1。介绍
瓦斯爆炸事故是煤矿最具破坏性事故的生产在中国。尽管中国煤矿生产的安全水平近年来有了很大提高,瓦斯爆炸事故仍时有发生时间(
1 ,
2 ]。
瓦斯爆炸的机理、抑制和缓解已经被许多学者研究。Yu et al。
3 )实施了爆炸火焰传播特性的比较实验研究CH4 -空气混合物不同体积分数,通过自建小型实验平台。结果表明,甲烷体积分数为9.5%时,波爆炸压力和火焰传播速度是最高的。Yu et al .,温家宝et al .,和Yu et al。
4 - - - - - -
7 ]研究了障碍物对瓦斯爆炸的传播特性的影响。曹et al .,歌曲和张,Yu et al。
8 - - - - - -
14 ]研究细水雾粒径的影响,喷雾体积,水雾区长度和添加剂的抑制影响细水雾抑制瓦斯爆炸实验。结果表明,当超细水雾粒径在10
μ m - 15
μ m,爆炸的抑制作用强度和沼气空气混合物爆炸火焰传播速度是最好的。当超细水雾的浓度低于1.5公斤/米3 对瓦斯爆炸超压,其抑制效果不明显。水雾降低火焰温度主要通过吸收燃烧热,并迅速蒸发。邵et al。
15 )在实验中发现,抑制真空腔对瓦斯爆炸的影响与腔的体积有关。当真空腔的实际体积大于临界体积,它有爆炸的抑制效应;否则,它在一定程度上增强了爆炸传播。王等人,苏et al。
16 ,
17 )通过实验研究得出结论,乙烯和氢气可以增加最大爆炸压力,层流燃烧速度,和最大压力上升速率的沼气空气混合物,它缩短了燃烧时间。李等人,燕et al。
18 ,
19 )设计矩形钢蛀牙不同纵横比和安装在一个长36米大型圆形管道的气体爆炸测试系统。实验结果表明,腔抑制瓦斯爆炸传播的影响,以及爆炸的影响抑制腔的体积有关,他们的纵横比等。甲烷爆炸峰值超压衰减系数之间的关系
y
和高宽比
x
腔的如下:
y
=
−
1.149
经验值
x
/
10.089
+
2.405
。当峰值超压的衰减系数是1,长宽比的价值是至关重要的。当腔的长宽比不超过1腔对爆炸波超压,有抑制作用,抑制效果的最佳比例是1/10。当腔的纵横比大于1,这增强了爆炸冲击波超压,腔的长宽比5/2最加强对爆炸冲击波超压的影响。李等人。
20. )液压机械行为的影响,研究孔隙大小分布和渗透率。
研究瓦斯爆炸抑制及其减灾,小规模的测试平台主要用于,但大规模的测试平台应用不多。为了进一步研究与水雾腔的影响瓦斯爆炸火焰传播的大规模实验管道系统,本文理论分析和实验研究。
2。理论分析对瓦斯爆炸传播过程的影响
2.1。瓦斯爆炸的传播机制
瓦斯爆炸的传播机制的反馈机制是前驱冲击波产生的爆炸火焰的加热和压缩燃烧的混合气体。过程中预混合燃烧的物质,反应区分离未燃烧的燃烧产品预拌可燃物,如图
1 (
21 ]。从燃烧的结果,可以看出
T
0
和
C
一个
0
预拌可燃气体转换为
T
f
和
C
一个
f
燃烧后的反应产物,由燃烧波在空间。
图1
燃烧波传播过程。
![]()
根据预混合火焰的燃烧理论,湍流预混火焰的速度
年代
T
表示为体积流量的比例
问
v
的可燃混合气体流经火焰的表面面积
一个
f
湍流火焰,如图所示:
(1)
年代
T
=
问
v
一个
f
。
