文摘

为了准确掌握瓦斯爆炸的特点和影响因素在标题的脸上,瓦斯爆炸的数学模型确定。根据实际大小标题的煤矿,一个3 d几何模型建立了长度为100米,和点火能量的影响,气体爆炸当量的瓦斯爆炸特征标题脸上进行了分析。结果显示如下。(1)瓦斯爆炸的数值模拟的数学模型可以准确模拟瓦斯爆炸及其传播过程。时空的步长对仿真结果有很大的影响。数值模拟的网格间距确定矿井瓦斯爆炸0.1和时间步长确定是0.001秒。(2)点火能量有限对瓦斯爆炸特性的影响。它只对瓦斯爆炸过程有一定的影响,但没有对冲击波的超压的影响。点火能量越大,爆炸反应速度越快,和最大超压略有增加。点火能量增加到一定值时,激波和最大超压峰值的时间都是稳定的。 The ignition energy has little effect on gas explosion characteristics when an explosion accident occurs underground with a large amount of gas accumulation. (3) The gas explosion equivalent has a great influence on the overpressure of gas explosion shock wave. The higher the explosion equivalent is, the greater the pressure is, and the peak value of the shock wave overpressure increases with the explosion equivalent as a power function. The research results have important guiding significance for the research and development of new technology for prevention and control of gas explosion.

1。介绍

煤矿瓦斯爆炸事故是最严重的灾难事故之一(1),特别是主要和大型瓦斯爆炸事故,造成大量的人员伤亡和严重的设备损坏。例如,在2000年9月27日,Muchonggou煤矿的瓦斯爆炸发生在贵州水城矿务局、导致162人死亡,直接经济损失超过1200万元。2016年,巨大的瓦斯爆炸事故发生在重庆和宝马展Jinshangou煤矿煤矿在内蒙古,分别为33和32人死亡(2,3]。同年,36人死于北地煤矿在俄罗斯(4]。矿井瓦斯爆炸可以被视为一个瓦斯爆炸过程沼气空气混合气体是由外部火点燃源,可分为两个阶段:点火和传播。爆炸的破坏性主要体现在传播阶段(5),即燃烧可燃和机械损伤的爆炸冲击波的传播引起的爆炸火焰的传播(6]。爆炸的破坏性主要体现在传播阶段(5),也就是说,可燃材料的燃烧造成的爆炸火焰传播和机械损伤引起的爆炸冲击波的传播6]。通过研究在地下巷道瓦斯爆炸的传播规律,判断和预测激波的传播范围和造成的损失,它可以提供理论指导的研究和开发新技术对瓦斯爆炸预防和控制(7,8]。

国内外许多学者进行了很多研究的特点,瓦斯爆炸和冲击波的传播规律。瓦斯爆炸的特点和激波的传播受到体积,组成、预混合的气体浓度,形状、能量、温度、和空间大小的着火源。很难研究瓦斯爆炸的理论、实验研究和数值模拟研究瓦斯爆炸的主要手段。在实验研究方面,针对瓦斯爆炸的强大的破坏性和测试的风险,大多数学者研究瓦斯爆炸的传播和破坏特点的小型管道。赵et al。9江,et al。10,11朱,et al。12)实验研究了瓦斯爆炸火焰传播规律及影响因素和冲击波在一个方形直管centimetre-level直径。Yu et al。13]研究了影响瓦斯爆炸冲击波压力释放的港口和火焰传播维度的一个正方形直管10厘米×10厘米×1米。然而,一些学者进行了瓦斯爆炸测试我的实际规模。例如,中国重庆煤炭研究所进行了瓦斯爆炸测试沼气空气预混合的体积的100 - 200米³在一个方形单头直巷段7.2米²和一个900米的长度(14]。国家职业安全与健康研究所”(NIOSH)做了一个实验在封闭的墙的损伤特点引起的甲烷气体爆炸最大沼气空气预混合的体积的210米³在我直巷一段约12.5米²和一个长度约480米(15]。在数值模拟方面,斯科特et al。16)模拟了瓦斯爆炸事故Upper Big Branch (UBB)煤矿在美国。江et al。17,18)模拟,研究了瓦斯爆炸冲击波的传播特性并联巷道以及瓦斯爆炸冲击波的传播规律在标题相邻煤矿面临的脸。朱et al。19)用数值模拟来研究爆炸波的影响和振荡特征的封闭系统,其特征参数的变化规律。程等。20.]研究分岔管的影响,打开瓦斯爆炸传播特性。邱(21)使用湍流模型和层流燃烧速度/ eddy-dissipation模型来模拟冲击波传播规律下管转动,道路分岔和突变截面的管道。孟et al。22)使用RNG湍流模型和EDM燃烧模型来模拟和分析障碍的影响瓦斯爆炸冲击波的传播特性大型通风管。程等。23- - - - - -26)用数值模拟来研究矿井瓦斯爆炸的造型模式在地下矿山采空区上覆地层和爆炸冲击荷载对地下矿山的影响密封。朱et al。27研究了弯曲角度的三个角。结果表明,弯曲角越小,反射越强,越动荡和峰值超压越大。马等。28]研究甲烷爆炸传播特性的数值模拟方法的管道网络。结果表明,并行管道网络,在交点处的峰值超压显著增加,而火焰在交点速度下降。

