管道内瓦斯爆炸传播规律的数值模拟研究

基于燃烧、爆炸及其空气动力学理论,叙述了管道内瓦斯爆炸的数学物理模型,借助流体动力学软件Fluent对均匀充满9.5%浓度瓦斯气体的18m×200mm二维管道进行了数值模拟研究,得到爆炸反应过程中各特征参数的变化情况,并对瓦斯爆炸火焰发展及传播规律进行了分析,可以直观地观察到瓦斯爆炸火焰初期、发展、加速及其后期爆炸结束整个过程的变化情况,为瓦斯爆炸传播过程分析及瓦斯爆炸事故预防和后果分析提供了一定的参考作用.     

瓦斯爆炸数值模拟研究

对瓦斯爆炸传播进行了理论分析,并借助通用CFD软件模拟了点火源球形压力波的传播过程以及压力波的反射与相交;模拟了直管道以及变截面管道压力波传播过程。发现在压力波的相交处会出现局部高压,而压力波的不断叠加使弱压缩波成为激波。前驱冲击波会随着不断传播而逐渐衰竭,当火焰阵面追上前驱冲击波阵面达到同步时,会形成爆轰波,而爆轰波的压力值与传播速度均有大幅提高。还验证了在截面积突然缩小时,火焰传播的最大速度不在截面突然缩小处,而是向后推移了一段距离;这是因为最大湍流度不是在截面突然缩小处,而是向后推移至某一断面,这也反映了湍流对瓦斯爆炸传播的影响。通过数值模拟也发现通用CFD软件在计算爆炸场时,其收敛性与稳定性方面仍然有待提高。     

障碍物对巷道瓦斯爆炸传播影响数值模拟研究

采用流体力学软件FLUENT对不同障碍物情况下巷遭瓦斯爆炸过程进行数值模拟,研究了障碍物对爆炸传播的影响。模拟结果清晰地显示了巷道瓦斯爆炸火焰传播过程,并且表明巷道障碍物的存在会产生湍流现象加速火焰传播,增大瓦斯爆炸的危害,因此巷道中应尽量减少不必要的障碍物存在。     

采空区瓦斯涌出情况对瓦斯浓度及自燃带分布的影响

利用Fluent软件,对采空区瓦斯为均匀涌出、分段均匀涌出及连续涌出条件下的采空区瓦斯浓度及自燃带分布情况进行了数值模拟研究。结果表明:瓦斯均匀涌出时,采空区浅部的瓦斯浓度低于分段均匀涌出及连续涌出下的瓦斯浓度,在采空区深部其瓦斯浓度高于其他2种情况下的瓦斯浓度。针对瓦斯分段均匀涌出与连续涌出2种情况,采空区浅部区域两者瓦斯浓度相差不大;而在采空区深部,前者瓦斯浓度要大于后者。瓦斯均匀涌出时,其自燃带宽度较其他2种情况小;瓦斯分段均匀涌出时,其自燃带宽度比瓦斯连续涌出时略大。对采空区流场进行研究时,将瓦斯考虑为均匀涌出或者分段均匀涌出都是不准确的,应根据采空区瓦斯涌出的实际特点进行研究。     

巷道内瓦斯爆炸传播规律的数值模拟研究

基于燃烧理论、爆炸理论及遵守的守恒定律,建立了巷道内瓦斯爆炸的数学物理模型.利用Fluent软件对煤矿巷道内预混瓦斯气体的燃烧爆炸进行了分析和模拟研究,得到了巷道内瓦斯爆炸过程中超压变化规律.展现了爆炸冲击波在巷道内的衰减过程.将数值模拟结果与实验结果进行对比分析,数据高度吻合,证明了数值模拟的合理性,进而为煤矿瓦斯爆炸传播过程的分析研究及瓦斯爆炸事故的防范提供了一定的参考,也为优化矿用救生舱、避难硐室的设计参数提供了理论依据.     

独头巷道瓦斯爆炸的数值模拟

建立了独头巷道内瓦斯爆炸的数学物理模型,借助流体动力学软件FLACS对充满不同浓度瓦斯气体、有无障碍物时的巷道进行了数值模拟。由模拟结果可以看出,瓦斯浓度和障碍物对瓦斯爆炸过程压力波的变化有较大的影响,爆炸压力波在沿巷道的传播过程中不是单调衰减,而是有波动的;无障碍物时,压力波传播曲线的变化幅度不大,有障碍物时,瓦斯爆炸过程中压力波的传播曲线变化幅度迅速增大。     

不同当量比条件下矿井瓦斯爆炸过程的数值模拟

为了研究管道预混火焰的传播特性及内在机理,运用数值模拟的方法,建立矿井瓦斯气体爆炸的数学模型和物理模型,对不同当量比浓度的矿井瓦斯气体爆炸过程进行模拟研究。计算结果表明,矿井瓦斯气体爆炸过程中速度和压力值均会经历上升-下降-二次波峰-下降-震荡的过程。火焰传播初期,气体爆燃体积迅速增大,火焰的速度、压力和温度随之迅速上升,并在一段时间内呈现层流燃烧状态。而后速度和压力图均出现了不同程度的波动,可知这是压力波和反射波共同作用的结果。速度和压力并未同时达到峰值,速度要超前于压力达到最大状态,这主要是爆炸压力波和反射压力波的相互叠加作用导致压力上升,而反射压力波导致速度下降。当量比浓度的压力、速度值最小,燃烧持续时间最长,此时气体还未完全加速,未形成爆轰状态。     

