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。     

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。     

湍流状态下竖直管道内甲烷-煤尘预混特征及爆炸过程数值模拟

为揭示管道内甲烷-煤尘预混湍流特征及爆炸火焰传播过程,构建了竖直管道内甲烷-煤尘预混扩散及爆炸物理数学模型;基于流体力学及传热-传质理论,对管道内甲烷-煤尘扩散特征和爆炸过程进行了数值模拟。划分了管道内气固两相扩散特征阶段,分析了初始真空度和进气压力对扩散湍流强度的影响规律;研究了煤尘粒径、浓度及甲烷浓度对爆炸最大压力及最大爆炸压力上升速率的影响特征;揭示了管道内甲烷-煤尘预混爆炸过程中火焰传播特征及爆炸机制。结果表明:煤尘颗粒在竖直管道罐内扩散可分为快速注入、减速分散、稳定和沉降4个连续阶段,初始真空度及进气压力对湍流强度均有影响;爆炸过程中,不同时刻下管道整体爆炸压力场基本均匀分布。甲烷浓度、煤尘浓度及粒径与最大爆炸压力P_(max)及最大爆炸压力上升速率(dP/dt)_(max)均呈现二次函数关系;不同时刻下爆炸火焰结构及火焰高度、火焰传播速度的模拟与试验结果具有较好的一致性,火焰结构呈现"月牙-S-下凹月牙-指尖"传播至爆炸结束。温度分布不均,高温区集中在管道上部和中下部。火焰传播速度先增大后减小,后期呈现震荡性特征。     

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。     

巷道内瓦斯爆炸传播规律的数值研究

 基于流体动力学和燃烧理论,运用CFD软件建立管道模型,模拟在不同巷道长度下瓦斯爆炸的传播情况,得到了瓦斯爆炸的火焰速度及压力随时间的变化规律。结果表明：火焰速度会随管道长度分为3个阶段：扩散传播、快速上升、惯性前进;压力突变影响了火焰的湍流,是火焰速度快速上升的重要原因;管道变长时,火焰达到的最大速度增大,达到特定高速值的转变距离会趋于稳定。     

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。     

瓦斯浓度对瓦斯爆炸影响的数值模拟研究

采用流体动力学软件Fluent,对方形管道内体积分数分别为7.5%,9.5%,11.5%的瓦斯气体爆炸过程进行数值模拟研究,分析其爆炸过程中的压力、温度和火焰传播速度。结果表明:在3种不同浓度的瓦斯气体爆炸过程中,火焰的传播趋势大致相同,但火焰传播速度、管道内的超压以及温度有较大的区别;体积分数为9.5%的瓦斯气体爆炸过程中火焰传播速度、超压和温度均最大。模拟结果与前人的实验结果吻合。     

管道内不同浓度甲烷爆炸传播特性的实验研究

在水平管道式气体爆炸装置中,选取5种不同浓度的甲烷进行爆炸实验,研究在甲烷爆炸传播过程中,最大爆炸压力、压力上升速率及压力峰值时间随甲烷浓度及传播距离的变化规律。研究结果表明:甲烷浓度对最大爆炸压力、压力上升速率和压力峰值时间的影响显著:甲烷浓度越接近化学当量浓度,最大爆炸压力和压力上升速率越大,压力峰值时间越短。随着传播距离的增大,最大爆炸压力和压力上升速率先增大再减小,压力峰值时间则依次延长。甲烷浓度偏离化学当量浓度越多,压力峰值时间成倍延长。     

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。     

原尺度煤矿掘进工作面瓦斯爆炸仿真研究

为研究真实尺度下煤矿掘进工作面瓦斯爆炸冲击波和火焰的传播规律，利用气体爆炸数值仿真软件建立了不同尺度的掘进巷道模型，研究预混瓦斯体积分数、预混瓦斯长度和巷道空间特征对掘进工作面瓦斯爆炸冲击波超压和火焰传播的影响规律。研究表明：原尺度下掘进工作面瓦斯爆炸的最大超压可达180～630 kPa，巷道截面约束度和预混瓦斯量是掘进工作面瓦斯爆炸压力和火焰作用范围的重要控制因素，火焰高速传播的阻力会导致火焰扩散变慢，并最终使火焰膨胀比趋于定值。     

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。     

The experimental of methane-air flame propagation in the tube with quadrate cross section

The flame propagation of methane-air mixture with various methane concentrations was experimentally investigated at venting flame acceleration tube with quadrate cross section under different obstacles presented. The flame shape and propagation speed was observed by high-speed color video camera. The explosion pressure was determined by piezoelectricity pressure transducers. The results are： The flame propagates in the shape of a hemisphere before the flame reaches the first baffle and flame propagation speed is not more than 15 m/s. When the flame propagates across the baffle, the flame begins to accelerate due to turbulence induced by obstacle. Blockage ratio has relatively greater effect on the flame propagation speed than repeated baffle number does. The flame propagation speed and the pressure at different location along the tube are maximum when methane-air mixture is near the chemical stoichoimetric ratio. The pressure increases with the distance from ignition end at first and the maximum pressure was obtained at the middle of tube, but the pressure decreases and again increases at venting end.     