当前研究成果,无论实验研究和数值模拟,其中大部分是研究瓦斯爆炸特性和冲击波传播规律在实验室小型管道或当地道路,所以他们不能客观、定量地反映瓦斯爆炸冲击波的传播规律在现实我的规模。考虑到风险和成本的现有矿井瓦斯爆炸试验研究规模,沼气空气预混料体积很小,和道路配置和传感器布局相对简单,不足以完全反映瓦斯爆炸冲击波的传播规律在我真正的规模。数值模拟方法提供了可能性,研究矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律,但以下三个问题需要研究。(1)许多学者利用不同的理论模型数值模拟瓦斯爆炸的特性和传播规律。还需要进一步的研究来确定哪些是合适的理论模型和时空步长对仿真结果的影响。(2)有许多点火来源导致地下煤矿发生瓦斯爆炸,如电火花、摩擦和碰撞的火花,明火和热自燃,等等。他们的点火和点火能量是不同的大小,及其对瓦斯爆炸的影响特征需要研究。(3)的影响下煤层瓦斯赋存和系统通风,巷道中的气体积累量是不同的,气体积累量的影响(瓦斯爆炸当量)瓦斯爆炸特性和激波传播法律在标题的脸上并没有被研究过。具有重要指导意义的准确预测瓦斯爆炸冲击波的传播规律和有效地控制在煤矿瓦斯爆炸的破坏性影响。

2。矿井瓦斯爆炸和关键参数确定的数学模型

2.1。确定矿井瓦斯爆炸的数学模型

2.1.1。建立瓦斯爆炸的数学模型

瓦斯爆炸可以假定为理想气体加热加速膨胀过程,可以描述一个数学模型组成的动态过程控制方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、平衡方程和组件),湍流模型,气体化学反应模型(燃烧模型和湍流火焰速度模型)。

湍流模型包括模型、LES模型和DES模型。气体有限速率化学反应模型包括层流模型,eddy-dissipation模型中,层流有限速率/ eddy-dissipation模型,和EDC模型。层流有限速率模型使用阿仑尼乌斯公式计算化学源条件但忽略湍流波动的影响,因此它适用于模拟层流火焰传播。Eddy-dissipation模型(EDM)可以模拟大多数的快速燃烧燃料,和整体反应速率由湍流混合控制。当莱斯湍流模型(LES + eddy-dissipation模型),湍流混合率是取代subgrid-scale混合率,可以更好地模拟瓦斯爆炸冲击波的传播过程。Eddy-dissipation概念(EDC)模型是Eddy-dissipation的扩展模型,可以模拟湍流反应流与化学反应机制。然而,典型的机制有不同的刚度,数值积分计算是非常昂贵的,该模型只能用于快速化学反应被认为是无效的。因此,LES湍流模型和eddy-dissipation模型(EDM)最后采用模拟瓦斯爆炸冲击波的传播规律。

2.2。燃烧模型和湍流火焰速度模型

在哪里 任何生产物种的质量分数; 是一个特定的反应物的质量分数;一个,B经验常数等于4.0和0.5,分别;是subgrid-scale混合率;和是应变率张量。

采用壁面函数法处理该地区附近的墙,和采用标准壁面函数由兰黛和Splading处理墙附近的流体流动的密闭空间(29日]。

2.2.1。确定瓦斯爆炸的数学模型

如图1,建立了几何模型的管道大小瓦斯爆炸实验给博士的论文。管部分都是0.08米×0.08米,直管长度是19.2米,垂直管的长度是5米。两个测量点设置在实验。测点1,从最左边的19米之外,位于中央的水平管道;测点2,1米的距离垂直管道,位于中央的垂直管道。