预拌的主要反应气体/空气爆炸所示以下方程:
(2)
CH
4
+
2
O
2
+
79年
21
N
2
=
有限公司
2
+
2
H
2
O
+
7.52
N
2
。
上述化学反应公式只表达了瓦斯爆炸的最终结果。许多研究表明,瓦斯爆炸是一个非常复杂的连锁反应。当预拌CH4 /空气吸收一定量的热量,分子链断裂,变成自由基。然后,自由基成为反应活化中心。在合适的条件下,自由基会继续分解,自由基数量的增加,反应会变得越来越快,导致爆炸。
2.2。理论分析的空腔对瓦斯爆炸火焰传播的影响
假设CH的混合物4 和空气均匀,相对静态后,混合物准备在实验管道系统。火焰蔓延到两端,外围的圆形管道爆炸中心点火来源后,混合物被点燃。在这一点上,墙上的管道将干扰火焰传播,层流火焰将成为动荡的传播,会导致火焰前锋的失真,提高火焰燃烧速度。火焰进入腔后,火焰出来的一部分从腔形成一个主要的火焰,火焰的另一部分是搅拌和混合腔中形成二次火焰。火焰通过腔时,由于腔扰动的影响,主要的火焰强度变弱和二次火焰强度增加。然而,随着腔长度的增加,二次火焰的大小增加减少,和二次火焰的时间间隔也增加,和整体衰减的火焰前锋与腔的长度呈正相关。燕et al。
22 ]研究了瓦斯爆炸抑制的机制由腔模拟瓦斯爆炸冲击波的传播过程和火焰在腔。根据文献[中描述的方法
22 ],瓦斯爆炸火焰的方式预先混合腔如图
2 。
图2
二次火焰形成的仿真图在瓦斯爆炸空腔。
![]()
2.3。理论分析的水雾对瓦斯爆炸传播的影响
Lentati和Chelliah
23 )主要通过研究发现细水雾抑制爆炸通过物理效应,及其通过化学效应的影响小于10%。因此,在本文中,只有相关的生理效应进行了分析。水雾的主要生理效应包括吸热蒸发和吸收能量,主要影响爆炸火焰。根据计算,当液滴的大小
d
小于200微米,喷雾速度
V
小于30 m / s,质量浓度
问
水雾小于899 g / m3 ,火焰能量的吸收速度的液滴的数量级远远低于汽化潜热和显热吸收率。所以水雾在火焰的抑制效应主要是基于其热量吸收。
3所示。实验研究
腔的影响,它与水雾瓦斯爆炸火焰传播的研究通过监测的参数爆炸火焰在瓦斯爆炸实验系统。
3.1。实验系统
大规模的瓦斯爆炸实验系统如图34米长的管道
3 。实验系统由五部分组成:爆炸实验管道系统,点火系统,气体分布子系统、数据采集和存储子系统,爆炸抑制子系统。在这项研究中,大规模实验管道系统包括34米长圆形管道,分别安装在直管道与50厘米的长度和直径20厘米,一个矩形钢腔的长度
80年
厘米
×
宽度
50
厘米
×
高度
20.
厘米
,或者一个矩形钢空腔长度
80年
厘米
×
宽度
50
厘米
×
高度
20.
厘米
。实验条件如表所示
1 。的目的是找到影响腔单独或与水雾腔瓦斯爆炸的传播提供一个参考研究沼气空气混合物爆炸的抑制。
图3
瓦斯爆炸实验系统的原理图。
![]()
表1
工作条件的实验。
工作条件数
实验条件设置
1
直管道直径20厘米(直管)
2
安装一个腔长度、宽度和高度
80年
厘米
×
50
厘米
×
20.
厘米
3
附有一个腔长度、宽度和高度
80年
厘米
×
50
厘米
×
20.
