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。     

N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响

将N2和CO2按一定比例混合,从极限氧体积分数、爆炸极限和抑爆效果3个方面研究了N2/CO2 混合气体对甲烷爆炸的影响。结果表明:(1)随着惰性混合气中N2含量的增加,极限氧体积分数呈线性下降; (2)任何配比的惰性混合气对爆炸上、下限的影响都可以近似认为是线性变化的;(3)惰性混合气中CO2含量 越高,抑爆效果越好。同时,得到的拟合公式能预测N2和CO2任何配比时甲烷的爆炸极限。实验结果能对甲 烷实际生产时的惰化处理提供基础数据和依据。     

可燃液体爆燃特性及其抑制实验

设计了一套可燃液体爆炸特性实验装置，利用该装置和立式爆轰管对RP-5油料、RP-3油料及工业酒精的爆炸特性、1301惰性气体对这3种燃料的抑制进行了研究。结果表明:RP-5油料、RP-3油料及工业酒精爆炸的体积分数范围分别为1.53%～7.73%、0.82%～7.17%及 3.38%～18.25%；酒精云雾爆轰的临界起爆能为2.11 MJ/m2、爆速和爆压分别为1 609 m/s 、1 480 kPa，爆轰波传播的胞格宽度为14.5 mm，长度为16.2 mm。1301惰性气体对RP-5油料、RP-3油料及工业酒精的最小惰化体积分数分别为6.75%、6.8%及 5.56%；二氧化碳和氮气对RP-3油料的最小惰化体积分数分别为45%和49%；1301惰性气体对油料爆炸抑制效果明显好于二氧化碳与氮气。     

惰性气体对氢氧混合气体爆轰性能的影响

将不同种类、不同浓度的惰性气体充入不同浓度的可燃气体中，用C—J理论和实验得到混合气体的爆轰参数，比较了惰性气体种类对可燃气体爆炸特征参数的影响；讨论了氮气、水蒸气和二氧化碳的惰化性能和惰化机理的区别。理论计算和实验表明：氮气体积分数在60％以下时，计算值和实验值吻合较好，在60％以上时氮气可以完全抑制氢氧混合气体爆炸；二氧化碳、水蒸气和氮气的惰化能力依次降低。     

激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性及影响因素

通过修改化学动力学计算软件CHEMKIN Ⅲ中的SHOCK 程序包,建立了激波管中激波诱导瓦 斯爆炸过程的计算模型,化学反应采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应)。对激波诱导瓦斯爆炸 过程中混合气温度、冲击波传播速度、反应物(甲烷、氧气)摩尔分数、活化中心(O、H)摩尔分数、部分致灾性 气体(CO、CO2、NO、NO2)摩尔分数的变化趋势进行了详细分析。同时,分析了瓦斯爆炸前混合气初始压力 及初始混合气组成对激波诱导瓦斯爆炸动力学特性的影响。结果表明:瓦斯爆炸后CO 的摩尔分数达到0. 07左右,CO2 的摩尔分数为0.02左右,NO 的摩尔分数为0.001左右,NO2 的摩尔分数则在10-6左右;随着 瓦斯爆炸前混合气初始压力的提高以及混合气中甲烷体积分数的降低,瓦斯引爆时间将缩短,爆炸后温度将 降低,但压力将升高,同时,爆炸后CO 的摩尔分数将降低,NO 的摩尔分数将提高。     

温度压力对瓦斯爆炸危险性影响的实验研究

为了研究瓦斯的爆炸危险性，选取对其影响较大的初始温度和初始压力进行实验研究。运用特殊环境20 L爆炸特性测试系统，对不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下瓦斯的爆炸极限、最大爆炸压力和点火延迟时间进行实验研究。结果表明:高温高压条件使瓦斯的爆炸上限升高、下限降低，爆炸极限范围扩大；随着初始温度升高，瓦斯爆炸的最大爆炸压力逐渐减小；初始温度越高，点火延迟时间越短。通过对实验结果的分析，运用安全原理知识和危险度定义，给出初步评估瓦斯爆炸危险性的方法。     

