瓦斯爆炸对地下巷道破坏效应的 数值模拟分析

为了研究瓦斯爆炸对地下巷道壁面结构的冲击作用规律以及瓦斯爆炸与巷道壁面耦合效应,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立管道物理模型,数值模拟了耦合和解耦合条件下管道内瓦斯爆炸压力变化、压力等值线分布、能量变化及管道等效应力的变化情况.模拟结果表明:(1)耦合效应下对爆炸流场内部的冲击超压大小的影响基本上可以忽略;(2)解耦合条件下,管道的应力等压线分布呈现较规则同心环,而耦合条件下,在整个传播过程管道内等压线分布处于紊乱状态,可知在耦合效应下瓦斯爆炸流场在巷道中会变得更加复杂;(3)等效应力分布导致管道多次轻微变形,但第1次变形破坏最为有效,可知瓦斯爆炸时应力波是随着时间的推移逐渐减少.研究结果能够对地下巷道的设计提供一定的理论指导,对减小瓦斯爆炸的损失也具有重要的现实意义.     

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。     

双层泡沫陶瓷抑制瓦斯爆炸研究

为有效抑制煤矿瓦斯爆炸产生的冲击波,自行设计、搭建了瓦斯爆炸圆形大尺度管道实验系统,对8%浓度的瓦斯预混爆炸过程中多孔泡沫陶瓷对冲击波的抑制特性进行了研究.研究结果表明：泡沫陶瓷的多孔结构通过弹性形变和塑性形变吸收瓦斯预混爆燃的冲击波能量,实现抑制、衰减冲击波的效果.泡沫陶瓷层数、厚度和位置对抑制瓦斯爆炸传播均有一定的影响,其中层数影响尤为显著,双层布置时爆炸冲击最大超压下降速度更快、梯度更大;设置位置距点火端的距离3 m至4 m的范围内可以成功抑制爆炸的发展和演化;泡沫陶瓷厚度对爆炸冲击波趋势影响并不明显,而对最大超压数值有影响,相比50 mm厚,30 mm厚的泡沫陶瓷最大超压衰减率更大,抑爆效果更好.     

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。     

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.     

巷道截面积突变处瓦斯爆炸冲击波传播规律理论研究

煤矿瓦斯爆炸事故往往会造成大量人员伤亡和财产损失,针对煤矿瓦斯爆炸事故频繁发生的现状,研究瓦斯爆炸冲击波传播规律,对于预防和控制冲击波的破坏和伤害效应有重要的意义。利用爆炸动力学理论,对巷道截面积突变情况下瓦斯爆炸冲击波传播规律进行理论分析,并建立巷道截面积突变情况下冲击波传播的数学模型,得到冲击波波阵面压力经过巷道截面积突变面时的变化规律。     

爆炸作用下薄壁柱壳结构动力响应实验研究

为获得薄壁圆柱壳结构在可燃气体爆炸作用下的动力响应特性,该文进行了乙炔/空气混合气体爆炸冲击波对缩比薄壁柱壳模型的冲击实验,测得模型壁面的超压荷载、动态应变和振动加速度时程曲线。通过对时程曲线的变化特征分析,研究了爆炸荷载作用下薄壁柱壳结构的响应特性及其破坏机理。实验结果表明,在爆炸荷载作用下,正反射迎爆区域壁面超压和应变峰值始终最高;柱壳模型抵抗变形破坏的能力与其径高比D/H有关,径高比接近1的模型抵抗变形破坏的能力较强;柱壳模型内部液体能够吸收和耗散爆炸冲击能量。     

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.     

中心内爆引起的圆柱壳流固耦合问题数值模拟

针对中心装药的冲击波加载,研究了椭球封头圆柱壳的流固耦合问题.基于法向位移、速度和力建立流固界面边界条件,采用FVM求解积分ALE型无粘流体力学方程组,采用FEM求解虚功原理,得到内爆流场冲击波和壳体应力波的传播过程.结果表明:我们的方法和计算软件可研究内爆引起的壳体流固耦合问题.尽管壳体结构和装药位置相对简单,但冲击波在壳内传播和内壁面多次反射产生的波系结构相当复杂,压力云图刻画了冲击波演化图像.壳体所受加载特征是:前期表现为冲击波超压,后期表现为冲量,壳体变形依赖冲击波加载历史.封头顶点、封头和侧壁交线以及距中心最近的中环面出现较大等效应力,也是结构易破坏的部位.     

