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有机玻璃方管内瓦斯爆燃火焰传播特性研究

汪泉  
【摘要】:目前煤炭在我国能源结构中占主导地位,近年来我国煤矿瓦斯爆炸灾害经常发生,尽管很多矿井采取了主动式的瓦斯抽排放技术,但这并不意味着不需要对瓦斯爆炸现象进行研究,主动措施一旦失效后,被动的预防和控制措施显得尤为重要。一些国有大中型煤矿尽管在矿井巷道中布设了隔爆棚、隔爆水袋,瓦斯爆炸发生后这些阻隔爆装置往往达不到应有的效果,甚至失效,从某种程度上说明,人们对瓦斯爆炸机理、火焰加速传播机制以及火焰传播特性等方面存在认识上不足。对瓦斯爆炸现象的研究通常采用大尺寸模拟巷道或小型实验管道,大型模拟巷道比较接近真实矿井,但由于其成本较高、场地限制、现场测试困难等因素,很多学者更倾向于在实验室里搭建实验管道以研究瓦斯爆炸火焰传播规律。小型管道和大型巷道内瓦斯火焰加速机制、爆燃波的传播特性是一致的,它们之间存在一定“尺寸效应”。 为了揭示管内瓦斯火焰传播机制及障碍物诱导瓦斯火焰加速机制,本文采用高速摄像、光电传感器、压力传感器、微细热电偶等实验手段测试了长1.5m、截面100×100mm2有机玻璃方管内瓦斯爆燃火焰传播图像、传播速度、爆燃压力、瞬态温度等传播特性参数。分析了无障碍物、重复障碍物、立体障碍物以及典型非金属粉末等条件下管内瓦斯爆燃火焰运动特征和传播特性。采用实验研究结合数值模拟和理论分析的研究方法,较为详细地研究管内瓦斯爆燃火焰传播特征和传播规律。本文主要研究内容和结论体现在以下方面: 首先采用爆炸理论、动力学系数法、第一强度理论等对有机玻璃管道强度进行了校核,证实管道抗爆性能满足要求;通过ANSYS软件对典型爆炸载荷下管壁动态响应进行模拟研究,发现方形有机玻璃管破坏主要表现在纵向中心线位置的拉-剪破坏,以及内壁面棱边位置的剪切破坏作用。 采用高速摄像、光电传感器和压力传感器等实验手段研究了典型浓度下无障碍物、重复障碍片、立体障碍物情形下管内瓦斯火焰阵面位置、火焰传播速度和燃烧压力变化规律。分析了无障碍物下管内火焰光信号-压力信号关系,推导了无障碍物下化学当量的瓦斯火焰传播速度和燃烧压力耦合式,认为火焰阵面位置-时间关系吻合GaussAmp拟合曲线较好。通过4种重复障碍片和5种立体障碍物下管内瓦斯火焰传播参数测试,认为重复障碍片的阻塞比对火焰传播参数增加贡献相对于障碍片个数和间距要大;对于单个立体障碍物,平板、三棱柱加速火焰程度较大,长方体、四棱柱次之,而圆柱体增加程度最小;分析认为立体障碍物表面有突变棱边或表面的不规整性,是激励火焰加速的重要原因,同时认为火焰传播初期前置障碍物对其有一定阻碍作用。 文中从不同浓度、不同类型障碍物、不同开口约束材料等条件下研究了半开口管道内瓦斯爆燃压力分布规律,认为管内爆燃压力从点火端开始增加,传播到管子中部附近有脉动现象,靠近开口处压力迅速下降;实验表明,泄压面积一定条件下,管内瓦斯爆燃压力大小与封口材料的厚度和抗拉强度均有关,材料越厚、抗拉强度越大,其管内瓦斯爆燃压力值也越大,而封口材料破裂常数Kb是衡量其破裂难易程度的重要参数。 采用光电传感器、压力传感器和微细热电偶等测试手段探讨了内铺煤粉和石粉两种典型非金属粉末影响管内瓦斯火焰传播机制,认为活性的煤粉与瓦斯火焰形成瓦斯-煤粉复合火焰,使得化学反应区宽度增加,在测点处瞬时温度曲线呈现出较为明显的“双峰结构”;有无煤粉时管内燃烧压力峰值差别不大,但有煤粉时压力脉冲宽度增加;内铺石粉时燃烧压力峰值、压力脉冲宽度相对无粉末情况会减小,说明石粉有效抑制瓦斯火焰传播过程。 采用Fluent软件模拟9.5%浓度、放置40%阻塞比的五种立体障碍物情形管内瓦斯爆燃火焰传播特性参数,定性分析了不同形态立体障碍物加速火焰程度和加速机制。采用Matlab软件等瓦斯火焰图像进行去噪和增强处理,使得火焰特征和细节部分凸显出来,同时采用该软件提取火焰轮廓,进而较为精确计算出火焰阵面位置和火焰传播速度,并基于RGB三色模型初步分析了火焰图像RGB值与热电偶温度之间关系。 本文研究对揭示管内瓦斯爆炸波传播规律、障碍物激励瓦斯火焰传播机制等,具有重要的科学意义;对减轻、控制矿井瓦斯爆炸灾害的发生和发展,以及优化现有阻隔爆技术,具有重要的应用价值。同时对设计较为合理的工业可燃气体输运管道结构、提出较为合理的阻火抑爆措施等方面具有重要的理论指导意义。


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