约束端面对管内甲烷爆炸特性的影响

为研究不同约束端面下甲烷的爆炸特性,利用自行搭建的实验平台完成了多种约束端面下不同浓度甲烷的爆炸实验。研究表明:约束端面的性质对甲烷的爆炸特性有显著影响,约束端面的承压强度越高,甲烷的爆炸超压越大。单层PVC薄膜作用下,薄膜破裂,不会引起火焰与超压的振荡;而纸膜破裂后,管道内外气流的高速泄放和回流则会引起超压振荡,使火焰前锋波动并发生扭曲变形;两者共同作用时,PVC薄膜会阻碍气流的泄放与回流,加速超压衰减,抑制火焰和超压的振荡。然而,随着纸膜层数增加,破膜时管道内外形成的巨大压差会使约束端面完全破裂,降低PVC薄膜的抑制作用。当破膜难度达到一定程度时,约束端面作用下的泄压峰值成为不同浓度甲烷爆炸的最大超压峰值,且泄爆压力并不随甲烷浓度的改变而改变,因此不同浓度甲烷的爆炸超压在较高的泄爆压力下相同;此时,相同约束端面下不同浓度甲烷的压力振荡曲线在压力衰减的前半个周期内完全重合,管道内外的压差成为主导超压振荡的重要因素,而不同浓度甲烷的燃烧速率对超压振荡的影响则可以忽略不计。     

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。     

具有体积分数梯度的连通装置甲烷-空气爆炸特性数值模拟

为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性,以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长,截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象,利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明:连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时,并由大容器中心点火工况时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度,以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系;连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势;大容器中心点火时,最大爆炸压力位于小容器,最大压力上升速率位于管道1或管道2,最大速度位于管道3,速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。     

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...     

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。     

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750g/m^3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750g/m^3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。     

氢气-甲烷-乙醇混合燃料的爆炸压力特性

在初始温度为400 K,不同的初始压力（0.1、0.2、0.4 MPa）、乙醇体积分数（20%,50%,80%）和当量比（0.8～1.4）下,采用定容燃烧弹对氢气-甲烷-乙醇的爆炸特性进行研究。将实验中获得的原始电压信号转换为压力数据并进行高斯滤波降噪处理,通过爆炸压力、压力上升率、爆炸指数和爆炸时间等相关参数来分析爆炸特性,这些参数可以用于评估可燃物爆炸强烈程度,同时对燃料的层流燃烧速度、敏感性和反应路径进行分析。结果表明：随着初始压力的增加,预混燃料的爆炸压力峰值、最大压力上升速率、爆炸指数和爆炸时间均显著增加。乙醇比例的增加会降低最大压力上升速率和爆炸指数,但会增加爆炸压力和爆炸时间。燃料在不同的初始压力和乙醇比例下,总在当量比为1.2～1.3之间达到爆炸压力峰值、最大压力上升速率、爆炸指数的极大值和爆炸时间的极小值。此外,灵敏度分析表明预混燃料的爆炸反应程度与燃烧过程中生成的H和OH自由基数量有很大关系。总体而言,研究获得的爆炸指数在大多数工况下均低于20 MPa·m/s,表明该燃料处于相对安全水平。

     

点火延迟时间对铝粉爆炸特性参数的影响

为了研究装置点火延迟时间对不同浓度粉尘爆炸压力和压力上升速率的影响,以铝粉为介质在5L圆柱形爆炸装置中进行系列爆炸实验。结果表明：装置点火延迟时间对铝粉爆炸压力和压力上升速率有十分显著的影响,且存在一个最佳点火延迟时间,此时最大爆炸压力最大;随着铝粉浓度的增加,最佳点火延迟时间先增加后保持不变。最佳点火延迟时间下的最大爆炸压力和最大压力上升速率明显高于点火延迟时间固定为60s时的。相对粉尘不同浓度均采用固定点火延迟时间,不同浓度时采用最佳点火延迟时间,所测得的粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率明显符合实际。

     

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。

     