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.     

砖隔墙前爆炸泄漏空气冲击波工程算法

为了评估砖隔墙毁伤后冲击波的破坏效应,依据砖隔墙前爆炸造成砖隔墙破坏后泄漏的冲击波效应试验研究结果,结合量纲分析建立泄漏冲击波效应具体工程算法,包括泄漏冲击波超压峰值、与无砖隔墙相比的药量等效系数及有无砖隔墙的冲击波超压折减系数等工程算法。结果表明:砖隔墙的合理设置可以消耗炸药的大部分能量,体现了一定的抗爆防护作用。     

FLNG工艺区爆燃冲击强度数值分析及后果评价

CFD数值方法是目前海上浮式设施爆燃冲击研究中得到广泛运用的方法.文中以某FLNG工艺区发生爆燃事件为研究背景,基于通用CFD软件CFX对蒸气云爆炸进行数值分析,提出了基于能量释放方程模拟分析的冲击波安全评价方法,并对能量和能量释放时间两个变量对爆燃冲击强度的敏感性进行研究.该冲击波后果评价方法通过在爆心位置设立以能量大小和能量释放时间为变量的step函数,选定k-ε模型,模拟爆炸冲击获得超压数据,并结合超压伤害准则和TNO爆炸源能量和气云体积的转换关系对冲击波伤害后果进行评价.研究表明:基于CFD的能量释放方程能够很好的模拟爆炸冲击波并获得表征冲击强度的超压数据.方程中变量因素对冲击强度影响显著,特别是爆炸近场区域.提出的安全分析方法可以有效地对爆炸冲击后果进行评价.     

冷放空天然气火灾爆炸事故影响范围模拟

针对冷放空作业中的意外火灾、爆炸事故,许多研究单一从冲击波超压方面考虑伤害范围,一旦发生火灾,热辐射强度也非常强,研究不同影响因素下火灾的热辐射伤害范围十分必要。首先,分析放空压力6 MPa和放空速率20×10⁴m³/h时冷放空天然气火灾的热辐射影响范围和冲击波超压影响范围,然后,模拟不同放空速率和不同放空压力下热辐射的影响范围和冲击波超压的影响范围。结果表明,在模拟工况下,放空压力对热辐射强度影响更大,热辐射导致的轻伤距离最远达到269.72 m;在模拟工况下,放空速率对冲击波超压影响更大,冲击波导致轻伤的最远距离达到198.00 m。在实际工程中,控制放空压力和放空速率对减轻意外火灾爆炸事故的后果极为重要。     

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．     

注空气管内原油蒸气爆炸过程数值分析

 在注空气采油生产过程中,必须高度重视可燃油蒸气的爆炸问题。本文借助AutoReaGas气体爆炸模拟软件对注空气管内原油蒸气在高压状态(30MPa)不同初始温度下发生爆炸的过程进行了数值模拟。结果表明,爆炸产生的超压可达450MPa,温度可达2400K,会对油管和井口采气树等设施造成严重破坏;管内爆炸超压值与初始温度关系密切,在爆炸冲击波与反射波未叠加前,初始温度升高会导致爆炸超压的下降,在叠加区域内爆炸初始温度升高会导致爆炸超压的明显升高,750m远处压力基本不再变化;初始温度对爆炸温度影响甚微,初始压力为30MPa时,无论初始温度多大管内温度在距井口600m以后都恢复到初始温度。分析可知,爆炸只会造成充气区域及其附近管段内压力和温度急剧升高,对远场作用不明显。     

基于空中爆炸冲击波的动态爆心定位方法研究

为解决空中动态爆炸爆心位置难以测定的问题,研究一种基于冲击波超压测试结果的爆心坐标五区定位方法.将数字压力记录仪在爆炸区域组成测试方阵,根据测点距预估爆心距离将所有测点划分到5个区域.通过在每个区域选取一个测点共5个测点的方式得到多组测点,以每组测点的相对坐标和冲击波超压值为原始数据,基于空中静态爆炸自由场冲击波传播规律、动态爆炸冲击波超压工程计算公式、壁面反射规律等建立函数方程组.借助Matlab软件和莱文-马夸特方法迭代求得多组爆心坐标,通过格拉布斯法剔除异常数据,将剩余数据求平均值得到最终的爆心3维坐标.结合实爆试验,将计算结果与监测结果进行对比,结果表明该方法求解爆心坐标是可靠有效的.