煤粉尘爆炸过程中火焰的传播特性

为了揭示煤粉尘爆炸过程中火焰传播特征,采用2种不同质量分数挥发分的煤粉在半封闭竖直燃烧管中进行实验。分别使用高速摄影装置和红外热成像装置记录火焰传播过程和空间的温度分布情况,并分析2种煤粉尘云的火焰传播速度和温度曲线。结果表明:在同等条件下,火焰在挥发分质量分数高的煤粉尘云中的传播速度和火焰温度要高于其在挥发分质量分数较低的煤粉尘云中的。煤粉尘云的体积质量和点火能量也影响着火焰的传播过程,随着煤粉尘云体积质量的增大,火焰的传播速度和火焰温度整体上呈现先增大后减小的趋势,在传播的后半段火焰速度出现震荡现象;随着点火能量的增大,火焰在煤粉尘云中的传播速度和最高温度也相应升高。通过大量的实验数据计算得到特定条件下火焰传播速度和温度的经验公式。     

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.     

瓦斯爆燃火焰内部流场分形特性研究

通过高速纹影图像从细观角度详细研究了瓦斯爆燃火焰内部流场的细微结构。实验表明 :火焰内部流场具有明显的分形特征 ,且不同传播条件下分形维数不同。分形维数的大小对火焰内部结构与火焰传播有很大影响 ,是衡量瓦斯火焰传播速度的有效参数。     

气流特征对水平长管内石松子粉尘爆炸火焰结构的影响

为探索气流特征对水平长管内粉尘爆炸火焰结构的影响, 对采用加压送气传输方式形成的石松子粉尘云经静电引燃后其火焰在水平长管内的传播特性进行实验。利用热线风速仪测量不同气流条件下沿管径方向的速度分布和湍流强度分布, 采用高速摄像系统记录了火焰在水平管道内的传播过程。实验观察到, 即使管内石松子粉尘质量分数相同, 仍然会出现2种不同类型的火焰结构:一种类型火焰轮廓规则、清晰, 火焰中心为连续的黄色发光区并由红色边缘火焰包裹; 另一种类型火焰空间离散, 火焰发光区局部存在, 散乱地呈现不规则状态。详细分析不同气流条件对火焰结构的影响。     

纳米疏水性SiO2协同作用抑制丁烷爆炸速度与压力的耦合分析

为研究纳米疏水性SiO₂粉末作为阻燃剂和流动增强剂作用下丁烷爆炸速度与压力的耦合规律,在自行设计并搭建的基于LabVIEW控制系统的爆炸测试平台上开展了实验,通过休止角测试、SEM（scanning electron microscope）和EDS（energy dispersive spectrometer）分析了粉末团聚情况,分析了混合粉末抑制爆炸的机理,同时,实验了不同比例和不同浓度下纳米疏水性SiO₂改善CaCO₃粉末流动性并协同其抑制丁烷爆炸的效果,对爆炸火焰速度和压力的耦合关系进行了分析。结果表明,添加疏水性SiO₂可以使混合粉末的休止角降低,流动性增强,改善粉末的扩散效果和贮存能力,改变混合粉末的比例和浓度对燃烧反应有着显著的影响,在一定浓度范围内,粉末通过较大的比表面积和热解结合燃烧区域的自由基,使火焰传播速度和爆炸超压显著下降,但过大的粉末浓度会促进初期的爆炸,并且两种粉末协同对爆炸的抑制效果优于单一粉末。在混合粉末的抑制作用下,爆炸压力达到最大值时速度几乎降至最低,压力波形由持续上升变为单峰曲线。此外,在SiO₂和CaCO₃两种粉末质量比为1∶1混合、粉末质量浓度为106 g/m3时,对丁烷体积分数为4.20%的丁烷-空气混合气体爆炸的抑制效果最佳,火焰传播平均速度和最大爆炸超压的衰减率分别为85.5%和59.6%。     

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。     

初始压力和狭缝宽度对毫米量级狭缝内爆轰起爆距离的影响

为获得狭缝内爆轰起爆距离的影响因素,分别在高度为1.0 mm,宽度为10、20、30 mm的狭缝爆轰管内,对不同初始压力下(p₀=5.0~50.0 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体进行了单次爆轰性能实验研究。根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置,分析了初始压力和狭缝宽度对爆轰起爆距离的影响。结果表明:(1)p₀=21.0~30.0 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大而逐渐缩短;(2)p₀=35.0~42.5 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大先缩短后增大,在p₀=45.0~50.0 kPa时起爆距离随着狭缝宽度的增大基本保持不变;(3)3种狭缝宽度下,量纲一起爆距离随量纲一初始压力的变化曲线差异较大。     

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。     

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。     

单色高温计测量火焰动态温度的可行性实验研究

一种测量固体表面温度的单色高温计经改进后,用于火焰动态温度测量,本文设计了三组实验对其可行性进行研究,即:黑火药与铝热剂的分层火焰温度测量实验、单色高温计与热电偶的测温对比实验和激波管内氢氧爆炸火焰动态温度测量实验。结果表明,当目标尺寸远大于单色高温计红外视场时,所测火焰温度可视为单色高温计光轴上的最高温度;采用单色高温计和热电偶同时测量发光火焰的温度,测量结果相差不到6.2%;单色高温计所测氢氧爆炸火焰的动态温度曲线,较好地反映了爆炸火焰的动态传播规律;经改进的单色高温计可以用于爆炸火球等发光火焰的动态温度测量。     

