矿井立井防爆盖泄压复位技术及动力学响应规律研究

针对矿井防爆盖泄压后无法快速复位的问题,分析了防爆盖现场应用难题和影响因素。提出两种新型自动泄压复位防爆盖的设计方法,从结构和承压方面探讨其泄压复位原理,构建井筒结构与防爆盖的物理模型,利用ANSYS Fluent软件定量分析泄压复位过程中冲击波超压分布规律,在相同爆炸冲击波压力作用下对比分析了两种防爆盖开启速度、位移、角度以及不同位置的压力场分布。研究结果表明：在300 kPa的瓦斯爆炸冲击波压力作用下,蝶式铰链侧门型防爆盖泄压开启时间为0.046 s,通风机叶片处的最大动压为68.74 kPa,通过回风立井释放的最大动压142 kPa;而圆顶式滑槽泄压复位防爆盖达到最大运动高度3 m时需要0.08 s,风机叶片处的最大动压为103.26 kPa,通过回风立井释放的最大动压31.86 kPa。蝶式铰链侧门型防爆盖的爆炸动力学响应效果更佳,能够更好地保护风机叶片,可为矿井防爆盖设计及应用推广提供指导。     

采用泄爆管泄放气体爆炸的数值模拟

采用k-ε湍流模型和涡耗散概念模型（EDC）,建立泄爆管泄放气体爆炸的模型,并模拟泄爆过程中火焰的传播过程。分析点火位置、泄爆压力（Pv）、泄爆管尺寸和结构对容器内爆炸超压(P_red)和压力上升速率的影响。结果表明:泄爆管内的气体爆炸是导致P_red异常上升的原因;P_red与Pv存在线性递增关系;泄爆管管长的增大或管径的减小均会增大P_red,且管径对其的影响更显著;泄爆管与容器之间采用平滑过渡的方式可降低P_red,但增大平滑过渡半径会使P_red上升;总泄爆面积相同时,采用2根泄爆管可降低P_red,但两管的位置对P_red的影响不显著。     

爆破针型泄压装置力学行为模拟分析

以细长压杆失稳的欧拉定律作为核心工作原理的爆破针型泄压阀,作为一种不同于传统安全阀和爆破片的新型泄压装置,在中国石化行业的应用尚在起步阶段。应用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法,开展了针对爆破针型泄压阀的数值模拟分析,考察不同进口压力下爆破针型泄压阀的泄放过程,获得了阀腔内部流场的漩涡形态、压力场以及速度场分布图,计算了不同进口压力下阀门的泄放量,对阀瓣在介质流场作用下的动态特性进行了分析,并研究了阀盖在阀瓣冲击作用下的疲劳寿命,为不同类型爆破针阀的结构优化、不同工况下的选型和应用,及后续深入研究提供了理论依据和参考。     

瓦斯爆炸对巷道壁面损伤破坏的数值模拟研究

为了研究巷道内瓦斯爆炸冲击波对巷道壁面结构的损伤破坏,利用ANSYS/LS-DYNA建立巷道瓦斯爆炸物理模型和数学模型,对掘进巷道瓦斯爆炸冲击波破坏特性进行数值模拟研究。结果表明:在巷道壁面边缘位置和中心位置超压测值较大,其壁面损伤相对更为严重;冲击波在巷道轴向壁面也会出现反射和叠加,导致整体超压峰值上下振荡波动;瓦斯爆炸后冲击波向开口方向传播,瓦斯区壁面受到的载荷最大,并逐渐向空气区加载扩散;随着爆炸冲击波能量衰减,而应力持续加载在壁面结构,压力集中对壁面结构施加静态破坏,最后超过其承受能力,导致巷道失稳破坏。研究结果可为优化巷道结构的设计提供理论参考。     

