水平管道內(nèi)甲烷—空氣預(yù)混氣體爆炸過(guò)程研究

【摘要】： 隨著煤礦開(kāi)采深度的進(jìn)一步加深,瓦斯涌出量急劇增加,瓦斯爆炸災(zāi)害的威脅也日益嚴(yán)重。我國(guó)煤礦所發(fā)生的特大事故大多屬于瓦斯爆炸事故,要防治瓦斯爆炸事故,首先要掌握瓦斯爆炸特性參數(shù)(如爆炸極限、爆炸壓力以及火焰?zhèn)鞑ニ俣?的變化規(guī)律及其影響因素。 研究氣體爆炸常用的裝置有20L圓柱型罐體、1m3球型罐等,但這些裝置并不適于用來(lái)研究瓦斯爆炸；研究瓦斯爆炸現(xiàn)象需要借助于模擬巷道或?qū)嶒?yàn)管道,通過(guò)實(shí)驗(yàn)或模擬找出瓦斯爆炸特性參數(shù)。為此,本文建立了一套新的水平管道式氣體爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),管道最長(zhǎng)可達(dá)9.7m,內(nèi)徑為0.14m,長(zhǎng)徑比為70,該系統(tǒng)包括水平管道式燃燒爆炸管、爆炸壓力測(cè)試系統(tǒng)以及自行設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)和火焰速度測(cè)試系統(tǒng),并完成了對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝調(diào)試,使之達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。 瓦斯的主要成分是甲烷(CH4),因此瓦斯爆炸可以看作是甲烷-空氣(CH4-Air)預(yù)混氣體在外界火源誘導(dǎo)激發(fā)下的爆炸過(guò)程。本文利用新建立的水平管道式氣體爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先在0.7m管道內(nèi)對(duì)甲烷的爆炸極限進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明在本文所采用的實(shí)驗(yàn)條件下甲烷爆炸極限范圍為5%-15%；在甲烷爆炸極限范圍內(nèi)選取了5種不同濃度的甲烷,對(duì)其爆炸壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明甲烷的最佳爆炸濃度為10%,在該濃度下甲烷的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率最大,達(dá)到最大爆炸壓力的時(shí)間最短；用自行設(shè)計(jì)的火焰速度測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)9.7m光滑管道和置障管道內(nèi)甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明甲烷在置障管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@大于其在光滑管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?在管道兩端密閉的條件下無(wú)論是光滑管道還是置障管道火焰?zhèn)鞑ニ俣染S其在管道內(nèi)傳播距離的增大而減小。 針對(duì)管道長(zhǎng)度、障礙物、配氣方法和傳感器安裝深度等因素對(duì)管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸壓力的影響開(kāi)展了對(duì)比性的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)三種不同長(zhǎng)度管道內(nèi)的甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3.1m管道內(nèi)甲烷的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率最大,同時(shí)二者還隨爆炸波在管道內(nèi)傳播距離的增大而增大；以阻塞率為60%的圓環(huán)型障礙物為例,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了障礙物對(duì)甲烷爆炸壓力的影響,結(jié)果表明當(dāng)障礙物數(shù)量為3片時(shí)甲烷的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率最大,二者在置障管道內(nèi)隨爆炸波在管道內(nèi)傳播距離的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律；針對(duì)傳統(tǒng)的兩端配氣法對(duì)長(zhǎng)管道配氣時(shí)氣體混合均勻度低的問(wèn)題,自行設(shè)計(jì)了一套配氣裝置并建立了多點(diǎn)多節(jié)配氣法,結(jié)果表明多點(diǎn)多節(jié)配氣法可顯著提高長(zhǎng)管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混氣體的均勻度,對(duì)于體積濃度為10%的甲烷氣體,氣體混合均勻度越高其爆炸壓力和爆炸壓力上升速率越大；改變傳感器在管道內(nèi)的安裝深度可使傳感器敏感面位于管道直徑方向四個(gè)不同的位置,通過(guò)對(duì)這四個(gè)位置甲烷的爆炸壓力的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨著傳感器敏感面到管道中心距離的增大,甲烷最大爆炸壓力及最大爆炸壓力上升速率依次減小,管道中心處的最大爆炸壓力約為管道壁面最大爆炸壓力的1.8倍。 利用Fluent軟件對(duì)管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。針對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體分別在光滑管道和置障管道內(nèi)的爆炸火焰陣面進(jìn)行了模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明二者有較好的一致性。 【關(guān)鍵詞】：管道 甲烷-空氣預(yù)混氣體 氣體爆炸 障礙物 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TD712.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-23
• 1.1 選題的背景和意義12-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展14-21
• 1.2.1 可燃?xì)怏w爆炸特性研究進(jìn)展14-20
