燃料物性参数对瓦斯煤尘复合爆炸的耦合作用

为研究瓦斯煤尘复合爆炸影响因素的耦合规律,对煤粉质量浓度、甲烷体积分数、煤粉粒径、煤粉种类等4种影响因素进行了多因素与单因素实验分析。通过正交实验,将各因素对爆炸的影响进行了定量分析,结果表明,4个因素对最大爆炸压力p_max的影响由强到弱依次为:甲烷体积分数、煤粉质量浓度、煤粉种类、煤粉粒径;对最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max的影响程度由强到弱依次为:甲烷体积分数、煤粉质量浓度、煤粉粒径、煤粉种类。对于体积分数为9%、11%的甲烷,复合体系的p_max随煤粉的质量增加而减小。当煤粉质量浓度增加到100、200 g/m3时,在与体积分数为6%的甲烷耦合作用下,会产生更强的“激励”作用,且煤粉浓度较大时,挥发分低的煤种最佳瓦斯浓度会降低。甲烷体积分数存在临界值,该临界值会改变挥发分因素的影响方式:低于此临界值时,高挥发分煤尘体系的(dp/dt)_max更高,(dp/dt)_max来临时间更短;高于此临界值时,低挥发分体系具有更高的爆炸强度。粒径影响挥发分的作用,粒径越大,挥发分的影响差异越明显。当甲烷体积分数为11%时,挥发分高的煤尘更容易受粒径的影响,直径小的煤尘体系,爆炸系数K_st更小;而低挥发分煤粉在甲烷体积分数接近当量时受粒径影响更明显。     

密闭空间油页岩粉尘爆炸特性研究

为探究油页岩粉尘的爆炸特性,以龙口（Longkou, LK）、茂名（Maoming, MM）、桦甸（Huadian, HD）和抚顺（Fushun, FS）4种油页岩粉尘为研究对象,采用20 L球形爆炸装置,对这4种油页岩粉尘样品开展系统的爆炸实验,探讨油页岩粉尘的粉尘云质量浓度、粒径、挥发分、灰分、氧含量等对其爆炸特性的影响。结果表明:挥发分含量越高,油页岩粉尘的最大爆炸压力p_max、最大压力上升速率(dp/dt)_max越高,爆炸下限越低;挥发分和灰分对油页岩粉尘云爆炸分别有显著的促进和抑制作用。在37.52～106.43 μm粒径范围内,这4种油页岩粉尘样品的p_max和(dp/dt)_max均随其粉尘粒径的增大而降低,且到达最大爆炸压力的时间逐步缩短,说明小粒径油页岩粉尘较高的脱挥发速率能提高爆炸的反应程度。当粉尘质量浓度在400～2 500 g/m3范围内时,p_max和(dp/dt)_max均随粉尘云质量浓度的升高呈现先升高后降低的变化趋势,高于最佳粉尘云质量浓度（1 000 g/m3）时略有下降,但维持在较高水平,表明超过最佳质量浓度的粉尘云引燃后仍有较强的破坏力;LK样品的p_max和(dp/dt)_max均最高,分别为0.61 MPa和29.32 MPa/s,与挥发分含量相当的褐煤在同一水平,其爆炸下限为200 g/m3,在4种样品中最低,高于挥发分含量相当的褐煤;在N₂惰化条件下,LK样品的p_max和(dp/dt)_max均随环境氧含量的降低而降低,当氧含量降至15%时,系统不再发生爆炸,极限氧含量为16%。     

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。     

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。     

煤粉末的爆炸机理

针对流态化炭催化CH4/CO2重整制合成气中可能存在的爆炸问题,对煤粉末爆炸特性进行了研究,研究表明煤粉末的挥发分含量越高,爆炸强度越大。对煤粉末试样及爆炸产物进行的工业分析和SEM分析显示,爆炸后煤粉末的挥发分降低了5%～10%,灰分有所增加,而水分变化不大;爆炸前煤粉末试样的外表形状棱角分明,而爆炸后残余物的外表形状比较光滑,近似球形,且燃烧不充分。研究认为,煤粉末爆炸的机理是煤粉末受热后,挥发分首先被释放,参与反应,从而引发爆炸,煤粉末爆炸实质上是气体爆炸。 更多还原     

