研究抑制腔对瓦斯爆炸传播的影响

文摘

指出在文献中,真空室爆炸抑制的影响。爆炸抑制的效果取决于真空室的体积,而真空度对爆炸抑制的性能几乎没有影响。启发,探索瓦斯爆炸抑制的一种新方法,一个矩形钢腔的壁厚10毫米,长度500毫米,宽度800毫米,高200毫米设计。腔是安装在管道系统进行实验研究,探讨瓦斯爆炸火焰的衰减规律和冲击波超压经过腔。结果表明,单腔有熄灭的功能和波衰减,变弱爆炸火焰和冲击波超压42.5%和11%,分别和熄火的双腔进一步提高性能和波衰减,变弱的火焰和冲击波超压75.4%和26.7%,分别。实验研究的基础上,建立了数值模型,进行了数值模拟在相同条件下的实验研究。结果表明,单腔抑制激波的传播和变弱冲击波超压10.61%。双腔进一步提高了抑制性能和变弱冲击波超压28.88%。最后,通过模拟瓦斯爆炸冲击波的传播过程和火焰在腔,腔的机制抑制瓦斯爆炸传播的结构进行了分析。

1。介绍

近年来,天然气事故占超过70%的在中国煤矿重大事故,其中气体爆炸是瓦斯事故的主要类型1]。因此,它具有重要的科学意义和应用价值研究的发展,促进瓦斯爆炸耐火和抑制技术。学者们进行了大量的实验研究和理论探索。研究的结果(2- - - - - -16]表明,取得了一系列成就的研究爆炸抑制剂如水雾,粉和惰性气体。在[17,18),确定实验的基础上,多孔材料的影响减少冲击波超压和抑制火焰。吴et al。19)设计了一个真空室,这是安装在实验管道的侧壁上。当爆炸发生时,管道和真空室之间的隔膜。由于在真空室负压,火焰和爆炸冲击波被吸入进入真空室。邵et al。20.,21]发现爆炸抑制效应的真空室之间的关系取决于真空卷和临界体积。当真空室的体积大于临界体积,真空室具有良好的爆炸抑制的效果。对真空室体积小于临界体积,真空室没有爆炸抑制效果;然而,爆炸压力和火焰强度比那些没有一个真空室,和真空度对爆炸抑制没有明显的影响。上述研究主要集中在爆炸抑制剂,能量吸收材料和真空室。然而,在实际应用中,有一些缺点,如不稳定的系统性能,及时性差,一个大的维护工作量,和高成本。

受爆炸抑制爆炸效应的真空室效应抑制取决于真空室的体积,真空程度对爆炸抑制的性能几乎没有影响。在这项研究中,一个矩形空腔长度为500毫米,宽度800毫米,200毫米的高度设计,和单腔和双腔,分别在两个实验管道来探索一种新的方法抑制瓦斯爆炸传播的低维护成本和抗重复爆炸伤害。通过实验研究和数值模拟,蛀牙的抑制作用在爆炸冲击波和火焰传播进行了研究,和瓦斯爆炸传播的抑制机制在腔的影响进行了讨论。

2。试验研究腔对瓦斯爆炸传播的抑制作用

一个矩形空腔长度为500毫米,宽度800毫米,高200毫米是安装在大型瓦斯爆炸实验管道。进行实验的影响瓦斯爆炸传播分别由一个腔或双腔,冲击波超压和火焰的数据进行了分析。与实验数据相比直管道中的气体爆炸空腔,空腔的影响对瓦斯爆炸火焰传播和激波进行了分析。