厘米
用水雾
(1)爆炸实验管道子系统是由钢圆管的厚度0.01米,直径0.2米,20 MPa的抗压强度,通过法兰和螺栓和螺母连接。保证气密性的法兰板之间的橡胶垫。(2)点火子系统由电源、电线、点火电极、电熔丝。点火电极安装在试验结束的凸缘板一侧的管道系统,和电雷管用于点火。(3)气体分布子系统由甲烷瓶,连接管,真空泵、循环泵、数字真空压力表,等等。实验中使用甲烷的浓度不小于99.9%。(4)数据采集和存储子系统是由传感器、计算机、高速数据采集单元,发射器,等等。火焰传感器
F
1
,
F
2
,
F
3
,
F
4
CKG100火焰传感器,从爆炸点火电极位于11.200米(从腔入口的30厘米),11.250米的爆炸点火电极(25厘米的入口钢腔),
11.700
+
X
从爆炸点火电极(20厘米的出口钢腔),和
11.750
+
X
m的点火电极(0.250米的退出钢铁腔),分别
X
腔的长度,单位转换成米。收购软件DAP7.30瞬态信号测试和分析成都测试人员开发的软件公司。(5)爆炸抑制子系统由一个矩形钢空腔的大小
0.8
米
×
0.5
米
×
0.2
米
用水雾或腔。实验地点如图
4 。
图4
实验的网站。
![]()
3.2。实验过程
建立了大规模的瓦斯爆炸实验系统如图
3 。安装聚乙烯隔膜和火焰传感器
F
1
,
F
2
,
F
3
,
F
4
。实验项目如下:
(1)
检查实验系统的气密性 。点火电极是密封的,实验系统由真空泵抽到-20 pv,然后等待5 - 10分钟观察实验的负压系统,如果没有改变,这表明实验系统的气密性良好,实验开始了
(2)
安装点火电极 。包装的前端点火电极周围几个融合,使两个电极形成一条路。fuse-mounted点火电极的位置如图
3
(3)
气体分布 。道尔顿分压的方法被用于气体分布。首先,利用真空泵真空实验系统,使系统压力达到
−
20.
光伏(聚乙烯膜的最大负压实验测量中使用-25 PV)。然后,实验系统充满甲烷气体浓度大于99.9%,并停止灌装甲烷气体,当系统压力上升到-10 PV。打开阀门,让空气进入实验系统并关闭阀在系统中的压力上升到0 PV和混合气体的甲烷浓度为10%准备(根据理论分析,9.5%的气体浓度的浓度最大爆炸强度实验条件下)(
6 ]。因为实验精度精确到1%,所以CH的浓度4 在气体混合物制备10%
(4)
预拌的CH4 /空气混合物 。具体步骤如下:当气体分配完成后,打开循环泵和循环CH4 大约15分钟/空气混合物,所以甲烷气体和空气充分混合
(5)
喷雾雾腔 。爆震前1 - 2分钟,打开喷雾器。关闭喷雾器,直到爆炸过程完成。高压喷雾泵是NS-KL04750模型。喷嘴直径0.20毫米,喷雾体积是0.117 - -0.155 L / min。喷雾方向的上部腔下部
(6)
爆轰和数据采集 。混合物是由点火装置点燃,点火能量是10 J。实验数据被收集并保存DAP7.30瞬态信号测试与分析软件,火焰传感器和电脑
(7)
在实验的最后,废气的管道被空气压缩机
在实验条件下1或2,实验实施根据步骤1 - 4、6和7。在实验条件下,根据步骤1 - 7实验实施。
3.3。实验结果和分析
爆炸火焰强度定义为价值的积分时间坐标轴上的火焰光信号(
22 ]。火焰强度衰减速率的衰减值的比值
∆
年代
火焰的强度
F
1
来
F
2
爆炸火焰强度
F
1
。火焰传播速度定义为距离的比值
年代
两个火焰传感器之间的时间间隔
Δ
t
之间的两个传感器接收到的信号,也就是说,
V
1
=
年代
F
1
−
F
2
/
Δ
t
,
V
2
=
年代
F
3
−
F
4
/
Δ
t
火焰速度的衰减率
η
v
=
V
1
−
V
2
/
V
1
。实验结果如表所示
2 。
表2
结果在实验中。
工作条件数
火焰强度在
F
2
火焰强度在
F
3
爆炸火焰传播速度
F
1
来
F
2
(米/秒)
爆炸火焰传播速度
F
3
来
F
4
(米/秒)
1
0.07813
0.07428
570.13
584.25
2
0.05134
0.01716
575.00
314.78
3
0.04535