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。     

月桂酸与硬脂酸粉尘爆炸过程热解动力学与火焰传播特性关系

综合应用同步热分析仪、改进的哈特曼爆炸测试装置及高速摄影系统,对月桂酸与硬脂酸粉尘的热解氧化特性及其在半封闭竖直管道内的火焰传播特性开展了实验研究,并分析讨论了月桂酸与硬脂酸粉尘爆炸燃烧过程中热解动力学与火焰传播特性的关系。结果表明,当粉尘云质量浓度为125 g/m3时,月桂酸粉尘云的火焰锋面结构比硬脂酸平滑,但硬脂酸粉尘的火焰传播速度明显大于月桂酸;随着质量浓度的增加,月桂酸和硬脂酸粉尘的火焰前锋逐渐变得离散,火焰传播速度逐渐增加,但速度差值逐渐减小;月桂酸粉尘的平均火焰传播速度在750 g/m3的粉尘云质量浓度下高于硬脂酸,火焰结构连续性显着降低。低质量浓度条件下月桂酸与硬脂酸粉尘云火焰传播特性差异主要由快速热解阶段的氧化放热特性决定,指前因子越大,参与热解和氧化反应的活性中心越多,氧化放热量越大,放热速率越快,火焰传播速度越快,火焰锋面结构由光滑连续向不规则离散的转变越快。随着粉尘云质量浓度的增加,火焰传播特性差异逐渐由活化能及火焰前锋预热区内氧气的质量输运过程控制,活化能越大,耗氧量越大,耗氧速率越快,越易导致火焰传播速度下降,火焰锋面趋于复杂,火焰结构连续性降低。     

密闭空间煤粉的爆炸特性

利用ISO6184/1和IEC推荐的20L球型爆炸测试装置,对4种规格的煤粉进行了系统的粉尘爆炸实验,探讨了煤粉的爆炸规律。得到了样品的爆炸下限浓度、最大爆炸压力,最大爆炸压力上升速率变化规律;分析了浓度、粒径、点火能量对煤粉爆炸猛烈度的影响。结果表明,粒径越小的煤粉,爆炸下限越小,而且在指定浓度下爆炸越猛烈。随着浓度的增大,最大爆炸压力和上升速率先增后减。样品3,峰值爆炸压力对应的浓度为400～1000g/m3,爆炸压力最大值为0.54MPa;点火头能量的增大在一定程度上促使反应更充分,从而爆炸强度更强。由于煤粉组成的特点,实验数据一定程度上说明了爆炸过程中气相燃烧的重要作用。 更多还原     

Al(OH)3对聚丙烯腈粉火焰传播特性影响研究

为研究Al(OH)₃粉体抑爆剂对聚丙烯腈（polyacrylonitrile, PAN）粉尘爆炸的抑制作用,利用透明管道爆炸传播测试系统,研究不同含量的Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸火焰传播形态、温度等参数的影响,并采用扫描电镜、热重分析仪、傅里叶红外光谱仪研究Al(OH)₃抑制PAN粉尘爆炸的微观特征,总结出Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸的抑制机理。测试结果表明,随着Al(OH)₃质量分数的增加,PAN粉尘爆燃的最大火焰传播距离和传播速度逐渐减小。同时压力监控及温度监控结果显示,随着Al(OH)₃质量分数的增加,PAN粉尘的最大爆炸压力及最大温度均逐渐减小,由此验证了Al(OH)₃对PAN粉尘爆炸的抑制作用,且60%质量比的Al(OH)₃的抑制效果最好。通过对PAN粉尘爆炸固态产物表征及热分析的研究,从物理和化学两个方面分析了Al(OH)₃对PAN粉尘火焰的抑制机理,物理抑制包括包覆、吸热降温、气体惰化3种方式,化学抑制主要通过消耗维持燃烧爆炸连锁反应的关键自由基?O和?OH减少了自由基?H、?OH与?O之间的放热反应。     

大尺度开敞空间油料蒸气云爆炸超压与火焰传播机制研究

为探究大尺度开敞空间油气爆燃动态发展过程,利用自行设计并搭建的大尺度开敞空间油气爆燃模拟实验条件测试系统,通过可视化监测手段及对压力与火焰信号的采集获得了油气爆燃过程中关键参数的变化规律。结果表明:在不同的初始油气浓度下引燃预混油气混合物将形成三类主要的燃烧模式;油气浓度接近爆炸极限范围内时火焰主要分布于台架的内场、点火面后方及正上方,根据动态超压时序发展曲线可将爆燃过程划分为3个子阶段;爆燃火焰传播速度呈波动性下降趋势,并可与超压发展阶段相互耦合;随着初始油气浓度的增加,超压峰值呈现出先减后增的趋势,形成峰值耗时则呈现相反规律;爆燃火焰的温度梯度与火焰行进方向相关,火焰峰面温度梯度通常小于尾端火焰;爆燃辐射峰值形成时间与火焰强度相比具有一定的延时性,爆燃传播末期更易于形成高强度辐射。     

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     

水平管道煤尘爆炸残留物时空变化特征

为了研究煤尘爆炸气固态残留物成分差异性及其时空分布规律，利用水平管道煤尘爆炸装置进行了煤尘爆炸实验，收集并分析了气固态残留物类别及特征。研究表明:爆炸后煤尘中灰分显著增加，挥发分和固定碳减少；爆炸前后煤尘的微观形貌特征差别明显，爆炸后煤尘颗粒表面光滑，且产生了颗粒破裂现象，部分颗粒中出现孔洞，少数颗粒呈现薄壳状，颗粒之间出现了粘结现象；煤尘爆炸气体残留物成分主要有氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等，爆源点处最低氧气浓度仅为2.52%，一氧化碳浓度达到0.38%~0.68%，距离爆源点越远，氧气浓度越高，碳氧化物气体与烃类气体浓度越低。     

