文摘

在这篇文章中,商会的影响几何参数对抑制瓦斯爆炸传播进行了研究。三个矩形钱伯斯在这项研究中,使用一个常数0.5米的长度,一个常数的高度0.2米,和一个变量的宽度0.3米,0.5米,0.8米;每个房间都安装在管道系统的实验研究。实验结果表明,当长度和高度是固定在0.5米和0.2米,分别在爆炸冲击波的抑制效应室与室宽度的增加改善;室宽度增加到0.8米时,室对爆炸冲击波传播有抑制的影响。也发现,钱伯斯在爆炸火焰的抑制效果改善室宽度的增加;当室的宽度是0.5米,室有效抑制爆炸的火焰。根据实验结果,建立了数值模型来模拟的抑制作用五种室长度,宽度,和高度为0.5米×0.3米×0.2米,0.3米×0.5米×0.2米,0.5米×0.5米×0.2米,0.5米×0.8米×0.2米,0.8米×0.5米×0.2米,分别。数值模拟结果表明,当长度和高度恒定在0.5米和0.2米,分别的抑制效应室在冲击波改善室宽度增加;室宽度增加到0.8米时,冲击波超压室出口减10.61%,表明美国商会抑制爆炸冲击波的传播,这与实验结果是一致的。 It was also found that when the chamber width and height were constant at 0.5 m and 0.2 m, respectively, as the chamber length increases, the overpressure increases first and then weakens. When the chamber length increases to 0.8 m, the overpressure at the chamber outlet is attenuated by −14.16%, indicating that the chamber is not able to suppress the propagation of explosion shockwave. Finally, a numerical simulation of the propagation process of a methane-air mixture and explosion flames in different chambers was performed to analyse the effect of chamber geometrical parameters on explosion suppression effect.

1。介绍

当煤矿瓦斯爆炸发生在隧道和城市地下管线系统,一个强大的超高温度的火焰和一个巨大的冲击波超压瞬间生成,然后迅速传播的密闭空间隧道或管道系统,破坏周围的设施,造成大量的人员伤亡和财产损失,和拥有一个高度有害的社会和经济影响1]。爆炸和火焰抑制技术的发展是很重要的预防和控制瓦斯爆炸事故的矿业城市隧道和地下管道系统。为此,理论研究和实验都在这个领域进行了调查国内外;例如,托马斯,Pawel辛斯米哈伊尔•Krasnyansky赫尔曼斯,Lu Shouxiang Bi Mingshu Minggao,徐张红力王西施故里,温家宝胡,罗音译等。2- - - - - -12)进行了成功的研究使用细水雾抑制瓦斯爆炸,粉抑制剂,和惰性气体技术。邵楼继伟et al。13)实验证明多孔材料有一个明显的抑爆效果。赵Kai et al。14)发现,空心圆柱壳结构有很强的冲击吸收和能量吸收效果,它可以承受多次爆炸造成的损失。吴和江15)设计了一种真空室真空负压原理的基础上,将它安装在实验管道;研究发现,在管道爆炸传播时,爆炸产生的冲击波和火焰被吸进了真空室由于负压效应,从而大大抑制爆炸超压和火焰。邵et al。16- - - - - -18)发现,真空室在抑制瓦斯爆炸的效果取决于真空室的体积;室体积超过临界体积时,真空室可以有效地抑制瓦斯爆炸。相反,当室体积小于临界体积,真空室没有效应不仅抑制瓦斯爆炸冲击波超压和火焰强度实际上是比当没有使用真空室。此外,真空度对真空室的效果没有明显的影响在抑制瓦斯爆炸。李等人。19]使用不同大小的矩形腔安装在36米长的大型管道瓦斯爆炸实验系统进行实验研究,他们发现,美国商会对冲击波抑制附着在管道系统有影响。

