巷道瓦斯爆轰衰减规律及参数分析

应用爆轰理论、爆炸力学和爆轰物理学等基本理论和方法，建立了掘进巷道瓦斯爆轰的物理模型和一维不定常流动的数学关系式．目的在于利用瓦斯爆轰的波强度变化方程研究掘进巷道瓦斯爆轰的衰减规律．通过推导认为平面爆轰渡衰减迹线有渐近线，但却不能在有限距离内转变为C-J爆轰状态，而柱面和球面散心强爆轰波却可以在某个有限距离内衰减到C-J状态，文中推导了这个有限距离．另外，掘进巷道瓦斯爆轰波传播过程中，可以根据已知波前状态参数推导出能表征爆轰衰减规律的超压表达式，同时利用Hugoniot曲线对超压的衰减进行了描述，图2，参9．     

基于SD_Toolbox和Cantera的气体C-J爆轰参数计算及规律分析

为研究混合气体爆轰问题,通过利用冲击爆轰专业计算工具箱SD_Toolbox和开源的化学反应动力学计算代码Cantera研究了气体C-J爆轰参数计算方法与规律。结果表明:将SD_Toolbox和Cantera耦合可以进行混合气体爆轰问题的C-J爆轰参数计算;以H_2/O_2、CH4/O_2和C_2H_2/O_2三种不同的混合气体组分为例,在化学反应比初始条件下,分别计算了其C-J爆轰参数;通过与文献中结果的比较,验证了计算的准确性。可见,基于SD_Toolbox和Cantera可以进行气体C-J爆轰参数规律分析,包括初始温度、初始压力和爆炸气体浓度对爆轰产物压力、密度、温度和爆轰波速的影响规律等。     

半封闭空间瓦斯爆炸冲击波传播距离研究

为揭示瓦斯在强爆和弱爆情况下冲击波超压变化规律,利用一维爆炸物理模型和爆炸理论,构建了冲击波超压随距离变化的数学模型,并用一端开口的半封闭爆炸试验装置,在保持瓦斯浓度和其他条件不变,仅改变点火能量大小实现了瓦斯爆燃和爆轰,验证理论求解.结果表明:半封闭受限空间内,爆燃情况下火焰传播速度要远小于爆轰条件下火焰传播速度,爆燃火焰传播速度为亚音速,爆轰为超音速;爆轰与爆燃的冲击波超压的理论解都小于实验值,但整个传播变化趋势基本一致;极强冲击波最大超压值与传播距离成反比,极弱冲击波最大超压值与传播距离的平方根成反比;爆燃和爆轰冲击波在燃烧区内的传播变化趋势与理论解基本吻合.研究结果为防治瓦斯爆炸破坏及爆炸事故灾害勘验提供了技术和理论支持.     

煤粒瓦斯解吸实验中的初始有效扩散系数

为研究煤体瓦斯解吸过程瓦斯初始扩散规律,采用理论分析煤粒瓦斯解吸扩散过程,根据扩散方程解析得到瓦斯初始有效扩散系数和扩散动力学参数的近似解计算方法.对振兴二矿煤样进行不同粒径煤样、不同温度条件和不同吸附平衡压力条件下的煤粒瓦斯解吸扩散实验,并计算各种实验状态下的瓦斯初始有效扩散系数和扩散动力学参数.研究结果表明:初始有效扩散系数与吸附平衡压力、温度和煤样粒径呈正相关.不同粒径的煤粒,在压力和温度相同的平衡条件下,煤粒的粒径越大,初始有效扩散系数越大.同一粒径条件下,初始有效扩散系数随温度和吸附平衡压力的升高而增大.而动力学扩散参数则基本随着粒径的减小而增大,随吸附平衡压力和温度的升高而增大.     

基于温度作用下含瓦斯煤渗透率动态演化模型的修正及试验研究

对含瓦斯煤渗透率影响因素进行分析,得到了基于温度、瓦斯压力、瓦斯吸附膨胀的有效应力计算公式.从渗透率影响因素之间的相互作用出发,通过克拉伯龙方程给出了温度增量引起瓦斯压力变化,瓦斯压力导致煤基质压缩及吸附膨胀应力改变,由此改进了有效应力计算公式.以Kozeny-Carman方程为桥梁,修正了煤体峰值前,压缩条件下考虑温度、瓦斯压力及吸附膨胀相互作用影响的渗透率动态演化模型.利用自制实验系统对温度作用下含瓦斯煤渗透性进行测试,得到含瓦斯煤渗透率与温度变化符合负指数函数分布,对比修正后的模型计算数据发现其与试验数据有很好的一致性.研究成果为温度作用下含瓦斯煤渗流的多场耦合问题提供一定的理论基础.     