Influence of pulverized coal properties on heat release region in turbulent jet pulverized coal flames

The effects of pulverized coal properties, volatile matter, particle size and moisture content, on the heat release region in turbulent jet pulverized coal flames were investigated experimentally. To understand the accuracy of line of sight measurement in the two-dimensional (2-D) visualization, point measurements of chemiluminescence intensity by cassegrain optics were also conducted. The heat release region for the structure of pulverized coal flame was observed through visualization by CH^∗ chemiluminescence image with an intensified high-speed camera, and by CH^∗ chemiluminescence intensity for local point measurements. The streamwise length of the heat release region based on 2-D visualizations was about 11.4% longer than that of point measurements and increased proportionally to the volatile matter content. The temperature rise for 35-45 μm coal particles was faster than that for 75-90 μm particles, which resulted in a shift of reaction region toward upstream direction. The length of heat release region depends upon the particle size and the volatile matter. However, the coal moisture content less than 15% shows minor effect on the heat release region comparison to volatile matter and coal size within our experimental conditions.     

点火能量对粉尘爆炸行为的影响

为防控工业粉尘爆炸和完善粉尘爆炸测试方法,在Siwek20L球形爆炸测试系统内,实验研究了 不同点火能量下高、低挥发性粉尘的爆炸行为。对粉尘爆炸猛度(最大爆炸压力、最大升压速率和燃烧持续时 间)、敏感度(爆炸下限)及惰性介质的抑爆效力随点火能量的变化规律进行了重点探讨。结果表明,增加点火 能量能提高粉尘云爆炸能量和燃烧速率,低挥发性粉尘爆炸行为受点火能量的影响更显著。低挥发性粉尘在 低质量浓度下无法被低点火能量充分引燃,爆炸不良效应显著;随着粉尘质量浓度的增加,爆炸不良效应不 断减弱直至消失。低挥发性粉尘爆炸下限随点火能量增加急剧下降,而高挥发性粉尘爆炸下限受点火能量影 响较小。惰性介质抑爆效力随点火能量增加而下降。建议采用5~10kJ点火能量考察低挥发性粉尘爆炸下 限及惰性介质对粉尘爆炸的抑制效力。研究结果有助于理解粉尘爆炸规律、完善测试方法和安全设计。     

爆震室壁面条件对脉冲爆震发动机爆震性能的影响

在爆震室内快速形成稳定传播的爆轰波是脉冲爆震发动机的关键．本文利用有限速率化学反应模型,考虑粘性、热对流,基于N-S方程对氢气与空气/氧气为反应混合物的爆震发动机爆震室内流场进行计算．从流场压力、速度、涡量、湍流动能等方面研究爆震室壁面条件对燃烧爆轰性能的影响,分析流场爆轰波压力与流场湍动能的关系,讨论可燃气体燃烧转爆轰的机理．结果表明：爆震室内燃烧爆轰机理受到化学反应能量释放、壁面摩擦效应、壁面与外界热交换的影响．在文中讨论的范围内,相比于半圆形和三角形的爆震室装置,矩形的爆震室增强装置能在更短的时间内得到较高的爆轰波压力和湍动能峰值．壁面粗糙层高度（粗糙度）影响爆震室的燃烧爆轰性质．当壁面粗糙度为0.15mm时,粗糙度对爆轰的激励作用大于抑制作用,能较快形成稳定的爆轰波,且推力为35.5N;随着壁面对流换热系数的增大,爆震室壁面的散热加剧．当壁面对流换热系数大于临界值2.6W/(m2·K)时,爆震室内不能形成稳定的爆震波．     

Coupling Relation Between Air Shockwave and High-Temperature Flow from Explosion of Methane in Air

After a methane-in-air explosion in a coal mine tunnel, a secondary explosion of coal dust is prone to happen. The shockwave in the gas explosion produces a coal dust suspension, and the peak temperature band may detonate that suspension. This secondary detonation depends on the space-time relation between the shockwave and the peak temperature band. This paper presents a methodology to estimate the coupling relation between the air shockwave and high-temperature flow from the explosion of methane in air. The commercial software package AutoReaGas was used to carry out the numerical simulation for the explosion processes of methane in air in the tunnel. Based on the numerical simulation and its analysis, the coupling relation between the leading shock wave and high-temperature flow was demonstrated for a methane-in-air explosion in a tunnel. In the near field of the ignition point, the deflagration wave transmits energy by heat, and the temperature load is in the front of the pressure wave. With development of deflagration and deflagration-to-detonation transition, the corresponding mechanism of energy transmission is changed from heat conduction to shock compression, and a precursor pressure wave is formed gradually. The time interval between the precursor pressure wave and high-temperature flow behind the wave increases with distance. Attenuation of the precursor shock wave and high-temperature flow depends on the length of the methane-in-air space in a tunnel. Beyond the methane-in-air space, the quantitative relation of the time interval between the precursor shock wave and high-temperature flow with axial distance from ignition and the length of methane-in-air space was proposed.