超大直径钻孔抽采采空区瓦斯技术数值模拟研究

为减少煤炭作业中瓦斯突出灾害的发生率,提出了超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术。选取阳煤二矿21501工作面为研究对象,利用Fluent模拟软件,对钻孔间距、钻孔个数、上隅角距离、抽采排量进行数值模拟。研究表明：当钻孔间距为30 m时,压实区中低瓦斯浓度区域进一步增大,瓦斯控制效果较好;当采空区存在3个抽采孔时,钻孔能够影响到压实区,压实区的瓦斯浓度有明显下降;当第1个钻孔与上隅角的距离为15 m时,抽采孔能有效控制压实区的范围;185 m3/min的抽采排量能够大幅度降低采空区的瓦斯浓度,保证工作面安全生产。     

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。     

点火能量对瓦斯爆炸传播的数值模拟研究

管道内瓦斯爆炸的研究对煤矿工业的安全生产具有重要意义。建立基于总能量方程的RNGκ-ε湍流流场模型和基于多种控制机理的分步反应爆炸燃烧模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,对不同点火能量条件下的瓦斯爆炸传播过程进行数值模拟研究,对爆炸参数研究得:点火能量越大,瓦斯爆炸压力峰值和火焰传播速度越大的传播规律。同时,分析了瓦斯爆炸压力波、爆炸火焰和湍流三者之间的正反馈机制是推动瓦斯爆炸发展过程的重要因素。所得结论为有效预防瓦斯爆炸事故提供了理论依据。     

基于FLACS的煤矿巷道截面突变对瓦斯爆炸的影响数值模拟

为研究煤矿巷道复杂条件下的瓦斯爆炸传播特性,通过FLACS数值模拟了巷道截面突变对瓦斯爆炸过程中的压力、温度及火焰传播速度的影响。结果表明,当巷道截面发生突变时,各测点压力峰值和温度峰值均增大;横截面突扩面积越大,火焰峰面表面积越大,火焰传播速度就越小,横截面突缩面积越小,火焰传播至突缩段时产生的湍流作用越明显,使得火焰传播速度加快,同时火焰峰面被拉伸的越长;巷道截面突变使气流的湍流强度增大,爆炸反应速率加快,因此其火焰传播速度均大于截面未突变巷道内的火焰传播速度。     

不同环境温度下瓦斯爆炸特性的数值模拟研究

运用计算流体力学分别对常温、高温条件下的瓦斯爆炸过程进行了数值模拟研究,模拟结果清晰地反映了爆炸后不同时刻流场中爆炸压力、火焰温度、各组分浓度等参数的分布特征。研究发现,随着环境温度的升高,化学反应速率加快,爆炸后火焰温度的升高主要是由于初始气体温度升高带来的热量。     

瓦斯爆炸冲击波的动力学规律及数值模拟研究

煤矿瓦斯爆炸极具破坏性,抑防瓦斯爆炸对煤矿安全生产的重要性不言而喻。利用一些基本假设,对瓦斯爆炸产生的冲击波的传播规律进行了分析研究。推导出强、弱冲击波传播过程中波阵面参数之间的关系式。同时,推导出瓦斯爆炸过程中形成的柱面冲击波超压等参数随距离传播和衰减规律。通过理论计算数据和数值模拟数据对比研究和对照分析,总体上数据之间的吻合程度较好。     

密闭空间瓦斯爆炸数值模拟研究

针对矿井封闭火区内瓦斯爆炸特性问题,通过FLACS软件建立简单的密闭空间,模拟了瓦斯爆炸传播中的压力、温度和火焰的发展变化过程。结果表明:压力波的反射作用导致瓦斯爆炸压力曲线反复波动,出现多个压力峰值;各点温度在距离燃料区较近区域波动幅度小,在稍远的距离波动幅度大,而在距末端较近的距离,温度值较前面的监测点而言值非常小;火焰会出现反向传播的现象,之后出现湍流现象,直至反应结束。     

封闭空间低浓度CO对CH_4爆炸影响的数值模拟

为了研究煤在低温氧化过程中生成的CO对CH4爆炸产生的影响,首先在理论上分析了CO/CH4/O2/N2混合气体的爆炸下限,依据设定方案开展了充分预混情况下低浓度CO在封闭空间内对CH4爆炸影响的数值模拟。结果表明:相同条件下,CO浓度的增加降低了甲烷爆炸的可能性;而CO比例的增大提高了爆炸威力;对CO、NO2的生成影响最大的3个基元反应均为Rxn#155、Rxn#156和Rxn#158。