为了验证所选数学模型的正确性,四个常用的模型,即LES湍流模型+ eddy-dissipation模型(EDM),湍流模型+层流/ eddy-dissipation模型,提高+ eddy-dissipation模型(EDM)湍流模型+ eddy-dissipation概念(EDC)模型,用于数值模拟。模拟的四个模型,几何模型的网格间距设置为5毫米,时间步长设置为0.001年代和迭代的最大数量是30步骤。当气体填充区域的长度是4.0米,5.5米,7.0米,分别超压的结果以测量数值模拟分1和2的四个数学模型,然后与给的瓦斯爆炸实验的测试结果,如图2。

从图可以看出2LES湍流模型的数值模拟结果eddy-dissipation模型(EDM)更接近实验结果,和相对误差小于10%。因此,建立了瓦斯爆炸的数学模型可以用来模拟瓦斯爆炸冲击波的传播规律。

2.3。关键参数的确定矿井瓦斯爆炸的数值模拟

根据实际尺寸完全机械化开挖煤矿回风通道,3 d几何模型的长度100成立,如图3。假设该地区10米从标题脸上充满气体的浓度为9.5%,和点火来源被安排在标题的脸的中心。开放边界设置模型的右边,封闭边界设置在左侧,和巷道壁。

2.3.1。网格大小的确定

网格密度对计算结果有很大的影响,所以它是非常重要的,以确定适当的网格大小。数值计算的误差源主要包括物理模型的近似误差、截断误差的微分方程,离散误差的解决地区,迭代误差和舍入误差。一般来说,截断误差和离散误差减少随着网格变得更薄,但是随着网格变得更薄、离散点数量的增加和舍入误差也会增加。随着网格密度,计算规模和存储空间会增加和计算效率会降低。平衡条件下的计算效率,存储空间,和准确性,粗网格可以用来解决这个问题首先,然后可以不断细化网格,直到增加网格数量对计算结果影响不大。典型的网格加密研究结果如图4。

解的曲线图形错误和网格大小可分为三个方面确保解决方案的收敛条件的结果。(1)网格规模很大时,计算误差主要是截断误差。这是错误引起的微分算子的泰勒级数展开,主要影响元素的顺序。(2)随着网格大小逐渐减少,它逐渐进入渐近的范围内,误差在这一领域主要是离散误差。一般来说,越是密集的网格,计算误差越小,越接近计算结果是真正的解决方案;即网格大小坐落在上述两个地区。(3)当网格尺寸很小,计算误差主要是由浮点错误。在这个时候,网格尺寸越小,误差越大。

为了确定网格大小、标题脸上的瓦斯爆炸过程数值模拟的网格间距时设置为0.05米,0.1米,0.2米,0.4米(网格的数量是14800000,1850000,237500和26000年,分别地),迭代的步长时间0.001秒,和迭代的最大数量是30步骤。模拟获得的最大超压的测点(80离开标题的脸)如表所示1。

从表可以看出1网格大小对模拟结果有很大的影响。连续细化的网格,测点的最大超压逐渐增加(增加速率逐渐减慢)。细化网格间距时从0.4米,0.2米,0.1米,0.05米,最大超压增加了6.6%,2.7%,和0.6%,分别。的最大超压冲击波的持续时间不断缩短(缩短率逐渐减慢)。细化网格间距时从0.4米,0.2米,0.1米,0.05米,最大超压的持续时间缩短了80.4%,19.3%,和4.8%,分别。根据仿真结果,结果是非常接近时,网格间距是0.1米和0.05米。考虑到计算效率、存储空间和精度,网格间距终于确定为0.1米。

2.3.2。时间步的决心

合适的时间步的选择不仅能保证仿真结果的收敛性,但也确保数值模拟结果的准确性,提高计算效率。为了确定合适的时间步,瓦斯爆炸特性在标题表面模拟时间步时设置为0.01,0.001,和0.0005 s,分别网格间距为0.1 m,迭代的最大数量是30的步骤。获得的超压衰减法测量的点排列在40米,50米,60米,70米,80米,90米的脸是如图5。

