的主要成分甲烷作为模拟气体, 运用自主设计改装的XKWB-S型小尺寸石英玻璃管道实验系统, 结合高速摄影仪, 并采用FLACS数值模拟软件, 研究惰性气体抑爆条件下甲烷燃烧爆炸特性, 进行体积分数为6%~27%的CO₂抑制体积分数为9%CH₄爆炸的实验及数值模拟, 结果表明:各组分混合气体在爆炸传播过程中, 爆炸压力、火焰锋面速度和气体运动速度均呈现一定程度的波动, 且压力和速度没有同时达到最大值; CO₂的加入有效抑制了甲烷/空气反应, 且添加CO₂体积分数越大, 抑爆效果越明显, 模拟结果与实验结果基本吻合。     

破膜压力对氢-空气预混气体燃爆特性的影响

利用自主设计的5.00 m长矩形管道,对氢气体积分数为30%的氢气-空气预混气体进行了不同破膜压力(p_v)下的系列燃爆实验,重点研究了p_v对管道内外火焰传播行为及爆炸超压的影响。实验结果表明：管道内的火焰传播行为受p_v影响显著。在靠近泄爆口的压力传感器所监测的压力-时间曲线上,可以观察到3个压力峰值(p_b、p_out、p_ext),分别对应于铝膜破裂、燃烧混合物泄放以及外部爆炸,大多数情况下,p_b为最大压力峰值。管道内部最大超压随着p_v升高而增大,但最大内部超压出现的位置受p_v的影响。管道外部火焰传播行为与p_v有关,但不同p_v下外部火焰的最大长度无明显差异。最大外部超压与p_v之间呈现非单调变化规律。     

无约束条件下甲烷/空气预混气体燃爆特性研究

为研究无约束条件下甲烷(CH₄)/空气(air)预混气体的燃爆特性,以乳胶气球为反应容器开展了甲烷爆炸实验,结合Chemkin模拟和改进的比色测温技术,研究了不同当量比下甲烷/空气预混气体的火焰传播速度、爆炸超压及温度场分布等特征以及静置时间对预混气体燃爆特性的影响。实验结果表明：甲烷/空气预混气体的爆炸火焰传播速度呈振荡分布,当量比为0.83、1.06、1.30和1.55时的平均火焰传播速度分别为1.554m·s^-1、2.122m·s^-1、1.892m·s^-1和1.428m·s^-1;峰值超压随当量比的增加呈先增大后减小的趋势,当量比为1.06时基元反应CH₃·+O₂?O·+CH₃O·的敏感性系数最大,从而加速了生成二氧化碳(CO₂)的链反应,使得燃烧化学反应最彻底,峰值超压值最大;静置时间对火焰传播速度和爆炸峰值压力影响显著,最佳静置时间为6min;随着当量比的增大,爆炸火焰的平均温度呈现...     

开口阻塞比对粉体抑制甲烷爆炸的影响研究

为了研究开口阻塞比φ对粉体抑爆特性的影响，采用质量浓度C为0、80、160、240 g/m3的Al (OH)₃和NaHCO₃粉体，分别抑制具有不同φ（0、0.2、0.4、0.6、0.7、1.0）值的5 L管道内甲烷/空气预混气爆炸。实验结果表明:火焰的破碎度随粉体抑爆效率的增大而增大；最大超压峰值p_max、爆燃指数K_st由燃烧速率和泄爆速率共同决定。φ=0.7是每条爆炸特征参数曲线的拐点。随着φ值增加，超压峰值下降率δ先增大后减小，在0.4和0.6之间达到最大；总体上，Al (OH)₃和NaHCO₃两种粉体的抑爆效率相近。但在某些阻塞比下，阻塞比引起的低湍流影响着粉体颗粒的沉降行为，使得Al (OH)₃抑爆效率优于NaHCO₃。当粉体质量浓度从80 g/m3增加到240 g/m3时，热阻增加，火焰的热量不能扩散到粒子云的中心，不利于内部粒子的吸热分解，致使浓度效应越来越弱。     

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用

为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律,进行了硅酸铝棉抑制管道内预混气体爆炸实验,在管路内置入硅酸铝棉,以室温常压下化学计量浓度的C2H2/air预混气体为介质。结果表明,当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时,能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长度时,能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入口火焰速度有关。压力临界长度的大小与硅酸铝棉入口爆炸超压有关。压力临界长度小于速度临界长度,说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。     