在实际应用中,室高度的高度通常是符合矿井隧道或地下管道系统,改变了和室大小,调整其长度或宽度。然而,很少有研究室长度或宽度的变化如何影响其爆炸抑制性能。本研究的目的是探索室宽度或长度的影响在其爆炸抑制效果。为此,我们进行了一系列的实验和数值模拟在下列两个条件:(1)室的高度和长度固定和可变宽度,和(2)室高度和宽度固定和可变长度,为了更好地理解不同矩形腔的几何参数的影响在爆炸冲击波的传播和分析几何参数的影响的钱伯斯在瓦斯爆炸抑制它们的有效性。

2。试验研究爆炸的抑制效应室

在这项研究中,进行了一系列的实验来调查冲击波超压和火焰的数据和分析的抑制效果不同的钱伯斯在气体爆炸冲击波传播。为此,三个矩形腔固定的高度和长度和宽度逐渐改变被安装在一个天然气管道系统;长度、宽度和高度的三室0.5米×0.3米×0.2米,0.5米×0.5米×0.2米,0.5米×0.8米×0.2米,分别和三室的壁厚是0.01米。

2.1。实验系统

实验系统的设计如图1。36米管道瓦斯爆炸实验系统由五部分组成:爆炸管道部分,预混合的气体制备系统、点火系统、数据采集系统和室。


图1
瓦斯爆炸图的实验系统。

①实验管道的钢管直径0.2米,厚度0.01米,20 MPa的压力阻力。管道连接的法兰板与橡胶石棉垫片,确保管道部分是密封的。②预混合的气体制备系统由油箱、真空压力表,一个空气压缩机,循环气体的泵。本实验中使用的气体是高纯甲烷(纯度99.9%以上)。③点火系统由一个电源,保险丝,电线,和一个点火电极。电极放置在法兰管道的结束部分,由熔丝在哪里点燃;点火电压是36 V,点火能量是10 J。④数据采集系统由压力传感器、火焰传感器、流量传感器、一个数据收集器,一个操作单元。压力传感器P1和P2,检测范围的0到3 MPa的准确性达0.5% FS,放置在距离13.25米(0.25室的入口)和13.75 +x米(0.25室的出口,x室的长度),分别从点火电极。火焰传感器F1和F2有一个最大的采样频率为20议员FS的准确性达0.1%;他们被放置在位置对应的压力传感器,分别。⑤长度、宽度和高度的三个房间是0.5米×0.3米×00.2米,0.5米×0.5米×00.2米,0.5米×0.8米×00.2米,分别如图2。


图2
实验矩形腔。
2.2。实验设计

在开始实验之前,引爆系统的管道连接,0.4毫米厚的聚乙烯薄膜用于密封段的距离引爆点火电极的11米。容积式空气压缩机是用来测试每个接头的密封性,和一个真空泵用于疏散的空气管道。接下来,沼气空气混合物制备基于道尔顿分压原理,这10%浓度使用沼气空气混合物在每个实验中,这是最优浓度产生最高的爆炸强度实验条件下(20.]。准备气体混合物后,气体循环泵被用来混合空气和甲烷爆炸段为10到20分钟均匀混合物。在完成混合过程中,点火系统被用来启动爆炸。一旦爆炸,火焰传感器和压力传感器开始收集数据,并使用测试软件处理DAP产生火焰,压强变化曲线。在完成实验,一个空气压缩机是用来迫使任何残余废气管道部分。

实验分为四类:(1)瓦斯爆炸的传播管道部分没有商会,商会在图1取而代之的是一个直径0.2米的管道长度为0.5米;(2)瓦斯爆炸抑制使用矩形商会L0.5 m×W0.3 m×H0.2 m;(3)瓦斯爆炸抑制使用商会L0.5 m×W0.5 m×H0.2 m;和(4)瓦斯爆炸抑制使用商会L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m。

2.3。实验结果和分析
2.3.1。抑制爆炸冲击波的房间有不同的几何参数

图3显示了瓦斯爆炸冲击波的overpressure-time曲线在每个监测的瓦斯爆炸的传播实验管道部分没有使用转化室室和爆炸抑制实验。

(一)
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图3
爆炸overpressure-time曲线室进口和出口。(一)管道部分没有室;(b)商会L0.5 m×W0.3 m×H0.2 m;(c)商会L0.5 m×W0.5 m H×0.2 m;(d)商会L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m。

