甲烷、煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究

利用高速摄像机、超细热电偶、离子电流探针、光电二极管等对管道内甲烷、煤尘复合体系中传播火焰进行了实验研究，对火焰传播特征和火焰结构进行了分析．结果表明，甲烷、煤尘复合体系中初期的火焰主要由甲烷空气的气相火焰构成，随着传播过程的进行，煤粒逐步开始参与燃烧，形成甲烷、煤尘的复合火焰．复合火焰中，煤粒热解和燃烧过程持续时间较长，火焰区域在传播过程中不断被拉长，火焰在较大的区域存在．甲烷、煤尘复合火焰的预热区厚度大约为2.57cm，预热区的后面是化学反应区，在这个区域中，化学反应强度迅速上升，温度也随着迅速升高，同时发出较强的光．对甲烷、煤尘复合体系火焰传播过程进行研究，可以为防止煤矿井下瓦斯、煤尘爆炸提供理论基础和技术支持.     

超细水雾对甲烷-煤尘爆炸过程抑制机理研究

为了研究超细水雾对甲烷-煤尘混合爆炸过程的作用规律，在20 L长方体爆炸装置中进行了抑爆实验.同时基于甲烷气体、雾滴颗粒、煤尘颗粒在受限空间内的蒸发、脱挥发、燃烧过程，建立了超细水雾抑制甲烷-煤尘混合爆炸的数学模型.同实验进行对比可知，数值模拟得到的爆炸压力可准确反映实际爆炸过程.结果表明，超细水雾的加入改变了爆炸的传播规律.与无抑制的甲烷-煤尘混合爆炸相比，加入超细水雾降低了已燃区的气相温度及煤尘颗粒温度，并推迟了火焰阵面沿轴向的传播过程.煤尘颗粒温度分布表明，超细水雾在推迟煤尘颗粒升温过程的同时，反应区煤尘颗粒的中位温度也明显降低.随着超细水雾浓度的不断增加，其对甲烷-煤尘混合爆炸的气相燃烧过程和颗粒脱挥发及燃烧过程的抑制效果也不断增强.研究可为工业生产中甲烷-煤尘爆炸强度预测和水雾抑制提供参考.     

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

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。     

拉伸对甲烷/空气层流预混火焰影响的数值研究

对甲烷/空气对撞拉伸层流预混火焰进行了数值求解,所采用的化学反应机理为GRI_Mech3．0(包含53种物质和325个基元反应),讨论分析了火焰面的拉伸对层流火焰的结构、温度和组分分布的影响．结果显示,火焰面的拉伸降低了火焰的厚度和化学反应速率,高温区域的减小,是一些自由基如N0,0,H等的生成量减少的主要原因;0,H等活性自由基的减少会导致熄火．     

管道由封闭向开口转化过程中预混火焰传播特性

为研究泄压强度与泄压口位置对封闭管道内甲烷-空气预混火焰传播的影响规律,通过在方形管道内放置不同厚度的泄压膜并改变泄压口位置进行试验,采用自发光拍摄技术和动态压力测试技术对其观测.研究结果表明:随着泄压膜厚度的增加,泄压前管道内火焰发展越来越充分,压力峰值与压力上升时间也随之增加.泄压之前压力变化曲线一致,当泄压口距离点火端较远时,泄压后各工况下的压力缓慢增加后下降;当泄压口距离点火端较近时,泄压后压力值直接降低.     

基于化学反应的膛口温度场孤立波解

膛口流场是由从膛内高速流出的膨胀不足的非定常射流与膛口空气的相互作用而形成的。在这过程中伴随着涡流和冲击波等现象的发生．其中，燃气与空气中氧作用而发生爆燃．形成中心焰和二次焰．由此可见，膛口火焰区是一个极为复杂的带有键式化学反应的区域，必然是一个同时有热传导，扩散，对流及化学反应起作用的区域．火焰的形成与传播同温度和反应物浓度及其分布有关．该文针对膛口温度场的中心焰及二次焰形成与传播机制，考虑到化学反麻、热传导、扩散等，建立了膛口温度场的一维物理模型．从孤立波的角度解释了膛口火焰的形成机理，理论与实验符合得较好。     