2.1。实验系统

如图1爆炸实验管道系统的长度是36米。实验系统由五部分组成:管道系统,点火系统,气体制备系统、抑爆装置和数据采集系统。

(1)管道系统是由不锈钢管直径为200毫米,10毫米的厚度。抗压强度是20 MPa,管道连接法兰和橡胶圈,以确保系统的气密性。(2)点火系统由一个保险丝,电极线,电源。电极安装在法兰的封闭式实验系统。电雷管点火,点火能量是10 J。(3)气体制备系统是由一个空气压缩机,真空泵,气瓶、数字压力计、循环泵。实验使用的高纯甲烷气体的纯度99.99%。(4)爆炸抑制装置腔的腔或组合。根据研究的吴和江20.在真空腔,充分考虑到地下的困难在煤矿建设和支持,空腔的大小不应超过四倍的宽度巷道。腔设计一个矩形结构长度为500毫米,宽度800毫米,高200毫米,10毫米的腔壁厚,如图2。(5)数据采集系统由压力传感器,火焰传感器,一个发射器,一个数据收集器,主机工作。采用高频动态压力变送器作为压力传感器精度等级0.5% FS和测量范围0 - 3 MPa,这是放置在13.25米,14.25米(0.25米1 #腔)的出口,和15.25米(1.25米1 #腔)的出口,从点火电极,分别。采用光电传感器作为火焰传感器精度等级的0.1% FS和最大采样率的20个议员。火焰传感器的安装位置对应的压力传感器。

2.2。实验过程

在实验之前,管道连接和气密性检查。爆轰区是密封的聚乙烯薄膜厚度0.4毫米从点火电极11米。爆炸部分就由真空泵真空的。气体制备实现通过使用道尔顿分压的方法。在每个实验中,甲烷浓度为10%,甲烷的爆炸强度是最高的22]。气体制备完成后,沼气空气混合物爆炸部分流传10 - 20分钟使用一个循环泵与空气均匀混合的甲烷。接下来,阀门被关闭,沼气空气混合物点燃,爆炸。火焰和压力数据得到使用火焰传感器和压力传感器。每次实验结束后,管道被使用一个与正压空气压缩机,删除在爆炸产生的气体管道。

实验重点研究抑制蛀牙对瓦斯爆炸传播的影响,进行了三种不同的场景。方案(1):在直管道瓦斯爆炸传播实验腔。在实验之前,腔1 #腔2 #图1被替换为管道直径200毫米和500毫米的长度。场景(2):瓦斯爆炸传播实验用一个腔。在实验之前,腔2 #图1被替换为管道直径200毫米和500毫米的长度。场景(3):用双腔瓦斯爆炸传播的实验。

2.3。实验结果和分析

火焰强度可以表示为 ,的积分值等于火焰传感器收集的光信号在时间轴上,和火焰衰减率公式所表达的可以吗 ,在哪里强度的衰减值是火焰爆炸火焰到达时,测点F2 (F3)通过测点F1,然后呢火焰强度在测点F1。超压衰减率可以表示为 ,在哪里时的衰减值最大超压冲击波到达P2 (P3)通过测点,然后呢在测点最大超压值P1。

2.3.1。瓦斯爆炸火焰的特征和激波传播在直管道腔

火焰和爆炸超压的变化曲线随时间在直管道中的每个测点腔如图3。如图3(一个),火焰强度测量的值来测量点F1, F2, F3是0.04717,0.04995,和0.05375,分别和火焰衰减率是-5.89%,F2和F3 -13.95%,这表明爆炸火焰强度增强。如图3 (b)的最大超压,P1, P2, P3是0.31473,0.32783,和0.34485,分别。超压衰减率的P2和P3分别为-4.16%和-11.2%,分别,这表明爆炸超压是增强。爆炸火焰的最大超压管道安装测量点被加强,因为爆炸的化学反应是在加速阶段,和爆炸压力上升阶段的过程中瓦斯爆炸传播的管段。