图3(一个)表明,在管道部分没有室,的最大超压冲击波在点P1和P2 0.3208 MPa和0.3319 MPa,分别;冲击波超压在P2的衰减率可以表示为(0.3208 - -0.3319)/ 0.3208 =−3.46%,这意味着从P1, P2,冲击波超压的增加,所以爆炸超压是在上升阶段。

很明显从图3 (b)当L0.5的室米×W0.3米×H0.2是用于实验,点P1和P2的最大超压为0.4367 MPa和0.4605 MPa,分别通过室后,爆炸超压在P2略有增加,减毒−5.45%。与管道部分没有室相比,相对超压衰减率以P1和P2可以计算为(0.3208 - -0.4367)/ 0.3208 =−36.15%(0.3319 - -0.4605)/ 0.3319 =−38.7%,分别,这实际上表明室增加爆炸超压。

图3 (c)显示,当商会L0.5 m×W0.5 m×H0.2 m用于实验,P1和P2的最大超压是0.418 MPa和0.42 MPa,分别传递室后,超压的大小不会改变明显;在P2的超压是减毒只有−0.47%。与管道部分没有室相比,相对超压衰减率在P1和P2和−−30.3%和26.5%,分别,这表明,该室造成超压的增加。

图3 (d)显示,当商会L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m, P1和P2的最大超压是0.3509 MPa和0.2927 MPa,分别和冲击波穿过室后,明显的超压衰减发生在P2,衰减率为16.58%。与管道部分没有室相比,超压衰减率在P1和P2−9.38%和11.8%,分别。虽然冲击波超压室的入口(P1)增加,冲击波超压室的出口(P2)明显减弱,这表明,该室有一个对爆炸超压衰减的影响。

这些实验的结果表明,当长度和高度恒定在0.5米和0.2米,分别室对抑制爆炸传播的效果改善室宽度的增加。当室宽度增加到0.8米,商会有抑制对爆炸冲击波传播的影响。

2.3.2。抑制爆炸火焰传播的房间有不同的几何参数

图4显示爆炸火焰的演化过程在每一个监视点的瓦斯爆炸实验管道部分没有使用不同的室室和爆炸抑制实验。火焰的大小定义为光信号的时间积分收集的火焰传感器。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图4
爆炸燃烧时间曲线在室入口和出口处标。(一)管道部分没有室;(b)商会L0.5 m×W0.3 m×H0.2 m;(c)商会L0.5 m×W0.5 m×H0.2 m;(d)商会L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m。

图4(一)实验表明,在瓦斯爆炸的管道部分没有室,火焰大小以分F1和F2 0.0613和0.0579,分别显示轻微抑制火焰的发生在F2,衰减率的5.54%。

在图4 (b)在爆炸抑制实验中,商会L0.5 m×W0.3 m×H0.2 m,火焰大小分F1和F2测量是0.0614和0.0594,分别,这意味着通过室后,火焰在F2略减,衰减率为3.26%。与管道部分没有室相比,爆炸火焰测量在这个实验是分F1和F2减毒−0.16%和2.5%,分别,这表明,火焰大小没有显著变化。

图4 (c)表明,商会L0.5 m×W0.5 m×H0.2 m,火焰大小测量分F1和F2是0.0409和0.0325,分别,这意味着通过室后,火焰在F2明显减弱,大约20.5%。与管道部分没有室相比,爆炸火焰大小点F1和F2衰减了33.27%和43.8%,分别。这么高的衰减率表明,室中使用这个实验有很强的抑制爆炸火焰传播的影响。

图4 (d)显示,当商会L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m是用于抑制火焰,火焰大小分F1和F2是0.0402和0.0204,分别,这意味着在F2火焰明显衰减,衰减率的49.2%。与管道部分没有室相比,爆炸火焰大小点F1和F2衰减了34.4%和64.7%,分别。这么高的衰减率表明,室中使用这个实验有很强的抑制瓦斯爆炸火焰传播的影响。

上述实验结果表明,当长度和高度恒定在0.5米和0.2米,分别的抑制效应室爆炸火焰传播的提高随着室宽度的增加。当室宽度0.3米,室没有抑制对火焰传播的影响;当室宽度增加到0.5米,商会有抑制对火焰传播的影响,以及进一步室宽度增加,其抑制效果增强。

