半封闭空间甲烷爆炸初期火焰传播时空分布研究

通过小尺度实验,研究了半封闭空间甲烷爆炸火焰前沿位置、传播速度随时间和空间的变化规律,以及甲烷浓度对其的影响。研究得出：在时间分布上,甲烷爆炸初期欠焰前沿位置和传播速度随时间近似呈指数型增长,传播速度存在波动性;甲烷浓度越大,火焰初始传播速度越大。在空间分布上,在火焰前沿达到管道长径比蓬～6之前,传播速度在20m/s以下,达到4～6处,速度开始明显增大;在管径相确的管道中,甲烷在化学当量比附近由燃烧达到爆炸的距离最短;当甲烷浓度向大小两个方向变化时,由燃烧达到爆炸的距离逐渐增大。     

N2对甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播稳定性的影响

为了探究N2惰化作用对甲烷-空气预混气体火焰稳定性的影响,利用自主搭建的1m3球形爆炸实验系统,实验研究了球形火焰稳定性及其影响因素。通过研究结果表明,仅改变甲烷浓度：贫燃条件下,热-质扩散不稳定性与流体力学不稳定性的共同作用是火焰前期失稳的主要因素,在甲烷浓度在化学计量比附近时,火焰稳定性最弱;继续增大甲烷浓度,热扩散因素开始制约D-L不稳定性对火焰表面扰动的影响,因此甲烷浓度为13%的火焰稳定性仅略大于10%的甲烷浓度。随着甲烷浓度向爆炸极限靠近时,可以明显观察到火焰上浮,浮力不稳定性成为主导因素。改变氮气添加比：相较于热-质扩散不稳定性,流体力学不稳定性对氮气添加比的变化更为敏感,添加比大于8%时,在流体力学不稳定性影响下,火焰稳定性迅速增强。     

超细水雾作用下CH4层流火焰传播速度数值研究

层流火焰传播速度(LFPS)是研究分析燃烧与爆炸的关键特征参数,层流火焰速度下降率也是评价各种稀释剂对燃烧抑制效果的常用方法。基于CHEMKIN 17.0中的一维层流预混火焰速度计算模型,定量分析了稀释、潜热冷却、化学抑制对CH4-AIR层流火焰传播速度的影响规律;并考虑了化学当量比变化的影响。研究表明稀释和潜热冷都是降低CH4层流火焰传播速度的主要因素。随着稀释剂浓度的增加,稀释作用对火焰传播速度的影响增大,潜热冷却作用对火焰传播速度的影响减小,化学抑制作用的影响基本不变化,范围在8.8%~10.2%。化学当量比小于1.2时,化学抑制作用会降低火焰传播速度,降低比例在8.1%~9.7%之间;当化学当量比大于1.3时,化学抑制不起作用,甚至促使火焰传播速度的增大。     

蒙脱石粉体对瓦斯爆炸特性参数的影响研究

选用天然矿物粉体蒙脱石作为抑爆材料,通过20 L球形爆炸装置和自主设计的5 L管道实验系统,测试了蒙脱石粉体及其浓度对甲烷-空气预混气体的爆炸压力、火焰传播速度等特性参数的影响.结果表明:蒙脱石粉体对甲烷爆炸具有一定的抑制作用,甲烷-空气预混气体的最大爆炸压力和爆炸火焰传播的平均速度随着粉体浓度的增加呈现先降低后上升的趋势.其中,当粉体浓度为0.16 g/L时,爆炸压力下降至最低,比未添加粉体时下降了29.2%;当粉体浓度为0.20 g/L时,火焰传播平均速度最小.此外,结合蒙脱石粉体的元素组成及热解特性分析其瓦斯抑爆机理.      

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.     

水平管道内甲烷爆炸压力传播实验

借助自行研制的瓦斯爆炸水平管道模拟巷道,通过实验研究低浓度瓦斯爆炸特征参数及爆炸压力在水平管道内的传播规律。结果表明：爆炸极限范围内的甲烷气体,在燃爆腔体内（点火段附近）爆炸超压随甲烷浓度的增大呈先增大后减小的趋势;甲烷体积分数为9．4％时,爆炸压力最大,为0．165670MPa,对应时间为76．8ms。在燃爆腔体一扩散管路内,气体爆炸压力峰值呈波动性变化;距点火段3600mm处、体积分数为9．4％的甲烷气体爆炸压力最大,爆炸超压为0．181228MPa。实验中甲烷爆炸超压的体积分数为9．4％。该研究为管道及煤矿巷道瓦斯爆炸事故分析提供了参考。     

超细Al(OH)3粉体抑制甲烷爆炸的实验研究

粉体材料能够有效地抑制矿井瓦斯爆炸,其粒径越小,抑爆作用越明显,但对于不同浓度的甲烷和空气混合气体而言,粉体材料抑制爆炸的效果不同.文中采用20 L球形不锈钢爆炸罐试验系统,考察粒径1.3μm超细Al(OH)3粉体对不同浓度的甲烷和空气混合气体的抑爆效果.实验结果表明,超细Al(OH)3粉体对抑制甲烷爆炸有效果,对于不同甲烷浓度的甲烷-空气混合气体,可使其最大爆炸压力平均降低11.08%,最大压力上升速率平均降低66.15%,到达最大爆炸压力的时间平均降低57.53%.研究结果对于超细粉体应用于矿井瓦斯爆炸的控制具有一定的指导意义.     

