气液两相介质抑制管道甲烷爆炸协同增效作用

瓦斯抽采管道一旦泄漏或受到外部火源波及,极有可能引发爆炸事故。基于自行搭建的惰性气体-超细水雾惰化抑制可燃气体爆炸试验系统,研究了气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸的影响因素和协同作用规律,并分析了其抑爆协同增效的原因,提出气液两相介质抑爆存在相间耦合作用。实验结果表明:在CO2,N2,He和Ar四种惰性气体与超细水雾的共同作用下,气液两相介质对9.5%甲烷/空气预混气爆炸超压、火焰传播速度和最大火焰温度的抑制均表现出明显的协同增效作用。当4种惰性气体稀释体积分数达到14%、细水雾通入量8-4 mL(质量浓度694.4 g/m3)后,均能对9.5%甲烷/空气爆炸产生良好的抑制效果;控制参数继续增加,抑爆增效作用的增长幅度缩小;其中CO2与超细水雾下的协同抑爆效果最好,N2次之,He,Ar与超细水雾的协同抑爆水平相差不大,为清洁、高效惰化细水雾抑爆技术的应用提供了技术指导。     

不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性

在全透明有机玻璃管道中,利用同步控制系统、高速摄像系统和高速粒子成像测速系统(PIV),从爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性,并分析了煤尘卷扬湍流特征。实验结果表明:3种工况下,随着甲烷体积分数的增加,爆炸超压和压力上升速率明显增高,压力峰值来临时刻减小,且当体积分数超过8.5%后,压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征;复合火焰传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况,且复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征;甲烷的体积分数越接近当量比,爆炸超压、波前流速、火焰锋面温度及其温度上升速率越高;甲烷体积分数为9.5%和8.5%时,复合火焰呈"倒钩形",之后很快出现火焰加速;而甲烷体积分数降至8.5%后,复合火焰亮度降低,结构呈现破碎和不连续的形态特点。PIV测试表明:甲烷体积分数为9.5%时,初始爆炸强度高,波前流速快,煤粉可随冲击波整体快速运动,卷扬区整体湍流强度较高,大大加快了煤粉与空气的混合速度,促进了卷扬煤粉的燃烧。较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因。     

荷电细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究

为了研究荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果以及抑爆机理,根据静电感应原理,自行设计了小尺寸的荷电细水雾发生装置,并开展了荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究。实验分析了在不同荷电极性、荷电电压以及雾通量下,荷电细水雾对瓦斯爆炸压力和火焰传播速度的影响。结果表明:荷电细水雾较普通细水雾能更有效地降低瓦斯爆炸压力峰值以及火焰传播速度,且随着荷电电压的增大,荷电细水雾的抑爆效果显著增强。同时荷负电荷的细水雾较荷正电荷的细水雾抑爆效果更好。当荷电电压为8 k V时,荷电细水雾使瓦斯爆炸压力峰值下降64.7%,升压速率下降33.03%,火焰传播速度下降34.9%。     

管道内瓦斯非均匀预混火焰传播特性实验研究

在实际矿井下,瓦斯泄漏后往往在巷道密闭空间内形成分层的、含体积分数梯度的甲烷-空气混合物。目前,国内外研究大多集中在均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性方面。为探究非均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性,通过自主搭建的小尺寸爆炸实验平台,对比研究了管道内甲烷不同自由扩散时间下,甲烷沿管道体积分数梯度分布及非均匀预混甲烷/空气爆炸火焰传播特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷体积分数分布、火焰传播结构、甲烷爆炸超压等数据,并进一步分析得出火焰传播速度、爆炸压升曲线等。结果表明:甲烷在管道内泄漏后,受浮力作用沿管道顶部横向传播,同时受体积分数差向底部纵向扩散,形成横向及纵向的体积分数梯度场,且自由扩散时间越短,体积分数梯度越大。体积分数梯度场对管道内非均匀甲烷爆炸火焰传播结构与爆炸超压有显著影响。甲烷体积分数梯度场下形成的非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰4个阶段。当甲烷沿管道形成纵向体积分数梯度时,管道内出现三重火焰,且体积分数梯度越大,三重火焰结构愈发明显,三重火焰形态出现后,火焰传播速度、爆炸超压迅速下降,管道内甲烷纵向体积分数分布为16%—4.6%—0时,三重火焰稳定传播时火焰速度约为4.8 m/s。随三重火焰继续传播,火焰传播速度、爆炸超压略有上升趋势。管道内甲烷空气非均匀预混时爆炸超压呈现2个峰值,后波峰压力峰值约为前波峰2/3,压力峰值间隔时间随体积分数梯度减小而减小,且在不同体积分数梯度下,甲烷体积分数越接近当量比时火焰传播速度越快,爆炸超压越高。     