甲烷煤尘爆轰参数计算及实验研究

为研究甲烷煤尘爆轰过程中气固两相耦合效应及量化关系.采用理论分析和实验的方法,计算了不同体积分数的甲烷、不同质量浓度的煤尘及甲烷煤尘混合物在燃烧、爆轰过程中爆压和爆速等重要参数.理论分析揭示了燃烧波、爆轰波的传播特征,爆炸实验验证了燃烧波和爆轰波传播规律.研究结果表明:甲烷的燃烧加速煤的热解,煤粉挥发份析出较快;初始阶段甲烷气体的反应速度快,压力上升速率快;煤在高温下快速热解出可燃气体,并发生闪燃;因此,甲烷煤尘混合物爆轰比单一的气相、固相爆轰的分析和测试困难的多.该研究成果对于煤矿安全生产防治抑爆技术等应用具有参考价值.     

管道内障碍物扰动对煤气爆炸特性影响的数值模拟

结合实验研究,采用迎风型WENO格式和两阶段化学反应模型就管道内障碍物对煤气/空气预混气体爆炸火焰的影响规律进行了数值研究,探讨了自管道右端面反射产生的压缩波与火焰传播的相互作用规律,得出了该反射波是造成火焰速度下降的原因.在此基础上,分析了障碍物对火焰的作用机理以及由此诱发的流场变化规律.结果表明,由于障碍物的加入,爆燃波发生多次反射,使得可燃混合气体得到充分压缩,温度和压力增加,化学反应速率提高,火焰强度得到加强.同时,从障碍物中传播出去的爆燃波经壁面反射后形成三波点,使得该处火焰速度升高,随着三波点的向前传播,由于能量的耗散,火焰速度逐渐下降.这些结论为爆炸场预估、防火防爆和爆轰推进中有效控制可燃气体的燃烧速率和火焰传播速度提供了重要的理论依据.     

瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究

为了研究管道瓦斯煤尘爆炸火焰传播的机理,确定表征瓦斯煤尘爆炸的主要物理量的变化特征,本文构建了瓦斯煤尘爆炸的光学实验测试系统。光学窗口采用圆形玻璃窗口,流场显示采用基于激光的纹影系统。在燃烧流场中,为获得清晰纹影照片,通过在光路中插入合适半带宽的滤光片滤除流场自发光。     

甲烷浓度和煤粉粒径对混合爆炸火焰传播速度的影响

为评价瓦斯空气煤粉混合爆炸危险性大小,探究爆炸机理,方便相关事故原因分析,利用水平透明玻璃式爆炸管道,探究了甲烷浓度、煤粉粒径对复合爆炸中火焰传播速度的影响。实验结果表明:随着甲烷浓度的增大,火焰传播速度先增大后减小,在接近爆炸上限浓度和爆炸下限浓度时达到最大值;随着煤粉粒径的增大,火焰传播速度逐渐变小,最大火焰传播速度也变小,甲烷浓度为10%,煤粉粒径为30μm时火焰传播速度最大。     

细水雾抑制煤尘与瓦斯爆炸实验

搭建小尺寸细水雾实验平台,用相应管道模拟矿井环境.在阐明煤尘与瓦斯爆炸传播机理的基础上,研究细水雾抑制管道混合物爆炸的有效性,并对其做定性定量的分析研究.研究发现:在细水雾作用下,煤尘与瓦斯的火焰传播速度会相应减小、所测火焰温度有所降低.当混合物爆炸的威力较大时,细水雾对其相关参数影响较弱,应适当增加压力,改变细水雾的物理化学抑制作用,增强灭火特性.实验结论:细水雾抑制煤尘与瓦斯爆炸的研究为煤矿抑爆装置的研制和安装提供了技术支撑.     

大型管中悬浮流燃烧加速的研究

分别在长９ｍ，内径０．１４ｍ与长１２ｍ，内径０．１４ｍ配有特殊喷雾和喷粉系统的大型水平燃烧管中，对戊烷气云与铝粉粉尘的燃烧加速诱导激波现象进行了实验研究，其结果反映了气云与粉尘悬浮流火焰在管内的传播规律，基于双流体模型，利用分裂格式，ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式及ＴＶＤ格式对两相反应流的基本方程进行了数值求解，计算结果与实验结果较为吻合。     

