大尺度条件下甲烷—空气和煤尘—空气混合及爆炸特性研究

【摘要】：甲烷爆炸或甲烷-煤尘爆炸是煤矿井下爆炸事故的主要形式，受到社会的广泛关注。甲烷-空气混合物、煤粉-空气混合物的混合过程与爆炸特性是爆炸事故发生的基础问题，因此开展此项研究工作具有重要理论意义和现实意义。 本文利用以大尺寸密闭容器10m3爆炸罐为主体的多元气体混合及浓度监测实验系统；通过系统性实验，研究了进气装置结构尺寸、进气速率及不同进气压差等因素对甲烷-空气二元混合效果的影响，结果表明，当进气系统开孔直径为1.5mm、开孔间距为100mm、进气速率控制在8m3/h和初始真空度为-0.04MPa时，气体混合效果达到最佳状态。 在甲烷-空气快速均匀混合的条件下，对大尺寸密闭容器10m3爆炸罐内甲烷在空气中的爆炸极限进行了测试，通过压力发展和光学测试相结合的评判标准，按照一定程度“绝对安全”的理念，确定10m3爆炸罐内甲烷在空气中的不爆炸下限为5.5%，不爆炸上限为15.5%。在对甲烷空气混合物燃爆压力波形分析后发现，接近甲烷爆炸下限浓度处存在三种压力波形式且存在前导弱压力波和二次发展形成的燃烧波共存的状态。 基于爆炸波驱动固体颗粒抛撒的相关理论及基础研究成果，建立了适用于大尺寸空间内煤粉云团均匀稳定形成的方法。通过系统实验，对爆炸波驱动煤粉抛撒的过程进行动态分析，发现煤尘云团边界层速度呈现三个运动阶段：加速、减速和湍流阶段；通过分析不同驱动能量对煤粉云团的边界速度及云团体积的影响，发现在本实验条件下，中心药量的增加并不能获得较大的云团体积，可以获得较大的初始边界运动速度；当中心药质量百分比为1.3%时，煤粉量范围在320g到1110g之间的抛撒形成云团体积均达到最大值。 利用AutoReaGas软件模拟研究了巷道内甲烷浓度、甲烷积聚区位置、障碍物阻塞比、初始压力、初始温度等因素对甲烷-空气混合物爆炸特征参数的影响；对比分析了甲烷-空气和甲烷-煤粉-空气混合物爆炸特征参数。结果发现，有煤粉参与的燃烧爆炸混合物的爆炸超压更大，最大超压出现的位置更靠近点火源。 上述取得的大尺度条件下甲烷及煤尘空气中混合与爆炸特性研究的成果，为煤矿井下爆炸预防和控制打下了基础。 【关键词】：爆炸驱动 气体混合 爆炸极限 冲击波 数值模拟 甲烷爆炸
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.7
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 插图和附表11-14
• 第1章 绪论14-26
• 1.1 本文选题背景和意义14-15
• 1.2 国内外研究进展15-24
• 1.2.1 二元或多元气体混合的研究综述15-18
• 1.2.2 甲烷-空气混合物爆炸的研究综述18-20
• 1.2.3 爆炸波驱动固体颗粒抛撒的研究综述20-22
• 1.2.4 甲烷-空气、甲烷-煤粉-空气混合物爆炸的数值模拟研究综述22-24
• 1.3 本文的主要研究内容24-26
• 第2章 大尺寸密闭容器条件下甲烷与空气的混合过程研究26-56
• 2.1 引言26
• 2.2 气体混合实验系统建立26-34
• 2.2.1 10m3爆炸罐系统27-28
• 2.2.2 进气混合系统28-29
• 2.2.3 采样与浓度检测29-32
• 2.2.4 实验流程32-34
• 2.2.5 适用于大尺寸密闭空间内气体混合标准34
• 2.3 大尺寸密闭空间内甲烷和空气混合的实验结果与分析34-54
• 2.3.1 不同开孔孔径条件下甲烷-空气混合过程研究35-40
• 2.3.2 不同开孔间距条件下气体混合过程研究40-43
• 2.3.3 不同初始真空度下气体混合过程实验研究43-48
• 2.3.4 不同进气速率下气体混合过程的实验研究48-52
• 2.3.5 气体混合效果的重复性实验研究52