2.3.2。单腔对瓦斯爆炸火焰的影响和激波传播

爆炸火焰的变化曲线和冲击波超压随时间在每个测点的一个腔如图4。如图4(一),进入腔前的火焰更强,及其强度急剧下降经过二次火焰的发生的空腔。火焰强度在F1和F2是0.05527和0.02868,分别在F2和火焰衰减率为48.1%。图中可以看到4 (b)的冲击波超压在进入腔越来越下降后,通过腔较大的二级超压的发生。的最大超压在P1和P2是0.3363和0.2918,分别和超压在P2的衰减率为13.23%。爆炸的火焰和冲击波超压衰减后穿过一个洞。

的价格相比直管道没有腔,F1和F2的火焰强度的影响下一个空腔衰减了-17.1%和42.5%,分别在P1和P2和冲击波超压衰减了-6.8%和11%,分别。爆炸火焰冲击波超压和增强的进气腔,但显然是减毒腔的出口,因为冲击波和火焰扩张和消散后进入空腔,火焰和爆炸冲击波的一部分支出从腔通过出口,另一部分是被腔壁传播时向出口。因此,单腔对瓦斯爆炸传播有明显的抑制作用。

2.3.3。双腔对瓦斯爆炸火焰的影响和激波传播

爆炸火焰的变化曲线和冲击波超压随时间在每个测点图所示5。如图5(一个)爆炸,火焰更强之前进入腔和大幅减少通过双腔后,伴随着二次火焰。火焰强度测量F1、F3是0.05487和0.01226,分别和火焰衰减速率测点F3是77.6%。图中可以看到5 (b)冲击波超压是大前进入空腔,通过双腔后急剧减少。的最大超压测量点P1和P3是0.3234和0.2403,分别与超压的衰减率测点P3是25.7%。可以看出,爆炸的火焰和冲击波超压大大减毒经过双腔。

实验相比直管道没有腔,火焰测量点F1、F3的影响下双腔衰减了-16.3%和75.4%,和冲击波超压降低-2.76%和26.7%,分别。火焰爆炸和冲击波超压略有增强在进口的双腔,但明显减毒的出口双腔。而下的火焰和爆炸冲击波超压衰减的影响一个腔,双腔进一步提高了抑制瓦斯爆炸传播。

3所示。数值研究抑制腔对瓦斯爆炸传播的影响

为了探索腔对瓦斯爆炸传播的影响,基于实验研究建立了数值模型来模拟瓦斯爆炸传播过程在直管道没有腔,用一个空腔,或双腔。

3.1。几何模型和边界条件

图6显示了几何模型和网格划分。方向的尺寸 , ,和计算面积的0.8米,36米,0.2米,分别和网格的数量是40,1800年,分别和10。左边的部分管道腔1 #是一个爆炸部分的外直径0.2米的长度11米。预混合的气体含有甲烷的沼气空气浓度的10%了,和稳定传播部分的外径0.2米和2.5米的长度位于爆轰区之间和腔1 #。传播部分的外径0.2米位于右边的2 #腔。的总长度22.5米双腔组合和传播部分。管道,三个监视点,P1, P2, P3,是集,位于13.25米,14.25米(0.25米的出口1 #腔),和点火电极的15.25米(0.25米的出口2 #腔),分别。在模拟直管道没有空腔,空腔1 #腔2 #替换为圆管的直径和长度相等。在仿真与单个腔,腔2 #被相等的圆管直径和长度相等。监视点的位置保持不变。

初始条件如下:初始压力管道为0.1 MPa,初始密度梯度是0,初始温度为293 K。

边界条件如下:管道和腔内墙壁绝热,不滑。

3.2。数学模型和数值方法

假设气体爆炸过程是理想气体的绝热膨胀过程,忽略了热辐射在爆炸传播和实心墙之间的流固耦合效应和流的影响,并假设瓦斯爆炸过程是一个单步可逆的过程。

瓦斯爆炸过程控制的能量守恒方程、质量守恒方程,动量守恒方程,湍流能量耗散率方程,湍流动能方程,混合分量方程,方程和燃料组件,可以统一表示如下(23]: 在哪里是密度,是时间,空间坐标, , 的速度分量吗方向,的交流因素吗 ,和是一个综合变量,它代表了速度分量 ,湍流动能 ,湍流能量耗散率 ,焓 ,或者质量分数可燃气体,是有效的粘度,是能量源项,普朗特数, 非稳定状态, 对流项, 是扩散项。