从图可以看出5,时间步长对仿真结果有很大的影响。时间步长越小,模拟超压越大,峰值超压越快出现了。仿真结果与时间步长为0.01年代大大不同的时间步长为0.001 s。仿真结果与时间步长为0.001年代接近,时间步长为0.0005 s,以及它们之间的差异小于6%。考虑到计算效率和准确性、时间步终于确定为0.001秒。

3所示。点火能量对气体爆炸特性的影响在标题的脸上

着火源的大小是一个非常重要的参数在瓦斯爆炸数值模拟,这直接影响仿真结果的准确性。大小的点火来源可能导致煤矿瓦斯爆炸也是不同的。为了分析点点火源尺寸对瓦斯爆炸的影响,瓦斯爆炸过程中标题表面气体累积体积为145.52 m³模拟点火来源体积下0.52米³2.14米,³4.19米,³7.23米,³,10.30米³。

点火产生能源加热附近的当地天然气点火来源,使其温度上升迅速点火温度。然后气体是由火焰传播设置整个混合着火了。根据热点火理论,高温燃烧气体被设置为模拟计算和安排的着火源中心的标题的点火温度1600 K。考虑到不同大小的点火来源变化将导致天然气聚集区,不同长度的气体积聚区将确保同样体积的气体爆炸时点火来源数量是不同的。数据6和7显示峰值之间的关系,持续时间,测点的超压峰值速度(安排80离开标题的脸),着火源的大小。

从数据6和7,可以得出结论:(1)点火来源的大小越大,点火能量越大,和更多的天然气参与最初的反应,生成的自由基越多,天然气燃烧速度越快,起始时间越短,冲击波峰值的持续时间越短,最大超压的上升速度越高,和最大超压值越大。当点火来源的大小从0.52增加³到2.14³4.19米,³,7.23米³(点火来源的体积增加到4.12,8.06和13.90倍,分别地),冲击波峰值的持续时间逐渐缩短65.2%,65.2%,和67.8%的原始水平,和冲击波峰值的增加率增加了37.2%,50.8%,和57.5%,分别和最大超压增加了1.4%,2.3%,和2.7%,分别。(2)当点火来源的大小增加到一定数值时,冲击波峰值的持续时间,最大超压的上升速度,最大超压本身往往是稳定的。当点火来源的大小从7.23增加³到10.3³(点火来源的体积增加到原来的1.42倍),冲击波峰值的持续时间保持不变,而冲击波峰值的增加率和最大超压只增长了0.06%和0.06%,分别。

当点火来源的体积太小,不成功点火发生和冲击波未能形成,导致失败的模拟。可能的原因如下:(1)有一个最低能源天然气点火。根据火花点火理论,火花立刻建立了高温气体的体积小,产生的热量迅速引发流动到周围未燃烧气体,引起体积的温度迅速下降,和周围的气体的温度迅速上升至引发化学反应,然后约球燃烧波形成和向外传播,如图8。燃烧波能否稳步发展,最后形成激波取决于点火气体的体积时,初始温度下降到正常的火焰温度。如果点火气体的膨胀体积太小,速度近似球面内的放热化学反应区不足以弥补预热未燃烧气体的热损失速度区。因此,损失的热量未燃烧气体连续超过热产生的化学反应,反应的温度在整个体积减少,反应逐渐停止,最终燃烧波扑灭后只有少量的气体燃烧在原来的火花。(2)从连锁反应的角度,瓦斯爆炸的点火过程基本上是一个连锁反应过程由多个基本的结合反应。阿伦尼乌斯指出,只有分子能量超过一定的活化能可以产生化学反应。瓦斯爆炸的连锁反应需要一定的能量来打破化学键,产生自由基。传播火焰,反应速率必须较快,这就需要更高的点火能量。当点火能量很低,很难赚更多的气体内部点火核心参与反应并释放更少的热量,因此,外部未燃烧的气体区域不能被预热和外部未燃烧的气体区域不能参加反应,从而导致化学反应的失败和形成爆炸冲击波的失败。

总之,点火能量对瓦斯爆炸过程有一定的影响,但对冲击波的超压值影响不大。点火能量对瓦斯爆炸特性几乎没有影响爆炸事故发生时,有大量的气体积累地下。

4所示。气体爆炸当量对气体爆炸特性的影响在表面

地下巷道瓦斯爆炸冲击波的传播只沿着道路的方向,这是不同于自由表面在空气中爆炸。为了简化问题,假定巷道壁是一个刚体,反射冲击波巷道壁是100%。依法的能量相似(等于爆炸超压冲击波),它可以获得1米的质量³气体转化为TNT是1.0582公斤30.]。