滑移爆轰下带覆盖平板抛掷的理论与计算

利用可压缩流的等熵无旋定常平面流理论及特征线法，研究了滑移爆轰作用下， 炸药上方带覆盖物时的飞板运动。计算结果表明，覆盖物使飞板抛掷角增大，加速段 增长。同时提出爆轰产物向空气飞散时，计算飞板运动可以只采用Ｐ－Ｍ流动解作初 始参数的新方法。     

瓦斯煤尘爆炸传播数值仿真系统研究

以连续相、燃烧、颗粒相数理方程建立瓦斯煤尘爆炸传播数理模型，并应用连续相、颗粒相计算方法，依据大型巷道瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸传播实验数据，借助普遍应用的流场模拟平台，开发了瓦斯、煤尘爆炸数值仿真系统。该系统可以有效地模拟煤矿瓦斯、煤尘的爆炸事故过程，对瓦斯爆炸的爆燃转爆轰、煤尘是否参与爆炸、爆炸冲击传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围都能进行较准确的模拟。     

瓦斯爆炸对躲避硐室影响的数值模拟

为研究瓦斯爆炸对矿井躲避硐室的影响,在封闭及开口管路中分别进行了瓦斯爆炸过程的数值模拟,运用ICEM软件建立了躲避硐室的物理模型,使用FLUENT软件对不同边界条件下的瓦斯爆炸压力、温度变化进行数值模拟,运用Origin软件对瓦斯爆炸过程中的压力、温度变化进行曲线拟合.结果表明:封闭条件下,躲避硐室中承受的最大爆炸压力和最高温度分别为0.61 MPa以及2 269 K;开口条件下,躲避硐室中承受的爆炸超压及最高温度分别降至12.39 k Pa和1 773 K.综合爆炸超压及爆炸引起的高温影响,躲避硐室应该尽可能地远离独头巷道.     

掘进巷道瓦斯爆炸动态数学模型及数值分析

根据爆炸力学、爆炸动力学和热力学理论,建立了瓦斯爆炸流场三维动态数学模型.通过实验和理论分析,研究了动态模型边界条件的确定方法,并采用TVD格式数值方法对三维数学模型进行了数值解析.数值分析结果表明,当燃烧区压力大到趋于爆轰状态时,爆炸及其影响区域障碍物附近的压力上升显著,速度场发生显著变化,燃烧区及非燃烧区均有障碍物的激励效应存在.     

受限空间初始压力对瓦斯爆炸反应动力学特性的影响

为了探求不同初始压力下瓦斯爆炸的动力学特性,采用详细的瓦斯爆炸链式反应机理(包括53种组分,325个反应),利用软件CHEMKINⅢ,对其中的SENKIN子程序包进行修改,通过数值计算和模拟,得出了在受限空间中不同初始压力对瓦斯爆炸动力学特性的影响。对不同初始压力条件下瓦斯爆炸压力和温度的变化趋势,反应物摩尔分数的变化趋势,致灾性气体的生成及变化趋势做了详细的模拟和分析。计算结果表明:初始压力对瓦斯爆炸温度影响较少,对爆炸压力影响较大;初始压力越大,瓦斯爆炸的引爆时间越短,爆炸强度越大,链式反应中自由基的摩尔分数就越小,所产生的CO摩尔分数越少,而所产生的CO2、NO和NO2摩尔分数就会越多。     

水下爆炸近场载荷的试验与数值模拟

借助于小药量水下爆炸试验及数值模拟研究了水下爆炸近场载荷及其运动特性。试验在爆炸水箱中进行,采用同时分幅扫描超高速光电系统拍摄炸药爆炸后视场600 mm×600 mm以内的冲击波及爆轰产物演化过程。使用LS-DYNA软件的ALE方法计算了水下爆炸近场冲击波、爆轰产物气体运动特性,以及冲击波峰值压力和爆轰产物气体与水介质边界压力变化特性,数值模拟结果与试验结果有很好的近似。在试验和数值模拟基础上,提出了适用于水下爆炸近场的冲击波运动、峰值压力的变化规律,并建立了爆轰产物气体初期膨胀运动规律及压力变化。     

狭缝内C2H4/O2预混气的起爆与速度亏损

受限通道内的预混气起爆与传播受外界因素影响较大,如初始压力、通道尺寸等。通过自制不同高度的狭缝通道,考察了狭缝高度和初始压力对C_2H_4/O_2可燃预混气起爆特性及传播过程的影响。结果发现:改变初压和狭缝高度确实对预混气起爆有较大影响,尤其是狭缝高度的不断降低可能获得不同于常规管道的DDT特性;爆轰波的速度亏损同时与初压和狭缝高度有关,其值正比于H~(-0.8)P_0~(-0.5)。考虑到实验结果的局限性,后续还需进行多次重复实验,以获得更加准确的实验数据。     