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。     

环境温度对瓦斯爆炸压力及压力上升速率的影响

针对不同环境温度对瓦斯爆炸压力及最大压力上升速率的影响进行实验。研究表明,在其他条件不变的情况下,随着环境温度的增加最大爆炸压力逐渐减小,且最大爆炸压力与环境温度的倒数呈现线性衰减规律;随着环境温度的升高,化学反应速率增加,爆炸压力达到峰值所需的时间减少;瓦斯气体的最大压力上升速率随环境温度的升高呈非线性变化规律,在环境温度为298~473 K的范围内,最大压力上升速率基本不变。这些规律性的结论可为防治矿井瓦斯爆炸事故和煤层气的安全利用提供理论基础。     

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。

     

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。     

柱形容器开口泄爆过程中的火焰传播特性

泄爆过程中流动与燃烧的相互作用机制是研究开口泄爆问题的关键。对柱形容器泄爆过程中压力与火焰发展传播过程的观测与分析表明,不同泄爆条件下压力与火焰的发展传播具有明显特点。泄爆诱导流动通过加速火焰传播、加剧火焰变形、增大火焰面积对容器内燃烧产生增强作用,泄爆流动大小主要由泄爆面积决定。小口中低压泄爆过程压力与火焰的发展过程与封闭燃烧中类似;小口高压以及大口泄爆过程中,火焰变形剧烈,传播速度明显上升,并导致压力的回升。     

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。     

燃烧轻气炮多级渐扩型燃烧室流场特性数值研究

为了分析多级渐扩型燃烧室结构对燃烧轻气炮氢氧燃烧特性的影响, 通过计算流体力学方法, 分别对采用传统圆柱型燃烧室和多级渐扩型燃烧室的燃烧轻气炮氢氧燃烧发射过程进行数值模拟。对比结果表明, 多级渐扩型燃烧室结构能够明显地减小燃烧室压力波动幅度, 提高氢氧燃烧稳定性; 多级渐扩型燃烧室内形成回流区, 可以减小气流轴向运动速度; 火焰扩展形态与渐扩型结构相吻合, 燃烧反应区表面变化平稳; 多级渐扩型燃烧室结构对氢氧火焰传播过程和压力波动现象有着重要影响。     

瓦斯爆炸压力与波前瞬态流速演化特征及其定量关系

为了建立爆炸波前的瞬态流速和超压的定量关系,采用数值模拟的方法分别研究了开口型方管内瓦斯爆炸超压和瞬态流速传播特征。研究结果表明:开口型方管内,波前瞬态流速和超压的波形曲线的峰值个数不一样,而且超压峰值总是早于波前瞬态流速峰值出现。大部分情况下,方管横截面边长越大,其超压峰值相对较小,并且超压峰值沿传播方向呈现降低趋势。波前瞬态流速峰值沿传播方向呈不断增长趋势,而且方管横截面边长越大,其峰值也相对较小。长径比(方管长度与横截面边长之比)小于125时,超压峰值与波前瞬态流速峰值的定量关系始终呈现线性反比关系;大于或等于125时,超压峰值和波前瞬态流速峰值的定量关系呈分段关系。研究结果可为爆炸冲击波扬尘的研究提供基础数据。     

CH4/CO2 混合气体爆燃特性研究进展

掌握甲烷与二氧化碳混合气体的爆燃特性对高含二氧化碳天然气的勘探、开发和利用具有安全保障作用,对涉及甲烷和二氧化碳的其他工业过程如煤炭气化、惰化、抑爆、泄爆等应急处置和安防设计具有指导价值。为推动相关学科的进步,分类回顾了甲烷与二氧化碳混合气体爆燃特性的实验和理论研究进展,涉及爆燃范围、爆燃压强、惰化等爆燃特性的实验研究以及爆燃范围领域的理论研究,系统分析和评价了各个研究领域取得的成果、存在的问题,并从提高实验数据的完整性、可比性和适用面,理论预测方法可靠性的评价方法与指标,理论预测方法的适用面从常温常压条件向更复杂的情形扩展3个方面展望了未来的研究重点。     

磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响

为了弄清煤矿井下巷道中变电站、大型机电设备等产生较强的磁场对瓦斯爆炸的影响机理和影响程度,实验研究了外加磁场对瓦斯爆炸过程中爆炸应力波和火焰传播速度的影响,并从磁场影响瓦斯爆炸及其传播的传质、传热、反应过程等进行了理论分析.研究结果表明:外加磁场能增加瓦斯爆炸强度和火焰传播速度以及增大压力波超压峰值和火焰传播速度峰值,...