为了研究影响瓦斯爆炸当量的爆炸传播法律在标题的脸上,瓦斯爆炸冲击波的传播规律模拟气体积累为31.16 m³77.91米,³155.82米,³311.64米,³467.46米,³,779.10米³。当气体积累量在标题的脸是467.46米³、瓦斯爆炸冲击波的传播规律和超压沿长度方向的分布规律驾驶巷道在不同时刻的数据所示9和10,分别。

从图可以看出9,在早期阶段,天然气燃烧和爆炸的天然气聚集区在标题的脸上形成冲击波,冲击波超压在天然气聚集区逐渐增加。随着时间的延长,空气中的激波区传播不断沿着隧道道路,不断超压衰减和激波逐渐从曲面波为平面波。体积的气体积累越大,爆炸冲击波的能量越大,冲击波的传播速度越快,各点最大超压越大,越远的距离冲击波从表面波为平面波。

图10显示了最大的瓦斯爆炸冲击波超压分布规律在标题的脸的长度驾驶道路模拟得到的不同气体积累量。图11显示测量的最大超压之间的关系与不同距离点离开标题的脸和爆炸当量。

以下从图可以看出10。(1)在气聚集区,气体燃烧猛烈,激波逐渐形成和传播。冲击波超压的增加约为二次曲线函数沿轴向方向的隧道道路。随着传播距离的增加,冲击波超压的增加速度逐渐放缓,特别是在边界附近的气体积累超压急剧下降的地方。当参与爆炸气体的体积不同,超压在其他领域仍然基本上不变,除了超压边界附近的天然气聚集区急剧下降。(2)一般空气区,爆炸冲击波的超压峰值趋于下降的幂函数沿轴向方向的道路。连续向前传播的冲击波,超压的衰减速度随传播距离的增加减少。大体积的气体参与爆炸,冲击波超压的衰减速度越快沿着隧道道路。当467.46³和155.82³的气体积累在标题的脸上,冲击波传播从40 m 50 m离开标题的脸,和超压下降了98.2 kPa和39.6 kPa,分别。当冲击波传播从80米到90米距离标题的脸,超压下降了83.5 kPa和14.8 kPa。

从图可以看出11参与爆炸气体的体积有很大的影响在爆炸冲击波的超压。大体积的气体参与爆炸,也就是说,爆炸当量越大,爆炸冲击波的超压就越大。的最大超压冲击波和爆炸当量增加幂函数,以及它们之间的关系可以安装 。因此,有必要及时监测气体浓度在气体容易积累的地方,如标题,增加风量,并开发天然气开采方法,以大量的积累高浓度气体,减少人类的人员伤亡和财产损失的风险,保证矿山生产安全、稳定。

5。结论

(1)数学模型和时空一步瓦斯爆炸数值模拟是确定。确定数学模型(LES和EDM)瓦斯爆炸的数值模拟可以准确地模拟瓦斯爆炸及其传播过程。时空的步长对仿真结果有很大的影响,和确定时空步长0.1米和0.001秒。(2)点火能量对瓦斯爆炸过程有一定的影响,但对冲击波超压的几乎没有影响。点火能量可以加快瓦斯爆炸在某种程度上,但这不能改变冲击波超压。点火能量对瓦斯爆炸特性几乎没有影响瓦斯爆炸发生时,大量的气体积累。(3)气体爆炸当量大影响瓦斯爆炸冲击波的超压。增加的最大超压冲击波和爆炸当量为幂函数。在气聚集区,冲击波的超压上升沿轴向方向的隧道巷道二次曲线函数。当参与爆炸气体的体积是不同的,超压在其他领域基本上是相同的,除了超压气体积累区域边界附近的大幅下降。一般空气区,爆炸冲击波的超压峰值沿轴向方向变弱的驾驶道路为幂函数。研究结果提供理论指导,准确地把握在地下巷道瓦斯爆炸的传播规律和新技术的研究和开发预防和控制瓦斯爆炸。

数据可用性

所有的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2018 yfc0808103),中国国家自然科学基金(批准号。51734007,51734007,52074106),项目创新研究团队在中国教育部大学(批准号IRT_16R22),河南高校重点科研项目(批准号19 a440003),河南理工大学博士基金(批准号B2019-56),河南大学的基础研究基金(NSFRF180338)。