• 1.2.2 管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸特性數(shù)值模擬研究進(jìn)展20-21
• 1.3 前人研究的不足與本文研究的目的21-22
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容22-23
• 2 可燃?xì)怏w爆炸的相關(guān)理論23-41
• 2.1 可燃?xì)怏w爆炸的基本形式23-26
• 2.2 可燃?xì)怏w爆炸的基本參數(shù)26-31
• 2.3 可燃?xì)怏w爆炸的影響因素31-36
• 2.4 可燃?xì)怏w火焰加速機(jī)理36-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 3 水平管道式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立41-53
• 3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)41-50
• 3.1.1 管道設(shè)計(jì)41-43
• 3.1.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)43-47
• 3.1.3 爆炸壓力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)47-48
• 3.1.4 火焰速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)48-50
• 3.1.5 其它設(shè)備50
• 3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝調(diào)試50-52
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣密性考核50-51
• 3.2.2 爆炸壓力測(cè)試系統(tǒng)考核51-52
• 3.3 本章小結(jié)52-53
• 4 甲烷爆炸特性的實(shí)驗(yàn)研究53-65
• 4.1 甲烷爆炸極限的實(shí)驗(yàn)研究53-55
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)方法及條件53-54
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析54-55
• 4.2 甲烷爆炸壓力的實(shí)驗(yàn)研究55-60
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)方法及條件55-56
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析56-60
• 4.3 甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶?shí)驗(yàn)研究60-64
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)方法及條件60-62
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析62-64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 5 甲烷爆炸壓力影響因素的實(shí)驗(yàn)研究65-90
• 5.1 管道長(zhǎng)度對(duì)甲烷爆炸壓力的影響研究65-72
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)方法及條件65
• 5.1.2 3.1m管道內(nèi)甲烷爆炸壓力的實(shí)驗(yàn)研究65-68
• 5.1.3 9.7m管道內(nèi)甲烷爆炸壓力的實(shí)驗(yàn)研究68-69
• 5.1.4 不同長(zhǎng)度管道內(nèi)甲烷爆炸壓力的對(duì)比分析69-72
• 5.2 障礙物對(duì)甲烷爆炸壓力的影響研究72-78
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)方法及條件72-74
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析74-78
• 5.3 配氣方法對(duì)甲烷爆炸壓力測(cè)試的影響研究78-84
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)方法及條件79-80
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析80-84
• 5.4 傳感器安裝深度對(duì)甲烷爆炸壓力測(cè)試的影響研究84-88
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)方法及條件84-85
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析85-88
• 5.5 本章小結(jié)88-90
• 6 管道內(nèi)甲烷爆炸過(guò)程的數(shù)值模擬研究90-105
• 6.1 氣體爆炸數(shù)學(xué)物理模型及數(shù)值方法90-97
• 6.1.1 基本控制方程90-91
• 6.1.2 k-ε湍流模型91-92
• 6.1.3 湍流火焰速度92-93
• 6.1.4 燃燒模型93-95
• 6.1.5 壁面函數(shù)95-97
• 6.2 約束條件下可燃?xì)怏w爆炸的理論模型97-98
• 6.3 數(shù)值模擬計(jì)算條件98-99
• 6.3.1 密閉管道模擬計(jì)算域98
• 6.3.2 二維網(wǎng)格劃分98-99
• 6.4 初始條件及邊界條件99-101
• 6.4.1 流場(chǎng)初始化條件99
• 6.4.2 邊界條件99-101
• 6.5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析101-104
• 6.5.1 管道內(nèi)有/無(wú)障礙物的比較分析101-102
• 6.5.2 障礙物的數(shù)量對(duì)火焰陣面的影響102-103
• 6.5.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比103-104
• 6.6 本章小結(jié)104-105
• 7 結(jié)論105-108
• 7.1 本文的主要研究結(jié)論105-106
• 7.2 本文的研究特色與創(chuàng)新106-107
• 7.3 本文的不足與研究展望107-108
• 參考文獻(xiàn)108-117
• 攻讀博士期間的主要研究成果117-118
• 致謝118