3所示。数值模拟爆炸抑制室具有不同几何参数的影响

进一步探索影响室几何规则在其爆炸抑制效应,基于实验结果的数值模型建立了前一节中描述,和瓦斯爆炸传播过程的数值模拟进行了使用五种室长度,宽度,和高度为0.5米×0.3米×0.2米,0.5米×0.5米×0.2米,0.5米×0.8米×0.2米,0.3米×0.5米×0.2米,0.8米×0.5米×0.2米,分别。

3.1。几何模型和边界条件

几何模型和网格如图5。的X,Y,Z模拟区域的尺寸是36米,0.8米或0.3米或0.5米,0.2米,分别和网状细胞的数量在相应方向上是1800,40(或15或25),10。在这个模型中,11米长的爆段是左边的模型;爆炸段管道充满沼气空气预混合的10%气体的混合物。传播模型的段是在右边。传播部分长22.5米,由一个管的外径0.2米,一个矩形。这两个监测点压力P1和P2位于距离为13.25米(0.25室的入口)和13.75 +x米(0.25室的出口,x室的长度沿X从点火电极分别设在)。


图5
几何模型和啮合。

模型的初始条件如下:初始压力、初始密度梯度,和管道的初始温度0.1 MPa, 0和293 k。模型的边界条件如下:管道内壁,商会允许绝热无滑移流动。

3.2。数学模型和数值方法

模型是基于以下假设:瓦斯爆炸是理想气体的绝热膨胀过程;瓦斯爆炸反应被认为是一个单步可逆过程;忽略热辐射;和之间的流固耦合效应影响流动和固体内壁被忽略。

瓦斯爆炸过程满足能量守恒的条件,质量和动量方程,以及湍流动能的湍流能量耗散率,燃料组件和混合组件方程,都可以用一个统一的形式表示为(21] 在哪里 是时间, 是密度, 是一个普通变量, 是一个不稳定的术语, 的速度分量吗 - - - - - -方向, 代表了空间坐标( = 1、2、3、…) 是一个对流项, 交换流量系数 , 是有效的粘度, 普朗特数, 是一个扩散项, 是能量源项。

在数值模拟中,k-ɛ湍流模型用于处理湍流燃烧过程;墙面函数采用治疗流场靠近墙的变化区域。控制体积积分法,交错网格的方法,和semi-implicit方法有关的压力方程(简单的)算法是用来解决压力速度耦合基于种族隔离的方法;增量法和后向差分法被用来控制方程的离散化化学反应,材料结构领域和化学流场(22]。

3.3。数值模拟结果

图6显示了爆炸overpressure-time曲线测量在每个监测的管道部分没有室和转化室;冲击波超压和衰减率的最大值在每个监控表中列出1。

表1
最大超压和超压衰减率在每个监测的管道部分没有室和不同。

将实验结果与数值模拟结果进行比较,实验测量超压在每一个监视点略大于模拟同行。这是因为传播之间的聚乙烯薄膜安装在实验段和爆轰段;湍流时生成的膜坏了加速反应。同时,由于加工工艺的限制,管道和室的内壁以及连接关节不光滑,平坦。由于这些原因,超压大于实验值的模拟值。然而,实验结果和仿真结果表明爆炸超压传播趋势一致。

(一)
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(c)
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图6
爆炸overpressure-time曲线室进口和出口。(一)管道部分没有室;(b)商会L0.3 m×W0.5 m×H0.2 m;(c)商会L0.5 m×W0.3 m×H0.2 m;(d)商会L0.5 m×W0.5 m×H0.2 m;(e)商会L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m;(f)商会L0.8 m×W0.5 m×H0.2 m。
3.3.1。抑制冲击波传播的不同宽度的钱伯斯恒定的长度为0.5米和0.2米的高度