瓦斯爆燃防爆安全距离及传播特征的数值模拟

运用AutoReaGas软件建立了长为100 m,截面为0.08 m×0.08 m的爆炸巷道,其中前10 m巷道均匀充满体积分数9.5%的甲烷与空气预混气体。结果表明:在瓦斯爆炸传播过程中,最大超压呈现先减小、后增大、再减小的变化过程,它在火焰熄灭的位置附近达到最大。最大燃烧速率和火焰传播速度均随着传播距离的增加而增大,取得最大值后又开始减小。最大超压和最大气流速度在距离点火源35 m时均已减小为零,最大密度在此点也减小为原始密度,此条件下的防爆安全距离为35 m。最大燃烧速率和火焰传播速度在距离点火源17 m时均已减小为零,火焰锋面传播的最大距离为17 m。气体发生逆流与火焰的存在有关。研究成果可为煤矿瓦斯爆炸最佳避灾路线的确定、爆炸发生后的抢险救灾、事故的调查等提供参考。     

细水雾抑制管道瓦斯爆炸的实验研究

在搭建细水雾抑制管道瓦斯爆炸的小尺寸实验平台和阐明瓦斯爆炸传播机理的基础上,研究细水雾抑制管道瓦斯爆炸的有效性,并对其进行定性、定量分析。研究发现：在水雾足量的情况下,细水雾能有效抑制管道瓦斯爆炸的传播速度、降低火焰温度,并能改变火焰图像特性;瓦斯浓度较高或雾通量不足时,细水雾将通过助燃促进瓦斯爆炸的产生。     

超细水雾抑制瓦斯爆炸的可行性研究

利用超细水雾冷却效率高,吸热效果好的特点,对“瓦斯—空气”混合气体在不同量超细水雾氛围内的爆炸过程进行了初步的实验研究。实验发现在超细水雾氛围内,瓦斯爆炸的火焰传播速率明显降低,起爆阶段的火焰传播加速度也有较大幅度的降低,火焰在实验管道内的传播时间显著延长,并且发生了火焰驻停现象,但爆炸感应期变化不大。这表明超细水雾较高的吸热效率有效地消耗了瓦斯爆炸燃烧生成的一部分热量,削弱了火焰传播的能量。如果在超细水雾中再加入某些能够起到化学抑制作用的添加剂,形成含添加剂的超细水雾,就能更为有效地抑制瓦斯爆炸火焰的传播。     

二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究

为了研究受限空间内二氧化碳-超细水雾对甲烷爆炸的影响,通过自行设计的120mm×120mm×840mm半封闭透明的甲烷爆炸实验台,开展不同气雾比二氧化碳-超细水雾对化学当量比甲烷-空气预混气体的抑爆研究。实验结果表明：二氧化碳和超细水雾结合的抑爆效果要优于单独使用任何一种抑制剂效果之和;CO2体积分数一定的情况下,甲烷气体的爆炸压力、压升速率和爆炸火焰的传播速度均随着超细水雾体积量的增加而明显减小。当单独加入体积分数为2%CO2和1.4mL超细水雾时,两种工况下压力峰值下降之和为72.3mbar;而在两者共同作用下,9.5%甲烷爆炸的超压峰值下降了92.95mbar,说明二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应。     

