封闭管道内瓦斯爆炸传播过程中障碍物形状影响效果研究

为研究封闭管道内不同形状障碍物对瓦斯爆炸的影响,运用数值模拟软件Fluent,对比分析不同形状障碍物影响下火焰传播速度、最大超压以及爆炸流场结构的变化;运用中尺度激波管道和激光纹影系统,研究封闭管道内无障碍物和矩形障碍物存在时,冲击波和火焰传播,最大超压和火焰传播速度变化情况,对数值模拟结果进行补充。研究发现,封闭管道内最大超压随传播距离的增加而增大,火焰经历“加速-减速”过程。障碍物对火焰的加速作用主要存在于障碍物附近,火焰经历“加速-减速-再加速-再减速”过程。火焰越过障碍物前受流动压缩影响产生加速,在障碍物上方受剪切层影响,火焰下侧产生湍流扰动,加速传播;火焰越过障碍物后,与障碍物下游涡旋相互作用,形成湍流火焰,加速向下游传播。薄板障碍物对火焰传播速度和最大超压的提升效果最大,其次为长方形,三角形和圆形障碍物。在障碍物附近和其下游,最大超压相较于无障碍物情况下有明显提升。     

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.     

管道中瓦斯爆炸过程的数值模拟

利用AutoReaGas软件对封闭的长直管道内瓦斯爆炸进行了数值模拟,研究了瓦斯的浓度对爆炸超压影响的规律. 在此基础上,进一步研究了障碍物个数和阻塞比对瓦斯爆炸超压和火焰传播速度的影响. 数值结果表明,在无障碍物的管道中,当瓦斯浓度为化学当量浓度时,爆炸超压值最大;在带有障碍物的管道中,火焰速度值随着障碍物数量的增加先增大后减小;当障碍物个数一定时,最大爆炸超压和火焰速度随阻塞比增大而增加.     

瓦斯体积分数对火焰传播规律影响的实验研究

为研究长直管道中体积分数对瓦斯爆炸的影响以及瓦斯爆炸火焰的传播特征,进行了有无障碍物条件下不同体积分数的瓦斯爆炸实验,用高速摄影仪拍摄火焰阵面发展的过程. 实验结果表明,火焰在密闭管道中传播经历了多次振荡的过程,这是火焰前方未燃气体在压缩波的作用下形成湍流所致;瓦斯的体积分数对最大火焰速度和火焰最大传播距离有很大的影响;得出了障碍物对火焰的传播有加速作用,接近当量体积分数的瓦斯爆炸火焰传播速度最快,在一定条件下会发生爆燃转爆轰.      

巷道内不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播影响的数值模拟研究

矿井下巷道由于开采需要布置了掘进、开采和运输设备等障碍物,文章基于FLACS软件对井下巷道无障碍物、球形障碍物、圆柱形障碍物、方形障碍物等四种常见的障碍物分布情况进行数值模拟,研究不同形状障碍物对瓦斯爆炸传播影响的规律。通过研究发现障碍物能对矿井下瓦斯爆炸传播起到一定的激励作用,不同形状的障碍物激励效应不同,通过爆炸压力峰值影响程度、火焰阵面拉伸程度、火焰传播速度三个表征参数对四种形状障碍物产生的不同激励效应进行描述,正方形障碍物对爆炸压力峰值影响最大,圆柱形障碍物对火焰阵面拉伸程度影响最为严重,在火焰绕过障碍物后传播速度上升最快的是球形障碍物。不同形状障碍物产生的不同激励效应有关结论的提出对降低井下瓦斯爆炸严重程度具有重要意义。     

基于Open CV的瓦斯爆炸火焰形态演化与传播速度关系的研究

为获取瓦斯爆炸火焰形态,计算火焰传播速度,利用激光纹影技术拍摄了管道内爆炸火焰传播图像,比较了Open CV中Canny、Sobel、Scharr、Laplacian算子的计算结果,分析了障碍物作用下的火焰形态变化以及火焰轴向传播速度与变化规律。结果表明：基于Open CV的边缘检测方法对复杂条件下爆炸火焰边缘的显示效果清晰,火焰边缘位置检测结果准确。边缘检测算子对火焰边缘检测结果有重要影响,四种算子中,Canny算子对火焰边缘位置检测最为精确,满足火焰形态分析与速度计算的需要。激波管空载时火焰锋面产生内含涡流的球状褶皱;单个障碍物时,障碍物后方形成孔洞状火焰面褶皱;两个障碍物时,障碍物间湍流度提升致使火焰锋面快速扩张。基于Canny算子边缘检测图像获得的火焰传播速度可知,管内无障碍物时,火焰运动近乎停滞后“突跃式”向前传播,峰值速度提升了13.3%。加入一个障碍物时,火焰轴向速度显著降低后震荡上升,峰值速度提升了14.2%;两个障碍物时,火焰产生反向速度,且速度峰值增幅最大,为25.9%。计算得出的火焰速度分布规律与爆炸图像一致,表明该方法能计算复杂条件下火焰锋面轴向速度时空分布。     

密闭巷道内瓦斯爆炸超压场的数值模拟研究

应用计算流体动力学软件AutoreaGas定量研究了截面为3 m×3 m、长25 m的一段密闭巷道中瓦斯爆炸超压场. 通过数值模拟手段分析了障碍物的形状和大小对密闭巷道中瓦斯爆炸超压的影响,确定了形成最大爆炸超压时巷道内的最佳阻塞比,并在最佳阻塞比的障碍物填装条件下,研究了不同瓦斯浓度对爆炸超压的影响. 结果表明,瓦斯空气混合物爆炸超压随着阻塞比的增大呈现先增大后减小的趋势,在7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5% 5种瓦斯浓度下,爆炸超压随着浓度的增大呈现先增大后减小的趋势,当阻塞比为26.6%时,爆炸超压在9.5%时达到峰值.     