掘进巷道瓦斯爆炸数值及实验分析

应用爆炸理论和质量、动量、能量守恒定律,针对掘进巷道瓦斯爆炸建立了物理模型和数学模型,在此基础上分析了掘进巷道瓦斯爆炸的条件和可能性.运用Autoreagas数值分析系统对掘进巷道置障条件下瓦斯与空气混合气体的燃烧爆炸进行分析和研究.结果表明,障碍物的存在使得密度升高的幅度大大增加,混合气体超压加大,激波波动剧烈,温度、混合气体流动速度以及爆炸过程中燃烧速度产生不规则波动、振荡和变化.实验分析和对比表明,瓦斯聚积量大,则发生瓦斯爆炸后产生的超压将大幅度升高,平均超压将升高到聚积量小的超压的2倍,最大超压则升高到聚积量小的超压的2.5倍.通过对照分析,数值计算的数据与实验获得的数据比较接近,证明数值模拟的合理性.     

爆炸喷涂爆炸波参数数值计算

对爆炸喷涂燃烧室爆轰波的形成及爆轰产物热力学及动力学参数进行了数值计算．结果表明，爆炸喷涂气相爆轰系统爆轰特性主要取决于气相系统的选择和初始混合气体配比．C2H2 O2气相爆轰系统更适合于喷涂高熔点的陶瓷、金属陶瓷及纳米复合陶瓷粉体，其最优化工艺参数应该选择在零氧平衡附近．而H2 O2气相爆轰系统则适用于喷涂低熔点的金属及其合金，金属粉体的熔点越高，最优化参数越接近于零氧平衡点．     

固液混合燃料细观结构与爆轰关系的分形研究

根据一次引爆燃料空气炸药爆轰的物理机制,利用分形几何原理,描述和分析固液混合燃料介质内部细观结构,探索各组分在起爆过程中的相互关系．为燃料空气炸药组分比例优化和细观结构匹配提供理论依据．本提出的分析方法和结果与实验吻合。     

圆管内泡沫陶瓷对瓦斯爆炸的抑制特性

为有效抑制瓦斯爆炸冲击波及火焰传播,构建大尺度圆形管道实验装置,对瓦斯预混爆炸过程中泡沫陶瓷对冲击波和火焰传播抑制特性进行研究.结果表明：泡沫陶瓷能够吸收瓦斯爆炸冲击波能量,对火焰和冲击波传播抑制效果明显,泡沫陶瓷挡板厚度及设置层数、位置是典型影响因素.挡板设置位置距点火端距离十分重要,其临界值应为起爆期间火焰传播速度达到最大值位置以内,进而实现对瓦斯爆炸传播与发展的有效抑制.对比双层和单层挡板布置的实验结果,双层布置时冲击波最大超压下降更快.但是,挡板厚度的影响并不明显.设置厚度为50 mm或30 mm的挡板时,测得最大超压的沿程衰减趋势一致,大小也很相近.     

火焰速度与超压关系

在试验的基础上,探讨了瓦斯爆炸过程中火焰速度与超压之间的关系,研究结果表明：在瓦斯爆炸过程中,冲击波阵面的强度与火焰速度有关;无障碍物时,火焰速度小于１００ ｍ ／ｓ,产生的冲击波较弱,冲击波阵面上超压较小;随着障碍物的增多,火焰加速显著,一旦火焰速度加速超过２００ ｍ ／ｓ,冲击波阵面上的超压则显著提高,冲击波阵面强度增大,这种高速火焰的压力波所引起的爆炸波破坏效应与爆轰波产生的爆炸波破坏效应相当,对于煤矿井下来说,会严重破坏设备,导致人员的较大伤亡。     

ANN在一次引爆FAE爆炸威力评价中的应用

在系统分析燃料空气炸药(FAE)爆炸威力主要影响因素的基础上，应用人工神经网络(ANN)理论及方法，建立了一次引爆FAE爆炸威力评价ANN模型，并利用该模型对不同配比环氧丙烷／铝粉混合燃料的爆轰参数及爆炸威力进行了模拟。结果表明，ANN模拟结果与一维多相爆轰模型计算值相当吻合，当铝粉含量处于50％～70％范围时，爆炸威力较为理想，当铝粉含量为65％时，爆炸威力指数达到最大。这一研究可为一次引爆FAE配方及战斗部设计与优化提供有益参考。