煤尘影响瓦斯爆炸冲击波的实验研究

为了探究煤尘对瓦斯爆炸冲击波的影响,利用瓦斯-煤尘爆炸实验系统,通过甲烷、空气混合爆炸和煤尘、甲烷、空气混合爆炸实验,得出爆炸超压在爆炸管道中冲击波的传播规律。将爆炸规律和煤样的组分数据对比分析,得出煤尘对瓦斯爆炸的冲击波的影响规律。研究发现:有煤尘参与时,气样爆炸超压增大,在管道中都是先增大后减小,煤尘的参与可以改变瓦斯爆炸的上下限。煤样组分对比表明,挥发分大的煤粉更容易产生更大的爆炸超压。     

超高压泄压阀泄压特性研究

本文根据流体力学的基础理论,提出了超高压系统中泄压阀泄压特性的理论模型(即系统内压力与流量的变化规律)。根据该理论模型计算获得的泄压数据与实测泄压数据符合得较好。文中还给出了阀前管道及阀内流道中流速及温度变化的计算公式,最后详细分析了此类超高压泄压阀元件的破坏机理并推荐了计算冲击和气蚀破坏压力的公式。     

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.     

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.     

玻璃窗泄爆下室内燃气爆炸荷载规律试验研究

建立了一套野外试验系统,设计了19组试验工况,分别研究了室内燃气浓度、泄爆窗玻璃破坏强度及面积对室内燃气爆炸荷载的影响,得到了玻璃窗泄爆条件下室内燃气爆炸的荷载特性和变化规律。试验研究结果表明：甲烷浓度在7.5%~10.5%时,室内燃气爆炸产生两个压力峰值,并引起声振不稳定燃烧,形成远大于第一个压力峰值的第二压力峰值;甲烷浓度较高时,声振现象不容易出现,只产生一个压力峰值,其大小仅与泄爆口封闭物有关;当甲烷气体浓度为9.5%时,燃气爆炸反应最剧烈,第一个压力峰值和声振压力峰值均为最大;提高泄爆窗玻璃破坏强度,会导致爆炸荷载的第一个压力峰值增大;增加泄爆窗面积,会使第一个压力峰值略微降低,但第二个的声振压力峰值则会大幅降低。研究结果有利于了解玻璃窗泄爆条件下室内燃气爆炸荷载规律和作用机理,并对进一步研究燃气爆炸荷载下结构的动力响应和破坏形态具有实际意义。     

不同弯型管道内粉尘爆炸传播规律

为探究粉尘爆炸在弯型管道中的传播规律,基于1m³粉尘爆炸测试系统,搭建了S型、U型、90°弯管与长直管道4种结构,利用玉米淀粉为实验介质,测试研究了粉尘爆炸在弯管内的压力发展与火焰传播速度变化规律.结果表明:对于所建立的管道系统,当粉尘浓度相同时,超压峰值在整体管道内的传播呈下降趋势,但其在弯管处的衰减程度会有所降低,且4种管道衰减程度由高到低依次为:直管>90°弯管>S型弯管>U型弯管;火焰在管道内呈持续加速状态,但弯管处的火焰上升幅度明显小于直管,弯管对火焰的传播起阻碍作用.以上研究结论对于除尘系统的防爆设计具有参考价值.     

隧道排水泄压孔对周边水压分布变化的影响研究

针对老旧隧道排水系统堵塞瘫痪导致的隧道衬砌渗漏水问题,现场常通过增设泄压孔的方式排出衬砌背后高压水.为探究泄压孔对隧道周边水压力分布产生的影响,总结开通泄压孔后隧道周边水压力的变化趋势及其影响因素（泄压位置、泄压时间、水位高度及土层渗透系数等）,然后通过数值模拟有限元分析、模拟富水隧道在不同位置增设泄压孔时周边水压力分布情况,分析泄压孔对隧道外环水压力分布产生的影响.结果表明：(1)泄压孔的降压效果及影响范围主要取决于土层的渗透系数,随渗透系数的减小而减小;(2)泄压时间及上覆水位高度对泄压孔的降压效果影响较小,在渗透系数大于等于1.2 m/d的土层中,泄压32 d降压效果趋近于稳态泄压;(3)开设泄压孔后,隧道外环水压降压比将迅速降至0.8以内,而泄压孔周边1 m左右范围水压将减至无泄压孔时的40%以内,该范围随土层渗透系数的增大而增大.     