Experimental research on flame spectra of methane-coal dust explosions

The significance of experimental research on flame spectra of methane-coal dust explosions is explained. Weak explosions of methane-coal dust-air mixtures were carried out in a large-scale tube of Ø 200 cm×2900cm with one end open, and the absolute radiation intensities as well as their variation under different conditions for characteristic wavelengths of 0.8875, 1.000, 1.505, 2.801, and 4.346μm were obtained by using small angle of view and a multichannel detector developed by us. The experimental results are discussed and compared with those published abroad. Based on the absolute radiation intensity measured at wavelength 4.346μm and the selected blackbody radiation model, the temperature of explosion flame was determined. The results obtained are not only of great practical importance to the industry but may also be used in the study of flame and chemical kinetics.     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

基于量纲分析理论的煤尘爆炸能量预测模型

为预测煤尘爆炸能量,基于量纲分析理论建立煤尘爆炸能量预测模型。选取爆炸能量E、空气密度ρ和大气压强p的量纲为导出量纲。根据量纲分析Π定理得出含有待定参数λ的具有普适性的能量预测模型。通过小型煤尘爆炸性实验设计,测定10次爆炸最长火焰长度平均值l₀、10次最长火焰长度出现时间平均值t₀与该小型煤尘爆炸中释放能量E₀,确定模型中参数λ为0.467。对模型变量t、E、l的函数关系进行合理性检验。通过实测的15组不同时刻的火焰长度进行模型变量t、l幂指关系检验。检验结果表明:量纲选取完备,预测模型科学合理。     

Combustion tube studies of dust flame acceleration

A new pneumatic dispersion system for obtaining a good quality uniform dust suspension in a horizontal dust combustion tube was developed. The effect of three different dispersion techniques on self-sustained dust flame acceleration in such a combustion tube was examined. The importance of the dispersion quality in the test tube for maintaining a self-sustained dust flame acceleration was demonstrated. A combustion tube for studies of flame acceleration in fine aluminum dust-air mixture and its transition to detonation under industrial ignition conditions was constructed in the course of the present study. It consists mainly of an initiation section and a test section. The initiation section must be equipped in a well-developed dispersion system for creating a good dispersion condition in the test tube. The length of this section is 3 meters. The test tube requires only to distribute uniformly the dust over the bottom of the tube prior to the experiment. The aluminum dust spherical in shape with 6 μm in diameter was used for tests. Experimental results demonstrated that the increase in flame velocity is roughly linear through the entire length of the test tube. The highest flame propagation velocity in fine aluminum dust-air mixture approaches some 1200m/s at a distance of 4.8m from the ignition plane.     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

爆炸压力积聚工况下石松子粉尘爆炸火焰传播特性

搭建了一套兼具承压和可视性能粉尘爆炸实验平台，在压力积聚工况下实验研究了石松子粉尘爆炸火焰传播特性。实验结果表明:压力积聚工况下的石松子粉尘爆炸火焰呈现空间离散的束状结构，火焰锋面呈齿状。随着粉尘浓度的提升，火焰连续性增强，锋面趋于平滑，亮度增加，并在750 g/m3达到最佳。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰在传播过程中均呈现明显的速度脉动特征，但脉动频率随粉尘浓度的增大而减小。爆炸火焰平均传播速度随粉尘浓度的增大先增大后减小，并在750 g/m3达到最高。不同浓度条件下的石松子粉尘爆炸火焰前期传播速度均高于后期传播速度。     

基于RGB颜色模型的玉米淀粉爆燃火焰传播速度

采用小尺度粉尘爆炸实验装置对不同质量浓度的玉米淀粉爆燃火焰传播过程进行了实验研究,建立了基于RGB颜色模型的火焰重构及形态学重建的粉尘火焰传播速度计算方法,计算了不同质量浓度下的玉米淀粉爆燃火焰传播速度。结果表明:采用基于RGB颜色模型的速度计算方法能够快速准确地计算出玉米淀粉爆燃火焰传播速度,火焰像素范围的确定是火焰速度计算的关键;管道内火焰传播速度受粉尘云质量浓度的影响,最大火焰传播速度随粉尘云质量浓度的增大先增大后减小,到达速度峰值的时间先缩短后增长,当质量浓度为0.63 kg/m3时,出现该实验条件下火焰传播速度最大值7.03 m/s。     

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。     

Global modelling of heat release during initiation and propagation of detonation and deflagration waves in methane-air-particle systems

In the present paper the direct initiation of a self supporting detonation and propagation of a low-speed combustion in methane-air-coal particles mixtures are solved. For particles, a heterogeneous regime of combustion is used, for methane one overall chemical reaction is taken into account: CH + 2O = CO + 2HO. The heat release rate is assumed to be defined as a delay time based on the well-known thermal theory of Frank-Kamenetsky (1967). The proposed model allows one to investigate the influence inert particles or coal dust on the explosion limits of methane-air mixtures. It is shown that the addition of a limited quantity of particles leads to detonation stability. In low speed combustion problems this method allows one to get a good correlation between theoretical and experimental velocities of steady flame propagation in carbon-hydrogen gaseous mixtures. Coal dust influence on gasdynamics of a methane-air mixture combustion is investigated in an unsteady problem by using of the global modelling. It is shown that limited coal dust concentration increases the flame wave intensity in lean methane-air mixtures in contrast to inert particles. In stoichiometric gas mixtures, sand and coal dusts decrease a flame velocity. Far from the ignition point flame, the velocity is largely defined by the dust mass concentration and not by the size of particles. Received 5 July 1997 / Accepted 13 July 1998