湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用

在实验的基础上,研究了管内瓦斯爆炸过程中湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用.研究结果表明,管道面积突变对瓦斯爆炸过程中湍流的产生具有重要影响.管道面积突变(变大、变小)时,产生附加湍流,并使下游火焰气流的湍流度增加,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,并可诱导激波的产生.在80×80mm等截面直管中(瓦斯浓度为理论上最猛烈的爆炸浓度9.5%),瓦斯爆炸最大火焰传播速度为40.8m/s,管内各点均为压力波信号,当管道加装一Φ300mm圆管形成面积突扩11倍和突缩11倍两断面后,面积突扩处(L/D=22)火焰速度增大5.05倍,达到64.4m/s,面积突缩处(L/D=28)火焰速度为156.0m/s, 增大4.55倍,并在L/D=48倍处形成激波(超压1.6976atm、波速416.7m/s),在L/D=98倍处,激波强度最大.在面积突变管内加装加速环可使瓦斯爆炸过程中湍流度加剧,火焰的传播速度更高,激波生成的位置(L/D=28)、最强点位置(L/D=70)均前移,激波强度增大.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一定的指导意义.     

瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的数值模拟

建立了描述瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的物理和数学模型,借助流场模拟平台,对瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的过程进行了数值模拟;并把模拟值与实验值进行了对比;对爆炸过程中的速度场和温度场进行了深入的分析。通过比较分析爆炸压力、速度场以及温度场,认为模拟结果清楚地展现了沉积煤尘的扬起和爆炸过程,达到了瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸数值模拟的要求。     

爆炸作用数值模拟

采用简单的炸药化学反应率方程,利用二维流体弹塑性流动程序,对一个变直径铜壳中装药的爆炸作用做了数值模拟。     

巷道壁面与瓦斯爆炸相互作用的数值模拟

通过物理机制分析,建立合理的巷道物理模型,并对燃烧爆炸反应模型中阻力系数C_D和湍流特征尺度L_t进行修正,模拟实际巷道内壁粗糙情况对瓦斯爆炸传播过程的影响,为模型计算提供修正参数。研究结果表明,巷道壁面条件对瓦斯爆炸过程有很大影响;C_D和L_t越大,爆炸峰值超压越大;当C_D＝3、L_t＝0.008时,模拟结果与实验值的偏差最小。

     

连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟

采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性。结果表明：（1）大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;（2）障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;（3）爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性。

     

煤矿瓦斯爆炸事故中矿车激励效应的数值模拟

基于矿井生产环境,构建了相应的物理模型、数学模型,进行了数值模拟。模拟过程中,考虑了化学反应,将爆炸热力学过程和基元反应耦合,采用TVD格式进行数值离散。结果揭示巷道中设置1~3辆矿车时,瓦斯爆炸冲击波及其火焰波的结构和参数变化特征。数值模拟与实验结果对比分析表明,单一矿车和多辆矿车在激励效应存在明显不同,矿车数量增加,激励效应更加显著。     

瓦斯煤尘爆炸火焰光谱的实验研究

本文概述了瓦斯煤尘爆炸火焰光谱实验研究的重要性,我们在弱爆炸和探测器小视场角的条件下,利用自己研制的多波道仪,在一端开口的Φ200cm×2900cm大型管道里,得到了CH4、空气和煤尘的混合物在不同状态下,特征波长λ等于0.8875、1.000、1.505、2.801和4.346微米(μ)的绝对辐射强度及其有关的变化规律,对结果进行了分析讨论,并与国外实验结果进行了对比,根据测量λ=4.346μ绝对辐射强度和我们选择的黑体辐射模型,获得了爆炸火焰的温度,该项研究不仅在工业中具有重要意义,而且对燃烧和化学动力学的研究也具有参考价值。     

巷道支护对瓦斯爆炸火焰传播速度影响的实验研究

通过对实验室中几何尺寸为80×80mm钢制管道内部加装高度分别为4mm、8mm、12mm、16mm的四种螺旋环,模拟巷道支护结构对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响。采用高精度动态数据采集分析系统,测量爆炸过程中的火焰传播速度,研究了不同高度的螺旋环对火焰传播速度的影响。结果表明：在螺旋环其他条件相同的情况下,管内瓦斯爆炸火焰传播速度随螺旋环高度、圈数增加而增加。并从理论上进行了分析,其主要原因为螺旋环高度越大、圈数越多,产生湍流度的程度亦愈大,对瓦斯爆炸火焰加速亦愈明显。试验结果对巷道支护的选择有指导意义。     

瓦斯爆炸过程中激波的诱导条件及其分析

在实验的基础上,研究了瓦斯爆炸过程中激波的产生条件．研究结果表明,障碍物和薄膜的存在对瓦斯爆炸过程中激波的产生具有重要影响．当有障碍物存在时,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度将迅速提高,并可诱导激波的产生;同样,在瓦斯爆炸破膜过程中也将产生激波现象．因此,为了减轻瓦斯爆炸的破坏作用,应尽量减少矿井巷道中的障碍物并加固好风门与密闭墙,以防发生破膜现象,导致激波的产生．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．     

湍流加速火焰的三维数值模拟

火焰在设有障碍物的管内传播时会自身加速，并可能导致爆炸。本文基于湍流κ-ε模型和改进的EBU—Arrhenius反应模型，对该现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果反映了障碍物、湍流和火焰之间相互作用的正反馈机理，描绘了火焰在管内加速传播的三维图像。     