0.00676
573.21
195.75
3.3.1。火焰的变化强度的三个实验条件下瓦斯爆炸
混合气体爆炸后的实验装置,测量一点的火焰的演化过程
F
2
和
F
3
随着时间的推移图所示
5 。实验条件的影响1对瓦斯爆炸火焰传播呈现在图
5(一个) 。根据图
5(一个) 、火焰强度
F
2
0.07813,火焰强度
F
3
是0.07428。火焰强度的衰减率
F
2
来
F
3
是4.93%。因此,甲烷爆炸火焰强度增强后,直接通过管道。实验条件的影响2瓦斯爆炸火焰传播的图所示
5 (b) 。根据图
5 (b) 、火焰强度
F
2
和
F
3
分别是0.05134和0.01716。爆炸的火焰强度的衰减率
F
2
来
F
3
是66.58%,这表明腔有抑制对火焰的影响强度。实验条件的影响3对瓦斯爆炸火焰传播呈现在图
5 (c) 。根据图
5 (c) 、火焰强度
F
2
和
F
3
分别是0.04535和0.00676。火焰强度的衰减率
F
2
来
F
3
是85.09%。实验条件3有抑制对火焰传播的影响。水雾的空腔具有更好的抑制效果比单独腔爆炸火焰传播。
图5
爆炸火焰强度信号测量的点
F
1
和
F
3
在不同的工作条件。
(一)
直管道
![]()
(b)
腔
![]()
(c)
空腔与水雾
![]()
3.3.2。下的瓦斯爆炸火焰传播速度的变化三个工作条件
混合气体爆炸后的实验装置,火焰在每个测点的进化
F
1
,
F
2
,
F
3
,
F
4
如图
6 。从图可以看出
6(一) 实验条件的影响1的爆炸火焰传播速度是探索。爆炸火焰传播速度
V
1
从
F
1
来
F
2
570.13米/秒,爆炸火焰传播速度
V
2
从
F
3
来
F
4
是584.25 m / s。爆炸火焰传播速度衰减率
V
1
来
V
2
是-2.48%,所以爆炸火焰速度提高后爆炸火焰通过直管。根据图
6 (b) 2,实验条件的影响甲烷爆炸火焰传播速度是探索。甲烷爆炸火焰传播速度
V
1
从
F
1
来
F
2
575.00米/秒,爆炸火焰传播速度
V
2
从
F
3
来
F
4
是314.78 m / s。爆炸火焰传播速度衰减率
V
1
来
V
2
是45.26%。与纯直管相比,腔抑制影响甲烷爆炸火焰传播速度。根据图
6 (c) 3,实验条件的影响甲烷爆炸火焰传播速度是探索。甲烷爆炸火焰传播速度
V
1
从
F
1
来
F
2
573.21 m / s,甲烷爆炸火焰传播速度
V
2
从
F
3
来
F
4
是195.75 m / s。爆炸火焰传播速度衰减率
V
1
来
V
2
是65.85%。与纯直管相比,爆炸火焰传播速度是在实验条件下抑制。与实验条件1,实验条件2只有一个腔抑制甲烷爆炸火焰传播速度。与实验条件1相比,实验条件的腔结合水雾抑制效应较强,在甲烷爆炸火焰速度,这比只附加腔的抑制效应。
图6
爆炸火焰速度测点信号信息
F
1
,
F
2
,
F
3
,
F
4
在不同的工作条件。
(一)
直管
![]()
(b)
腔
![]()
(c)
空腔与水雾
![]()
3.4。分析爆炸抑制Coeffect腔和水雾
在爆炸发生后火焰进入空腔,它扩展和消散。当它传播渠道,甲烷爆炸火焰的一部分通过出钢腔,另一部分是被腔的墙壁和反映,形成反向爆炸火焰传播方向相反。由于不同的反射角度,反向爆炸火焰的一部分进入钢腔入口,经过叠加后的空腔。反向爆炸的火焰不能进入腔的入口被墙上的洞。火焰再次反映和传播向出口。重复这个过程,这样火焰消失的预混合的气体是筋疲力尽了。因此,爆炸的火焰变弱显然经过了腔,和熄火和消波的功能实现。
腔和水雾coeffect的增加抑制火焰因为的原因如(1)当火焰进入空腔,水雾的温度低于爆炸的火焰,和传热出现水雾和甲烷爆炸的火焰,火焰的温度降低。(2)与高密度水雾腔可以冷却温度的密闭空间和隔离氧气,以便增强二次火焰的空腔是削弱,爆炸的火焰是抑制。(3)作为惰性滴,水可以直接影响化学反应的爆炸反应区,因此,化学抑制的影响。火焰传播速度的抑制效果更好,因为水雾腔形成“水墙”,这阻碍了爆炸火焰传播,因此,导致更大的抑制影响甲烷爆炸火焰传播速度。