密闭管内甲烷－煤粉复合爆炸火焰传播规律的实验研究

在1.2 m长竖直爆炸管内对不同初始条件下的甲烷－煤粉混合物进行了弱点火火焰传播实验。分别考察了甲烷浓度、煤粉浓度、煤粉粒径以及点火延迟时间对复合爆炸火焰传播特性的影响。结果表明,煤粉的存在使得纯甲烷在空气中爆炸火焰传播速度显著增大,最大火焰传播速度出现在距离点火端0.425 m（长径比等于6）处;火焰传播至长管末端壁面后,爆炸压力达到最大值;甲烷浓度越接近化学当量比,火焰传播速度越快;火焰传播速度随煤粉浓度和点火延迟时间的变化趋势为先增大后减小,最佳煤粉浓度为500 g/m³,最佳点火延迟时间为500 ms;在一定粒径范围内,火焰传播速度随着煤粉粒径的增大而减小。     

The effect of duct surface character on methane explosion propagation

The effect of duct surface character on methane explosion propagation was experimentally studied and theoretically analyzed. The roughness has effect on methane explosion propagation. The flame propagation velocity and the peak value pressure of methane explosion in rough duct are larger than the parameters in smooth duct. The heat exchange of the surface has effect on methane explosion propagation. The propagation velocity of flame and strength of explosion wave in the duct covered by heat insulation material are larger than those in duct with good heat transmittability.     

Experimental study on gas explosion suppression based on ferrocene

In order to study the gas explosion suppression performance based on ferrocene, the self-constructed experimental facility was used to accomplish the experiment of gas explosion suppression. By means of thermogravimetric analysis, the thermal characteristics of ferrocene have been gotten and the gas explosion suppression mechanism of ferrocene has been analyzed. The results show that ferrocene had good effects on gas explosion suppression, and the explosion pressure and flame propagation speed declined obviously. When ferrocene concentration is 0.08 g/L and methane volume concentration is 9.5%, the maximum explosion overpressure and maximum flame propagation speed of methane-air respectively decreased by about 59.5% and 19.6%, respectively. TG and DSC curves showed that the mass loss of ferrocene consists of two processes, which are sublimation and lattice fracture. The temperature of mass loss ranged from 128 °C to 230 °C. The results showed profoundly theoretical significance to gas explosion suppression by ferrocene in coal mines.     

密闭管内甲烷—煤粉复合爆炸实验研究

在竖直长管内进行弱点火条件下甲烷—煤粉复合爆炸实验,研究了甲烷煤粉配比浓度、煤粉粒径、点火延迟时间等初始状态参数对复合爆炸特性的影响。结果表明:火焰传播越快,压力上升越显著,最大压力上升速率出现在爆炸初期,当火焰传播至管末端后,压力达到最大值;低浓度甲烷添加煤粉后,爆炸压力显著增大;煤粉粒径越小,复合爆炸压力越大,压力上升速率越大;最大爆炸压力和最大压力上升速率随着煤粉浓度增大和点火延迟时间增加先上升后下降,存在峰值点。     

超细水雾-多孔材料协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究超细水雾与多孔介质在协同作用下对多孔介质淬熄效果以及多孔介质上游爆炸超压的影响,自行设计并搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1 000 mm透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台,研究超细水雾质量分数、多孔材料孔径及孔隙率对9. 5%甲烷压的协同抑制效果。实验结果表明,改变超细水雾质量分数、多孔材料孔径以及孔隙率,在多孔材料上游,最大火焰传播速度和最大爆炸超压有着显著变化,随着超细水雾质量分数增加,火焰锋面传播速度峰值和爆炸超压逐渐减小,爆炸超压峰值出现时间随之缩短,而随着孔径的减小,火焰锋面传播速度也逐渐减小,压力衰减率明显增加。同时,超细水雾和多孔材料的组合方式对瓦斯爆炸具有耦合抑制作用,管道内通入超细水雾可吸收反应区大量热能,降低反应速率与火焰传播速度,此外多孔材料的存在吸收了部分前驱冲击波,破坏正反馈机制,因此两者协同抑制优于单一抑制效果。放置在管道中的多孔材料使得传播火焰淬熄,且添加的超细水雾降低了多孔材料上游的超压,但是一旦多孔介质淬熄失败,火焰湍流加剧,可能会导致更为严重的事故发生。此外,与9. 5%甲空气预混气相比,孔隙率为87%,孔隙密度为20 PPI和超细水雾质量浓度为1 453. 1 g s,下降比例达到44. 23%,且多孔材料上游的最大爆炸超压为6. 13 kPa,降低了40. 62%,抑制效果最明显。     

障碍物排列方式对甲烷/空气爆炸特性影响研究

为了研究煤矿井下设备尺寸及安装位置对瓦斯爆炸特性的影响,利用自行搭建的小型瓦斯爆炸实验平台开展了不同阻塞率障碍物在管道内位置的变化对甲烷/空气混合气体爆炸特性影响的研究。结果表明,在阻塞率相同时,到达管道末端的时间随着障碍物距离点火源位置的减小而减小,障碍物距离点火源越近、阻塞率越大,火焰到达管道末端的时间越短,障碍物对传播火焰前期的影响要大于对传播火焰后期的影响;随着距离点火源位置的增加,不同阻塞率的障碍物对爆炸压力峰值呈现先增大后减小的变化规律,障碍物的位置在距离点火源400 mm时,爆燃压力峰值达到最大;在相同管道位置下,爆炸压力峰值随着障碍物的阻塞率的增加而增加。研究结果可为井下设备设计及安装位置提供理论支撑。