管道内瓦斯爆炸冲击作用特性数值模拟研究

为了掌握管道内瓦斯爆炸冲击作用特性,利用ANSYS/LS-DYNA对浓度为9.5%,填充长度为5 m的瓦斯在管道内爆炸产生冲击作用进行了数值模拟,分析了耦合效应对管道内瓦斯爆炸流场和冲击波超压的影响.研究结果表明:瓦斯爆炸瞬间,管道内坐标分别为A(0,0,2),B(0,0,4)测点的压力瞬间达到峰值,之后测点A,B的压力逐渐减小直至趋近于某一稳定值.而初始压力为大气压的测点C(0,0,6),D(0,0,8),E(0,0,10)依次达到超压峰值后逐渐地衰减趋近于大气压力.因此,在耦合和解耦合的2种情况下,不同测点的超压时程曲线走势基本一致.在解耦合条件下,管道轴向同心环等压线以均匀圆环的形式向开口方向传播;在耦合条件下,管道轴向同心环等压线以紊乱的等压线分布形式向开口端传播.因此,瓦斯爆炸流固耦合效应对冲击波等压线的分布有一定的影响,即改变流场分布.     

爆炸荷载作用下岩石介质中大跨度被覆结构动力响应分析

为研究大跨度洞库围岩内常规武器爆炸作用下复合式混凝土拱形被覆的动力响应,利用LS-DYNA有限元程序计算了不同跨度 D 和厚度 h的拱壳结构在不同爆距 H 及爆炸偏角 α 爆炸工况下的结构位移与结构内力时程。结果表明：大跨度拱壳结构动力响应是结构尺寸效应与空间爆炸综合作用效应的结果。同一爆距下,结构上各点的振动周期和动位移峰值随着结构跨度的增大而增大,随结构厚度的增大而减小;同一跨度结构,结构上各点动力响应峰值随爆距加大呈现先增大后迅速衰减的趋势。当爆心位于结构正上方结构跨度 D 为24 m且爆距 H 为4.5 m时,位移及内力峰值达到最大。综合分析各因素影响,给出大跨度被覆结构动力响应峰值的拟合计算公式。     

巷道瓦斯煤尘爆炸环流压力与反射压力研究

为确定巷道内瓦斯煤尘爆炸环流压力与反射压力的大小,采用爆炸力学理论分析和试验方法,在试验管道和大型试验巷道内测试环流压力与反射压力强度的变化规律。理论分析表明,极弱冲击波环流压力大约比反射压力小一半;极强冲击波反射超压是环流超压的8~23倍。实验结果表明,理论计算值与实验值基本吻合,冲击波固壁反射峰值超压作用于相对传播方向垂直固定物体上的伤害效应远大于水平方向,揭示了反射超压是井下爆炸事故引起财产和人员严重破坏及伤害的原因。     

煤矿瓦斯爆炸后巷道内超压及温度分布规律研究

基于气体爆炸动力学强冲击波爆炸等相关理论,根据瓦斯爆炸释放的能量,推导出爆炸后巷道内的超压、温度与至爆炸点距离的非线性计算公式,将计算值与试验值进行对比分析,得到瓦斯爆炸后冲击波的衰减规律,即爆炸后瞬间随传播距离的增加,巷道内超压和温度也都逐渐衰减。     

云南大红山铜矿导爆管耐压安全距离与炸药量的关系

地下矿山开采时,存在多点放炮的情况,后续起爆导爆管混合起爆网络的普通塑料导爆管在前爆形成的冲击波超压作用下准爆的可靠性会大受影响。以云南大红山铜矿为例,首先通过理论推导获取爆破冲击波峰值超压的计算公式;再通过现场试验,监测获取不同距离、不同作业面爆破冲击波峰值超压数据,通过计算获取公式中的系数;最后通过破坏试验获取爆破冲击波峰值临界超压,进而获得爆管冲击波超压的安全距离与炸药量之间的关系,并用于指导矿山生产,获得了较好的经济效益和社会效益。     

管道中瓦斯爆炸超压场的数值模拟

利用计算流体动力学软件AutoReaGas,定量地研究了障碍物和瓦斯浓度对管道中瓦斯爆炸超压场的影响。研究结果表明:当有障碍物存在时,爆炸峰值超压会显著增加,且峰值超压随着障碍物阻赛比的增加而增加。瓦斯浓度对峰值超压的影响与管道中是否存在障碍物有关。在无障碍物的情况下,甲烷浓度的变化对爆炸峰值超压的影响并不十分显著。在障碍物存在的情况下,甲烷浓度的变化对峰值超压具有显著影响。     

瓦斯爆炸冲击波在采煤工作面巷网中传播特性的数值模拟

为了探索冲击波在首尾相连巷网中的传播特性,运用AutoReaGas软件模拟了瓦斯爆炸冲击波沿着进风巷和回风巷传播的超压和温度的变化规律。研究结果表明：冲击波在采煤工作面首尾相连巷网中传播时,超压峰值和最高温度不断减小;相向传播的两个冲击波发生叠加效应,使超压峰值增大,相向传播的火焰锋面产生抑制作用,使最高温度降低;在联络巷的中点之前,最高温度沿着巷网的变化规律与冲击波超压峰值的变化规律基本一致;进回风巷对应测点的超压峰值和最高温度基本相同,冲击波经过两条巷道的传播特性基本一致。在煤矿井下瓦斯爆炸发生叠加的位置附近是爆炸破坏较严重的区域,应采取相应的预防措施,减少瓦斯爆炸带来的损失。     

煤矿瓦斯爆炸冲击波衰减规律研究与应用

基于弱冲击波理论,根据瓦斯爆炸释放的能量,推导出爆炸冲击波传播过程中超压与爆源点距离之间的衰减关系,得到冲击波参数随传播距离的衰减规律以及冲击波传播距离和时间存在的非线性关系.全尺寸实验与理论计算的对比结果表明,理论数据与实验结果基本吻合,证明了冲击波超压随距离衰减公式的合理性.应用研究结果分析了瓦斯爆炸后冲击波影响范围,认为小型瓦斯爆炸只是破坏局部通风系统,而大型瓦斯爆炸,或者瓦斯爆炸过程中有煤尘等参与会造成极大的灾害.     