壁面函数法处理墙附近的流场的变化,以及 - - - - - - 湍流模型是用来描述湍流变化在燃烧。控制体积积分法、简单的算法和交错网格技术用于实现分离的解决方案的压力场和速度场的耦合。后向差分法和增量法应用到离散形式(24材料的控制方程的结构,化学反应,和化学流变。

3.3。讨论数值模拟结果的影响下的瓦斯爆炸传播腔

3.3.1。数值模拟结果

瓦斯爆炸冲击波超压的演化曲线在每个测点在直管道没有腔,与一个腔,或双腔图所示7与实验结果相比,该数值模拟的冲击波超压值在每个测点在直管道没有腔,与一个腔,或双腔略小。原因在于,在这个实验中,产生的湍流聚乙烯隔膜安装爆炸之间的部分和传播部分坏了,和不完美光滑管内部的墙壁和平坦的连接的管腔加速爆炸反应。

图中可以看到7(一)最大冲击波超压测试点P1, P2, P3是0.3053,0.3128,和0.3366,分别和冲击波超压衰减率的测量分P2和P3 -2.46%和-10.25%,分别。

图中可以看到7 (b)最大冲击波超压冲击波经过腔后明显下降,最大的冲击波超压在监视点P1和P2是0.3241和0.2796,分别和冲击波超压在P2的衰减率为13.73%。与相应的测量的点直管道没有腔,超压在进口和出口处标单腔的衰减了-6.16%和10.61%,分别。虽然在进口略有增强超压,超压的出口明显减弱。

图中可以看到7 (c)最大的冲击波超压在监视点P1和P3是0.31和0.2394,分别和冲击波超压的衰减率P3为22.77%。与相应的测量的点直管道没有腔,超压在进口和出口处标双腔的衰减了-1.54%和28.88%,分别在进口略有增强,出口也会急剧下降。

实验和模拟结果的冲击波传播的衰减规律是一致的。数值模拟的结果是可靠的。

3.3.2。讨论瓦斯爆炸传播的抑制机制的作用下空腔

根据数值模拟结果,瓦斯爆炸冲击波的传播过程和火焰的腔,如图8(火焰温度的特点是颜色卡在右侧)和图9(冲击波超压的特点是颜色卡在右侧)。可以看出,瓦斯爆炸经过腔,大致经历以下过程:(1)预混合的气体被点燃在点火端形成一个球形火焰,这是沿轴向方向拉伸在传播过程中,由于管道壁效应,如图8(一)和8(b)。火焰向前前驱冲击波传播的平面波的形式,它把未燃烧气体进入第一腔和激波两边迅速扩张腔,由于突然扩大传播部分区域和前进的方向传播,被空心墙和反射,形成当地的超压增强区附近的插座,如图9(一)和9(b)(2)火焰进入第一腔后,提出传播形式的球面波和快速腔插座,如图8(c)和8(d)。由于火焰进入第一个腔,腔中的冲击波超压是进一步加强,迅速叠加出口方向。在空心墙的反射下,中央超压稀疏区和一个出口超压增强区形成和激波传播到管道通过衍射和叠加的出口第一腔,如图9(c)和9(d)(3)火焰被退出的第一腔由于出口截面的突然减少,只有火焰出来进入管道的一部分,和其他火焰反映出口墙上,形成反向火焰向入口的第一腔和传播,如图8(e)和8(f)。相反的火焰产生的冲击波进一步增强了超压在第一腔和当地超压形成增强区出口和入口,和部分的冲击波通过第一腔通过出口或入口,进入第二个腔,如图9(e)和9(f)(4)相反的火焰点燃混合气体在第一腔和迅速蔓延整个腔,形成一个二次爆炸。周围的火焰和爆炸冲击波扩散并最终通过的第一腔通过出口或入口,分别在反思腔壁的影响,进入第二个腔,如图88 (i)和(g)9(g) 9(我)。在瓦斯爆炸传播的实验在单腔和双腔的影响,发生二次火焰和二级超压腔是由于出口的上述过程