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.     

分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播规律实验及数值模拟

为了研究煤矿井下瓦斯爆炸火焰在分岔巷道内的传播规律,自制45°分岔管道实验装置开展甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播实验,用Fluent 16.0软件模拟分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播过程。对比分析实验数据与模拟结果,得到分岔管道瓦斯爆炸火焰传播的变化规律。研究结果表明:1)分岔管道内瓦斯爆炸火焰在分岔处产生漩涡,加速管道内爆炸火焰湍流化,火焰冲击反射现象明显;2)分岔支管截面处爆炸火焰温度、传播速度、冲击波超压与离子电流峰值最大;3)瓦斯爆炸火焰传播的模拟结果与实验数据在数值上存在一定差异,但各参量总体变化趋势相同。研究结果为深入认识井下瓦斯爆炸传播机制和在巷道分岔处采取瓦斯爆炸火焰传播抑制措施提供一定参考。     

结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的影响

在实验研究的基础上,分析了结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的重要影响。研究结果表明,在拐弯处的瓦斯爆炸传播过程是一个压力波、火焰、复杂流动场相互作用的过程,压力波超压、火焰传播速度迅速增大,对拐弯处的壁面破坏特别严重。弯管角度对瓦斯爆炸传播特性有很大的影响,瓦斯爆炸通过不同角度的弯管后,火焰传播速度和压力波超压值都有不同程度的变化。管道拐弯既增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧产生能量以推动加速传播,同时也因为拐弯而增大了总阻力和热量向壁面的传递,弯角处膨胀波也会抑制瓦斯爆炸的传播。管道拐弯对瓦斯爆炸传播特性的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用。     

双侧分支结构管道内粉尘爆炸传播规律

为探究粉尘爆炸在工业除尘管网中的传播规律,基于1m³粉尘爆炸测试系统和自主设计的双侧分支结构管道,对双侧分支结构管道内玉米淀粉爆炸火焰传播速度和超压峰值的变化规律展开研究.实验结果表明:三种粉尘质量浓度下,火焰在主管道内的传播速度随传播距离增加均呈持续上升趋势,双侧分支结构对火焰传播具有弱化作用,且距离点火端越近,弱化作用越显著;双侧分支结构的安装位置会影响管道内超压峰值,其在距离点火端较近时呈持续衰减趋势,距离点火端较远时呈先快速下降后上升再缓慢衰减趋势.以上研究为除尘系统的防爆设计提供参考和依据.     

变径管道中粉尘爆炸传播实验与模拟

为探究粉尘爆炸在变径管道中的传播规律,基于1m³粉尘爆炸测试系统,搭建了DN200长直管道和DN200~DN100的变径管道,以玉米淀粉为实验介质,通过实验和FLACS数值模拟相结合的方法,研究了粉尘爆炸在管道中火焰传播速度、超压峰值、火焰传播距离的变化规律.结果表明:火焰传播速度在管道内呈上升趋势,在变径点之后增幅明显变大,缩小管径对火焰传播起加速作用;但超压峰值在管道内呈下降趋势,其在变径后衰减幅度显著升高,缩小管径使超压衰减速率增加;通过数据拟合建立了变径管道引起爆炸腔内超压变化的数学模型;火焰传播距离随浓度增加而变长,相同浓度下渐缩变径管导致火焰传播距离变长.研究结果为除尘系统安全距离确定及阻火隔爆措施的设计提供了参考依据.     

内置障碍物连通容器内气体爆炸的火焰传播

利用数值模拟方法,建立连通容器气体爆炸模型,模拟内置障碍物条件下的火焰传播过程。分析障碍物不同阻塞率、位置对连通容器气体爆炸的火焰传播、爆炸压力和强度的影响情况。结果表明:当火焰经过障碍物时,障碍物加速了火焰传播,但不同障碍物条件对整个火焰传播过程的影响有差异。     

除尘器内烟草粉尘爆炸规律的数值研究

在工业生产中,除尘器内经常发生爆炸灾害事故,给安全生产带来了严重的挑战。为探究除尘器内发生爆炸时爆炸超压演化及爆炸火焰传播的规律,基于球形爆炸装置对烟草粉尘的实验数据,构建了大规模爆炸仿真软件FLACS的烟草粉尘爆炸模块,进而实现了对带管道除尘器内爆炸及传播过程的数值仿真。模拟结果表明:除尘器内部发生爆炸时,内部的粉尘质量浓度、点火位置、管道形状均对爆炸过程有一定影响。在500~1000 g/m~3范围内,除尘器内粉尘质量浓度越大,爆炸超压越大,火焰传播速度越快;点火位置离管道入口越远,爆炸超压越大,火焰传播速度越快;管道若设置有折弯结构,火焰经过该部分后,可以一定程度上减弱爆炸超压和火焰传播的速度。