从表1和数字6(一),6 (c)- - - - - -6 (e),它可以观察到当商会L0.5 m×W0.3 m×H0.2 m,超压的衰减率通过商会−3.85%。此外,相比之下,管道截面上的相应位置没有室,室入口的瓦斯爆炸超压衰减比P1和P2和−−36.19%出口38.04%,分别,这表明,该商会提高爆炸冲击波的传播。当商会L0.5 m×W0.5 m×H0.2 m,通过商会后超压衰减率0.88%,并与管道部分没有室,进口P1和出口P2的衰减率和−−30.40%和26.15%,分别,这表明,该商会提高冲击波的传播。当商会L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m,传递室后的超压衰减率为13.73%,并与管道部分没有室,P1和P2的衰减率是−6.16%和10.61%,分别。虽然冲击波超压室的入口是略有增加,燃烧室出口明显较弱,这表明这对爆炸超压室有抑制作用。

上述结果表明,当长度和高度恒定在0.5米和0.2米,分别其爆炸抑制效果改善室宽度的增加;室宽度增加到0.8米时,商会可以有效地抑制爆炸冲击波的传播。数值模拟结果和实验结果是一致的,这意味着数值模型是可靠的。

3.3.2。抑制变长室的冲击波传播常数宽度为0.5米和0.2米的高度

从表1和数字6(一),6 (b),6 (d),6 (f)室的,它可以观察到,L0.3 m×W0.5 m×H0.2 m,超压衰减−0.64%经过室,并与管道部分没有室,冲击波超压在进口P1−17.46%和出口P2是减毒−16.01%,这表明,该室增强冲击波的传播。室的L0.5 m×W0.5 m×H0.2 m,超压衰减0.88%经过室,并与管道部分没有室,超压在P1是减毒−30.40%,P2,超压衰减−26.15%,这表明该室也增强了爆炸冲击波的传播。室的L0.8 m×W0.5 m×H0.2 m,通过商会后超压衰减率8.77%,并与管道部分没有室,超压衰减−33.74%在P1和P2−14.16%,这也表明,该室增强冲击波的传播。

这些结果表明,当室高度和宽度恒定在0.2米和0.5米,分别室有一个在进口,加强对冲击波的影响和冲击波超压增加随着长度的增加。超压的增感效应更强室出口和较弱的入口,并随着长度的增加,冲击波超压先增加然后减少。因此,三种类型的房间以一个恒定的高度0.2米,宽度0.5米不有效地抑制爆炸冲击波的传播。

4所示。室几何参数对爆炸传播的抑制效果及其机理分析

爆炸火焰的传播和预混合的气体室可以从数值模拟获得。图7显示爆炸火焰的传播过程在不同的钱伯斯在某些时刻;传奇的色彩最右侧显示了火焰温度。图8显示了混合气体的传播在室乘以对应的图7;颜色栏最右侧显示甲烷的质量分数。从数据很明显7和8的预混合的气体进入室内的脉冲下火焰前驱冲击波。由于突然膨胀的传播空间,预先混合气体消散在冲击波的作用下室和进步迅速的传播方向相同。消散的天然气发展湍流冲击波的作用下,和一些由室的空气稀释并立即点燃的火焰。这导致内部爆炸室,二次爆炸产生的冲击波撞击的初始冲击波,然后传播室(23]。因此,二次冲击波的强度直接影响到爆炸的抑制效应室,和次生冲击波的强度是由甲烷消耗的数量在室。

(一)
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(b)
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图7
在室内爆炸火焰的传播,不同的几何参数。(一)不同宽度的钱伯斯(0.2米高,0.5米长);钱伯斯(b)变长(高0.2米,宽0.5米)。
(一)
(一)
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图8
在室内传播的预混合的甲烷,不同的几何参数。(一)不同宽度的钱伯斯(0.2米高,0.5米长);钱伯斯(b)变长(高0.2米,宽0.5米)。