地面放空管道内瓦斯爆炸传播特性研究

为研究地面放空管道内瓦斯爆炸的转播特性,模拟地面放空管道内瓦斯的爆炸环境,对管道内气体的爆炸极限、爆炸压力和爆炸火焰传播速度等进行实验分析。结果表明,在实验管道内,爆炸冲击波冲量在爆炸初期逐渐增大,达到最大值后,又逐渐减小,在靠近实验管道开口位置,冲量又突然增大。爆炸压力随实验管道的延长而增大,在靠近实验管道的开口端达到最大值。瓦斯浓度低于9%时,爆炸火焰传播速度随浓度降低而减小;瓦斯浓度高于11%时,火焰传播速度随浓度增大而减小。     

泡沫金属抑制瓦斯爆炸火焰的实验及机理研究

为探求新型有效阻隔瓦斯爆炸装置,研究适合煤矿使用的阻隔爆材料,利用自行设计制作的30 cm×30 cm方形实验管道进行瓦斯爆炸实验研究工作。文中测试放置0.3 g/cm3泡沫铁镍金属材料后的管道火焰温度数据,并结合火焰大小,共同作为判定该材料对爆炸波能量控制能力的指标。实验表明,0.3 g/cm3泡沫铁镍金属具有抑制瓦斯爆炸火焰波的作用和较强的阻火能力,对管道内瓦斯爆炸火焰温度最大衰减率在7.1%~70.7%之间。研究发现,厚度、孔径及基体材料成分对火焰波的抑制效果存在一定的影响,厚度大、孔径小、含镍成分高的多孔泡沫铁镍金属材料有利于火焰波的衰减。     

超细水雾雾化方式对甲烷爆炸过程影响的实验研究

通过可视化实验对超细水雾作用下的爆炸过程进行研究,采用两种雾化方式产生超细水雾并借助PDPA实现确定水雾参数下的爆炸影响研究,发现超细水雾将导致爆炸产生增强与抑制两种相反的作用结果;超细水雾通过影响火焰阵面结构间接影响爆炸强度,而超细水雾对火焰阵面的影响程度与水雾参数(水雾粒径、速度和水雾浓度)有关;受超细水雾作用后的火焰分为4种结构,为有效实现爆炸抑制,应使其为小尺度湍流火焰,实现良好的热量交换且不引起明显的火焰面结构变化。同时,压力上升与火焰传播是相对应的,爆炸压力、压力上升速率曲线双峰值和火焰传播速度受水雾参数的影响显著。     

超细水雾增强与抑制甲烷/空气爆炸的机理分析

通过数值模拟方法对密闭容器内部超细水雾与甲烷/空气爆炸火焰的相互作用机理进行研究。采用大涡模型和部分预混燃烧模型分别对爆炸火焰流场和甲烷/空气燃烧过程进行计算;利用欧拉-拉格朗日方法对连续相和离散相方程进行耦合求解,实现气液两相间的质量、动量和能量的传递。通过实验验证了模型的准确性,并详细分析了水雾导致爆炸增强与抑制的机理。结果表明:水雾吸收的汽化潜热大于显热,且两者均远大于液滴的动量吸收作用;水雾吸热和汽化膨胀两种效应的共同作用导致增强和抑制爆炸两种相反的结果,液滴粒径、速度和水雾质量浓度将影响火焰面的温度、导温系数、脉动速度和湍流尺度,进而影响火焰传播速度和容器内部的热增速率。     

超细活性及惰性粉体对甲烷/空气预混物层流火焰传播的影响

开展了施加超细惰性SiO_2及活性NaHCO_3粉体对甲烷/空气预混物爆炸层流火焰传播影响的研究,利用高速摄像及纹影系统为主要手段,探究了火焰微观结构及全程火焰传播速度的变化,以及爆炸压力增长进程等参数的变化趋势。结果表明,添加少量SiO_2超细粉体后,火焰传播得以强化,粉体施加量为50 g/m~3量级时,火焰传播速度增长近1倍,提高粉体浓度,其物理作用的抑制效能方能逐步体现,粉体施加量提高到150 g/m~3时,对火焰扰动导致的燃烧强化与吸热抑制作用可相抵消。而施加超细NaHCO_3粉体后,传播速度得以明显抑制,火焰阵面被分割成蜂窝状,抑制程度与施加量成正比,当NaHCO_3的质量浓度达到150 g/m~3时,能够将爆炸火焰完全抑制。施加超细NaHCO_3粉体后,爆炸压力的增长进程明显减缓,而施加超细惰性SiO_2对爆炸压力的抑制效能并不显著。     

