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《河南理工大学》 2017年
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细水雾在瓦斯管道的输运特征及抑爆机理研究

王发辉  
【摘要】:煤矿低浓度瓦斯在输送过程中由于输送管道内产生静电火花以及其他可能产生的火源等因素会导致低浓度瓦斯输送管道常常处于一种于非常危险的状态,一旦发生爆炸,将造成重大损失。目前,添加细水雾的低浓度瓦斯输送方式是保证煤矿低浓度瓦斯安全输送的一项重要技术,该技术在工程上也有广泛的应用。但现有关于管内细水雾抑爆机理的研究大多未考虑液滴浓度分布及壁面沉降等因素的影响,且不同水雾粒径及障碍物条件下细水雾是否发生促爆及其产生促爆的机理尚不明确,而这恰恰是设计细水雾抑爆系统的关键。本文基于细水雾抑爆系统设计的迫切需求,在考虑细水雾的空间分布和沉降特性的基础上对细水雾抑制管内瓦斯爆炸的内在机理进行深入研究,为添加细水雾的低浓度瓦斯安全输送技术提供理论基础和技术支撑,从而推动细水雾抑爆技术的发展。主要研究内容和结论如下:(1)首先基于气液两相流理论,对细水雾颗粒在气液两相流场中受力分析的基础上根据牛顿第二定律建立了细水雾颗粒运动的微分方程,通过运动微分方程的求解结果,阐明细水雾在管道空间内沉降特性的主要影响因素及其影响规律。研究发现:当喷雾入射角度一定时,影响细水雾在管内空间分布特征和沉降特性的主要因素有气流速度、喷雾压力和细水雾粒径;当喷雾压力、细水雾粒径越大时,其在一定气流速度作用下加速比较缓慢,要达到悬浮状态需要经过的距离越远,在管道内越容易发生沉降,增加气流速度可以缩短其达到悬浮状态的时间,从而降低沉降率。其次,用PIV测试系统对细水雾在管道空间的分布特征进行实验研究,发现气液两相流场中横截面和纵截面上的旋涡结构对细水雾在管道空间内分布特征影响较大,一定气流速度作用下,粒径较小细水雾在空间内均匀分布时需要的喷雾压力较大,而粒径较大的细水雾需要的喷雾压力较小。(2)在考虑细水雾空间分布和沉降特性的基础上,通过细水雾抑爆实验系统研究了细水雾粒径及浓度、管道尺寸、障碍物等因素对瓦斯爆炸过程中的火焰传播速度和爆炸压力的动态特性的影响,全面分析了不同条件下细水雾对管道爆炸的影响规律。研究发现:当管道内添加45~160μm粒径的细水雾,且保证三种粒径的细水雾在管道内空间分布特征和浓度相同的条件下,细水雾对管内瓦斯爆炸不但起不到抑爆的效果,反而产生了促进作用,其促爆的程度随瓦斯浓度和管道长径比的减小而减弱;而在细水雾浓度相同的条件下,超声细水雾(水雾粒径约为5μm)则表现出很好的抑爆效果,且随着水雾浓度的增加产生的抑爆效果越好,当管道内水雾浓度为1176.5g/m~3时,管道瓦斯将不能被点燃;但在障碍物条件下,45~160μm的细水雾对管道瓦斯爆炸的作用效果由促爆转为抑爆,且障碍物的位置距离点火源越近,产生的抑爆效果越好。(3)利用大涡湍流模型、EDC燃烧模型和VOF模型分别对细水雾氛围下瓦斯爆炸的火焰温度、液相蒸发速率以及气相反应速率的变化规律、微尺度条件下液滴-火焰耦合作用及液滴破碎的过程进行了数值计算。结果表明:瓦斯管道内添加超声细水雾时,水雾能完全蒸发,表现出很好的抑爆效果;但对于45~160μm的细水雾,因其在管道内不能完全蒸发且爆炸气流速度不足以使液滴破碎,爆炸火焰锋面在细水雾液滴的作用下不断发生褶皱和变形,火焰表面积快速增加,气相湍流强度也明显变大,这些因素促使燃烧反应区内的反应速率增大,从而导致瓦斯爆炸强度增强;若管内爆炸气流速度达到细水雾液滴的临界破碎速度,细水雾液滴能在爆炸气流作用下产生破碎,破碎后的小液滴能起到很好的抑爆效果。论文的研究结论为全面分析细水雾抑制管道瓦斯爆炸的抑爆机理提供新的依据,并对现有瓦斯抑爆理论进行补充和完善,且可为添加细水雾的瓦斯管道输运技术提供理论基础和技术支撑。
【学位授予单位】:河南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TD712.7

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