瓦斯爆炸过程中爆炸波传播特征的实验研究

本文在实际的基础上,测定了瓦斯爆炸过程中爆炸波的特征参数,并计算了爆炸过程的超压及比冲量。研究结果表明：障碍物对瓦斯爆炸过程中的冲击波具有诱导作用,产生冲击波时,其阵面峰值超压软大,具有很强的破坏作用。研究结果对于现场防治瓦斯爆炸具有一定意义。     

柔性障碍物厚度对甲烷爆炸激励效应影响的实验研究

为了研究柔性障碍物对甲烷爆炸激励效应的影响,分别设计了无膜片、有0.09 mm膜片和有0.1 mm膜片的实验工况,通过爆炸压力峰值、火焰速度等特征参数,研究柔性障碍物的厚度对甲烷爆炸激励效应的影响。实验结果表明:加膜片后甲烷爆炸超压与火焰速度明显高于未加膜片;0.09 mm膜片和0.1 mm膜片的甲烷爆炸实验最大超压分别为0.53、0.6 MPa,增加膜片厚度,火焰速度峰值随之升高20.85%。同时利用激光纹影系统记录了膜片破裂后激波与火焰在流场中的传播过程。     

含弱约束结构受限空间甲烷爆炸及传播特征实验研究

为研究含弱约束受限空间内甲烷爆炸压力升高及沿扩散管的传播特征,对不同体积分数甲烷的爆炸特征参数进行了系列实验。获得了含弱约束结构受限空间在不同浓度甲烷爆炸时的压力升高规律,研究表明,含弱约束受限空间内的甲烷爆炸压力升高趋势类似封闭空间,但压力峰值远小于封闭空间,封闭空间最大压力是含弱约束结构空间的3.2倍。由于若约束结构的存在,甲烷体积分数较低时破膜压力较大,腔体内高压持续时间较短,而接近爆炸当量浓度时腔体内高压持续时间增长。扩散管中的爆炸压力和火焰传播规律随甲烷体积分数变化呈现明显不同。在实验条件下,当甲烷体积分数低于7.0%时,破膜激波与火焰锋面时间差最大为5.255 ms,扩散管中的火焰主要为膨胀火焰。而甲烷体积分数高于7.4%时,破膜激波与火焰锋面时间差为28~40 ms,说明在管外发生了二次爆炸,以湍流火焰为主。爆炸压力的沿管道传播则分为3种情况,甲烷体积分数低于7.0%时,爆炸压力随传播距离增大而减小;甲烷体积分数为7.4%和11.0%时,爆炸压力随传播距离增大呈线性增大;甲烷浓度为当量浓度时,其压力传播特征类似于全管道甲烷爆炸的特征,随传播距离呈现锯齿形增大。实验结论对天然气长输管道、LNG和CNG储罐检修过程中的爆炸事故预防和含弱约束结构的其他气体泄爆具有参考意义。     

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。     

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。     

不同热效应时的瓦斯爆炸热冲击作用分析

管道内瓦斯爆炸的影响因素很多,热效应是其中之一,为此,本文通过LS-DYNA软件建立了瓦斯爆炸热冲击效应时的管道数值模型,设置了4种不同的导热系数,分析了不同热效应条件下管道受热冲击效应时的温度场分布、热应力分布情况以及管道热应力峰值和径向位移峰值。研究结果发现,瓦斯爆炸产生的热冲击效应在第一时间作用在管道内壁上,随后通过热传导,热辐射和热对流的方式向管道径向传热,管道的导热系数在一定程度上影响管道传热和应力场分布。随着导热系数的增大,管道温度场变化更大,其散热能力越强,管道内热应力峰值和径向位移峰值也随之增大。管道内热应力峰值和径向位移峰值也随之减小。     

初始压力对矿井可燃性气体爆炸特性的影响

采用20 L近球型爆炸反应器对不同初始压力下矿井单元及多元可燃性气体的爆炸特性进行了实验研究,并结合碰撞理论和火焰传播机理对实验结果进行了理论分析。实验结果表明：初始压力增加使可燃性气体的爆炸危险性增强,但使其到达最大爆炸超压的时间略有延长;最佳浓度与爆炸上限之间的可燃性气体较最佳浓度与爆炸下限之间的可燃性气体对初始压力更敏感;相同的初始压力下,矿井多元可燃性气体较单元可燃性气体甲烷爆炸的危险性更高,破坏性更强。     

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。     

超细Al(OH)3粉体浓度对甲烷爆炸压力的影响

采用20 L的球形不锈钢爆炸罐试验系统,考察不同浓度Al(OH)₃超细粉体抑制瓦斯爆炸的效果.实验结果表明,随着Al(OH)₃粉体浓度的增加,甲烷最大爆炸压力先减小后增大,即存在控制瓦斯爆炸的最佳的粉体浓度.当甲烷浓度为9.5%时,1.3 μm超细粉体Al(OH)₃的最佳控爆浓度约为250 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.583 MPa,9.082 MPa/s,190 ms;当甲烷浓度为7.0%时的最佳控爆浓度约为200 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.474 MPa,3.76 MPa/s,400 ms.     

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。     

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。     

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。