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。     

不同煤种对瓦斯煤尘爆炸影响的实验研究

为了进一步探究不同煤种参与的瓦斯煤尘爆炸的传播规律,选取3种具有代表性的煤尘在自制的半封闭管道内进行试验,主要研究了瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度、火焰面发光强度和最大爆炸压力。研究结果表明:瓦斯煤尘爆炸的最大爆炸压力和火焰传播速度皆随着煤尘浓度的增加呈先上升后下降的趋势;存在着一个最佳的瓦斯浓度和煤尘浓度,使火焰传播速度达到最大,发光强度也达到最大;火焰传播速度、最大爆炸压力和爆炸产生的发光强度都是按褐煤、烟煤、无烟煤依次降低。     

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。     

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。     

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。     

开放管道内煤粉云形成机制及爆炸过程火焰动态行为数值模拟

半密闭空间内煤尘云爆炸火焰传播过程及传播机制更为复杂,影响因素众多,爆炸过程中存在火焰、湍流与压力的相互耦合作用。为揭示开放管道内煤尘云形成机制及爆炸火焰行为动态演化特征,基于计算流体力学、燃烧学及数值传热学等理论,以开口的哈特曼管道为对象,分别对管道内煤尘扩散特征和爆炸过程进行模拟分析。基于物理实验验证及数值模拟研究,分析了煤尘在开口管道内的分散、悬浮及沉降特征,获取了粉尘扩散过程中流场的时空演化特征,得到了煤尘云爆炸过程中的温度变化规律,获取了爆炸过程中火焰动态行为及火焰高度、火焰速度的变化规律,研究了煤粉粒径及点火延时对火焰高度及火焰速度的影响规律,揭示了开放管道内煤粉云爆炸火焰传播的动力学机制。结果表明:(1)煤尘颗粒经过快速注入、减速分散、自由扩散和沉降阶段并最终形成粉尘云;(2)在爆炸的不同阶段,影响火焰形态的因素不同;整个爆炸过程中,火焰阵面演化趋势为:"非球形—飞火及点状火—蘑菇状";(3)随着爆炸的发展,火焰高度呈现Logistic函数特征,火焰速度呈现先迅速增大后缓慢减小;(4)湍流对均相燃烧及非均相燃烧的耦合影响造成了火焰锋面的不稳定性,火焰阵面热气流对管道口外侧冷气流的卷吸是形成"蘑菇状"火焰的主要原因。     

典型盐粉及盐溶液对甲烷爆燃火焰传播特性的影响研究

为了探究典型盐粉及盐溶液对瓦斯爆炸的抑制规律,在自行搭建的不锈钢火焰加速管道内开展了NaCl、KCl粉末及NaCl溶液抑制甲烷/空气预混气体爆炸试验,研究了不同粉末铺设面密度、铺设长度、铺液浓度、铺液长度对甲烷爆燃火焰传播的抑制效果及其抑爆机理。结果表明,铺设NaCl、KCl盐粉对甲烷爆燃火焰传播具有抑制作用,爆燃压力及火焰平均传播速度均低于空白对照组|当NaCl、KCl盐粉的铺设面密度为150mg/cm2时,两种盐粉的火焰平均传播速度均衰减最大|随着粉末铺设长度的增加,对火焰传播抑制和促进作用均增强,KCl粉末的抑制作用相对于NaCl粉末更明显。布设NaCl溶液,爆燃火焰压力低于空白组。随着NaCl浓度的增加,爆燃压力的变化不明显,火焰平均传播速度呈降低趋势。溶液铺设长度增加,火焰平均传播速度、爆燃峰值压力逐渐降低。     

水平管道中立体障碍物对瓦斯爆炸特性的影响

为分析立体障碍物对甲烷爆炸特性的影响,在水平管道中设置了不同形状的立体障碍物,测试并分析管内甲烷爆炸过程中火焰传播速度、最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率的变化。结果表明:立体障碍物存在条件下火焰传播速度、最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率都显著升高,尤以火焰传播速度的增加较为明显。且随着障碍物阻塞率的增加,甲烷爆炸特性随之增强。在阻塞比相同的情况下,直角三棱柱的影响最为显著,斜三棱柱居次,长方体强于圆柱体,螺旋形障碍物影响规律不稳定。     

巷道瓦斯爆炸传播规律的试验研究

为了得到巷道瓦斯爆炸时的传播规律,利用大型试验巷道对不同质量、浓度的瓦斯-空气混合物的爆炸过程及传播规律进行了试验研究,分析了瓦斯爆炸时最大爆炸压力的时空变化特征、瓦斯爆炸火焰速度变化特征、火焰波及范围变化特征等规律,得出:1)最大爆炸压力的峰值较大,且随着瓦斯量的增加,出现最大压力峰值的位置距爆源点更近;2)最大爆炸压力呈现时间随与爆源的距离增大单调增加;3)随着瓦斯量增大,火焰传播速度绝对值明显增大,火焰传播速度最大点距爆源距离减小;4)火焰区长度可达原始瓦斯积聚区长度的3～6倍,但火焰传播距离并不与瓦斯量的增加成正比.研究所得结论可为矿井瓦斯事故的预防和治理提供参考.     