瓦斯爆炸在分岔管道中的传播规律及分析

为了探索瓦斯爆炸在分岔管道中的传播规律,通过实验测定了瓦斯爆炸在分岔管道中传播的爆炸波超压值和火焰传播速度,并对瓦斯爆炸在分岔管道中的传播进行了理论分析.研究结果表明,管道分岔对瓦斯爆炸的火焰和超压都有增强的作用,火焰和爆炸波对分岔处管壁的破坏特别大.因此在矿井巷道开拓设计时,应尽量避免巷道分岔,同时避免巷道内障碍物的堆积.在必须分岔时,应根据分岔巷道瓦斯爆炸传播规律来采取相应的预防措施,以阻止瓦斯爆炸的传播和降低强度,减少瓦斯爆炸带来的损失.     

瓦斯爆炸火焰锋面参数测试技术实验研究

 为了探究煤矿瓦斯爆炸事故中瓦斯爆炸火焰锋面特征,在实验室模拟巷道的小型管道内进行瓦斯爆炸火焰传播实验。在管道内同一截面处,利用微细热电偶、离子探针、压力传感器及光电传感器同时测得了火焰锋面温度、离子电流强度、压力、光信号。对四种火焰锋面参数信号比较分析,结果表明：传播火焰阵面的火焰光信号、温度信号、离子电流信号稍快于压力信号,瓦斯浓度为10.17%的传播火焰在测点处火焰锋面最高温度值为1238.8℃,最高压力值为2.28atm,最高离子电流强度值为258nA;处理热电偶温度信号计算出的火焰锋面厚度为44.8cm和离子电流信号计算出的火焰锋面厚度为68.5cm,两者属于同一数量级。实验结论为进一步认识瓦斯爆炸火焰锋面在瓦斯爆炸事故中的作用和矿井防爆设备和预警设计提供一定的参考依据。     

角联管网瓦斯爆炸超压演化及火焰传播特性研究

为了探索瓦斯在煤矿井下复杂巷网内爆炸后的超压演化规律及火焰传播特性,在实验室自行搭建了瓦斯爆炸试验系统,对甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸爆燃波传播规律进行了试验研究,并对瓦斯爆炸超压及火焰传播过程进行了数值模拟。试验与数值模拟结果表明:管网角联分支中,甲烷-空气预混气体爆炸后由于爆炸压力波的叠加,形成超压增高区域,但产生的火焰波很微弱,温度较低。并联分支中,随着爆燃波传播距离的增加,超压峰值和焰面传播速度呈逐渐减小的趋势,而火焰持续时间呈先增加、再减小的趋势。试验中火焰的最大传播距离为18.75 m,而数值模拟的传播距离为21.25 m,但试验值和模拟值的变化趋势一致。研究结论可对煤矿井下复杂巷道内瓦斯爆炸灾害的防控及救灾提供理论支持。     

水雾粒径对超细水雾抑制甲烷/空气爆炸过程的影响

建立了超细水雾作用下甲烷-空气爆炸过程的三维数值模型,采用大涡模拟模型计算爆炸流场瞬态流动过程;考虑了水雾的蒸发、汽化过程以及气液两相间的质量、动量和热量交换,通过欧拉-拉格朗日模型分别对连续相与离散相进行计算,交替求解离散相与连续相的控制方程实现气液两相间的耦合求解;分析了水雾粒径对爆炸火焰反应区作用程度以及热量交换速率的影响;获得了最佳抑爆粒径并解释了粒径导致抑爆效果差异的原因;水雾粒径通过与火焰反应区的作用程度和蒸发速率影响气液两相间的热量交换速率,进而影响火焰传播速率和爆炸强度;为实现爆炸强度的有效抑制,水雾粒径选取的条件应保证水雾在反应区完全汽化。