城市地下排水管道中燃气爆炸及气-液两相耦合作用规律

为研究城市地下排水管道中燃气爆炸传播特性和气-液两相耦合作用规律,基于气-液两相流理论和计算流体力学方法,对不同水深率下的天然气/空气混合物的爆炸-加速-衰减过程进行了数值模拟。研究结果表明：当水深率小于0.7时,随着水深率的增加,气相空间的长径比增大,燃料燃烧加剧,火焰的加速现象逐渐显著,导致峰值超压逐渐增大,超压峰值显现时间逐渐缩短,且峰值超压沿轴向的提升效果更加显著;当水深率达到0.7时,火焰在管道内的传播明显受阻,水震荡产生的波动及细水柱迅速占据了有限的气相空间,阻断了火焰的自维持传播,使得爆炸超压仅在点火源附近显现。不同水深率条件下,管道中相同区域内,同一时刻水面被扬起的高度和气相区域的速度场不同,被卷扬起的低温液体对其相邻区域的高温火焰形成降温和阻断,之后由于气体的宏观流动,与液面相邻的低温气体流动至管道内高温区域,进而造成管道内火焰温度降低,同时,水的震荡和细水柱的飞扬大大降低了爆炸超压风险。     

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...     

等泄压比条件下连通容器泄爆实验研究

通过开展单个容器和连通容器内预混气体的泄爆实验,分析连通条件下容器泄爆的压力变化和火焰传播过程。实验结果表明:连通容器内气体爆炸湍流燃烧,容器的最大泄爆压力和最大压力上升速率均超过单容器,特别是最大压力上升速率更高,差别更大;在等泄压比条件下,连通容器中传爆容器的最大泄爆压力比起爆容器高,且当传爆容器为小容器时,最大泄爆压力更高;随着管长的增加,传爆容器的最大泄爆压力增加,起爆容器的最大泄爆压力变化不大;连通容器泄爆过程,火焰在管道中加速传播。在相同管长条件时,小球容器向大球容器传爆的火焰传播速率高于大球容器向小球容器传爆的火焰速率。     

考虑附加湍流的天然气爆炸超压预测

为预先评估外加湍流工况下天然气的爆炸超压峰值,通过揭示外加湍流对天然气爆炸火焰形态、火焰前锋速度和爆炸超压的影响规律,建立了耦合外加湍流的天然气爆炸超压峰值预测模型。结果表明：外加湍流可使火焰加速传播,且随着外加湍流强度的增加,火焰前锋速度逐渐增加;随着外加湍流强度的增加,爆炸超压峰值和最大升压速率逐渐增加;随着压力监测点和点火位置间距的增加,爆炸超压峰值和最大升压速率整体呈减小的变化趋势。外加湍流工况下天然气的爆炸超压预测必须考虑火焰的加速特征,实验测得爆炸超压峰值介于层流火焰模型和湍流火焰模型计算的爆炸超压峰值之间。     

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。     

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。

     

障碍物对预混火焰特性影响的大涡数值模拟

障碍物在预混气体火焰传播过程中对其结构及传播特性造成较大影响,对火焰的加速和爆燃转爆轰过程(deflagration-to-detonation transition, DDT)起到直接的促进作用。通过障碍物条件下可视管道中甲烷/空气预混火焰传播实验,捕获其火焰微观结构变化。采用三维物理模型,采用壁面自适应局部涡黏模型(wall-adapting local eddy-viscosity, WALE)的大涡模拟(large eddy simulation, LES),并用火焰增厚化学反应模型(thickened flame model, TFM)对实验过程进行重现。分析开口管道中预混火焰翻越障碍物后的复杂流场变化,并分析层流向湍流转变过程的特点。揭示了在障碍物影响下预混火焰扰动失稳现象的直接原因,是由障碍物引发的3个气流涡团同时作用而形成Kelvin-Helmholtz不稳定及Rayleigh-Taylor不稳定现象耦合作用所导致。     

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。

     

Y型通风采煤工作面瓦斯爆炸传播规律模拟研究

针对Y型通风采煤工作面的瓦斯爆炸传播规律,利用Fluent模拟软件,结合余吾煤矿N2105工作面实际情况开展了数值模拟研究。结果表明：模拟结果与前人的实验结果之间的最大相对误差为11.3%,最小相对误差仅为1.7%,验证了数学模型的可靠性;确定了瓦斯爆炸数值模拟最合理的关键参数网格尺寸、迭代步长和点火温度分别为0.4 m、0.10 ms和1 800 K;进风顺槽、胶带顺槽、回风巷道和工作面的瓦斯爆炸超压峰值与爆源之间的距离符合指数函数关系,到达超压峰值所需时间与爆源之间的距离符合线性函数关系;距巷道分叉口7.5 m处,工作面超压衰减率为41.03%,胶带顺槽超压衰减率为25.99%,发生爆炸时胶带顺槽内更危险;工作面分叉处湍流区由右侧逐渐向左侧移动,且巷道分叉处超压峰值会增大;回风巷道火焰消散时间最短,胶带顺槽火焰消散时间次之,工作面火焰消散时间最长;胶带顺槽和回风巷道火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向相反,工作面火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向一致。