这是瓦斯爆炸传播过程中在第一洞。当爆炸火焰和冲击波进入空腔,爆炸的火焰,冲击波扩大和消散。传播到出口时,火焰和爆炸冲击波的一部分支出从腔通过出口,另一部分是被腔壁,形成反向火焰和反射波和反向传播(向入口端)。由于不同的反射角度,一些反向火焰和反射波支出通过叠加后的入口,从空腔和反向火焰和反射波,不能进入腔入口被墙,又反映和传播向出口,如此反复。在这个过程中,预先混合气体的消耗的火焰消失,冲击波是批量发送。因此,在空腔的影响下,火焰和爆炸冲击波超压明显衰减,实现熄火和波衰减的函数。传播过程的衰减机制火焰和爆炸冲击波在第二空腔是一样的那些在第一个空腔,这进一步增强了爆炸传播抑制的影响。

4所示。结论

(1)单腔具有明显抑制作用的传播冲击波和爆炸的火焰。实验结果表明,瓦斯爆炸火焰和冲击波超压的出口单腔衰减了42.5%和11%,分别比在直管道腔。同意对实验结果和数值模拟结果表明,冲击波超压的出口单腔衰减了10.61%的价格相比没有腔直管道(2)双腔有更好的抑制作用传播的冲击波和爆炸的火焰。实验结果表明,爆炸的火焰和冲击波超压出口双腔的衰减了75.4%和26.7%,分别比在直管道腔。同意对实验结果和数值模拟结果表明,冲击波超压的出口双腔衰减了28.88%,相比之下,在直管道腔(3)瓦斯爆炸传播过程的模拟腔,腔的抑制作用和机制对瓦斯爆炸传播进行了分析。冲击波和爆炸火焰后进入空腔,反射和叠加出现反复的作用下刚性墙的空腔,和振荡发生在出口和入口。在这个过程中,火焰消失与损耗的预混合的气体,和冲击波在批量发送。因此,熄火和波衰减的功能实现

数据可用性

获得的数据可以通过联系Shujie元Chaominμ:yuansj@aust.edu.cn。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国自然科学基金会(没有。11472007)和能源研究所的合肥综合国家科学中心(没有。19 kzs203]。