甲烷与空气预混管内爆炸火焰传播特性试验

借助高速摄影、光电传感器和压力传感器,研究了有机玻璃管道(100 mm × 100 mm×1 500 mm)内预混甲烷与空气气体爆炸火焰传播特性.结果表明:点火后测点处压力信号、光信号起跳基本同步,但在光最强时刻后出现峰值压力,且压力持续时间较长;布有重复障碍片时火焰绕流加速湍流,爆炸压力和火焰速度明显提高;分析高速摄像照片,认为火焰传播过程有成长、加速及消失3个阶段.     

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。     

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。     

煤尘爆炸传播特性的实验研究

用实验方法,在长1.5 m、直径0.3 m的爆炸腔体与80 mm×80 mm方形断面管道对接的实验装置中进行煤尘爆炸传播特性研究。研究结果表明,爆炸火焰区传播距离远大于原始煤尘积聚区长度,爆炸传播过程中各测点冲击波压力出现先“升”后“降”变化,冲击气流衰减变化与爆炸煤尘量和断面有关,爆炸毒害气体并非一开始就扩散传播,而是在动压作用下冲击一段距离后开始扩散,可能存在膨胀极限区。     

内铺煤粉方管内瓦斯预混火焰传播特性

为了研究煤粉对管内瓦斯预混火焰传播过程的影响,选用典型煤粉试样将其均匀铺于截面100 mm×100 mm、长1.5 m的有机玻璃方管底部,采用高速摄像机/光电传感器、微细热电偶、压力传感器等测试得到了管内瓦斯火焰传播过程中火焰传播速度、火焰瞬态温度、燃烧压力等参数,并初步分析了煤粉影响瓦斯火焰传播的机制。结果表明：有煤粉时火焰传播速度有所增加,但燃烧反应持续时间明显增长;内铺煤粉时管内火焰温度的半峰宽度增加,测点处瞬态温度曲线呈现出较为明显的“双峰”结构,说明活性的煤粉与瓦斯火焰形成瓦斯-煤粉复合火焰;有无煤粉时燃烧压力峰值差别不大,但有煤粉时压力波脉冲宽度增加。     

基于图像处理的管道瓦斯爆炸火焰传播速度特征

为研究瓦斯/空气预混气体爆炸火焰传播速度特征,利用瓦斯爆炸实验系统开展了9.5%体积分数下的瓦斯爆炸实验,通过高速摄影系统拍摄了爆炸火焰传播图像;分析提出了利用图像相关系数法计算瓦斯爆炸火焰传播速度的基本原理和方法,计算分析了9.5%体积分数瓦斯爆炸全过程中的火焰传播速度动态变化规律。结果表明：爆炸火焰处于加速、减速、反向传播,再加速、减速直至熄灭的过程,火焰不断震荡。进一步地对爆炸火焰进行了细化分析,通过对预处理图像进行横向和纵向的等分,计算视窗中不同部分的火焰传播速度,并与按整体计算的速度进行对比验证。利用该方法可以计算瓦斯爆炸火焰充满整个管道时的传播速度,为研究瓦斯或者其他气体爆炸火焰传播规律提供了一种新途径。     

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。     

点火延迟时间对甲烷煤尘爆炸特性的影响

为研究不同湍流环境下,煤尘对甲烷爆炸特性的影响,基于20 L爆炸球采用0、25、50、100、200 g/m^3的煤尘分别与6.5%、9.5%、12%的甲烷在点火延迟时间60 ms和120 ms的条件下进行混合爆炸实验。结果表明:点火延迟时间的增大对单相甲烷爆炸最大爆炸压力影响较小,显著降低最大压力上升速率;有煤尘参与时,3种甲烷浓度下,点火延迟时间的提高能够降低最大爆炸压力和最大压力上升速率,当甲烷浓度为9.5%时,2种点火延迟时间下,对应的最佳煤尘浓度不同,点火延迟时间越小,最佳煤尘浓度越小,甲烷浓度为12%时,点火延迟时间为60 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对高浓度煤尘比较敏感,火延迟时间为120 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对低浓度煤尘较为敏感。     

Experiment study on the propagation laws of gas and coal dust explosion in coal mine

The experiment of gas and coal dust explosion propagation in a single laneway was carried out in a large experimental roadway that is nearly the same with actual environment and geometry conditions. In the experiment, the time when the gas and coal dust explosion flame reaches test points has a logarithmic function relation with the test point distances. The explosion flame propagation velocity rises rapidly in the foreside of the coal dust segment and comes down after that. The length of the flame area is about 2 times that of the original coal dust accumulation area. Shock wave pressure comes down to the rock bottom in the coal dust segment, then reaches the maximum peak rapidly and comes down. The theoretical basis of the research and assemble of across or explosion is supplied by the experiment conclusion. Compared with gas explosion, the force and destruction degree of gas and coal dust explosion is much larger. Supported by the National Basic Research Program (973) (2005CB221506); the Open Research Fund Program of Shandong University of Science and Technology (MDPC0611)