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內(nèi)置障礙物受限空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸數(shù)值模擬    梁春利

煤的低溫氧化實(shí)驗(yàn)及對(duì)模擬試驗(yàn)數(shù)值模擬研究    葉振興

預(yù)混火焰在平板狹縫中傳播與淬熄的研究    胡春明

煤塵—甲烷爆炸的實(shí)驗(yàn)研究    王岳

微型圓管結(jié)構(gòu)對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ种谱饔玫臄?shù)值模擬    李江濤

管道中甲烷—空氣預(yù)混氣爆炸火焰?zhèn)鞑サ难芯?nbsp;   汪泉

熱效應(yīng)引起瓦斯燃爆的實(shí)驗(yàn)研究    陳東梁,張立,顏事龍

障礙物對(duì)管道中預(yù)混火焰壓力發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究    程浩力;劉德俊;

可回收廢油料的爆炸過(guò)程研究    周霞;劉然;

淺析影響工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的因素    彭云昆;

連通容器內(nèi)預(yù)混氣體爆炸過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究    嚴(yán)建駿;蔣軍成;王志榮;

連通器內(nèi)預(yù)混氣體泄爆過(guò)程的數(shù)值模擬    師喜林;蔣軍成;

混合份貯槽爆炸原因分析    黃明;楊清民;

爆炸    人坤;

密閉受限空間可燃?xì)怏w爆炸特性數(shù)值模擬研究    王博;陳思維;

油氣管道中可燃?xì)怏w爆炸特性的數(shù)值模擬    張崢;陳思維;杜楊;

鋼纖維混凝土抗爆炸數(shù)值模擬    焦楚杰;周云;孫偉;高培正;

金屬粉末電爆炸過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究    周剛毅;董新龍;劉軍;

低電壓沖擊片雷管設(shè)計(jì)    蔣小華;只永發(fā);祝明水;

TNT炸藥水下爆炸壓力場(chǎng)的SPH模擬研究    楊剛;韓旭;

300kV軟管閃光X光機(jī)    曹科峰;李延年;郜玉棟;田青;

爆炸沖擊波測(cè)試的干擾問(wèn)題    李國(guó)強(qiáng);

C_(20)離子團(tuán)簇在氧化物中穿行時(shí)庫(kù)侖爆炸過(guò)程的理論研究    尹曉明;宋遠(yuǎn)紅;王友年;

多能源多群γ-EMP計(jì)算方法    尹文華;

球形炸藥的水下爆炸場(chǎng)仿真    成偉;

管內(nèi)燃燒爆炸過(guò)程中火焰與方柱相互作用研究    應(yīng)展烽;陳志華;范寶春;

立定摸高    崔友嶺

公安部給市消防支隊(duì)記三等功    記者 仲明特約記者 陳天斌

“興登堡”號(hào)飛艇爆炸    慶　云

淺談小區(qū)車輛擺放實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理的意義    興隆臺(tái)區(qū)消防大隊(duì) 劉志軍

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超新星爆炸殘留物    彭東

“兩彈”功勛朱光亞    何 能

吳文俊賀賢土論說(shuō)計(jì)算機(jī)怎樣挑戰(zhàn)數(shù)學(xué)物理學(xué)    本報(bào)記者　朱廣菁

激波吹灰技術(shù)節(jié)能效果好    劉群 特約記者 張宇

中國(guó)煤化工事業(yè)的新起點(diǎn)    本報(bào)記者 李煒　王登文

讓喇叭擔(dān)當(dāng)AV重任    徐敏榮

水平管道內(nèi)甲烷—空氣預(yù)混氣體爆炸過(guò)程研究    尉存娟

激光多普勒效應(yīng)遠(yuǎn)距離測(cè)量爆炸過(guò)程動(dòng)態(tài)參數(shù)的研究    邵磊

瓦斯（煤塵）爆炸物證特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究    劉貞堂

甲烷/煤塵復(fù)合火焰?zhèn)鞑ヌ匦约皺C(jī)理的研究    陳東梁

點(diǎn)火能量與初始?jí)毫?duì)瓦斯爆炸特性的影響研究    李潤(rùn)之

微型燃燒器內(nèi)燃燒與傳熱特性研究    李艷霞

礦井瓦斯煤塵爆炸傳播規(guī)律研究    司榮軍

外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器特性研究    馬培勇

突出誘發(fā)瓦斯爆炸數(shù)值模擬及實(shí)證研究    楊春麗

礦井瓦斯爆炸感應(yīng)期內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析及光學(xué)特征研究    李孝斌

預(yù)混氣體在惰性多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬初步研究    董帥

球形密閉容器內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸過(guò)程的數(shù)值模擬    嚴(yán)清華

管道內(nèi)甲烷—空氣預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ヌ匦院徒Y(jié)構(gòu)特征的研究    韓學(xué)斌

受限空間瓦斯爆炸過(guò)程中火焰精細(xì)結(jié)構(gòu)特性的研究    宋小雷

甲烷爆炸特性及其抑爆技術(shù)研究    李凌飛

連通容器內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸影響因素的數(shù)值分析    姚世琪

管道內(nèi)硅酸鋁棉抑爆特性研究    楊晨

空腔解耦條件下巖土體動(dòng)力響應(yīng)研究    付清勝

激光激活氣體反應(yīng)分子助燃CH_4/O_2/N_2燃燒的數(shù)值研究    伊亞超

爆炸磁頻率發(fā)生器原理及材料設(shè)計(jì)研究    吳冬