引用

1. Y.-J。刘,l .元,黄永发。雪”,分析煤矿瓦斯灾害事故的发生法律从2007年到2016年,“矿业安全与环境保护,45卷,不。3、124 - 128年,2018页。视图:谷歌学术搜索
2. C.-A。卡特林、m·费尔韦瑟和s。易卜拉欣,“预测湍流预混火焰传播,在爆炸管,”燃烧和火焰,卷102,不。1 - 2、115 - 128年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. G.-O。托马斯,a·琼斯,蔡明俊。爱德华,”水喷雾对燃料空气混合物爆炸发展的影响,“燃烧科学与技术,卷80,不。1 - 3,47 - 61、1991页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 蔡明俊。徐和S.-X。路”,在大空间自动喷水灭火实验”,船舶与海洋工程,46卷,不。3、94 - 97年,2017页。视图:谷歌学术搜索
5. X.-S。王,X.-D。赵,B.-H。琮、“试验研究气体火焰抑制水雾,“中国科技大学学报,卷1,途径的2006页。视图:谷歌学术搜索
6. H.-L。许”,试验研究缓解methane-coal尘埃混合爆炸与超细水雾,“中国科学技术大学,49 - 61年,2013页。视图:谷歌学术搜索
7. M.-S。李Bi, z, p。张”,试验研究与细水雾抑制瓦斯爆炸,”《采矿与安全工程卷,29号3、440 - 443年,2012页。视图:谷歌学术搜索
8. M.-G。Yu S.-J。湾,杨绍明。关铭徐”,研究瓦斯爆炸超压的管道受到带电水雾,“中国矿业大学和技术杂志》上,44卷,不。2、227 - 232年,2015页。视图:谷歌学术搜索
9. p库辛斯”爆炸抑制粒子云:数值分析的初始过程,”应用数学和计算,卷217,不。11日,第5094 - 5087页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. W.-X。李,B.-Q。林,W.-J。魏”,实验研究了纳米铝粉爆炸特性,”中国矿业大学和技术杂志》上,39卷,不。4、475 - 479年,2010页。视图:谷歌学术搜索
11. b .谢,在公元前。活跃粉丝,“研究爆炸粉末压制的大型管道,”中国煤炭学会杂志》上没有,卷。31日。1,54-57,2006页。视图:谷歌学术搜索
12. h·温•曹(george w . bush)和K.-K。王”,试验研究ABC干粉抑制瓦斯爆炸,”安全科学与技术杂志》上,7卷,不。6,9 - 12,2011页。视图:谷歌学术搜索
13. y罗,d . Wang和j . Cheng”影响的岩石除尘在预防和减少煤矿爆炸、强度”国际煤炭科技杂志》上,4卷,不。2、102 - 109年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. y秋G.-W。高,H.-Z。我罗,”机制注入惰性气体火灾区域抑制甲烷爆炸,”在煤矿安全,卷2,8,2003页。视图:谷歌学术搜索
15. 小时。李,G.-X。李,Z.-Y。太阳,Z.-H。周,y, y元”,稀释对层流燃烧特性的影响₂/公司/股份有限公司₂氢/空气预混火焰与各种分数。”科学实验温度和流体卷,74年,第168 - 160页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. h . Wang L.-M。通用电气,j .邓”实验研究使用惰性气体抑制矿井瓦斯爆炸,”矿业安全与环境保护,卷1,4 - 7,2008页。视图:谷歌学术搜索
17. J.-W。邵,C.-J。壮族,Z.-R。王,“爆炸抑制效应的甲烷/空气复合多孔材料在容器管道系统中,“爆炸和冲击波,38卷,不。4、905 - 912年,2018页。视图:谷歌学术搜索
18. C.-R。魏,m q。徐,S.-T。王,”实验的多孔材料抑制瓦斯爆炸火焰波,“中国矿业大学和技术杂志》上,42卷,不。2、206 - 213年,2013页。视图:谷歌学术搜索
19. Z.-Y。吴和S.-G。江”,研究抑制瓦斯爆炸的影响在真空腔,“中国矿业大学和科技新闻2009年,页56 - 112。视图:谷歌学术搜索
20. h .邵S.-G。江,Q.-H。李,“真空室体积对瓦斯爆炸抑制的影响,“《采矿与安全工程没有,卷。31日。3、489 - 493年,2014页。视图:谷歌学术搜索
21. h .邵江,x, z, x,和k . Wang”影响因素的数值分析爆炸抑制真空室,“流程工业的损失预防》杂志上,45卷,不。1,第263 - 255页,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. X.-C。李,s。聂,C.-L。杨:“瓦斯爆炸的气体浓度对动力学的影响特征在密闭空间,“中国高压物理学杂志》上没有,卷。31日。2、135 - 147年,2017页。视图:谷歌学术搜索
23. Z.-M。“罗,问:张先生,h . Wang瓦斯爆炸的数值模拟与flac有限空间,”中国煤炭学会杂志》上,38卷,不。8,1381 - 1387年,2013页。视图:谷歌学术搜索
24. G.-F。张”,反应挤出过程的数值模拟和优化为自由基反应,”山东大学,36 - 73年,2009页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2021卓燕等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。