• 2.3.6 不同浓度甲烷与空气的混合结果52-54
• 2.4 本章小结54-56
• 第3章 近爆炸下限处甲烷-空气混合物爆炸特性研究56-82
• 3.1 引言56
• 3.2 爆炸实验系统建立56-62
• 3.2.1 点火系统57-59
• 3.2.2 电测系统59-62
• 3.2.3 光测系统62
• 3.3 大尺寸密闭空间内甲烷-空气混合物的爆炸极限测试62-66
• 3.3.1 大尺寸密闭空间内气体爆炸极限判定方法62-64
• 3.3.2 甲烷的爆炸极限测试结果64-66
• 3.4 近爆炸下限值处甲烷-空气混合物的爆炸特性研究66-80
• 3.4.1 大尺寸密闭空间内轴向超压的发展过程66-70
• 3.4.2 大尺寸密闭空间内径向超压的发展过程70-73
• 3.4.3 不同甲烷浓度下轴向爆燃参数的发展73-77
• 3.4.4 甲烷浓度对爆炸参数的影响77-80
• 3.5 本章小结80-82
• 第4章 爆炸波驱动下煤粉抛撒成云的规律研究82-101
• 4.1 引言82
• 4.2 爆炸波驱动煤粉抛撒的理论分析82-87
• 4.2.1 中心装药的作用过程分析82-86
• 4.2.2 爆炸驱动后煤粉在空气中的速度衰减分析86-87
• 4.3 煤尘抛撒实验系统建立87-92
• 4.3.1 实验场地布置88-89
• 4.3.2 实验样品89-91
• 4.3.3 实验装置设计91
• 4.3.4 实验条件91-92
• 4.4 爆炸波驱动煤粉抛撒的运动过程分析92-94
• 4.5 驱动能量对煤尘抛撒效果的影响94-99
• 4.5.1 驱动能量对煤尘云团边界速度的影响94-96
• 4.5.2 驱动能量对煤尘云团体积的影响96-99
• 4.6 煤粉云团浓度与抛撒煤粉量及中心驱动药量的关系模型99
• 4.7 本章小结99-101
• 第5章 大尺寸密闭空间内甲烷-空气、甲烷-煤粉-空气混合物爆炸数值模拟研究101-128
• 5.1 引言101
• 5.2 密闭空间内气相及气固两相爆炸的理论基础101-108
• 5.2.1 控制方程组101-102
• 5.2.2 燃烧模型102-104
• 5.2.3 数值方法104
• 5.2.4 气-固两相反应模型104-105
• 5.2.5 数学模型假设及基本控制方程组105-108
• 5.2.6 模拟软件介绍108
• 5.3 甲烷-空气混合物爆炸过程数值模拟研究108-120
• 5.3.1 甲烷浓度对甲烷-空气混合物爆炸参数的影响108-110
• 5.3.2 甲烷积聚位置对甲烷空气混合物爆炸参数的影响110-112
• 5.3.3 障碍物阻塞比对甲烷-空气混合物爆炸参数的影响112-115
• 5.3.4 初始压力对甲烷-空气混合物爆炸参数的影响115-118
• 5.3.5 初始温度对甲烷-空气混合物爆炸的影响118-120
• 5.4 甲烷-煤粉-空气混合物爆炸数值模拟研究120-126
• 5.4.1 数值计算方法修正120-123
• 5.4.2 配比不同甲烷浓度对混合物爆炸过程的影响123-124
• 5.4.3 配比不同煤粉浓度对混合物爆炸过程的影响124-125
• 5.4.4 甲烷-空气、甲烷-煤粉-空气混合物爆炸对比125-126
• 5.5 本章小结126-128
• 第6章 结论128-131
• 6.1 本文的主要研究结论128-129
• 6.2 本文的主要特色与创新129-130
• 6.3 本文不足与研究展望130-131
• 参考文献131-138
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单138-139
• 致谢139-140
• 作者简介140

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