图9显示甲烷质量浓度随时间变化的测量在不同房间的插座。时间积分值可以用来描述预拌后的剩余数量的甲烷气体穿过室。因此,甲烷的残留量的钱伯斯L0.3 m×W0.5 m H×0.2 m, L0.5 m×W0.3 m×H0.2 m, L0.5 m×W0.5 m H×0.2 m, L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m和L0.8 m×W0.5 m×H0.2 m是0.09337,0.07571,0.07615,0.11193,和0.04318,分别。因为相同数量的甲烷进入每一室,如果有剩余数量的减少甲烷气体混合物通过室后,然后是更多的甲烷反应室,大爆炸将能量释放,和一个更强大的爆炸冲击波将生产。图9(一个)显示,当0.5米长度不变,随着室宽度的增加,甲烷的残留量室出口逐渐增加;例如,通过商会L0.5 m×W0.5 m×H0.2 L0.5 m×W0.8 m×H0.2 m,次要沼气空气混合出现,但其质量分数低于爆炸下限。后的原因是预拌沼气空气气体进入室内,部分预混合的气体稀释了空气室中,使其失去爆炸性的特点。随着室宽度的增加,甲烷的反应室的数量减少;因此,二次冲击波产生的反应减弱。此外,爆炸减压的能力室与室宽度的增加迅速增加,所以当美国商会的救援能力足以容纳第二冲击波,室有一个爆炸抑制效果。因此,当室宽度增加到0.8米,商会可以有效地抑制爆炸冲击波的传播。很明显从图9 (b)当0.5室宽度是固定的,随着长度的增加,预混合的气体参与的数量内的化学反应室逐渐增加,和腔内的二次冲击波扩张。同时,尽管爆炸减压室的能力迅速增加其长度的增加,其救助能力还不足以抑制次生冲击波产生的化学反应在室。因此,所有的三室不同长度和一个常数的宽度0.5米是有效地抑制从气体爆炸冲击波的传播。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
甲烷质量浓度的出口具有不同几何参数。(一)不同宽度的钱伯斯(0.2米高,0.5米长);钱伯斯(b)变长(高0.2米,宽0.5米)。

5。结论

(1)在这项研究中,一个实验包括三种类型的钱伯斯固定高度和长度和可变宽度(长度、宽度和高度为0.5米×0.3米×0.2米,0.5米×0.5米×0.2米,0.5米×0.8米×0.2米,分别)进行了以下的结果。钱伯斯在爆炸冲击波的抑制效果改善室宽度的增加;室宽度增加到0.8米时,抑制爆炸冲击波的传播。此外,火焰的抑制效应室与室宽度的增加也提高了;室宽度增加到0.5米时,室有抑制火焰传播的影响。(2)数值模拟这一研究获得的结果如下:当室高度和长度恒定在0.2米和0.5米,分别爆炸的抑制效应室与室宽度的增加改善;室宽度增加到0.8米时,超压室出口减10.61%,表明室有影响抑制爆炸冲击波的传播,这与本研究的实验结果是一致的。当室高度和宽度恒定在0.2米和0.5米,分别随着室宽度的增加,超压抑制效应在室出口先增加,然后降低。室宽度增加到0.8米时,在出口超压衰减−14.16%,这表明,美国商会不会抑制冲击波的传播。(3)使用爆炸火焰的传播过程的数值模拟和预拌沼气空气气体在不同的房间,室几何在爆炸抑制的影响机制进行了分析。发现当室的高度和长度是固定在0.2米和0.5米,分别随着室宽度的增加,甲烷混合物的数量参与内部的化学反应室逐渐减少,因此,二次室削弱冲击波。与此同时,随着室宽度的增加,爆炸减压室的能力迅速增加。爆炸减压时,足以容纳第二冲击波,商会对爆炸冲击波有抑制作用。当室高度和宽度是固定在0.2米和0.5米,分别随着长度的增加,预混合的气体参与的数量内的化学反应室逐渐增加,和二次爆炸冲击波在室也增加。虽然爆炸减压室的能力与长度的增加迅速增加,这是不足以抑制次生冲击波在腔内的化学反应生成;因此,室内没有爆炸抑制效果。

数据可用性

获得的数据可以通过联系Shujie元Chaominμ((电子邮件保护))。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。

确认

这项工作是支持由中国自然科学基金会(52074012和52074012号),安徽省教育部门(没有。KJ2020A0323),能源研究所、合肥综合国家科学中心(没有。19 kzs203)。