甲烷爆炸感应期内C_2自由基及其特征光谱分析

为推进甲烷爆炸感应期内探测与抑制技术的发展,利用小尺度气体爆炸实验装置进行了12个体积分数的甲烷爆炸实验,采用光谱比较法、谱线强度比较法和加权因子法等火焰发射光谱分析方法对实验得到的甲烷爆炸感应期内C2自由基及其特征光谱出现频率、相对强弱等特征进行分析。研究表明,甲烷爆炸感应期内存在C2自由基,并且Phillips近红外系统谱带、Mulliken’s系统谱带、Swan系统谱带、Fox-Herzberg系统谱带出现概率较高,被探测到的概率较大,适宜用作辨识甲烷爆炸信号。C2含量在甲烷体积分数9.5%附近时最大,在9.5%之前,随着甲烷体积分数的增加而增大,在达到9.5%之后,随着甲烷体积分数增加而减小。实验条件下C2各特征光谱中,Phillips近红外系统谱带、Swan系统谱带、Fox-Herzberg系统谱带分别在771,590,289 nm处特征光谱相对较强,这些光谱强度较强的谱线适于用作辨识自由基和瓦斯爆炸信号的依据。     

小尺度管道中CH4-O2爆炸火焰传播规律实验研究

为研究小尺度管道中CH₄-O₂爆炸火焰传播规律,设计并建立了小尺度管道实验系统,由小尺度管道、配气系统、点火系统、爆炸压力数据采集系统、高速摄影系统以及数据处理系统等组成. 利用小尺度管道实验系统,研究了不同初始压力、不同初始浓度条件下CH₄-O₂混合气体爆炸火焰传播的规律. 爆炸火焰传播速度由高速摄影系统采集的图像利用Matlab程序进行处理并计算得到. 结果表明:同一初始浓度条件下,随着初始压力的增加,爆炸火焰在管道中传播的最大速度随之增大;管道中爆炸火焰最大速度与初始压力的倒数近似呈线性关系;对于不同初始浓度下的混合气体,都存在使混合气体形成加速火焰的最低初始压力;以化学当量浓度（CH₄+2O₂）为界限,当初始浓度越接近化学当量浓度时,混合气体形成加速火焰所需的最低初始压力越小.      

煤粉对旋转摩擦火花引燃甲烷的影响

参照GB13813搭建了旋转摩擦实验装置,研究摩擦火花引燃甲烷、空气与煤粉混合物的规律.通过高速摄像机和红外热像仪,确定A3钢和钛金属棒在连续摩擦过程中引燃甲烷与空气混合物的是摩擦撞击产生的钛金属火花,而非摩擦热接触面.分别选取三种粒径的褐煤、烟煤和无烟煤粉尘样品,测试煤粉对旋转摩擦火花引燃甲烷与空气混合物的影响规律,发现加入煤粉后甲烷空气混合物着火延迟时间较长.对于同类煤粉,粒径越小爆炸延迟时间越长.对于同一粒径的三种煤粉,着火延迟时间由长到短依次为褐煤、无烟煤、烟煤,其规律与煤粉含水量的多少一致;但未发现和煤挥发分有明显关系.     

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.      

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。     

甲烷/空气预混气的火焰传播过程

为研究爆炸罐内甲烷/空气预混气中火焰的传播过程,利用高速摄像仪对火焰的传播过程进行了拍摄,用压力测试系统测量了爆炸罐中压力的成长过程,分析了火焰传播特性,计算了层流燃烧速度和不同位置的爆炸特性值.研究结果表明:根据高速摄像仪得到的图片将预混火焰分为火焰稳定成长及剧烈燃烧阶段,用两种方法测得预混气的层流燃烧速度分别为0.344和0.391m/s.爆炸特性值的最大值出现在离点火位置0.75m处,壁面的爆炸特性值偏小.     

管道内多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播的影响

为了研究抑爆材料对可燃气体爆炸火焰传播的影响,设计加工了横截面积为200 mm×200 mm的方形实验管道,且在其内进行无抑爆材料和安装多层金属丝网条件下预混可燃气体爆炸火焰传播影响的实验,并通过高速摄影仪进行火焰传播的全程拍摄。结果表明,预混可燃气体爆炸火焰在管道内的传播速度和结构都不稳定,出现来回震荡的现象,而多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播具有很大的影响,可以完全淬熄较弱的爆炸火焰。研究结果对煤矿瓦斯爆炸的防治具有重要的理论和实际价值。     

变截面管道对瓦斯爆炸特性影响的数值模拟

以气体爆炸理论为基础,利用高精度的加权本质无振荡(WENO)格式对变截面管道中的瓦斯爆炸进行了数值模拟,探讨了变截面管道对瓦斯爆炸火焰传播的影响规律,得到了变截面管道造成瓦斯爆炸强度增大的结论. 在此基础上,分析了障碍物、壁面和三波结构对瓦斯二次爆炸的影响. 结果表明,经壁面反射后的激波和三波点的碰撞都能够诱导二次爆炸的产生. 这些结论为瓦斯爆炸的预防、安全评估和防火防爆提供了重要的理论依据.