二甲醚/空气/氩气混合物的爆炸特性

在20 L球形爆炸容器中对二甲醚/空气(DME/air)、二甲醚/空气/氩气(DME/air/Ar)混合物在不同初始状态下的爆炸特性进行实验研究，分析了不同初始压力、不同氩气(Ar)稀释浓度对爆炸极限、最大爆炸压力以及最大爆炸压力上升速率的影响。结果表明:DME/air混合物的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率与DME在混合物中的浓度呈圆顶形关系，最大值出现在DME在混合物中的浓度为6.5%(即最佳当量比, φ=1)附近；初始压力的下降明显降低了DME/air混合物的爆炸上限，但对于其爆炸下限影响不显著；Ar的稀释对富燃DME/air混合物的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率有显著的惰化作用，但对于贫燃DME/air混合物，最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率在一定的Ar稀释浓度范围内出现上升趋势，当Ar的稀释浓度大于20%，这2个爆炸参数值逐渐下降。     

瓦斯爆炸过程中火焰厚度测定及其温度场数值模拟分析

本文通过实验的方法，探讨了瓦斯爆炸过程中火焰厚度变化特性及其影响因素，并对瓦斯爆炸过程中的温度场变化进行了数值模拟。研究结果表明，障碍物存在时，瓦斯爆炸过程中产生的火焰厚度常常会小于无障碍物存在时所产生的火焰厚度；膜片所处位置对瓦斯爆炸过程中火焰厚度也有重要影响，膜片距离爆炸源较近时，火焰厚度明显增大，瓦斯爆炸后，火焰阵面着附近区域与管封闭端附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面后一段区域的温度变化较平缓，且火焰阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快上升到最大值，然后温度开始下降。研究结果对指导现场防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸灾害具有一定的指导意义。     

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。     

N2与CO2对合成气爆炸特性影响的实验研究

为了研究惰性气体（氮气及二氧化碳）对合成气爆炸特性的影响，利用20 L球形爆炸仪器，开展不同体积分数氮气与二氧化碳作用下不同当量比合成气的爆炸实验，从爆炸峰值压力、爆炸压力到达峰值时间、爆炸指数方面分析惰性气体对合成气爆炸特性的影响。研究结果表明:惰性气体体积分数的增加会降低合成气的爆炸压力和爆炸指数，推迟爆炸压力到达峰值的时间；在相同体积分数下，CO₂比N₂能更有效地降低合成气的爆炸峰值压力和爆炸指数，减小爆炸反应的剧烈程度，CO₂在抑制合成气爆炸方面比N₂的效果明显。     

Interaction of detonation with inert gas zone

The results of experimental study on detonation interaction with the regions of low reactivity, generated by the injection of an inert gas into reactive mixture, are reported. A square cross-section 60×60 mm, 3.6 m long detonation channel was used. The experiments were done for stoichiometric H₂−O₂ mixture at 0.3 bar and 0.5 bar initial pressure and room temperature. The inert gas (Ar, He, N₂ or CO₂) was injected from 0.523 dm³ container into the main channel 1 s before ignition. The size of the inert zone was controlled by inert initial pressure. The behavior of detonation was studied using direct streak photography and pressure transducers. The study has shown that at low pressure of Ar, N₂ and CO₂ injection only a slight decrease of detonation velocity occurs. At higher injection pressures complete damping of detonation and flame extinguishment occur, followed by flame reigniton and DDT outside the inert zone. For low He injection pressures an increase in detonation velocity was recorded. For higher injection pressures, detonation damping occurred, followed by DDT process. The results have shown that CO₂ has the strongest effect on damping 2H₂+O₂ detonation, with N₂ and Ar in the next places, and He very far behind. The effectiveness of inert gas in detonation damping was found proportional to its molecular weight and reciprocal to its specific heat ratio. The numerical simulations of detonation propagation through inert gas zone were also performed using the one- dimensional Detonation Lagrangean code with simple energy release model. The results of simulations are in good qualitative agreement with experimental tendencies. In particular, the model has shown that the re-initiation of detonation is enhanced by smooth concentration gradients at inert/reactive interface. An abridged version of this paper was presented at the 15th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems at Boulder, Colorado, from July 30 to August 4, 1995     