微细通道中甲烷预混火焰传播的实验

对微细通道中甲烷/氧气(空气)预混火焰传播现象进行了实验研究。确定了火焰能够在细管中稳定传播的当量比极限,以及在不同甲烷百分比下火焰的传播速度。结果表明:在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定地停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;相反,对于甲烷和空气的预混气体,即便环境温度在1 100K以上,也不能在微细通道中得到稳定的火焰。在同一甲烷流量下存在着两个当量比极限。在这两个当量比之间,火焰可以进入细管传播。在较小气体流量下,当氧气过量时微细通道中甲烷和氧气预混火焰的传播速度与宏观尺度下火焰的传播速度基本相当,随着流量的增加火焰传播速度很明显地增加。     

旋流煤粉燃烧第四类稳燃技术

将国内外旋流燃烧器现有的稳燃措施根据其稳燃原理分为3类.分类分析现有稳燃措施不能适应低挥发分煤稳燃的原因和存在的问题,分析得出:扩口、扩流锥、浓淡燃烧、齿环稳燃器等稳燃措施都没有考虑煤粉气流进入炉膛后与高温烟气迅速混合问题.在这些稳燃措施的流场中,煤粉气流进入炉膛,除脉动外,首先沿回流区外缘流动,向外扩张,与二次风混合过早,而并不迅速与热烟气混合;煤粉气流与高温烟气的混合动力为二者之间的横向湍流脉动,混合强度弱.因此,对于低挥发分煤不能起到良好的稳燃作用.提出了第4类稳燃技术花瓣稳燃器,该技术充分考虑了煤粉气流与高温烟气间的掺混速度和前期掺混强度.花瓣稳燃器能够在其背流面形成轴向和径向多种回流区,使得煤粉颗粒与高温烟气间的混合动力除横向湍流脉动外还有宏观对流混合,加大了二者之间的热质交换强度.     

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.     

Flame propagation characteristics and flame structures of zirconium particle cloud in a small-scale chamber

Flame propagating through zirconium particle cloud in a small-scale vertical rectangle chamber was investigated experimentally. In the experiments, the zirconium quoted 99% purity was used and the diameter of particles was distributed 1–22 μm. The zirconium dust was dispersed into the chamber by air flow and ignited by an electrode spark. A high-speed video camera was used to record the images of the propagating flame. Micro-thermocouples, schlieren optical system and microscopic lens were used to obtain temperature profiles and flame structure, respectively. Based on the experimental results, flame propagation characteristics and flame structure of zirconium particle cloud were analyzed. The propagation velocity of the flame is quite slow in the initial 14 ms and then accelerates to maximum value. Subsequently, the propagation velocity of the flame almost keeps constant. The combustion zone width of zirconium particle cloud is 5–6 mm. Smaller particles burn mainly at the leading edge of combustion zone in the width of 1.4 mm followed by larger particles burning 1.4–6 mm behind the leading edge of the combustion zone. Gas phase flame is not seen in zirconium particle cloud and the combustion time of single zirconium particle is 1–5 ms, which depends on its original size. The preheated zone is 7–8 mm thickness ahead of the combustion zone and intensive chemical reaction takes place at 490 K. The maximum flame temperature increases at lower concentrations, reaches the maximum value, and then decreases slightly at higher concentrations.     

层流中粉尘的火焰传播速度

建立了筛落式粉尘火焰试验装置和火焰信的号光电测量系统。提出确定火焰前沿位置的“最大斜率切线法”和判定火焰传播稳定性的“相对入射能量法”。测定了硅钙粉和煤粉的火焰传播速度和火焰厚度。结果表明数据合理,测量装置和方法可用于速度范围很宽的粉尘火焰传播研究,用修正的田中达夫模型计算的硅钙粉层流火焰传播速度与实验值接近。     

煤矿用悬挂式隔爆水袋架的设计与应用

开采有煤尘爆炸危险煤层,必须有预防和隔绝煤尘爆炸的措施。悬挂式水袋架是一种用于井下煤巷悬挂防爆水袋的架体,其目的是提供一种能保证隔爆水袋上口撑张开且四周边缘呈水平状态,从而使水袋容量可达到最大装水量的悬挂式水袋架。在有发生煤尘爆炸危险性的煤巷或回采工作面两巷相关的岩巷,安装一定数量的隔爆水袋架,作为隔爆水棚,可以在发生煤尘爆炸时起到很好的隔爆作用,减轻爆炸的轻度。本文根据相关规程,结合矿井实际情况设计了一种用于矿井巷道隔爆的悬挂式水袋架,在实际工程应用中,起到了良好效果。