高静态动作压力下粉尘爆炸泄放标准的可靠性

粉尘爆炸泄放设计标准的可靠性对能否实现爆炸防护尤为关键.以中径70μm石松子粉尘为介质,采用20 L球形粉尘爆炸装置进行了4种泄放口径、静态动作压力在0.12~0.6 MPa的爆炸泄放实验,对比了实验值与NFPA 68和EN 14491计算值.结果表明,NFPA 68在预测高静态动作压力下的泄放面积时,随着泄放口径的增大,预测结果由保守变为危险,但预测结果精度较好且数值稳定;EN 14491在预测高静态动作压力下的泄放面积时非常保守,预测精度较差,数据不可靠.依据两种标准推荐的经验函数关系,分析了NFPA 68和EN 14491在预测高静态动作压力时产生这种差异的原因.     

容器内气体爆炸带导管泄爆的实验研究

利用1个球形容器和3节相同尺寸的圆形管道建立了实验系统,并开展相关实验,研究容器内气体爆炸带导管泄爆过程的机制。结果表明:安装泄爆导管增加了容器爆炸强度;破膜激波使导管入口处压力上升,射流火焰点燃导管入口处未燃气体产生二次爆炸,导致容器内及导管入口处压力突变;一定范围内,导管长度越长,容器及管道内的压力峰值越大;有导管存在时,尾部点火容器内的压力峰值及导管入口处的压力峰值都高于中心点火的情况,且尾部点火导管前部分的火焰传播速率高于中心点火的情况;无论尾部点火还是中心点火导管入口处的压力峰值都高于导管出口处的压力峰值。     

快速泄压回路动态特性分析

泄压特性是评价油压机性能的重要指标之一,三级泄压回路是目前应用最广泛的快速泄压回路.实际使用过程中难以快速、准确的协调泄压回路中各个阀开口度,造成了能量损失和压力冲击.本文通过AMESim建立三级泄压回路仿真模型,调试各个阀开口度以组成不同的阻尼网络并分析回路动态特性.通过仿真搜寻最优的阻尼值组合,达到最优的泄压效果,用以指导实际生产实践中调试油压机泄压回路,使其安全、快速、稳定的泄压.     

球形容器在弯管条件下的泄爆收容

为了考察弯管对泄爆收容过程的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,对球形容器内可燃气体爆炸通过不同角度弯管泄放到另一球形容器的泄爆收容过程进行了研究。结果表明:泄爆收容时,由于高速气流和喷射火焰的作用,大部分进入导管内的未燃气体发生湍流燃烧,部分未燃气体随压力波到达收容容器内;泄爆收容过程中,起爆容器内压力受弯管角度的影响不大,而收容容器内压力随着弯管角度的增加不断下降。当采用90°弯管时,收容容器内的压力峰值最小为0.432 MPa。     

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。     

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.     

泄压井对高速铁路隧道出口微压波的影响研究

为了降低高速铁路隧道出口微压波对周围环境的影响,采用了三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier-Stokes方程作为控制方程,空间离散采用了中心有限体积法格式,隧道壁和泄压井壁采用了壁面函数处理。针对高速列车突入带泄压井的隧道进行了数值模拟。计算结果表明,泄压井能有效降低高速铁路隧道出口微压波峰值,而且泄压井高度、隧道长度和列车速度对隧道出口的微压波峰值都有重要影响。     

汽车爆炸现场实验研究

结合当前国内外车辆爆炸案件的特点,针对轿车开展爆炸模拟实验,得到汽车毁伤状态的第一手资料。对爆炸现场重建中的炸点确定、炸药量推算、炸药种类确定、爆炸装置原始形态分析等问题进行研究,同时,利用冲击波超压测试系统对造成目标破坏的空气冲击波超压这一重要因素,通过实验测试进行了研究;利用高速运动分析系统记录了爆炸的全过程,为轿车爆炸案件现场勘验和分析工作奠定了理论和实验基础。     

某铝粉生产厂房防爆泄压的评估分析

以某铝粉生产厂房为例,详细阐述了其防爆泄压设计的评估过程。