低温环境下甲烷爆炸流场特性模拟

在低浓度煤层气含氧液化工艺过程中，甲烷浓度会处于爆炸极限范围内，存在爆炸危险。采用流场模拟平台，对密闭容器内低温环境条件下的甲烷爆炸过程进行了数值模拟。通过研究得出:在反应体系体积及初始环境压力不变的情况下，环境温度越低，最大爆炸压力越大，到达最大爆炸压力所需时间越长；爆炸流场以化学反应区为阵面分别建立正负流动区，并不断向壁面推进，火焰传播过程受化学反应区正反馈机制的影响，在密闭容器内出现点火、加速传播、衰减传播和猝灭4个阶段；随着环境温度的降低，火焰传播速度明显降低，火焰持续时间延长。该结论可为认清低温条件下的甲烷爆炸机理及预防低浓度煤层气含氧液化工艺爆炸事故提供依据。     

Experimental investigation on micro-dynamic behavior of gas explosion suppression with SiO2 fine powders

To study the effect of inert dust on gas explosion suppression mechanism, SiO₂ fine powders were sprayed to suppress premixed CH₄-Air gas explosion in a 20 L spherical experimental system. In the experiment, high speed schlieren image system was adopted to record explosion flame propagation behaviors, meanwhile, pressure transducers and ion current probes were used to clearly record the explosion flame dynamic characteristics. The experimental results show that the SiO₂ fine powders suppressed evidently the gas explosion flame, and reduced the peak value of pressure and flame speed by more than 40 %. The ion current result shows that the SiO₂ super fine powders were easy to contact with and absorb free radicals near the combustion reaction region, which greatly reduced the combustion reaction intensity, and in turn influenced the flame propagation and pressure rising.     

磁场效应对甲烷爆炸影响的机理

为了揭示磁场对甲烷爆炸特征的影响机理,开展了磁场对甲烷爆炸影响实验,得出了磁场对甲烷爆炸压力、火焰传播速度、爆炸产物组分及体积分数的影响规律。利用Chemkin-Pro软件模拟甲烷爆炸链式反应过程,得到了甲烷爆炸过程中的关键自由基和基元反应。通过理论计算,对不同自由基在磁场作用下的受力进行分析,揭示了磁场对甲烷爆炸的影响机理。研究结果表明,磁场能够降低甲烷爆炸压力和火焰传播速度,降低CO和CO₂的生成量,增加甲烷的残余量;·H、·O、·OH、·CH₃、·CH₂O是甲烷爆炸的关键自由基,由于·O的磁化率较高,被吸引到磁感线密集的区域,·O与其他自由基的碰撞几率减少,从而降低·HCO→CO→CO₂的链式反应速率,导致CO和CO₂生成量降低,且甲烷爆炸强度降低。     

10m3爆炸罐中甲烷燃烧爆炸发展过程

在大型多相混合物爆炸实验系统(10m3爆炸罐)中对甲烷/空气混合物在40J电火花点火条件下爆炸发展过程进行了实验和数值模拟研究.采用中心电火花点火,并在距点火点不同距离处设置4个压力传感器.得到下列实验结果:甲烷爆炸上、下限分别为13.9%、4.75%;甲烷浓度为9.5%的爆炸特性参数随距离变化规律;不同甲烷浓度对超压...     

气态ClO2体积分数与爆炸压力的关系

采用20 L柱状爆炸罐研究了气态ClO2的爆炸特性，得出了气态ClO2分解爆炸的体积分数下限为9.5%，不存在上限。在实验条件下，气态ClO2的爆炸压力随体积分数的增加而增大，体积分数为90%时,最大爆炸超压达到0.64 MPa，且气态ClO2的爆炸压力与其体积分数梯度有关。最大爆炸超压出现的时间随气态ClO2体积分数的增加而缩短，体积分数为10%时，最大爆压在2 195 ms时出现，当体积分数达到70%时，最大爆压出现的时间在10 ms以内，体积分数继续增加，最大爆压出现的时间基本维持在8 ms。     

大尺寸密闭容器内天然气的爆炸超压场

以天然气体积分数在爆炸下限附近的天然气-空气混合物爆炸超压状态场为着眼点，在大尺寸容器中轴向和径向位置布置压力传感器，实时记录天然气体积分数不同的天然气-空气混合物爆炸后的超压发展过程。经过数据处理发现，在天然气爆炸下限附近，存在3种压力波形式且存在前导冲击波和二次发展形成的燃烧波共存的状态。不同天然气体积分数条件下爆炸压力沿容器轴向和径向发展过程存在明显差异，天然气爆炸径向超压变化不明显，轴向超压的发展趋势更适用于天然气爆炸发展过程的描述。