乙醚云雾场燃爆参数实验研究

基于自行研发的20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统,对乙醚液体燃料瞬态雾化云雾场的燃爆参数进行实验研究。通过调节气动压力、设计喷雾剂量,得到了粒径相同、质量浓度不同的乙醚云雾燃爆超压、温度及点火延迟时间等燃爆参数。结果表明,在索特平均直径为22.90 μm的条件下:乙醚云雾与空气混合物的燃爆下限为80.26 g/m3,燃爆上限为417.34 g/m3;最大超压峰值为0.78 MPa,其出现在云雾质量浓度为278.23 g/m3时;最大爆温峰值为1 260 ℃,其出现在云雾质量浓度为228.29 g/m3时;点火延迟时间在燃爆极限范围内呈U型分布。     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果，采用自主搭建的爆炸实验平台，探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明，不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时，爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低，并在厚度较大时，火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时，预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄，但随后一段时间内，由于负压抽吸作用，在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象，且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率，同时可吸收能量，进而提高爆炸超压的上升速率，降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时，与当量比为1的预混气体爆炸相比，超压峰值最大可提高约2倍，造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄，最大超压衰减可达47.17%，δ=30时最大超压衰减了24.62%。     

不同泄压条件对方管内爆炸压力特性的影响

为研究泄压膜约束条件对甲烷/空气预混气体爆炸压力特性的影响，在方形火焰燃烧传播测试管道中布置压力传感器，开展不同泄压膜材料、泄压膜层数及泄压口位置实验。结果表明:牛皮纸和聚丙烯薄膜约束泄爆过程中，每增加一层泄压膜，管道内最大泄爆压力平均上升11.2%和12.3%。各强度泄压膜约束条件下，管道内最大泄爆压力随着泄压口位置接近点火端，均呈现Z形规律，当泄压口设置在距尾部端面0.25 m时，各曲线达到最小值，当泄压口设置在距尾部端面0.50 m时，各曲线出现最大值。     

密闭空间可燃气体爆炸超压预测

为避免密闭空间内可燃预混气体爆炸事故造成的伤害，对其进行较为准确的爆炸超压预测是抗爆设计和日常安全管理的关键。结合已有文献实验数据，利用光滑层流火焰传播理论模型建立了爆炸超压模型；对比发现，当体积较大时，光滑层流火焰传播理论模型存在较大的误差。较大体积密闭空间爆炸火焰传播过程中的不稳定性造成火焰前锋面褶皱并引起湍流燃烧，导致火焰前锋面表面积大幅增加，且在火焰传播过程中表现出自相似分形特征。依据褶皱及湍流火焰传播过程中的自相似分形特征，基于分形燃烧理论和相关经验数据，进一步建立了考虑可燃预混气体爆炸火焰褶皱及湍流火焰传播的爆炸超压预测模型，并与实验所得结果进行了对比。结果表明:当密闭空间体积较大时，利用褶皱及湍流火焰传播理论建立的爆炸超压模型进行峰值压力估算时，两种工况下实验所得和理论计算所得相对误差分别为10.4%和11.1%，较光滑层流火焰传播理论爆炸超压模型相比，误差分别减少了72.3%和50.6%。本文所建立理论模型与实验所得结果具有较好的一致性，在一定程度上可满足结构抗爆设计或日常安全管理的需要。     

方形空间可燃气体爆燃泄爆实验及三维数值模拟研究

为了研究大空间内预混可燃气体爆燃泄爆过程中的压力与火焰传播规律,在1.21 m3的方形空间内进行了不同体积分数乙烯气体和两种不同泄压面积的泄爆实验,针对泄压面积为0.18 m2、体积分数为7%的乙烯-空气预混气体爆燃泄爆过程进行了三维数值模拟研究。结果表明:不同泄爆条件下压力形式不同,小面积泄爆口开启后,压力先下降后上升且第2峰值较大,在高体积分数下超过第1峰值,大面积泄爆时第2峰值较小。数值模拟结果与实验得到的压力时程曲线趋势一致,与实验中观察到的外部火焰形态相似;泄爆口开启后引发的湍流效应,使得空间内火焰阵面变形和火焰传播速度显著加快,导致了小面积泄爆第2峰值压力较大。